Underdrain design and operational conditions in sand media filters using reclaimed effluents in drip irrigation systems

En la actualidad, la agricultura es la actividad humana que requiere mas volumenes de agua dulce. Ante la importancia y escasez de este recurso, el uso eficiente del agua se ha convertido en una prioridad. Por un lado, y cuando resulte posible, es necesario el uso de sistemas de riego como el riego por goteo que utilicen de forma mas eficiente el agua. Por otro lado, la reutilizacion de aguas residuales para el uso agricola ayuda a disponer del agua necesaria al mismo tiempo que permite liberar aguas de mejor calidad para otros usos. Ambos conceptos se plantean como una estrategia frente a los retos que concierne la utilizacion de dicho recurso. En este sentido, los sistemas de riego por goteo son los mas seguros para aplicar aguas regeneradas. Sin embargo, el principal problema de este sistema cuando se utilizan aguas regeneradas son las obturaciones de los goteros, que puede afectar negativamente al rendimiento de los cultivos y al manejo de la instalacion. Para paliar las obturaciones, se hace imprescindible instalar filtros. Los que mejor funcionan con este tipo de aguas son los de matriz granular, como los filtros de arena, aunque es este elemento donde se concentra la mayor demanda energetica de los sistemas de riego por goteo, a nivel de caida de presion. En la presente tesis se determina como afectan tres filtros con distintos disenos de drenaje (de brazos colectores, de crepinas insertadas y de medio poroso), la altura del lecho filtrante (0.2 y 0.3 m) y la velocidad de filtracion (30 m/h y 60 m/h) en la calidad del agua filtrada, la caida de presion en el filtro, el consumo energetico del sistema y en la obturacion de los goteros. Asi, para cada diseno de filtro, se estudiaron cuatro condiciones operativas (dos alturas de lecho con dos velocidades de filtracion). Cada condicion operativa se ensayo durante 250 h, por lo que el ensayo tuvo una duracion total de 1000 h para cada unidad de filtracion. El medio filtrante utilizado consistio en arena silicea con un diametro efectivo de 0.48 mm y un coeficiente de uniformidad de 1.73. Cada unidad de filtracion tenia asociada una subunidad de riego, que consistia en cuatro laterales de 90 m de largo y 226 emisores cada uno. Se utilizaron emisores comerciales integrados y autocompensantes, con un caudal nominal de 2.3 l/h. El dispositivo experimental disponia de distintos sensores y un sistema de supervision, control y adquisicion de datos (SCADA), que permitia la gestion y monitorizacion del sistema, y almacenaba datos de volumenes de agua, calidad de esta, presiones y consumo energetico en distintos puntos de la instalacion. Para el ensayo se utilizo agua residual regenerada procedente del tratamiento secundario de la estacion depuradora (EDAR) del municipio de Celra (Girona). Por lo que a la calidad del agua se refiere, se observo que la reduccion de turbidez en el proceso de filtracion se ve afectada por la velocidad de filtracion, siendo significativamente (p<0.05) mayor con 30 m/h (34.2%) que con 60 m/h (11.3%), y por el diseno del filtro, siendo el diseno de medio poroso el que redujo mas la turbidez (26.3%) respecto el diseno de crepinas insertadas (18.5%) y el de brazos colectores (13.4%). Las condiciones operativas afectaron a la perdida de presion en los distintos filtros, siendo estas mas elevadas con velocidades de filtraciones de 60 m/h. Fue el diseno de medio poroso el que presento menos perdida de presion para todas las condiciones excepto con 0.3 m y 30 m/h, que fue el diseno de crepinas insertadas. El porcentaje de perdida de presion fue mayor en el lecho filtrante que en el drenaje para cada filtro y condicion testada. Por otro lado, el filtro de drenaje con medio poroso filtro significativamente mas volumen de agua por unidad de energia consumida (8,4 m3/kWh) que el filtro de crepinas insertadas (8,31 m3/kWh) y que el filtro de brazos colectores (8,17 m3/kWh). En la reduccion de turbidez, se observo una interaccion triple entre los factores de diseno del filtro, altura de lecho filtrante y velocidad de filtracion. El filtro con drenaje de medio poroso presento una reduccion de turbidez significativamente mayor para todas las condiciones operativas, exceptuando la altura de 0.3 m y velocidad de filtracion de 30 m/h, donde fue el filtro de crepinas insertadas (47.74 respecto 39.19%). Se detectaron reducciones de turbidez mas elevadas a 30 m/h que a 60 m/h. Sin embargo, no se observo un patron tan claro entre las dos alturas de lecho filtrante. Respecto a la obturacion de los goteros, se produjo una reduccion del caudal medido en los goteros a lo largo del ensayo, siendo del 8% a las 500 h y del 11% a las 1000 h. El tipo de filtro tuvo un efecto significativo a las 1000 h, siendo los goteros del diseno de brazos colectores los que obtuvieron un caudal significativamente superior. Las diferencias de caudal atribuidas a la posicion del gotero se observaron a partir de las 500 h, siendo significativamente inferiores en los ultimos 5 m del lateral. Al final del ensayo, se encontraron 10 goteros completamente obturados en los goteros protegidos por el filtro de medio poroso, 8 con el de crepinas insertadas y 6 con el de brazos colectores. El sistema SCADA permitio medir la uniformidad de distribucion de presion y caudales de la instalacion de riego durante todo el ensayo. En lo que a la DUlq se refiere, el sistema SCADA obtuvo una buena correlacion con la DUlq real, con lo que se demostro que resulta una buena herramienta tanto para el calculo de este parametro como para la gestion y monitorizacion de los sistemas de riego en tiempo real. Finalmente, se pudieron comparar distintos metodos de calculo de uniformidad de distribucion de caudales (DUlq), siendo el propuesto por Juana et al. (2007), que de hecho es una modificacion de la metodologia de Merriam y Keller (1978), el que presento mas similitud con la DUlq real, especialmente cuando existen goteros obturados.