“Comparación de tres modelos para el diseño de un humedal artificial

para el tratamiento de las aguas residuales de poblaciones rurales en

Los Altos de Jalisco”

Aldo Antonio Castañeda Villanueva¹, Hugo E. Flores López ² y Rene Sahagún Medina¹.

¹Centro Universitario de los Altos. Universidad de Guadalajara. E-mail: aldocasta@hotmail.com

²Instituto Nacional de Investigaciones Forestales Agrícolas y Pecuarias, Campo Experimental Centro

Altos de Jalisco.

Resumen

La contaminación progresiva del agua, hace necesario que se realicen cada vez más y

mayores esfuerzos para su tratamiento, lo que involucra incorporar nuevas tecnologías,

así como mejorar las convencionales. Los humedales artificiales (HA) son sistemas

complejos e integrados en los que tienen lugar interacciones entre el agua, las plantas, los

microrganismos, la energía solar, el substrato y el aire, con la finalidad de mejorar la

calidad del agua residual y proveer un mejoramiento ambiental. Su funcionamiento se

fundamenta en tres principios básicos; la actividad bioquímica de los microorganismos,

el aporte de oxígeno a través de las plantas durante el día y el apoyo físico de un lecho

inerte que sirve como soporte para el enraizamiento de las plantas, además de funcionar

como material filtrante. (Ruiz Pascual, 2013). Existen varios tipos de HA, el más

apropiados para aguas residuales de origen domestico provenientes de poblaciones rurales

de tamaño medio (de 500 a 1000 habitantes), parece ser el de subsuperficial de flujo

horizontal, los cuales típicamente están construidos en forma de un lecho o canal

impermeable que evita la percolación del agua hacia el subsuelo, además contiene un

sustrato apropiado (grava, arena, u otro material) que soporta el crecimiento de las plantas

macrófitas principalmente. En nivel del agua está por debajo de la superficie del soporte

y fluye únicamente a través del medio que sirve por el crecimiento de la película

microbiana, que es responsable en gran parte del tratamiento que ocurre, las raíces

penetran hasta el fondo del lecho. Al usar este sistema, es necesario llevar a cabo un

tratamiento previo de las aguas residuales para remover sólidos gruesos que esta pueda

contener, con la finalidad de evitar problemas de obstrucción al medio de soporte granular

y la consecuente afectación que esto pueda tener sobre el funcionamiento del sistema. Los

HA son tecnologías naturales económicamente viables, de gran capacidad para la

remoción de contaminantes muy aptas para comunidades rurales pequeñas, ya que la

aguas tratadas pueden reutilizarse para riego. El Objetivo del presente trabajo es el de

comparar tres diferentes modelos para el diseño de un sistema de tratamiento de aguas

residuales domesticas mediante un HA tomado como referencia una población rural de

700 habitantes de los Altos de Jalisco para poblaciones rurales en Los Altos de Jalisco,

que a su vez servirá de prototipo para otras poblaciones similares de la región. Los

modelos utilizados fueron: a) Reed y colaboradores, b) Crites y Tchobanoglous, y c)

modelo de Kadlec & Knight.

Los resultado muestran una gran similitud entre los tres modelos para los datos

considerados de: volumen y caracterización del agua residual, condiciones

climatológicas, particularidades del terreno y condiciones de trabajo lo que asegura su

funcionalidad en su futura instalación y operación.

Introducción

El agua dulce cada día es más limitada, debido entre otros factores al crecimiento

demográfico, la urbanización y los cambios en el clima, lo que ha provocado el uso

creciente de aguas residuales para la agricultura, la acuicultura, la recarga de mantos

acuíferos subterráneos y en otras áreas. En algunos casos, las aguas residuales son el único

recurso hídrico de comunidades pobres que subsisten por medio de la agricultura. Si bien

el uso de aguas residuales en la agricultura puede aportar beneficios (incluidos los

beneficios de salud como una mejor nutrición y provisión de alimentos para muchas

viviendas), su uso no controlado generalmente está relacionado con impactos

significativos sobre la salud humana. Estos impactos en la salud se pueden minimizar

cuando se implementan buenas prácticas de manejo y tratamiento (OMS, 1989).

