Humedales Artificiales de Flujo Subsuperficial

Humedales Artificiales de
Flujo Subsuperficial
Antología
M. en C. Sergio Alfonso Martínez González
M. en C. Marjiorie Márquez Vázquez
Proyecto PAPIME PE100310 “Diseño, construcción y operación de
sistemas de tratamiento de aguas residuales domésticas a escala
banco de laboratorio”
Facultad de Estudios Superiores Aragón – Proyecto PAPIME 100310
Presentación
Esta Antología es un producto del proyecto que lleva por título “Diseño, construcción y
operación de sistemas de tratamiento de aguas residuals domésticas a escala banco de
laboratorio”, y fue apoyado económicamente por la Subdirección de Apoyo a la Docencia
de la Dirección General de Asuntos del Personal Académico, a través del Programa de
Apoyo a Proyectos Institucionales para el Mejoramiento de la Enseñanza (PAPIME) con
número de registro PE100310.
El objetivo general del proyecto es contribuir a la educación ambiental de los estudiantes
de la carrera de Ingeniería Civil de la Facultad de Estudios Superiores Aragón (FES –
Aragón), específicamente en el área de la Ingeniería Sanitaria. Asimismo, para crear un
criterio adecuado en el estudiante para diseñar sistemas de tratamiento de aguas
residuals mediante el uso de humedales artificiales, ya que este cuadernillo pretende ser
una guía que facilite el entendimiento de diversos conceptos relacionados con los
humedales artificiales de flujo subsuperficial.
El presente documento se puede considerar como un cuaderno de apuntes en el cual se
presentan los fundamentos teóricos básicos para el diseño de un humedal artificial de
flujo subsuperficial, que servirá de apoyo a las asignaturas del área ambiental en la
Carrera de Ingeniería Civil.
Sergio Alfonso Martínez González
Marjiorie Márquez Vázquez
Diseño, construcción y operación de sistemas de tratamiento de aguas residuales domésticas a escala banco de laboratorio
2
Facultad de Estudios Superiores Aragón – Proyecto PAPIME 100310
Humedales Artificiales de Flujo
Subsuperficial
La principal fuente renovable de agua dulce es la lluvia continental, que genera una oferta global
de 40 000 a 45 000 km3 por año. Esta fuente de agua más o menos constante debe ser compatible
con toda la población mundial, que es cada vez mayor por unos 85 millones de euros al año. Por lo
tanto, la disponibilidad de agua dulce per cápita está disminuyendo rápidamente. Alrededor de 80
países y regiones, que representan el 40% de la población mundial, están experimentando escasez
de agua, y unos 30 de estos países están sufriendo la escasez de agua durante gran parte del año.
Durante las últimas cuatro décadas, el número de países que sufren escasez de agua, la mayoría
de los cuales son países en desarrollo, ha aumentado. El número se espera que alcance 34 para el
año 2025.
Para compensar, estos países han comenzado a explotar otras reservas pero siguen siendo
insuficientes. Esta estrategia inmediata es probable que tenga efectos perjudiciales a largo plazo
para la disponibilidad de agua dulce en las comunidades humanas y ecosistemas nativos. Las
consecuencias de la escasez de agua regional y nacional darán lugar a un agotamiento de las
reservas. Esta escasez también dará lugar a la competencia por el agua entre las naciones y
regiones, así como entre sectores como la agricultura, la industria y los municipios. Como Stikker
lo pone, "la lucha por el agua dulce se acerca de quién toma la cantidad con él fin, de los ríos y de
la tierra, y ¿a qué precio?"
Aparte de la escasez natural de agua dulce en diferentes regiones del planeta, se tiene el problema
de la contaminación del agua debido a las actividades del hombre, lo cual intensifica la escasez. Se
estima que hoy en día en todo el mundo, más de 5 millones de personas (en su mayoría niños)
mueren anualmente de enfermedades causadas por beber agua de mala calidad. El número de
personas que carecen de acceso al agua potable aumentará en los próximos años.
Los desechos líquidos tales como aguas residuales no tratadas o de desechos industriales son las
principales fuentes de contaminación. Las aguas residuales municipales e industriales que
contienen materia orgánica fácilmente biodegradable, productos químicos inorgánicos y
orgánicos, sustancias tóxicas y agentes causantes de la enfermedad con frecuencia se descargan
en los ambientes acuáticos (océanos, ríos, lagos, humedales) sin tratamiento. Esta es una práctica
no regulada y que contamina el agua que luego es utilizada para el consumo humano, riego de
tierras, la producción de peses o de recreo. En las zonas rurales y asentamientos no planificados
de alta densidad urbana, la contaminación de aguas superficiales y subterráneas por aguas
residuales domésticas se produce a través de la infiltración y escorrentía superficial de la mala
colocación de letrinas de pozo, especialmente durante la temporada de lluvias. La situación está
empeorando con la rápida urbanización y la continua falta de saneamiento adecuado en las zonas
en desarrollo.
Diseño, construcción y operación de sistemas de tratamiento de aguas residuales domésticas a escala banco de laboratorio
3
Facultad de Estudios Superiores Aragón – Proyecto PAPIME 100310
La reutilización de aguas residuales es una estrategia importante para la conservación de los
recursos hídricos, especialmente en las zonas que sufren escasez de agua. Esta práctica ha sido
reportada en países en desarrollo como Marruecos, Túnez, Egipto, Sudán, Namibia, India y China,
donde las aguas residuales se utiliza para el riego de hortalizas y otros cultivos de corto plazo y
para apoyar el cultivo de peces. Aunque hay un beneficio económico por el lado del valor
fertilizante de los nutrientes en las aguas residuales, hay un alto riesgo de fácil transmisión de
enfermedades transmitidas por el agua cuando las aguas negras o aguas residuales semi-tratadas
se utiliza. Existen evidencias epidemiológicas de enfermedades transmitidas por el agua de los
productos alimenticios regados con aguas residuales no tratadas o los peces cultivados en
estanques de estabilización utilizando un efluente tratado de forma incorrecta en algunos países.
