Herramienta de cálculo para el dimensionamiento y diseño de sistemas de helófitas en flotación

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  • El Dr. Joan García, director del GEMMA de la UPC, con la colaboración del departamento científico de la empresa privada QuarQ Enterprise SA, ha hecho posible que ya se disponga de una herramienta de cálculo seria y eficiente para el dimensionamiento y diseño de los sistemas de helófitas en flotación en la depuración extensiva de aguas residuales.

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Durante los últimos años se ha demostrado que los sistemas naturales de depuración de aguas residuales son una alternativa sostenible y de bajo coste frente a sistemas convencionales, generalmente basada en tratamientos de fangos activados de carácter mucho más intensivo. Estos sistemas naturales, también llamados extensivos, resultan de especial interés en poblaciones pequeñas y medianas que no cuentan con sistemas de depuración, o bien éstos se encuentran obsoletos y no alcanzan los objetivos de calidad exigidos en los actuales requerimientos legales. Además, muchos de estos núcleos urbanos suelen encontrarse en zonas rurales, algunas con alto valor ecológico. Por tanto, el tratamiento adecuado y fiable de las aguas residuales se hace indispensable.

Planta experimental en Villafranco del Guadiana

Quarq Enterprise S.A. es una compañía sensible a esta problemática ha desarrollado una línea de negocio a través de tecnología basada en la fitorremediación. En concreto, se trata de un sistema extensivo de tratamiento mediante tamices de plantas helófitas en flotación, el “Sistema aQuarQ”. Esta tecnología combina una estructura de soporte patentada, AQ3M, con tres variedades únicas de plantas del género Typha sp. (conocidas como enea). Estas herbáceas acuáticas, emergentes en gran proporción por encima del nivel del agua, captan el oxígeno de la atmósfera y lo transfieren a los rizomas y las raíces, que llegan a formar un tamiz de 0.75 m de espesor por debajo del nivel del agua, creando así un ambiente aerobio rico en oxígeno. Estas condiciones permiten el desarrollo sobre el sistema rizomático de una biopelícula con gran variedad de bacterias aerobias con alta capacidad de degradación de materia orgánica. A su vez, coloides y materia en suspensión son eliminados por filtración y adsorción en el sistema radicular, y por sedimentación en las balsas. Hoy en día todavía no se conoce en detalle el funcionamiento y contribución individual de los diferentes mecanismos de eliminación de contaminantes. Es por este motivo que Quarq Enterprise ha optado por lanzar ambiciosos proyectos de I+D que permitan avanzar en la compresión de estos procesos y permitan que la tecnología sea más predictiva.

Los sistemas naturales de depuración de aguas residuales son una alternativa sostenible y de bajo coste frente a sistemas convencionales

Para tal fin, Quarq Enterprise cuenta con una planta experimental de referencia en Villafranco del Guadiana (Badajoz), la cual recibe agua pre-tratada de la EDAR de dicho municipio. La planta consta de tres balsas con helófitos en flotación, cada una de diferente tamaño y en las que se pueden controlar profundidad, caudales y tiempos de retención. Todo ello permite obtener datos de funcionamiento de gran calidad, que han sido utilizados a través de un convenio de investigación con el grupo GEMMA de la Universidad Politécnica de Cataluña-BarcelonaTech (UPC) para desarrollar una herramienta de diseño.

En la práctica actual, el dimensionamiento y diseño de estos sistemas está basado en la experiencia anterior y en reglas de cálculo de superficie unitaria, a veces no suficientemente contrastadas. Es por ello que el objetivo principal del estudio encargado a la UPC fue desarrollar un modelo matemático capaz de caracterizar el funcionamiento interno de estos sistemas, para finalmente realizar un desarrollo matemático simplificado que permita dimensionar y diseñar esta tecnología.

Joan García, director del GEMMA de la UPC

La primera etapa del trabajo de investigación se centró en conocer el comportamiento hidrodinámico de las balsas. Para ello se realizaron estudios consistentes en inyectar un trazador (bromuro) a la entrada y medir su concentración a la salida de las balsas. El bromuro es utilizado con frecuencia dada su alta estabilidad y a que no produce ninguna contaminación en el volumen de agua estudiado. En definitiva, se trataba de averiguar el grado de dispersión del trazador dentro de las balsas. Gracias a estos ensayos se observó que el comportamiento hidrodinámico de las balsas se podía simular con el modelo de flujo de pistón con dispersión. Estos ensayos permitieron además estimar parámetros que también ayudaron a definir el comportamiento hidráulico de las balsas: el tiempo de retención real, el tiempo de demora, que es el que tarda el trazador en alcanzar la salida por primera vez, o la tasa de recuperación del trazador. Simultáneamente, se realizaron análisis diarios de DBO5 y de otros contaminantes a la entrada y salida de la balsa. Estos análisis se utilizaron para la construcción de un modelo cinético.

Esta herramienta supone un avance en el conocimiento de los sistemas de balsas de helófitos y favorecerá su implantación como tecnología consolidada

El acople final del modelo hidrodinámico y del cinético permitió desarrollar un modelo de simulación global, el cual se construyó en el software COMSOL Multiphysics. Este software resuelve las ecuaciones constitutivas mediante el método de los elementos finitos. A partir del modelo de simulación global se obtuvo un modelo de simulación simplificado que presenta buenas aproximaciones a los resultados del modelo global y que constituye una herramienta de cálculo muy práctica de los sistemas de depuración mediante tamices de helófitos en flotación.

La herramienta de cálculo pide una serie de variables a introducir: el caudal de entrada y salida de la balsa, la concentración de entrada y salida del parámetro de interés (por ejemplo DBO5), y la profundidad. La variable a verificar es el tiempo de permanencia del agua a tratar en la balsa, que se habrá de ir modificando hasta obtener el ajuste deseado en el modelo. En este caso, la herramienta se ha utilizado para dimensionar balsas para la eliminación de DBO5. El modelo también se puede calibrar para dimensionar balsas que permitan eliminar otros contaminantes, como por ejemplo el nitrógeno o metales pesados.

La colaboración la científica entre universidad-empresa ha hecho posible que se incremente el número de soluciones naturales, eficientes y contrastadas

La herramienta de dimensionamiento desarrollada es un elemento simplificado de alta fiabilidad para el diseño de futuras balsas de helófitos. Se presenta en formato EXCEL, un programa de fácil utilización y acceso que permite la realización de numerosos ensayos de prueba y error. Esta herramienta supone, por tanto, un claro avance en el conocimiento científico y técnico de los sistemas de balsas de helófitos y, lógicamente, va a favorecer su implantación como tecnología consolidada.

Una vez más, la colaboración la científica entre universidad-empresa ha hecho posible que se incremente el número de soluciones naturales, eficientes y contrastadas científicamente para los más de 6.000 municipios pequeños españoles que en la actualidad vierten sus aguas sin ningún tipo de tratamiento a cauce público.

Esta colaboración seguirá activa en el nuevo proyecto INTRATEX que estudiará la aireación artificial como la mejora del sistema extensivo de tamices de helófitas en flotación y en la modelización de dicho sistema para la eliminación de amonio y metales pesados.

Por Mª Jesús García, Cristina Àvila, Joan García, Vicente Vasco y Javier Carbonell.

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