Donde:
Ce: concentración de sólidos en suspensión en el efluente (mg/l)
C0: concentración de sólidos en suspensión en el influente (mg/l)
CHS: carga hidráulica superficial (cm/d), que se calcula haciendo uso de la expresión siguiente:
Ecuación 12.7. Cálculo de la Carga Hidráulica Superficial
Q: caudal del influente (m3/d) S: superficie del humedal (m2)
Hay que considerar que ésta ecuación se debe aplicar en las condiciones en las que se obtuvo, es decir, para cargas hidráulicas entre 0,4 y 0,75 cm/día, y que valores fuera de este rango pueden dar resultados incorrectos (Crites et al.,2006).
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12.2.3. Modelo de diseño para la remoción de nitrógeno
La fuente principal de oxígeno para la nitrificación en este tipo de humedales es la reaireación atmosférica de la superficie del agua, aunque el humedal no es profundo, la mayoría del líquido está en condiciones anaerobias. La nitrificación se llevará a efecto en la parte cercana a la superficie del agua y la desnitrificación es posible que ocurra en el resto del líquido (Crites et al., 2006)
La temperatura influye de diversas maneras, desde las reacciones biológicas, tanto de nitrificación como de desnitrificación, que son dependientes de la temperatura, hasta la solubilidad del oxígeno en el agua. La mayor fuente de carbono para la desnitrificación es la capa de restos de vegetación que se encuentra sumergida y la DBO del agua residual.
Nitrificación
El modelo de diseño propuesto por estos autores asume que la remoción de amoniaco se da completamente por la vía de la nitrificación y no se le da importancia a la correspondiente a la asimilación por las plantas, ya que estas normalmente no se cosechan.
Para temperaturas del agua de 10 ºC o más, la dependencia de la temperatura del proceso de nitrificación es menor que la del proceso de remoción de DBO, pero a temperaturas menores de 10 ºC, la dependencia es tremendamente alta. (Lara, 1999). Las formas generales de las ecuaciones (9.7), (9.8), (9.9) y (9.10) son aplicables para el diseño de la remoción de amoniaco en HHAA FS. Las ecuaciones (12.8) y (12.9) son la (9.7) y la (9.11) expresadas en términos de concentraciones de amoniaco.
Ecuación 12.9. Área Superficial HHAA FS en el modelo nitrificación de Reed.
Donde:
AS = Área superficial del humedal
Ce = Concentración de amoniaco en el efluente, mg/l
Co = Concentración de NTK en el afluente, mg/l
KT = Constante dependiente de la temperatura, d-1
=0 d-1 (0ºC) =0,1367(1,15)(T-10), d-1 (1-10º C) =0,2187(1,1048)(T-20), d-1 (+10º C)
n = Porosidad del humedal, 0,65-0,75 t = Tiempo de retención hidráulico, d. y = Profundidad del agua en el humedal, m
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La constante (KT) para temperaturas entre 0 y 1 ºC se determina por interpolación
(KT=0,0389 a 1 ºC).
Cuando se diseña el humedal para la remoción conjunta de amoniaco, la ecuación (12.5) se usa para determinar el área requerida para la remoción de DBO y la ecuación (12.8) se usa para la remoción de amoniaco. El área a usar para el diseño será la mayor de las dos y no la suma.
En muchas situaciones cuando prevalecen límites muy severos de amoniaco, la ecuación (12.9) requerirá un área mayor que en el caso de la (12.5); en este caso la remoción esperada de DBO debería ser calculada para reflejar el efecto de este aumento en el área final del sistema (Crites et al., 2006)
La ecuación (12.8) requiere por lo general un TRH de entre 7 y 12 días para alcanzar unos límites estrictos en la salida de amoniaco en condiciones de verano e incluso mayores para las bajas temperaturas de invierno (Lara, 1999)
Desnitrificación
La ecuación anterior tenía en cuenta solamente la conversión de amoniaco en nitrato, y servía para calcular el área requerida para un determinado nivel de conversión. En la actualidad la remoción de nitrógeno es un requerimiento de proyecto, por tanto, es necesario considerar los requerimientos para la desnitrificación y el tamaño del humedal acorde con ellos.
En general, mucha de la producción de nitrato de un HHAA FS puede desnitrificarse y ser removida dentro del área prevista para la nitrificación sin necesidad de proporcionar ninguna fuente de carbono adicional.
El modelo de diseño propuesto por Reed para estimar la remoción de nitratos vía desnitrificación corresponde a las ecuaciones (12.10) y (12.11) (Reed et al, 1995).
Ecuación 12.11. Área Superficial HHAA FS en el modelo desnitrificación de Reed.
Donde:
AS = Área superficial del humedal, m2
Ce = Concentración de nitratos en el efluente, mg/l
Co = Concentración de nitratos en el afluente, mg/l
KT = Constante dependiente de la temperatura, d-1
= 0 d-1 (0ºC) =1,00(1,15)(T-20), d-1 (+1º C)
n = Porosidad del humedal, 0,65-0,75 t = Tiempo de retención hidráulico, d. y = Profundidad del agua en el humedal, m Q = Caudal medio a través del humedal, m3/d
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La concentración de nitratos en el afluente (Co) usada en las ecuaciones (12.10) y
(12.11) es la diferencia entre las concentraciones de entrada y salida determinadas con la ecuación (12.8). Como la ecuación (12.8) determina el amoniaco que queda en el sistema después de la nitrificación en el humedal, sería conservador asumir que la diferencia (C0-Ce) está disponible como nitrato.
La constante de desnitrificación entre 0º C y un 1ºC puede determinarse mediante interpolación (KT=0,023 a 1 ºC). Para efectos prácticos la desnitrificación es
insignificante a estas temperaturas (Crites et al., 2006).
La ecuación (12.11) nos da el área superficial requerida para la desnitrificación. Esta área de desnitrificación no se adiciona a la calculada para nitrificar y que se determinó en la ecuación (12.9) y podría ser menor o igual a ésta, dependiendo de las concentraciones de nitratos a la entrada en el agua residual antes del tratamiento así como de la temperatura del agua.
Nitrógeno total
Cuando la desnitrificación es requerida es porque se tiene un límite de descarga para el nitrógeno total (NT). El nitrógeno total en el efluente del sistema es la suma de los valores obtenidos en las ecuaciones (12.8) y (12.10). La determinación del área requerida para alcanzar el nivel específico de NT en el efluente es un proceso iterativo por medio de las ecuaciones (12.9) y (12.11) (Crites et al., 2006):
1. Se asume un valor para el amoniaco residual (Ce) y se resuelve la ecuación
(12.9) para obtener el área requerida para nitrificación, determinándose así el TRH para el sistema.
2. Tomar (Co – Ce) como el nitrato producido por la nitrificación y usar este valor
como el del afluente en la ecuación (12.10). Determinar la concentración de nitratos en el efluente con la ecuación antes mencionada (12.10).
3. La concentración de nitrógeno total en el efluente es la suma de los valores de Ce obtenidos en las ecuaciones (12.8) y (12.10). En el caso de que no se
haya alcanzado el valor adecuado de NT se debe hacer otra iteración. 12.2.4. Modelo de diseño para remoción de fósforo
Basándose en el análisis de los datos de la North American Data Base, Reed propuso una constante de primer orden igual a 10 m/año para estimar la remoción de fósforo en un sistema de humedales artificiales. Los 10 m/año son equivalentes a un promedio diario de 2,74 cm/d que es lo que se usa en la ecuación (12.12) (Crites et al., 2006)