Hay una necesidad de un tratamiento adecuado de las aguas residuales antes de su reutilización y
redistribución en el medio ambiente. Uno de los ejemplos más llamativos de los efectos negativos
de las crecientes actividades humanas en importantes fuentes de agua natural es el lago Victoria.
Este Lago, el segundo lago más grande del mundo, cubre una superficie de 68 800 km 2 distribuidos
entre Tanzania (49%), Uganda (45%) y Kenya (6%). Se ha desarrollado toda una investigación del
funcionamiento de los humedales que se tienen en la zona para controlar la contaminación del
lago y regular su calidad. Este importante recurso natural se ha convertido en una grave amenaza
por la deposición de aguas residuales mal controladas en el lago, debido a las comunidades del
litoral, la agricultura y la industria. Cambios documentados en la salud del ecosistema del Lago
Victoria son:
Un aumento del doble de la productividad de las algas que conduce a disminución de la
transparencia del agua.
El fitoplancton, en particular, las cianobacterias (algas verde azules), han dominado el
zooplancton.
La concentración de fosfato se ha duplicado y actualmente está en exceso, fomentando el
desarrollo de algas.
Alrededor del 50% del fondo del lago es anóxico.
En la mayoría de los países en desarrollo, se dispone de pocas instalaciones de tratamiento de
aguas residuales. Esto se debe principalmente a los altos costos de los procesos de tratamiento y
la falta de leyes eficaces de control de contaminación del medio ambiente o la aplicación de la ley.
Una amplia gama de métodos de depuración de aguas residuales que se utilizan en el mundo
incluiyen los sistemas de lagunas de estabilización, tanques sépticos, lodos activados, filtros
percoladores, sistemas anaerobios y los sistemas de tierra de la aplicación. Los sistemas de
tratamiento más utilizados son las lagunas de estabilización. Esto se debe a su bajo costo de
instalación y mantenimiento, y condiciones climáticas óptimas para los estanques que se
encuentran en las zonas tropicales.
La eliminación de todos los contaminantes (patógenos, orgánicos y productos químicos
inorgánicos) es el objetivo actual de tratamiento de aguas residuales en los países desarrollados, lo
que implica, la protección de la salud pública a través del control de los patógenos con el fin de
Diseño, construcción y operación de sistemas de tratamiento de aguas residuales domésticas a escala banco de laboratorio
4
Facultad de Estudios Superiores Aragón – Proyecto PAPIME 100310
prevenir la transmisión de enfermedades a través del agua y la eutrofización de las aguas
superficiales.
Los humedales artificiales de flujo subsuperficial consiste en zanjas o canales con un sistemas de
filtración previo y estructuras de alimentación y salida de agua. El humedal se llena con material
de porosidad media, en el cual se planta un tipo de vegetación específico. El flujo de agua es
horizontal y se diseña para tener una altura por debajo de la superficie del medio de soporte, de
ahí toma el nombre de flujo subsuperficial. La profundidad media del agua en los humdales están
en el intervalo de 0.3 m a 0.9 m. Un esquema de un humedal artificial, se muestra en la Figura 1.
Figura 1. Representación esquemática de un humedal artificial
1.1 Hidráulica de los humedales de flujo subsuperficial
La Ley de Darcy, definida en la Ecuación 1, describe el régimen de flujo en un medio poroso y
generalmente, es aceptada para diseñar humedales de flujo subsuperficial usando suelo y grava
como medio de soporte. Se puede presentar fujo turbulento cuando se usan rocas muy grandes,
para lo cual, el modelo de Ergun es el más adecuado.
La ley de Darcy no es totalmente aplicable a humedales de flujo subsuperficial, ya que existen una
limitantes físicas:
El modelo supone condiciones de flujo laminar, pero se pueden presentar condiciones de
flujo turbulento en rocas de gran tamaño debido a que en el diseño se usaron gradientes
hidráulicos altos.
Diseño, construcción y operación de sistemas de tratamiento de aguas residuales domésticas a escala banco de laboratorio
5
Facultad de Estudios Superiores Aragón – Proyecto PAPIME 100310
También supone que el flujo en el sistema es constante y uniforme, pero en realidad el
flujo puede variar debido a la precipitación pluvial, filtración y corto circuitos de flujo por
una porosidad desigual o una pobre construcción.
Para compensar estas suposiciones se debe tener en cuenta lo siguiente:
El tamaño de la grava utilizada como medio de soporte debe ser de pequeño a mediano.
El sistema está construido para para disminuir los corto – circuitos de flujo.
El sistema está diseñado para tener un gradiente hidráulico mínimo.
Se conocen las pérdidas y las ganancias de agua.
Considerando lo anterior, entonces la Ley de Darcy proporciona una aproximación razonable de
las condiciones hidráulicas en el humedal, a partir de la siguiente expresión:
O también,
Entonces,
(1)
Donde,
Velocidad de Darcy, corresponde a la velocidad aparente a través del área transversal del
humedal (m/d).
Conductividad hidráulica de una unidad de área del humedal, perpendicular a la dirección del
flujo (m3 / m2 · d).
Gradiente hidráulico o pendiente de la superficie del agua en el sistema (m/m).
Flujo promedio en el humedal, es decir, (Qentrada + Qsalida)/2 (m3 / d).
Ancho de la celda del humedal (m).
Profundidad promedio del agua en el humedal (m).