Durante el siglo XX la población mundial se triplico, mientras tanto el uso de agua

renovable se ha incrementado seis veces, en los próximos 50 años, la población crecerá

entre un 40 y 50 %. Actualmente más de 884 millones de personas en el mundo no tienen

acceso al agua potable, es decir casi una octava parte de la población mundial, de igual

forma 1.4 millones de niños mueren cada año a causa de enfermedades relacionadas con

el consumo de agua contaminada. En México, como en muchos lugares del mundo,

existen regiones donde la problemática del agua (disponibilidad y calidad) ha llegado a

un nivel crítico inaceptable para una vida normal, en muchos hogares mexicanos, el agua

llega a las casa de manera discontinua y en ocasiones con una calidad cuestionable, cada

vez es más difícil encontrar ríos o lagos con agua en cantidad suficiente y limpia (Geissler

y Arroyo, 2011).

Actualmente, más de la mitad de los países del mundo tiene una disponibilidad promedio

baja y prácticamente la tercera parte de ellos ya padece escasez. (Consejo Consultivo del

Agua, 2014). En general es la inducción de energía y sustancias al medio ambiente,

causada por el hombre, que amenazan a la salud humana, dañan recursos y sistemas

biológicos, así como y ecosistemas. Los contaminantes pueden diferenciarse en primarios

y secundarios; los primarios son aquellos que al llegar tanto al agua como al medio

ambiente en general, causan daños de manera directa. Los contaminantes secundarios son

aquellos que se forman en el agua (o en el medio ambiente) a partir de sustancias más o

menos inofensivas. Es determinante no sólo el tipo de una sustancia, sino también su

concentración, para considerarla contaminante.

La problemática actual del agua, hace necesario realizar más y mejores procesos de

tratamiento para los diversos tipos de efluentes, con el objetivo de evitar mayores

contaminaciones y afectaciones a los subsistemas ecológicos, reutilizando las aguas

tratadas en diferentes formas y usos. Los contaminantes pueden causar tanto efectos

cáusticos, tóxicos, mutágenicos (alteración de la información genética), teratógenos

(malformación de embriones) como cancerígenos.

La contaminación como deterioro ambiental, puede prevenirse al evitar la entrada de los

agentes contaminantes al ambiente, mediante alguno de los siguientes mecanismos:

los procesos industriales,

ologías para que los contaminantes no sean emitidos o descargados al

ambiente.

Por otra parte el amplio uso (directo o indirecto) del agua por el hombre, esta ocasionado

su gradual y ascendente contaminación, provocando una amenaza creciente para la

mayoría de las formas de vida en nuestro planeta, incluyendo al propio ser humano,

además siempre han existido fuentes naturales de contaminación del agua. Evidentemente

también en la naturaleza coexisten procesos naturales de auto purificación, que

generalmente logran equilibrios naturales, a los cuales los seres vivos van adaptaron a lo

largo de los tiempos. No obstante, el hombre contemporáneo ha creado y utiliza un gran

número de sustancias que nunca antes existieron en el mundo, las cuales se transforman

en grandes cantidades de desechos contaminantes. Hasta la fecha se han creado más de

seis millones de sustancias químicas, que no existían originalmente en la naturaleza. Cada

año esta cantidad aumenta en aproximadamente mil sustancias más. De 60,000 a 95,000

de estas sustancias se encuentran en el comercio común. Todo lo que producimos y

utilizando, algún día tarde o temprano, se transforma en desechos y basura, de la cual

gran parte llega intencional o casualmente a los subsistemas acuáticos del planeta. (Solís

y López, 2003). En nuestro país los usuarios del agua y demás actores involucrados en el

sector, siguen satisfaciendo sus necesidades sin tomar en cuenta el impacto sobre los

demás ecosistemas, contaminando los cuerpos de agua y el medioambiente, aunado a la

falta de tratamientos adecuado y el reúso de las aguas, conducen a la sobreexplotación

del recurso, la degradación de los suelos y por lo tanto a un impacto negativo sobre la

seguridad alimentaria. (De la Peña y Zamora, 2013).

Antecedentes

La contaminación hídrica en la zona de los Altos de Jalisco se manifiesta principalmente

en ríos, bordos y presas de manera parcial, debido a una incompleta cobertura del servicio

de drenaje y la falta de una infraestructura adecuada y suficiente para el tratamiento de

aguas residuales. En las regiones rurales de los municipios alteños es donde se evidencia

más marcadamente estas deficiencias, ya que la mayoría de estas poblaciones descargan

sus efluentes sin tratamiento directamente a los cuerpos de agua, provocando entre otras

cosas, que importantes volúmenes de líquido queden descartados para su uso en el riego

agrícola, el suministro de agua para la actividad pecuaria y el consumo humano e

industrial (H. Ayuntamiento de Arandas, 2012). Además, la limitada situación para el

acceso de estas poblaciones a recursos económicos tanto para la instalación como para la

operación de sistemas convenciones de tratamiento de aguas residuales, ocasionan que se

busquen otras alternativas más económicas y sustentables.

