Influence of the characteristics of organic matter on the efficiency of horizontal subsurface-flow constructed wetlands
Authors:   , Caselles Osorio Aracelly 
Published: July 2023

Los sistemas de humedales construidos de flujo subsuperficial horizontal (HCFSS) constituyen una tecnología válida para la depuración de aguas residuales urbanas. Uno de los principales objetivos de estos sistemas es eliminar la materia orgánica, los sólidos y los nutrientes presentes en el agua residual decantada. La materia orgánica mineral contenida en el agua residual se compone de una mezcla compleja de sustancias de diferentes tamaño y composición química. En sistemas de tratamiento convencionales se ha demostrado que la istribución de tamaños de partículas del agua residual afluente puede afectar la eficiencia del tratamiento. Sin embargo, muy pocos estudios han sido llevados a cabo en HCFSS para determinar si los factores como la distribución de tamaño o características de la materia orgánica afectan la eficiencia del tratamiento. Por lo tanto, la hipótesis inicial de este trabajo está basada en la suposición de que en HCFSS, las características de la materia orgánica disuelta y particulada pueden afectar la eficiencia de eliminación de materia orgánica (DQO) y amonio. Los estudios realizados para probar esta hipótesis, fueron desarrollados utilizando pequeños contenedores experimentales poco profundos (0.27-0.3 m) con un área superficial de 0.54-0.77 m2. Estos sistemas fueron plantados con Phragmites australis y en la mayoría de los experimentos fueron alimentados de forma intermitente. El agua residual utilizada fue de dos tipos, sintética y agua residual urbana decantada. El agua residual sintética fue preparada con agua de grifo y compuesta de glucosa (materia orgánica fácilmente biodegradable), almidón (materia orgánica lentamente biodegradable) y nutrientes. <br/>En los capítulos 2 y 3 se hace una descripción sobre la eficiencia de los HCFSS experimentales. Estos sistemas tuvieron excelente eliminación de DQO con eficiencias entre 70 y 94% independiente del tipo de sustrato (glucosa o almidón) y de la carga orgánica superficial suministrada (5-6 g DQO/m2.d y 20-22 g DQO/m2.d). La eliminación de amonio en estos sistemas fue moderada, el sistema alimentado con glucosa tuvo mayor eficiencia (45-57%) con respecto al sistema alimentado con almidón (40-43%). La conductividad hidráulica fue menor en el sistema alimentado con glucosa, probablemente debido a un mayor crecimiento del biofilm.<br/>En los HCFSS que operaron con agua residual urbana decantada, la aplicación de un pretratamiento físico-químico no mejoró la concentración de DQO en el efluente comparado con el sistema que no recibió tratamiento físico-químico (82 vs 88%), pero redujo la turbiedad y la concentración de DQO en el afluente. La eliminación de amonio fue alta y similar en ambos sistemas con un rango entre 63 y 94%. La conductividad hidráulica fue mayor (28 m/d) en el sistema con agua residual tratada que en el sistema que no recibió tratamiento (20 m/d). Los resultados de este estudio sugieren que un pretratameinto físico-químico podría evitar la acumulación de sólidos en la zona de entrada de los HCFSS.<br/>El capítulo 5 describe un estudio diseñado para evaluar la eficiencia de eliminación en dos sistemas experimentales que operaron en forma intermitente y continua. Las tasas de eliminación de DQO fueron altas y similares en los dos sistemas con un valor promedio de 78%. La eliminación de amonio fue significativamente mas alta (P<0.05) en el sistema alimentado en intermitente comparado con el sistema alimentado en continuo (87 vs 69%).<br/>El capítulo 6 proporciona información sobre la cantidad y calidad de sólidos acumulados en el medio granular de 6 humedales construidos a escala comercial. Los resultados de este estudio indicaron que la mayor cantidad de sólidos fue depositada en la zona de entrada (3-57 kg/m2) con diferencia significativa para la zona de salida (2-16 kg/m2). Esta alta cantidad de sólidos acumulada en la zona de entrada fue variable y estuvo relacionada con la carga orgánica y de sólidos recibida (3.1-17.5 g DQO/m2.d; 2.6-10 g SST/m2.d). El contenido de materia orgánica de los sólidos acumulados fue bajo (20%) y de difícil biodegradación tanto en condiciones aeróbicas como anaeróbicas. Los valores de conductividad hidráulica en estos sistemas fueron bajos (0-4 m/d) cerca de la zona de entrada con respecto a la zona de salida (12-200 m/d).<br/>Por último, en el capítulo 7 se enumeran las principales conclusiones de cada uno de los aspectos estudiados y se mencionan algunas sugerencias para futuras investigaciones.