Área de la sección transversal y perpendicular al flujo (m2).
La resistencia al flujo en los humedales es causada principalmente por la grava que se utiliza como
medio de soporte. A largo plazo esta resistencia también se incrementa debido al desarrollo de las
raices de las plantas y a la acumulación de residuos no degradables que se acumulan en los poros
de la grava. La energía requerida para vencer esta resistencia es proporcionada por la diferencia
de niveles entre la entrada y la salidad de agua del humedal. Una forma de conseguir esta
Diseño, construcción y operación de sistemas de tratamiento de aguas residuales domésticas a escala banco de laboratorio
6
Facultad de Estudios Superiores Aragón – Proyecto PAPIME 100310
diferencia es mediante la construcción del humedal con una suficiente pendiente que permita un
drenaje completo cuando sea necesario, pero también se debe contar con estructuras de salida
que permita el ajuste del nivel del agua para compensar la resistencia que puede aumentar con el
tiempo.
La relación del aspecto (longitud y ancho) seleccionada para un humedal de flujo subsuperficial
también influye fuertemente en el régimen hidráulico como la resistencia al flujo aumenta a
medida que aumenta la longitud.
Reed et al. (1995) desarrollo un modelo que puede usarse para estimar el ancho mínimo del
humedal, además de que está relacionado con el gradiente hidráulico seleccionado para el diseño:
(2)
Donde:
Ancho del humedal (m).
Profundidad promedio del agua en el humedal (m).
Flujo promedio del agua en el humedal (m3/d).
Porción de el gradiente hidráulico usado para proporcionar la presión suficiente, el valor
debe estar como decimal. Los valores típicos se encuentran entre 5 y 20% del potencial
disponible.
Conductividad hidráulica del medio de soporte usado (m3/m2/d).
Cuando se diseña utilizando la ecuación 2, se recomienda que no más de la tercera parte de la
conductividad hidráulica efectiva se use en los cálculos y que el valor m no exceda el 20% para
proporcionar un factor de seguridad adecuado contra las obstrucciones y otras contingencias que
no se consideraron durante el diseño.
Las características típicas de los medios de soporte utilizados en los humedales se muestran en la
tabla 1.
Tabla 1. Características típicas de los medios de soporte para los humedales artificiales de flujo subsuperficial.
Tipo de medio de
sporte
Arena gruesa
Arena grava
Grava fina
Grava media
Rocas
Tamaño efectivo, D10
(mm)
Porosidad, n
(%)
2
8
16
32
128
28 - 32
30 - 35
35 - 38
36 - 40
38 - 45
Conductividad
Hidráulica, ks
(m/d)
100.04 – 1000.4
500.2 – 5002
1004 – 10004
10004 – 50020
50020 – 250100
Diseño, construcción y operación de sistemas de tratamiento de aguas residuales domésticas a escala banco de laboratorio
7
Facultad de Estudios Superiores Aragón – Proyecto PAPIME 100310
Para proyectos grandes, se recomienda que la conductividad hidráulica (ks) sea medida
directamente con una muestra del medio de soporte usado en campo, de esta forma se evitarán
errores.
El equipo que se utiliza para determinar el valor de ks se denomina medidor de permeabilidad. La
longitud total de este medidor es de 5 m, con placas perforadas localizadas a 0.5 m de cada
extremo. El espacio que hay entre cad placa se llena con el medio de soporte utilizado en el
humedal. Se colocan dos manómetros para observar el nivel del agua dentro del medidor de
permeabilidad y están separados a 3 m uno del otro. Con la ayuda de algún dispositivo, por
ejemplo un gato, se debe mantener una pendiente entre la alimentación y la salida de agua. El
flujo de agua en el canal se ajusta hasta que los medios de comunicación de grava se inunda, pero
sin que el agua supere el nivel del medio de soporte. La descarga se mide en un recipiente
calibrado y programado con un cronógrafo. El área de flujo transversal se calcula observando la
profundidad del agua que sale de la placa perforada en el extremo del canal y multiplicando ese
valor por el ancho del canal. Ya es posible calcular la conductividad hidráulica, porque los otros
parámetros de la ecuación han sido medidos.
La porosidad (n) del medio de soporte que se utilizará en el humedal se debe medir antes de hacer
el diseño final. Se puede hacer una estimación utilizando un contenedor de un volume conocido.
Se llena con el material de soporte a evaluar, posteriormente se agrega un volume conocido de
agua. El volume de agua agregado define el volume de espacios (V e), ya que se conoce el volume
total (Vt), por lo tanto, la porosidad se calcula como sigue:
(3)
En lo que respecta a la relación largo – ancho, la mayoría de los humedales se han diseñado con
esta relación de 10:1 o incluso más grande, de esta forma se garantiza el avance del flujo en el
humedal. Durante la época de lluvias puede ocurrir que el nivel del agua se incremente y se
presente un flujo superficial, pero la concentración de los contaminantes dismunuye
proporcionalmente y la eficiencia del tratamiento no se ve afectada.
1.2 Aspectos térmicos
Las pérdidas o ganancias de calor en los humedales sucede entre el suelo, el agua que se
transporta y la atmósfera.
Los mecanismos térmicos básicos involucrados en los humedales son:
Conducción hacia y desde el suelo.
Conducción hacia y desde el agua residual.
Conducción, convección y radiación hacia y desde la atmósfera.
A partir de estos mecanismos se demuestra que las ganacias y pérdidas de energía son más
pequeñas que en los otros componentes, por lo que se pueden considerar despreciables, pero en
Diseño, construcción y operación de sistemas de tratamiento de aguas residuales domésticas a escala banco de laboratorio
8
Facultad de Estudios Superiores Aragón – Proyecto PAPIME 100310
regiones donde la mayor parte del año se tienen altas temperaturas sí se deben considerar en el
diseño.