El término de humedales artificiales o construidos (HA) es relativamente nuevo, sin

embargo, el concepto es antiguo, pues se tiene conocimiento de que algunas antiguas

culturas como la china y la egipcia utilizaban humedales naturales para la disposición de

sus aguas residuales. (Ruiz, 2013). Algunos de los primeros trabajos en la utilización de

humedales artificiales para el tratamiento de aguas residuales comenzó en el instituto Max

Planck en 1953. Los investigadores trataron mitigar algunos problemas de contaminación

utilizando el sistema de los humedales naturales. Su investigación comenzó con un

estudio de las plantas para determinar las características que son deseables para el

tratamiento de las aguas residuales, así como cuales plantas poseían estas características.

Se encontró que las especies de plantas más adecuadas para el tratamiento son las que

tienen raíces adventicias. A finales de los años noventa los humedales empezaron a ser

utilizados más formalmente para la disposición de aguas residuales, con la visión de que

las aguas residuales son una fuente de agua y sustancias nutritivas para recuperación de

suelos y formación de humedales. (Benefield y Randall, 1993). El primer reporte

científico en el que se señala las posibilidades que tienen las plantas emergentes para la

remoción de contaminantes presente en las aguas residuales pertenece a la Dra. Kathe

Seidel del Instituto Max Planck, de Alemania. En el informe de sus investigaciones, ella

plantea que mediante el empleo del junco común (Schoenoplectus lacustris) era posible

la remoción de una serie de sustancias tanto orgánicas como inorgánicas, así como la

desaparición de bacterias (Coliformes, Salmonella y enterococos) presentes en las aguas

residuales (Osnaya, 2012).

Asimismo, el Dr. Reinhold Kickuth de la Universidad de Hessen (Alemania) desarrolló

un humedal para el tratamiento de aguas residuales dominado método de la zona de raíz.

Este sistema no se basa en la capacidad de la vegetación palustre para asimilar los

nutrientes, sino en el potencial inherente de tratamiento del suelo o sustrato, el cual se

complementa con la capacidad de las plantas para el transporte de oxígeno a través de los

tallos y las raíces; consiste un medio ambiente adecuado para la nitrificación y

desnitrificación. El crecimiento de las plantas también produce carbono que es una fuente

de energía para las bacterias que son responsables de las transformaciones del nitrógeno.

Para el año 2000, los países donde se estaba trabajando más en el campo del tratamiento

de las aguas residuales con HA fueron principalmente: Inglaterra, Estados Unidos de

América y Australia, lo cuales destinan importantes recursos económicos a la

investigación científica relacionada con el tratamiento de aguas residuales. El desarrollo

de humedales artificiales en la Unión Americana (USA) se dio a partir de los avances

dados en Europa y de experimentos llevados a cabo con humedales naturales. A partir de

1970 se realizaron estudios en varias universidades y agencias del gobierno (EPA,

Ejército, Nasa y departamento de Agricultura) con humedales artificiales como un

método de tratamiento alternativo a los sistemas convencionales existentes, como

resultado de estas investigaciones, tanto a nivel piloto como en pruebas a gran escala, se

desarrollaron en este país diferentes conceptos para el diseño de humedales artificiales.

En 1991 se desarrollaron más de 200 HA en USA, los cuales operaban para dar

tratamiento tanto a aguas residuales municipales, como industriales y agroalimentarias.

En México, también se han implementado los sistema de HA para el tratamiento de aguas

residuales, como por ejemplo en el municipio de Cucuchucho, Michoacán en la

comunidad ribereña de Santa Fe de la Laguna, donde Marín, Sánchez, Guzmán y Hurtado

(2005), diseñaron e instalaron un HA de flujo subsuperficial para el tratamiento de las

aguas residuales, con plantaciones de vegetales acuáticos de la región. Para la instalación

de este humedal se siguieron métodos establecidos a nivel mundial, con el fin de cumplir

con normas internacionales y nacionales. Este proyecto se dio dentro del Programa de

Restauración Ambiental de la Cuenca del Lago de Pátzcuaro (PRCACLP), auspiciado por

el Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA). En Oaxaca se estableció un

proyecto de optimización de lechos de raíces para el tratamiento de aguas residuales

municipales, se propuso con una duración de tres años y los objetivos fueron: conocer las

características actuales de los lechos de raíces, proponer una alternativa de diseño de

lecho de raíces optimizada, promover y asesorar la construcción del sistema y evaluar el

comportamiento del mismo; los resultados han demostrado la capacidad y eficiencia de

estos arreglos para la remoción de contaminantes como; DBO, sólidos suspendidos y

microorganismos (colifrmes y parásitos). En general la mayoría de los trabajos realizados

a nivel nacional, están enfocados a demostrar que los HA son una buena alternativa para

el tratamiento de aguas residuales (Osnaya, 2012).