Subsurface-flow constructed wetlands (SSF CWs) constitute a proven technology for treatment of urban wastewater. One of the principal objectives of CW treatment is to remove organic matter, suspended solids and nutrients from the settled wastewater. The organic and mineral matter contained in urban wastewater is composed of a complexity of substances of different sizes and chemical compositions.<br/>In conventional treatment systems it has been demonstrated that the particle size-frequency distribution of the influent wastewater can affect treatment efficiency. However, very few studies have been conducted in SSF CW to determine whether factors such as the size-frequency distribution or organic matter characteristics affect treatment efficiency. Thus the initial hypothesis of this work is based on the supposition that in SSF CW systems, the characteristics of the dissolved and particulate organic matter can influence the removal of COD and ammonium of wastewater. The designed studies were conducted in small experimental SSF CW units that were shallow (0.27 and 0.3 m), and with a surface area of 0.54-0.77 m2. The SSF CWs were planted with Phragmites australis and in most of the studies the treatments received wastewater on an intermittent basis. Wastewater used in these studies was either synthetic or settled urban wastewater. The synthetic wastewater was prepared with tap water and composed of glucose (organic matter easily biodegradable), starch (organic matter slowly biodegradable) and nutrients. In Chapters 2 and 3, details are provided to illustrate that shallow SSF CW provided excellent removal of COD, with average removal rates ranging from 70 to 94% irrespective of the type of organic ubstrate (glucose vs starch) or organic loading rates (5-6 g COD/m2.d to 20-22 g COD/m2.d). The ammonium-N removal in these systems was moderate, with the glucose-fed SSF CW providing marginally better removal (45 to 57%) as compared to the starch-fed system (40 to 43%). The hydraulic conductivity was low in the system fed with glucose due to the presence of a greater growth of biofilm.<br/>In experimental SSF CW treating urban wastewater, the application of the physico-chemical pretreatment did not improve COD effluent concentrations as compared to the no-pretreatment control (82 vs 88%), but did reduce turbidity and COD concentration in the influent. The removal rates of ammonium-N were similar in both systems and ranged from 63 to 94%.<br/>The hydraulic conductivity was higher (28 m/d) in the system with treated wastewater as compared to the control (20 m/d). These results indicate that the pretreatment could possibly help to reduce pervasive solids accummulation in the inlet zone (Chapter 4).<br/>Chapter 5 describes a study designed to evaluate treatment efficiency in experimental SSF CW that were operated with either intermittent or continuous feeding. The COD removal rates were relatively high and merely identical in both systems, with an average value of 78%. Ammonium-N removal was significantly higher (P<0.05) in the intermittently fed system as compared to the continuously fed system (87 vs. 69%). The enhanced removal of COD and ammonium-N observed in the present studies were attributed to several factors including shallow wetland beds, macrophyte aboveground biomass, and more oxidizing conditions in the root zone.<br/>Chapter 6 provides survey-type information for six full-scale SSF CW. The data indicated that the greatest amount of solids were deposited within the inlet zone (3-57 kg/m2), with significantly less solids near the outlet (2-16 kg/m2). It was apparent that the amount of solids deposited near the inlet was highly variable and was correlated with respective loading rates (3.1-17.5 g COD/m2.d; 2.6-10 g TSS/m2.d). Analyses of the accumulated solids showed them to be approximately 20% organic matter, extremely recalcitrant and difficult to degrade under either aerobic or anaerobic conditions. Hydraulic conductivity values were significantly lower near the inlet zone (0-4 m/d) as compared to the outlet zone (12-200 m/d).<br/>Chapter 7 lists the main conclusions for each of the chapters and provides suggestions for future investigations.