Las pérdidas por convección son significativas debido a la acción del viento sobre una superficie de
abierta de agua, pero estás pérdidas no aplican en un humedal de flujo subsuperficial ya que este
tiene una densa capa de vegetación, otra de hojarasca y una última de grava relativamente seca,
lo que hace que las pérdidas de convección sean relativamente pequeñas, por lo que pueden ser
ignoradas en el modelo de diseño.
Después de haber realizado un análisis sobre los procesos de pérdidas o ganacias de energía, se
desarrolló un modelo simplificado para humedales artificiales de flujo subsuperficial, que
solamente considera las pérdidas a la atmósfera, este modelo fue propuesto por Chapman (1974)
que consideró las relaciones básicas de los fenómenos de transferencia de calor, con la asistencia
de otros especialistas como Calkins y Ogden entre 1994 y 1995.
La temperatura en cualquier punto del humedal se puede predecir a partir de la comparación de
las pérdidas de calor que se presume ocurren, vía conducción a la atmósfera y la única fuente de
energía disponible, que se asume es el flujo de agua a través del humedal. Mientras el agua se
enfría, se libera energía, la cual recibe el nombre de calor específico. El calor específico del agua es
la cantidad de energia que se almacena o libera y que incrementa o diminuye la temperatura.
Cuando no dispone del valor del calor específico se considera 1.007
(4215
).
La energía disponible en el flujo del agua a través del humedal está definida por la ecuación 4:
(4)
Donde:
Energía ganada del agua (
).
Capacidad calorífica específica del agua (1.007
Densidad del agua (62.4
; 4215
).
).
Área superficial del humedal (ft2; m2).
Profundidad del agua en el humedal (ft; m).
Porosidad del medio de relleno del humedal (porcentaje).
Si se desea calcular el cambio diario de la temperatura del agua que fluye a través del humedal, se
sustituye el término
por
en la ecuación 4:
(5)
Diseño, construcción y operación de sistemas de tratamiento de aguas residuales domésticas a escala banco de laboratorio
9
Facultad de Estudios Superiores Aragón – Proyecto PAPIME 100310
Donde
es la energía ganada durante 1 día de flujo (
retención hidráulico en el sistema (d).
),
es el tiempo de
El calor perdido desde la entrada al humedal de flujo subsuperficial se define en la ecuación 6:
(6)
Donde:
Energía perdida hacia la atmósfera via conducción (
Temperatura del agua a la etrada del humedal (
Temperatura promedio del aire (
Coeficiente
(
de
transferencia
).
).
).
).
de
calor
en
la
superficie
del
humedal
Área superficial del humedal (ft2; m2).
Factor de conversión para el tiempo (24 h/d; 86,400 s/d).
Tiempo de Retención Hidráulico en el humedal (d).
Los valores de la temperatura del aire (Taire) de la ecuación 6, se deben obtener de las estaciones
climatológicas cercanas a la zona donde se va a proponer la construcción del humedal. Los datos
de temperatura que se recomienda tomar son los registrados en el invierno más frío durante los
últimos 20 a 30 años.
El valor de la conductancia (U), utilizado en la ecuación 6, es el capacidad de conducir el calor en el
perfil del humedal, en otras palabras, es la combinación de la conductividad térmica de cada uno
de los componentes de relleno dividido por su espesor:
(7)
Donde:
U = Conductancia (
Conductividad de la capa 1 a la n (
).
).
Espesor de la capa 1 a la n (ft; m).
Los valores de conductividad para los materiales típicos que se encuentran en un humedal artificial
de flujo subsuperficial se presentan en la Tabla 2.
Diseño, construcción y operación de sistemas de tratamiento de aguas residuales domésticas a escala banco de laboratorio
10
Facultad de Estudios Superiores Aragón – Proyecto PAPIME 100310
Tabla 2. Conductividad térmica de los componentes de un Humedal de flujo subsuperficial.
Material
Aire (No convección)
Nieve (Nueva, suelta)
Nieve (Permanente)
Hielo (0 )
Agua (0 )
Capa de Hojarasca
Grava seca (25% humedo)
Grava saturada
Suelo seco
k (Btu/ft2 h
0.014
0.046
0.133
1.277
0.335
0.029
0.867
1.156
0.462
)
k (W/m
)
0.024
0.08
0.23
2.21
0.58
0.05
1.5
2.0
0.8
A continuación se presenta un ejemplo para calcular la conductancia en un humedal de flujo
subsuperficial (Crites et al., 2006).
Determine la conductancia de un humedal artificial de flujo subsuperficial con las siguientes
características: capa de hojarasca de 8 in; grava seca de 6 in; grava saturada de 18 in. También
compare el valor de la conductancia con una capa de nieve de 12 in.
La solución sería:
1. Calcular el valor de U sin considerar a la nieve usando la ecuación 7:
2. Calcular el valor de U considerando la nieve:
Comentarios:
La presencia de la nieve reduce las pérdidas de calor en un 23%. Aunque la capa de nieve está
presente a menudo en los climas más fríos, es prudente para el diseño asumir que la nieve no
existe.
Si se combinan las ecuaciones de ganancia de energía y la de pérdidad de energía, se obtiene:
(8)
Diseño, construcción y operación de sistemas de tratamiento de aguas residuales domésticas a escala banco de laboratorio
11
Facultad de Estudios Superiores Aragón – Proyecto PAPIME 100310
donde Tc es el cambio de la temperatura en el humedal. Aplicando esta ecuación se tiene que la
temperatura del efluente (Te) del humedal es:
(9)
La temperatura promedio del agua (Tw) en el humedal se puede calcular como sigue:
(10)
Este valor promedio de la temperatura del agua se compara con el valor del agua utilizado para
dimensionar el humedal y también para obtener el Tiempo de Retención Hidráulico a partir de los
modelos de demanda bioquímica de oxígeno o de remoción de nitrógeno. Si estos dos valores de
temperatura no son parecidos entonces hay que hacer un proceso de iteraciones para ajustar las
temperaturas.