Técnicamente los HA son sistemas Integrados y complejos donde se verifican

interacciones entre el agua, las plantas, los microorganismos, la energía solar, el sustrato

y el aire, con la finalidad de mejorar la calidad del agua residual y proveer la conservación

medioambiental. Su funcionamiento se apoya principalmente tres principios básicos: 1)

la actividad bioquímica de los microorganismos, 2) el aporte de oxígeno a través de las

plantas durante el día y, 3) el soporte físico de un lecho inerte para el desarrollo de los

rizomas de las plantas, además de operar como material filtrante (figura 1).

Figura 1: Proceso de depuración en los humedales artificiales (FUENTE: Osnaya, 2012).

Los HA al igual que los naturales pueden reducir una amplia gama de contaminantes del

agua tales como: sólidos en suspensión, DBO, nutrientes, metales, patógenos y otros

productos químicos. (Ruiz, 2013).En la figura 2 se puede apreciar el esquema de un

humedal artificial de flujo subsuperficial.

Figura 2: Humedal Artificial de flujo subsuperficial.

Materiales y métodos

Los diferentes sistemas de tratamiento para las aguas residuales, se enfocan en la

reducción de un o un grupo de paramentos contaminantes específicos, muchos de estos

basan sus diseños dando prioridad a la disminución de la Demanda Química de Oxigeno

(DQO), o bien a la Demanda Bioquímica de Oxigeno (DBO), otros se destina para

parámetros como; Nitrógeno total, fosforo total, solidos suspendidos totales, metales

pesados y/o coliformes y parásitos.

En general, todos los sistemas de HA pueden ser considerados como reactores biológicos

y su rendimiento se puede aproximar al descrito por la cinética de primer orden de un

reactor de flujo pistón, además los diseños basados en la remoción de DBO pueden

generar mejores rendimientos ya que tienen una área sumergida mucho mayor que

incrementa el potencial de crecimiento de la biomasa fija. Un m³ de lecho de humedal

que contiene grava de 25 mm, puede tener al menos 146 m² de área superficial además

de todas las raíces presen criterios de diseño.

Existen varios modelos matemáticos que permiten diseñar HA de flujo subsuperficial en

función a la remoción de DBO esperada. Sin embargo no existe un único modelo que

satisfaga todos los casos. Otro factor importante a tener en cuenta en el diseño, es la

determinación del nivel del agua subsuperficial en el humedal, el mismo que debe situarse

5-10 cm por debajo del nivel del material filtrante. Considerando los aspectos hidráulicos,

se debe presentar atención a las estructuras de ingreso y salida, con el objetivo de

garantizar una distribución uniforme del flujo. Para estimación las dimensiones del HA

(ancho, largo y profundidad) y perfil hidráulico, normalmente se utiliza la ecuación de

Darcy para valores de permeabilidad (capacidad de transmitir agua m³/m², “K” en medios

porosos. (Ministerio de Medio Ambiente y Agua, 2014).

El lecho de los HA de flujo subsuperficial tienen una profundidad típica de alrededor de

60 cm, del medio seleccionado con una capa de grava fina encima de 7.6 a 15 cm de

espesor que sirve para el enraizamiento inicial de la vegetación y se mantiene seca en

condiciones normales de operación. Dicha profundidad ayuda a la resistencia contra la

congelación. (Lara, 1999).

En el presente estudio se comparan los diseños de HA de flujo subsuperficial de; Reed

(R), Crites y Tchobanoglous (CT), y Kadleck y Knight (2K), desarrollados previamente

en base a los principios de Darcy a flujo laminar tipo tapón, considerando las condiciones

climáticas, operativas y la disponibilidad y tipos de terrenos en el área de estudio

(poblaciones rurales en Los Altos de Jalisco). El mayor beneficio de las plantas en los

