Clogging in horizontal subsurface flow constructed wetlands: mesures, design factors and prevention strategies

Abstract

Constructed wetlands are alternative systems to conventional wastewater treatment for small communities (up to 2000 PE). This is mainly due to that operation and maintenance costs are reduced. Despite the advantages, the clogging of the bed is the most important trouble encountered by the managers of subsurface flow wetlands treatment systems. The solids accumulation in the interstitial spaces of the gravel over time causes the decrease of both, hydraulic conductivity and porosity. This leads in the development of preferential paths and short-circuiting of the water through the wetland, which converge in overland flow and contaminant removal efficiency decrease. Therefore, clogging is the main limiting factor of the life span of a subsurface flow constructed wetland. The strategies to reverse clogging imply important economic investments. Generally, the most widespread option is the replacement of gravel. Hence the need to measure realibly the degree of clogging of a system in order to identify the factors that influence this phenomenon and to search new configurations and strategies to delay its progress, thus operations needed to reverse it. Therefore, the aims of this thesis must contribute to establish new design criteria and operation of horizontal subsurface flow constructed wetlands to minimize clogging processes without reducing the contaminant removal efficiency. Then, the objectives were to compare a method to measure hydraulic conductivity in situ, based on falling head permeameter, in order to determine the state of clogging of wetlands and its horizontal distribution; to determine the most suitable indicator to assess clogging in horizontal subsurface flow wetlands; to identifie new design and operation parameters likely to cause or encourage the clogging of the filter medium; and to analyse two new configurations in a pilot scale system in terms of contaminant removal and clogging development. Among the different clogging indicators analysed (drenable porosity, hydraulic conductivity, accumulated solids and effective volume from a tracer test), hydraulic conductivity seems to be the best one. Firstly, because hydraulic conductivity provides information about the hydraulic behaviour inside the bed, and linked appropriately with the accumulated solids (a correlation of 74.5% was found between both indicators). Secondly, because its application in full-scale wetlands is more straightforward than other techniques.

Los humedales construidos son una alternativa al tratamiento convencional de agua residual para pequeños municipios (hasta 2000 hab-eq) ya que son fáciles de operar y mantener y tienen un coste de explotación bajo. El mayor inconveniente a que se enfrentan los explotadores de sistemas de tratamiento con humedales subsuperficiales es la colmatación del lecho. Con el tiempo, la acumulación de sólidos de diversa naturaleza en los espacios intersticiales del medio filtrante, provoca la disminución de la conductividad hidráulica y la porosidad iniciales de la grava. Esto conduce al desarrollo de caminos preferenciales y cortocircuitos en el curso del agua que convergen en la aparición de agua en superficie. A la larga, esto puede comprometer la capacidad depurativa del sistema. Por ello, la colmatación supone el factor limitante de la vida útil de un humedal construido. Las estrategias para solventar la colmatación, una vez se ha producido, son costosas y pasan por realizar inversiones no despreciables. Generalmente la opción más extendida es el cambio del material granular. De ahí la necesidad de medir, de manera fiable, en qué grado un sistema está colmatado, identificar los factores que influyen en el fenómeno e indagar en nuevas configuraciones y estrategias que permitan retrasar el avance de la colmatación y consigo, aplazar las intervenciones necesarias para devolver al sistema un estado óptimo de funcionamiento. Los objetivos de esta tesis doctoral han de contribuir a establecer nuevos criterios de diseño y operación de humedales construidos de flujo subsuperficial horizontal para minimizar, o cuanto menos retrasar, la colmatación de estos sistemas, sin mermar la eficiencia de eliminación de contaminantes del agua residual. Por ello, los objetivos son cuantificar la precisión y exactitud de un método de medición in situ de la conductividad hidráulica, basado en el permeámetro de carga variable, para la determinación del grado de colmatación de un lecho y la distribución horizontal de la misma; estudiar la idoneidad de diferentes indicadores de la colmatación de un humedal de flujo subsuperficial horizontal; evaluar la incidencia de diferentes factores de diseño y operación de humedales de flujo subsuperficial horizontal en el proceso de la colmatación; y caracterizar (en términos de eficiencia de eliminación de contaminantes y de evolución de la colmatación) dos nuevas configuraciones de humedales construidos a escala piloto.

Els aiguamolls construïts són una alternativa al tractament convencional d’aigua residual per a petits municipis (fins 2000 hab-eq) degut, principalment, a la facilitat en llur operació i manteniment y a les reduïdes despeses d’explotació. L’inconvenient més important amb què es troben els explotadors de sistemes de tractament amb aiguamolls subsuperficials és la colmatació del llit. Al llarg del temps, l’acumulació de sòlids de diversa natura en els espais intersticials de la grava, provoca la disminució de la conductivitat hidràulica i la porositat inicials. Això condueix al desenvolupament de camins preferencials i curtcircuits en el curs de l’aigua a través de l’aiguamoll, que convergeixen en l’aparició d’aigua en superfície, i que, a llarg termini pot comprometre la capacitat depurativa del sistema. Per això, la colmatació suposa el factor limitant de la vida útil d’un aiguamoll construït. Les estratègies per a fer front a la colmatació, un cop s’ha produït, passen per realitzar inversions econòmiques gens menyspreables. Generalment, l’opció més extesa és la reposició del material granular. D’aquí neix la necessitat de mesurar, de manera fiable, el grau de colmatació d’un sistema, d’identificar aquells factors que influeixen en el fenomen y qüestionar noves configuracions y estratègies que permetin retardar l’avenç de la colmatació, i per tant ajornar les intervencions necessàries per tornar al sistema a l’estat òptim de funcionament. Per tot això els objectius d’aquesta tesi doctoral han de contribuir a establir nous criteris de disseny i operació d’aiguamolls construïts de flux subsuperficial horitzontal per tal de minimitzar la colmatació d’aquests sistemes, sense minvar l’eficiència d’eliminació de contaminants de l’aigua residual. Els objectius específics són quantificar la precisió i exactitud d’un mètode de mesura in situ de la conductivitat hidràulica, basat en el permeàmetre de càrrega variable, per a la determinació de l’estat de colmatació d’un llit així com la distribució horitzontal d’aquesta; determinar l’indicador més adecuat per avaluar la colmatació d’un aiguamoll construït de flux subsuperficial horitzontal; identificar nous paràmetres de disseny y operación susceptibles de causar o afavorir la colmatación del medi filtrant; i caracteritzar (en termes d’eliminació de contaminants i d’evolució de la colmatación) dues noves configuracions d’aiguamolls construïts a escala pilot.