1.3 Expectativas de desempeño
Hay que tener claro que el desempeño de un humedal artificial de flujo subsuperficial depende de
los criterios de diseño establecidos, de las características del agua residual y de las condiciones de
operación.
1.3.1 Remoción de Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO)
Los datos de remoción de DBO se presentan en la Tabla 3. Si se comparan estos valores con un
humedal de flujo superficial, se encontrará que la remoción es menos eficiente en estos últimos, y
la razón es que, como no existe un arreglo de vegetación como en el de flujo subsuperficial, al final
del proceso se deposita materia orgánica que altera al efluente y que no es aprovechado por tal
vegetación.
Tabla 3. Remoción total de DBO en Humedales de Flujo Subsuperficial.
Ubicación
Benton, Kentuckya
Mesquite, Nevadab
Santee, Californiac
Sydney, Australiad
Pretratamiento
Laguna de Oxidación
Laguna de Oxidación
Primario
Secundario
Afluente
Efluente
Remoción
(%)
23
78
118
33
8
25
1.7
4.6
65
68
88
86
Tiempo de
Retención
Nominal (d)
5
3.3
6
7
a
Operación normal desde marzo de 1988 a noviembre de 1988, con un gasto de 80 m /d (Watson et al., 1989).
3
b
Operación normal desde enero de 1994 a enero de 1995 (Crites et al., 2006).
c
Operación a escala piloto en 1984, con un gasto de 50 m /d (Gersberg et al., 1985).
d
Operando a escala piloto desde septiembre de 1985 a febrero de 1986, con un gasto de 40 m /d (Bavor et al., 1986).
3
3
1.3.2
Remoción de Sólidos Suspendidos Totales (SST)
Diseño, construcción y operación de sistemas de tratamiento de aguas residuales domésticas a escala banco de laboratorio
12
Facultad de Estudios Superiores Aragón – Proyecto PAPIME 100310
Los humedales de flujo subsuperficial son muy eficientes para remover sólidos suspendidos. En el
efluente se pueden obtener concentraciones de 10 mg/L.
1.3.3
Remoción de Nitrógeno
Los valores que se han reportado para remover nitrógeno van desde el 20 hasta el 70%, aunque
hay reportes de remoción del 80%. Cuando el tiempo de retención excede de 6 a 7 días, se puede
esperar una concentración de nitrógeno total en el efluente de aproximadamente 10 mg/L, a
partir de una concentración de 20 a 25 mg/L de nitrógeno en el afluente. Si el agua residual fue
nitrificada previamente, mediante el uso de aereación, su eliminación a partir de procesos de
desnitrificación se puede alcanzar con tiempos de retención de 2 a 4 días.
1.3.4
Remoción de Fósforo
La remoción de fósforo en un humedal de flujo subsuperficial es muy ineficiente, debido al
limitado contacto entre los sitios de adsorción y el agua residual. Dependiendo de la velocidad de
carga, tiempo de retención y las características del medio de relleno, el intervalo de remoción de
fósforo puede estar entre el 10 y 40% para concentraciones de alimentación entre 7 y 10 mg/L.
1.3.5
Remoción de Metales Pesados
No existen mucho datos sobre los porcentajes de remoción de metales en aguas residuales
domésticas, ya que las concentraciones son tan pequeñas que no son un factor importante. En
drenajes mineros se han reportado disminuciones de concentraciones para hierro y manganeso de
14.3 a 0.8 mg/L y 4.8 a 1.1 mg/L, respectivamente (Brodie et al., 1989). En otros humedales se
reporta que la remoción de cobre, zinc y cadmio fue de 99%, 97% y 99%, respectivamente, con un
tiempo de retención de 5.5 días.
Los factores fundamentales para la remoción de metales por un humedal artificial son los
siguientes:












Temperatura del líquido.
Tiempo de retención.
Características del afluente.
Forma de circulación del líquido por el humedal.
Capacidad de sustrato de retención de metales.
Intensidad de retención de los metales según zonación vertical.
Capacidad de los hidrofitos de captación.
Intensidad de intercambio catiónico.
Capacidad de la materia orgánica de absorción de los metales.
Intensidad de formación de sulfuros insolubles.
Intensidad de formación de óxidos insolubles.
Características de insolación de la zona.
Diseño, construcción y operación de sistemas de tratamiento de aguas residuales domésticas a escala banco de laboratorio
13
Facultad de Estudios Superiores Aragón – Proyecto PAPIME 100310
La utilización de plantas acuáticas ha sido desarrollada como un tratamiento secundario o terciario
alternativo de aguas residuales, y ha demostrado ser eficiente en la remoción de un amplia gama
de sustancias orgánicas, así como nutrientes y metales pesados.
1.3.6
Remoción de Organismos Patógenos
Se ha reportado una remoción de organismos coliformes totales del 99%, cuando el tiempo de
retención en el humedal es de 6 días.
1.4 Diseño de un Humedal Artificial de Flujo Subsuperficial
El diseño de un humedal de flujo subsuperficial se basa en el tiempo de retención hidráulico y en
el gasto medio del agua resdual a tratar. Tiempos de retención hidráulicos pequeños son
necesarios para remover DBO, nitratos y SST del agua residual municipal, mientras que para
remover amoniaco y metales pesados, usualmente requiere tiempos de retenciaón más grandes.