HA, es la transferencia de oxígeno a la zona de la raíz. Su presencia física en el sistema

permite mayor y mejor penetración en el sustrato o medio de apoyo del oxígeno, asimismo

las porciones de vegetación sumergidas como hojas y tallos muertos se degradan y

convierten hábitats para el crecimiento de la película microbiana fija, la cual es

responsable de gran parte del tratamiento que ocurre (Lara, 1999). En estos HA las plantas

trabajan como filtros de macrófitas, los sistemas radiculares de estas plantas se entrelazan

tejiendo una “red de raíces”. Posteriormente el oxígeno es inyectado a través de sus hojas

hasta el sistema radicular gracias a la fisiología alveolar que actúa como membranas que

catalizan el oxígeno directamente en la raíz por la diferencia de presión isostática. El

oxígeno posibilita la creación de una abundante flora microbacteriana aerobia, que se

encarga de degradar la materia orgánica. Los nitratos y fosfatos son absorbidos

directamente por las plantas, constituyendo un excelente fertilizante para las mismas,

además se reduce el número de microorganismos patógenos (coliformes) debido a la

presencia de depredadores (protozoos y bacteriófagos) en la rizosfera de las plantas

(Huesca medioambiental, 2012). Así las plantas macrófitas emergentes contribuyen al

tratamiento del agua residual y escorrentía de varias maneras:

depositen.

mentos de traza para incorporarlos a los tejidos de

la planta.

espacios dentro del substrato.

En este caso se considera utilizar plantas macròfitas típicas de la propia región como: el

carrizo común (Phragmites autralis), el tule (Scirpus acutus), la espadaña (Typha latifolia)

y el gladiolo (Gladiolus).

Resultados

Para la obtención de los datos de diseño de los HA, se considera una comunidad rural

típica de la región de estudio, con una población de 700 habitantes, por lo que para el

cálculo del caudal promedio se utiliza el caudal demográfico (Qd) sugerida por Cueva y

Rivadeneira (2013);

𝑄𝑑 = (Nº de habitantes) (consumo diario por habitante)

Tomado como el consumo promedio por habitante equivalente a 181.5 lt/día, así;

𝑄𝑑 = (700) (181.5)

𝑄𝑑 = 127,050 lt/día (127 m³/día)

Asimismo, se toma la caracterización promedio de las aguas residuales en el área de

estudio, la composición básica de estas se puede apreciar en la tabla 1:

PARÁMETRO PROMEDIO UNIDADES

DBO 450 mg/l

DQO 620 mg/l

Fósforo 48 mg/l

Grasas y aceites 84 mg/l

Huevos de Helmintos 2.8 h/l

Nitrógeno (Kjeldahl) 90 mg/l

Sólidos sedimentables 1.8 mg/l

Sólidos suspendidos

totales

410 mg/l

Coliformes fecales 49320 Colonias por 100 ml Tabla 1: Composición de las aguas residuales en poblaciones rurales de los Altos de Jalisco

Además, se selecciona grava gruesa tipo tezontle rojo como sustrato, el cual presenta una

porosidad del 40% (n=0.4), con una profundidad sugerida estándar de 60 cm (h=0.60).

Todos los modelos asumen condiciones uniformes de flujo laminar tipo pistón y que

además no existen restricciones para el contacto entre los constituyentes del agua residual

y los organismos responsables del tratamiento.

Para los valores de salida del agua tratada del HA (efluente), se consideran los parámetros

de las normas oficiales vigentes; 1) NOM-001-SEMARTAN-1996, que establece los

límites máximos permisibles en las descargas a los cuerpos de agua y al suelo y 2) NOM-

003-SEMARNAT-1997, que establece los límites máximos permisibles para el agua

tratada que se reutiliza para el riego de áreas verdes, así los datos básicos para los diseños

de los HA según los modelos seleccionados son (tabla 2):

PARÁMETRO (UNIDAD) UNIDAD VALOR

Caudal promedio (Q) m³/día 127

Concentración de DBO afluente (Co) mg/lt 450

Concentración de DBO efluente (Ce) Mg/lt 20

Porosidad sustrato (n) % 40

Profundidad sustrato (h) m 0.60

Temperatura promedio (T) C 19

Tabla 2: Datos para el diseño de los HA

1) Modelo de Reed

Determinado el valor de la constante de velocidad de la reacción (Kt), de acuerdo a la

temperatura promedio de 19°C, tenemos según Reed:

𝐾𝑡 = 𝐾20(1.06)exp(𝑇 − 20)

Donde Reed sugiere;

K20 = 1.104/día

Así;

𝐾𝑡 = 1.104(1.06) exp(19 − 20)

K𝑡 = 1.041/día

Con este valor (Kt) es posible determinar el área superficial mediante la siguiente

ecuación:

𝐴𝑠 =𝑄(𝑙𝑛𝐶𝑜 − 𝑙𝑛𝐶𝑒)

𝐾𝑡𝑛ℎ

Donde:

As: Área superficial del humedal (m²)

Q: Caudal promedio (m³/día)

Co: Concentración de la DBO en el afluente (a la entrada del humedal) (ppm)

Ce: Concentración de la DBO en el efluente (a la salida del humedal) (ppm)

Kt: Constante de primer orden (velocidad de reacción) dependiente de la temperatura

(1/día)

n: porosidad del material que forma el sustrato (fracción decimal).

h: profundidad del sustrato (m).

Se sustituyen los valores:

𝐴𝑠 =127(𝑙𝑛450 − 𝑙𝑛20)

(1.041)(0.40)(0.60)

𝐴𝑠 = 1580.91𝑚²

Para determinar el tiempo de retención hidráulica (TRH), utilizamos la ecuación;

𝑇𝑅𝐻 =(𝐴𝑠)(ℎ)(𝑛)

𝑄

Se sustituyen valores:

TRH = (1580.91) (0.60) (0.40)/ (127)

Por tanto para este modelo:

TRH = 2.9875 días

Con estos datos, se procede a estimar las dimensiones del humedal; ancho (W) y largo

(L), mediante la siguiente expresión:

𝑊 =1

ℎ(𝑄𝐴𝑠

𝑚𝐾𝑠) exp(0.5)

Donde; Ks= conductividad hidráulica del medio en una unidad de sección perpendicular

a la dirección del flujo (m³/m²d) (tabla 3).

m = Pendiente del lecho del HA

Tipo de material Tamaño

efectivo

(mm)

Porosidad, n

(%)

Conductividad

hidráulica (Ks)

(m³/m².d)

Arena gruesa 2 20-32 100-1000

Arena gravosa 8 30-35 500-5000

Grava fina 16 35-38 1000-10000

Grava media 32 36-40 10000-50000

Grava gruesa 128 38-45 50000-250000

Tabla 3: Valores a de porosidad y conductividad hidráulica de sustratos

Según Lara (1999), La conductividad hidráulica del sustrato varía en función de los

espacios vacíos del propio material, por lo que se debe tomar en cuenta tanto el tamaño

como la porosidad del material a utilizar como soporte para las plantas en el HA.

Sustituyendo los valores para estimar el ancho mediante grava gruesa con porosidad

promedio del 40% y Ks de 100000 m³/m².d

𝑊=10.60 [(127)(1580.91)(0.01)(100000)]exp 0.5

𝑊=1.666(14.169)

𝑊=23.62𝑚

Para el largo (L) del HA:

𝐿=𝐴𝑠 /W

Se sustituyen los valores:

𝐿= (1580.891) / (23.62)

𝐿=66.97𝑚

Conociendo el ancho y largo del HA, podemos deducir la relación que existe entre

estos:

𝐿

𝑊=

66.97

23.605= 2.837

Cabe señalar que en este modelo no es posible elegir la relación largo/ancho.

2) Modelo de Crites y Tchobanoglous (CT)

En este modelo se calcula la constante de velocidad (Kt) con la siguiente expresión:

𝐾𝑡 = 𝐾20(1.06) exp(𝑇 − 20)

Para una temperatura promedio de 19Ccon la ecuación, el valor de K20 será el promedio

de:

𝐾20 =1.1+1.35

2 = 1.225/día

Sustituyendo los valores:

𝐾𝑇=1.225(1.06)exp (19−20)

𝐾𝑇=1.155/día

Para estimar el tiempo de retención hidráulico se procede con la siguiente ecuación:

𝑇𝑅𝐻 =−ln (

𝐶𝑒𝐶𝑜)

𝐾𝑡

Se sustituyen los valores:

𝑇𝑅𝐻 = −ln (

20450

)

1.155

TRH= 2.71 días

Para el área superficial del humedal se aplica la ecuación:

𝐴𝑠 =(𝑄)(𝑇𝑅𝐻)

(ℎ)(𝑛)

𝐴𝑠 = (127)(2.71)/(0.60)(0.4)

𝐴𝑠=1430.833m²

Con este modelo es posible adaptar las dimensiones de largo y ancho, fijando una

relación (R) adecuada como 1:3, es decir uno de ancho por 3 de longitud

𝑊 = √𝐴𝑠/𝑅2

𝑊√(1430.833)/(3)2

W=21.83 𝑚

Para obtener el largo del humedal se aplica la siguiente ecuación (28).

𝐿 =𝐴𝑠

𝑊

Así:

𝐿 =1430.883

21.83

L= 65.51 m

3) Modelo de Kadlec y Knight (2K)

El siguiente diseño se realizó según el manual de procedimiento propuesto por R. H.

Kadlec y R. L. Knight (1996):

Para determinar el área superficial del HA, primero se procede a estimar el valor de la

constante cinética de reacción de primer orden (KA), para una temperatura media de

19°C.