1.4.1
Remoción de DBO
El enfoque recomendado para diseñar un humedal para la eliminación de DBO es el volumen, por
lo que se ocupa el modelo basado en el tiempo de retención, tal como se expresa en la ecuación
11:
(11)
Donde:
Área superficial del humedal (ac; m2).
Gasto medio promedio (ac-ft/d; m3/d).
Concentración de DBO en el aflente (mg/L).
Concentración de DBO en el efluente (mg/L).
Constante cinética = 1.1 d-1 a 20
.
Profundidad de diseño (ft; m).
Porosidad del medio de relleno (Ver Tabla 1).
La temperatura del agua residual afecta la constante cinética de acuerdo con la siguiente
ecuación:
(12)
donde:
Constante cinética a la temperatura T.
Diseño, construcción y operación de sistemas de tratamiento de aguas residuales domésticas a escala banco de laboratorio
14
Facultad de Estudios Superiores Aragón – Proyecto PAPIME 100310
1.1 d-1.
Temperatura del agua residual ( ).
La mayoría de los humedales tienen una zona de tratamiento y de operación de agua con una
profundidad de 2 pies (0,6 m). Unos pocos, ubicados en los climas cálidos, donde la congelación no
es un riesgo importante, funcionan con una profundidad de lecho de 1 pie (0,3 m). La profundidad
aumenta el potencial de transferencia de oxígeno, por lo que requieren una superficie mayor y el
sistema está en mayor riesgo de heladas en climas fríos. Una cama de 2 pies (0,6 m) de
profundidad también requiere una operación especial, para inducir la penetración de las raíces
conveniente a la parte inferior de la cama.
Los humedales requieren de un pretratamiento para hacer más eficiente su operación. Los
procesos utilizados pueden ser: una fosa séptica, tanques Imhoff, lagunas, procesos
convencionales de tratamiento primario o algún otro proceso similar. El objetivo de estos procesos
es reducir la concentración de materia orgánica (sólidos) fácilmente degradable, pero que podrían
obstaculizar las tuberías de alimentación del humedal, ocasionando olores, taponamientos y
efectos sobre la vegetación del mismo humedal.
1.4.2
Remoción de SST
La remosión de los sólidos suspendidos totales en un humedal de flujo subsuperficial se debe a los
procesos físicos y tienen una influencia de la temperatura al afectar la viscosidad del agua que
fluye en el humedal. Debido a que la distancia de sedimentación para material particulado es
relativamente pequeña y el tiempo de residencia en el humedal es muy grande, los efectos de la
viscosidad se pueden despreciar. La remoción de SST no es probable que sea el que delimite el
tamaño del humedal, ya que su remoción es muy rápida en comparación con la DBO o el
Nitrógeno.
La remoción de SST en un humedal ha sido correlacionada a partir de la tasa de carga hidráulica
(TCH) y se muestra en la ecuación 13:
(13)
donde:
SST en el efluente (mg/L).
SST en el afluente (mg/L).
TCH = Tasa de Carga Hidráulica (cm/d).
La TCH es el flujo dividido por el área superficial. La ecuación 13 es válida para valores de TCH
entre 0.4 y 75 cm/d.
1.5 Diseño de los Elementos de un Humedal de Flujo Subsuperficial
Diseño, construcción y operación de sistemas de tratamiento de aguas residuales domésticas a escala banco de laboratorio
15
Facultad de Estudios Superiores Aragón – Proyecto PAPIME 100310
Los elementos que se deben considerar en el diseño de un humedal son: el pretratamiento, el
medio de relleno, la vegetación y las estructuras de alimentación y descarga de agua.
1.5.1
Pretratamiento
Todos los humedales artificiales, sean de flujo libre o de flujo subsuperficial, requieren de procesos
u operaciones previas, como las fosas sépticas, tanques Imhoff, lagunas o cualquier otro proceso.
El objetivo principal es la remoción de materiales que pueden causar obstrucciones en la tubería
de alimentación de agua al humedal, malos olores o daños en la vegetación.
Un proceso adecuado y que puede ser muy útil para disminuir el contenido de materia orgánica y
sólidos contenidos en el agua residual es un reactor anaerobio. En otros casos, se utiliza una zanja
para la deposición de sólidos, la cual es limpiada periódicamente.
1.5.2
Medio de Relleno
El relleno de los humedales (también denominado cama) normalmente contiene hasta 2 ft (0.6 m)
del medio seleccionado. Posteriormente, se agrega una capa de grava fina de 3 a 6 in (76 a 150
mm) de profundidad, la cual sirve como un medio para que se desarrollen las raices de la
vegetación y se mantenga siempre seca cuando se opere normalmente. Si la grava, relativamente
pequeña (<20 mm) es seleccionada para la capa de tratamiento principal, no es necesaria una capa
más fina arriba, pero la profundidad total debe ser ligeramente mayor para garantizar una zona
seca en la parte superior de la cama.
Los humedales, generalmente, operan con una profundidad de 0.6 m, pero en climas cálidos la
profundidad se puede disminuir a 0.3 m. Aumentar la profundidad implica que se requiere una
mayor transferencia de oxígeno, y estos sóo se logra incrementando al superficie, por lo que el
sistema está en mayor riesgo de heladas en climas fríos.
1.5.3
Vegetación
La vegetación a implantar en los humedales artificiales es un factor fundamental para obtener
rendimientos óptimos en la depuración de aguas residuales.
El tratamiento se basa en gran parte en las funciones de la vegetación, y es por ello, que la
selección de las especies vegetales más apropiadas a cada caso cobra la mayor importancia, las
más utilizadas son los carrizos, el bambú y las espadañas.