K𝐴 = 𝐾20 𝜃𝑇 exp (𝑇−20)

Donde:

KA: Constante superficial cinética de reacción de primer orden dependiente de la

temperatura

K20: Constante superficial de velocidad de reacción a 20 ºC

ΘT: Factor de corrección por temperatura (tabla 4)

T: Temperatura del agua en el humedal (ºC)

K20 ѲT Temperatura (°C)

0 1 0

1.0 1.15 0-1

0.1367 1.15 1-10

0.2187 1.048 Más de 10

Tabla 4: Parámetros para estimación de la constante KA según la temperatura

𝐾𝐴 = (0.2187) (1.048) exp (19−20)

𝐾𝐴= 0.2087/día

El área superficial será:

𝐴𝑠 =𝑄

𝐾𝐴ln(𝐶𝑜 /𝐶𝑒)

Sustituyendo los valores correspondientes:

𝐴𝑠 =127

0.2087𝑙𝑛(

455

20)

As = 1894.661 𝑚²

Para determinan el tiempo de retención hidráulico (TRH), se utiliza la siguiente ecuación:

𝑇𝑅𝐻 =𝑛𝐴𝑠ℎ

𝑄

Sustituyendo los valores correspondientes:

𝑇𝑅𝐻 =(0.40)(1894.661)(0.60)

127

TRH=3.58 días

Ahora se procede a calcular el área de sección trasversal del HA (At) mediante:

𝐴𝑡 =𝑄

(𝐾𝑠/𝑄)(𝑚)

Donde;

Ks = Conductividad hidráulica (tabla 3)

m = Pendiente del lecho = 1% (0.01).

Sustituyendo:

𝐴𝑡 = 127/(100000

127)(0.01)

At = 16.13 m²

Con esta área transversal se calcula las dimensiones generales del HA;

𝑊 =𝐴𝑡

ℎ

Así:

W= (16.13)/(0.60) = 27.1 m.

Con una longitud de:

𝐿 =𝐴𝑠

𝑊

L= 1894.661/27.126.46

L= 69.91 m

Por tanto la relación L/W será:

69.91/27.1 = 2.58

Resultados

Las dimensiones generales, así como el tiempo de retención hidráulica de los tres modelos

estudiados se pueden comparar en la tabla 5:

Modelo Área superficial

(m²)

Ancho

(m)

Largo

(m)

Tiempo Retención

(días)

R 1580.89 23.62 66.97 2.98

CT 1430.83 21.83 65.51 2.71

2K 1894.66 27.10 69.91 3.58

Tabla 5 Comparativo de los 3 modelos

La relación largo entre ancho del HA, en los tres modelos considerados se aproxima a 3,

lo que asegura un flujo horizontal tipo tapón en régimen laminar y garantiza una óptima

depuración de las aguas residuales, evitando obstáculos hidráulicos y cortos circuitos que

afecten el tiempo de retención hidráulica, el cual oscila de 2.6 a 3.5 días en los tres

modelos, para una temperatura promedio de operación de 19°C. En el cálculo de las

dimensiones, las formulas y ecuaciones son similares, destacándose el modelo de Reed

que involucra una cantidad mayor de parámetros. Asimismo el área superficial en los tres

modelos es muy similar, por lo que sus dimensiones generales de largo y ancho también

son muy parecidas. Las plantas autóctonas seleccionadas para el presente diseño

(Castañeda y Flores, 2013) contribuyen a la remoción de los contaminantes presentes en

el agua residual; los compuestos orgánicos, nitrogenados y fosforados son transformados

a formas más simples. Cabe hacer notar que estos sistemas generan lo mayores beneficios

de saneamiento, en las estaciones del año más calurosas con tiempos de retención

hidráulico menores, aumentando su capacidad de tratamiento.

Conclusiones

El establecimiento de sistemas para el tratamiento de aguas residuales en poblaciones

rurales en Los Altos de Jalisco, mediante humedales artificiales de flujo subsuperficial es

factible, ya que son diseños económicos y de bajo costo de operación y mantenimiento,

además es posible utilizar plantas macrófitas de la propia región, generando así una

solución sustentable para la problemática que representa la descarga de aguas residuales

domesticas sin tratamiento.

En general los resultado muestran una gran similitud entre los tres modelos para los datos

considerados de: volumen y caracterización del agua residual, condiciones

climatológicas, particularidades del terreno y condiciones de trabajo lo que asegura su

funcionalidad en su futura instalación y operación.