Existe actualmente una gran discusión sobre el papel real de la vegetación en los sistemas de
humedales artificiales, especialmente en los de flujo subsuperficial.
No obstante, todos coinciden en su importancia en el mantenimiento de la biodiversidad y en su
alto valor paisajístico.
Diseño, construcción y operación de sistemas de tratamiento de aguas residuales domésticas a escala banco de laboratorio
16
Facultad de Estudios Superiores Aragón – Proyecto PAPIME 100310
Adicionalmente las plantas desempeñan diversas funciones que ayudan a la depuración de las
aguas, como son:
Ejercer de medio de soporte de la biopelícula.
Reducir la velocidad del agua aumentando el tiempo de retención hidráulico.
Actuar como aislante térmico.
Airear la rizosfera.
Existen diversas especies vegetales que son susceptibles de ser utilizadas en humedales artificiales
para la depuración de las aguas, de las cuales habrá que elegir las más útiles en función de
diversos factores.
Tabla 4. Especies de uso posible, pero con precauciones por peligro de invasión
Plantas Emergentes
Plantas Sumergidas
Plantas Flotantes
Scirpus sp.
Posibles pero con peligro de
invasión
Myriophyllum sp.
Posibles pero con peligro de
invasión
Eichhornia crassipes
Elodeo sp.
Egeria sp.
Salvinia sp.
Spirodela polyrhiza Schleiden
Lagorosiphon sp.
Pistia sp.
Azolla filiculoides Lam.
Azolla caroliniana Willd
Eleocharis palustris Roem et
Schul
Glyceria declinata Breb.
Eleocharis parvula Link
Eleocharis uniglumis
Glyceria fluitans R. Br.
Glyceria plicata Fries
Posibles pero con peligro de
invasión
Glyceria sp.
Scirpus sp.
Eleocharis sp.
Typha sp.
Canna flacida
Colocasia esculenta Schott
Colocasia antiquorum Schott
Wolffia arrhiza Horkel
Hydrocotyle vulgaris L.
Hydrocotyle natans Cyr.
Es importante mencionar que las plantas acuáticas acumulan gran cantidad de metales pesados en
sus tejidos como mercurio (Hg), cadmio (Cd), plomo (Pb), arsénico (As), cromo (Cr), los cuales son
liberados posteriormente al medio pudiendo causar problemas en el suelo y en la cadena
alimentaria de los humedales. Esto implica la remoción de estas plantas después de un cierto
tiempo a fin de no provocar problemas de contaminación en estos ecosistemas, no afectando de
este modo la recuperación del humedal.
También se ha reportado que la vegetación tiene una fuerte influencia en la retención de N en
humedales, ya sea por absorción directa en los tejidos de las plantas o por desnitrificación
Diseño, construcción y operación de sistemas de tratamiento de aguas residuales domésticas a escala banco de laboratorio
17
Facultad de Estudios Superiores Aragón – Proyecto PAPIME 100310
provocada por microorganismos. Las especies reportadas que para esta remoción son Lythrum
salicaria L., Phragmites australis y Typha angustifolia L.
Las macrófitas Typha sp y Eleocharis sp en un sistema de depuración de aguas residuales asociado
con un reactor anaerobio han reportado que durante los dos primeros años de funcionamiento
hubo una reducción entre el 90 a 97% de SS y entre 60 a 85% de la DQO, para un caudal de 200
L/d. Se observaron algunos problemas en el crecimiento de Eleocharis sp. cuando el caudal fue
aumentado a 400 L/d, hubo un reducción entre 73 a 97% de SS y entre 67 a 97% de DQO. En las
pruebas con 600 L/d, los SS se redujeron entre 60 a 80%, mientras que la DQO entre 55 a 60%.
También se ha demostraron que Phragmites australis es capaz de tolerar soluciones de hasta 1
mg/mL de Zn y 10 mg/mL de Pb en aguas residuales contaminadas con metales pesados.
Se encontró que las especies Spartina alterniflora y Pragmites australis pueden atrapar en sus
tejidos una buena parte del metal plomo. Se señala que la mayor concentración de metal se
encontró en las hojas de S. alterniflora, en cambio la especie P. australis concentra el plomo en sus
tallos. Ellos establecen que por este hecho P. australis resulta mejor que S. alterniflora para su
posterior manejo y disposición, pues el tallo soporta mejor la descomposición que los tejidos de
las hojas y demora mas en liberar el metal antes de ser enterrado o quemado, siendo más seguro
para el medio ambiente.
La fitofiltración con helechos puede purificar el agua que ha sido contaminada con arsénico. Un
equipo de científicos de los Estados Unidos ha encontrado que las especies de helechos llamadas
Pteris vittata pueden aspirar el arsénico fuera del agua contaminada, reduciendo los niveles de
arsénico de 200 mg/L cerca de 100 veces en un lapso de 24 horas. A diferencia de otras estrategias
para la remoción de arsénico, la fitofiltración no produce un lodo químico rico en arsénico, el cual
es difícil de disponer. En su lugar, exprimiendo en prensas la savia de las plantas, se remueven tres
cuartos de arsénico, que pueden ser extraidos para aplicaciones industriales.
Finalmente, se debe dar mantenimiento a las plantas escogidas para el humedal de flujo
subsuperficial, el cual consiste en hacer una poda periódica y en algún momento, esto
dependiendo de la especia, hay que hacer una cosecha y así mantener en óptimas condiciones el
funcionameinto del humedal artificial.
1.5.4
Estructura de distribución en la alimentación de agua
Los dispositivos de entrada han variado entre zanjas abiertas a las cajas de alimentación de un solo
punto a tubos con múltiples perforaciones. Tener un tubo en la superficie permite realizar ajustes
operativos si se produce algún asentamiento diferencial. Los tubos de alimentación
subsuperficiales encerrados en grava gruesa también se han utilizado con éxito. La desventaja de
este tipo de tubo distribuidor es el potencial de los asentamientos diferenciales y la obstrucción
por animales o sólidos. La ventaja de este sistema es que se evita el crecimiento de algas en las
salidas, además de proporcionar una protección térmica a todo el humedal.
Diseño, construcción y operación de sistemas de tratamiento de aguas residuales domésticas a escala banco de laboratorio
18
Facultad de Estudios Superiores Aragón – Proyecto PAPIME 100310
1.5.5
Sistema de salida
La recolección de agua a la salida del humedal debe incorporar un tubo colector colector para
evitar un cortocircuito con un único punto de salida. Un colector subterráneo se recomienda para
asegurar la trayectoria del flujo a través del medio de soporte. Un vertedero de salida ajustable o
un codo giratorio permite el control del gradiente hidráulico.
1.5.6
Consideraciones de construcción
La construcción de los humedales requieren una capa impermeable para evitar que el agua
residual se inflitre en el subsuelo y contamine los acuíferos. En algunos casos se utiliza arcilla
natural del sitio o también se utilizan sólidos que se pueden compactar y formar un estado
impermeable. Otras opciones para obtener esta barrera de aislamiento son los tratamientos
químicos al suelo, una capa de bentonita, asfalto o una membrana de polietileno.
Hay que verificar que se cuente con una clara pendiente para que exista un flujo de agua, ya que
esta puede ser una situación para generar cortos circuítos y hacer ineficiente al humedal en
cuanto al proceso de remoción de contaminantes.
En lo referente al material de soporte, hay que cuidar el transporte por camión de materiales
durante la construcción ya que se pueden generar problemas de material fino en un solo lugar
debido a que la carga estuvo friccionándose. Esta situación puede resultar en que se generen
pequeños montículos que a su vez afecte el flujo de agua produciendo cortos circuítos en el
sistema. Es conveniente lavar la grava o las rocas antes de que se empleen.
El uso de la vegetación nativa de la zona es conveniente para su uso en los humedales, ya que no
se requiere un tiempo de adaptación. Se recomienda sembrar semillas o rizomas, cada rizoma
debe tener por lo menos un brote o, preferiblemente, con un brote y se planta a unos 5 cm por
debajo de la superficie del medio con la yema de los dedos, el brote debe quedar expuesto a la
atmósfera y por encima del medio de soporte saturado. La cama se inunda y se mantiene el nivel
del agua en lo que corresponde a la superficie del medio por lo menos 6 semanas o hasta que el
nuevo crecimiento se ha desarrollado significativamente y ha surgido. En esta etapa, el humedal
puede entrar en pleno funcionamiento, siempre y cuando el nivel del agua no está por encima de
las copas de los crecimiento de las plantas nuevas. Si se utiliza agua dulce durante el período de
incubación, el uso de algunos fertilizantes es conveniente para acelerar el crecimiento de las
plantas.
Diseño, construcción y operación de sistemas de tratamiento de aguas residuales domésticas a escala banco de laboratorio
19
Facultad de Estudios Superiores Aragón – Proyecto PAPIME 100310
Referencias
Castelless, O. A.; Puigagut, J.; Segú, E.; Vaello, N.; Grané, F.; García, D.; García J. (2007). Solids
accumulation in six full-scale subsurface flow constructed wetlands. Water Research. 41. 1388 –
1398.
Crites, R. W.; Middlebrooks, E. J.; Reed, S. C. (2006). Natural Wastewater Treatment Systems.
Taylor and Francis Group. Estados Unidos de América.
Chazarenc, F.; Merlin, G.; Gonthier, Y. (2003). Hydrodynamics of horizontal subsurface flow
constructed wetlands. Ecological Engineering. 21. 165 – 173.
García, J.; Aguirre, P.; Barragán, J.; Mujeriego, R.; Matamoros, V.; Bayona, J. (2005). Effect of key
design parameters on the efficiency of horizontal subsurface flow constructed wetlands. Ecological
Engineering. 25. 405 – 418.
Hammer, D. A. (1989). Constructed Wetlands for Wastewater Treatment, Municipal, Industrial,
and Agricultural. Lewis Publishers. Estados Unidos de América.
Hench, K. R.; Bissonnette, G. K.; Sexstone, A. J.; Coleman, J. G.; Garbutt, K.; Skousen, J. G. (2003).
Fate of physical, chemical, and microbial contaminants in domestic wastewater following
treatment by small constructed wetlands. Water Research. 37. 921 – 927.
Kivaisi, A. K. (2001). The potential for constructed wetlands for wastewater treatment and reuse in
developing countries: A review. Ecological Engineering. 16. 545 – 560.
Reinoso, R.; Torresa, L. A.; Bécares, E. (2008). Efficiency of natural systems for removal of bacteria
and pathogenic parasites from wastewater. Science of the Total Environment. 395. 80 – 86.
Rousseaua, D. P.; Vanrolleghemb, P. A.; De Pauwa, N. (2004). Model-based design of horizontal
subsurface flow constructed treatment wetlands: A review. Water Research. 38. 1484 – 1493.
Shuter, R. B. E. (2001). Artificial wetlands and water quality improvement. Environment
International. 26. 441 – 447.
Vymazal, J. (2007). Removal of nutrients in various types of constructed wetlands. Science of the
Total Environment. 380. 48 – 65.
Vymazal, J. (2009). The use constructed wetlands with horizontal sub-surface flow for various
types of wastewater. Ecological Engineering. 35. 1–17.
Diseño, construcción y operación de sistemas de tratamiento de aguas residuales domésticas a escala banco de laboratorio
20