Imágenes de instalación de humedal artificial en Los Altos de Jalisco en base al

presente estudio

Bibliografía

Beascoechea, E., et al (2005). Manual de Fitodepuración, filtros de macrofitas en

flotación. Madrid: proyecto life.

Benefield, L. y Randall, C. (1993). Biological process desing for wastewater treatment.

Englewood Cliffs, N.J: Pretice - Hall, Inc.

Benítez Hernández, J. A. (2009). Evaluación de un humedal artifical para el tratamiento

de aguas residuales dómesticas. Tepatilán de Morelos, Jal., México: UdeG.

Castañeda, A. y Flores, H. (2013). Tratamiento de aguas residuales domésticas mediante

plantas macrófitas típicas en Los Altos de Jalisco, México. Revista de Tecnología y

Sociedad, “innovación y difusión de la tecnología”. Año 3, número 5, abril-septiembre

2013.

Comisión Nacional del Agua. (CONAGUA). Obtenido de

http://www.conagua.gob.mx/CONAGUA07/Publicaciones/Publicaciones/Libros

/10DisenoDeLagunasDeEstabilizacion.pdf. Fecha de consulta: Diciembre de

2012.

Consejo Consultivo del Agua (CCA) Obtenido de

http://www.aguas.org.mx/sitio/02a4.html. Fecha de consulta: Agosto de 2014.

Crites, & Tchobanoglous. Universidad de California. Obtenido de

http://www2.bren.ucsb.edu/~keller/courses/GP_reports/Diseno_Humedal_Aguas

Grises.pdf. Fecha de consulta: 0ctubre de 2014.

Cueva, E. y Rivadeneira, F. (2013). ESPE. Obtenido de

http://www.espe.edu.ec/portal/portal/main.do?sectionCode=118:

http://repositorio.espe.edu.ec/bitstream/21000/6543/1/T-ESPE-STO%20D.-

De la Peña M., y Zamora, V. (2013) Atl portal del agua. Obtenido de

http://www.atl.org.mx/index.php?option=com_content&view=article&id=6483:i

nforme-sobre-tratamiento-de-aguas-residuales-en-

mexico&catid=13:publicaciones&Itemid=597. Fecha de consulta : Junio de

2013.

Geissler, G., y Arroyo, M. (2011). El agua como un recurso natural renovable. México:

Trillas.

Gobierno Municipal de Arandas. (2012). Obtenido de

http://arandas.gob.mx/reglamentos/PDM%20ARANDAS.pdf. Fecha de consulta

Agosto de 2014.

Guerrero, M. (1991). El agua. México: La ciencia para todos.

Hernandez, J. (2009). Colegio de post graduados. Obtenido de

http://www.cm.colpos.mx/portal/:

http://www.cm.colpos.mx/2010/images/tesis_p/edafologia/tesis_propiedadesh.p

df

Huesca medioambiental. (2012). Blogspot Huesca Medioambiental. Obtenido de

huescamedioambiental.blogspot.mx:

http://huescamedioambiental.blogspot.mx/2012/10/depuracion-biologica-por-

macrofitas-en.html

INEGI. (2012). INEGI. Obtenido de

http://www.inegi.org.mx/prod_serv/contenidos/espanol/bvinegi/productos/integr

acion/pais/mexvista/2012/Mex_vi12.pdf

Kadlec, R. (1993). Hidrological design of free water surface treatment wetlands.

Chelsea: In G. Moshiri.

Kadlec, R. (2000). Constructed Wetlands for Pollution Control: Processes,

Performance, Design and Operation. . USA: IWA Publishing.

Lara, J. (1999) . Depuración de Aguas Residuales Municipales con Humedales

Artiificiales. Obtenido de http://www.maslibertad.net/huerto/Humedales.pdf.

Fecha de consulta: Mayo de 2013.

Llagas, W. y Gómez, E. (2006). Diseño de humedales artificiales para el tratamiento de

aguas residuales en la UNMSM. Revista del Instituto de

Ministerio de Medio Ambiente y Agua. (2014). Salud Publica. Obtenido de Guía

Técnica de Diseño y Ejecución de Proyectos de Agua y Saneamiento con

Tecnologías Alternativas:

http://saludpublica.bvsp.org.bo/textocompleto/bvsp/boxp68/guia-tecnica-

agua.pdf

OMS. (1989). ORGANIZACIÓN MUNDIAL DE LA SALUD WEB SITE. Obtenido de

http://www.who.int/water_sanitation_health/wastewater/es/

ORGANIZACION MUNDIAL DE LA SALUD (2014) OMS. Obtenido de

http://www.who.int/topics/water/es/. Fecha de consulta: Agosto de 2014.

Organización Panamericana de la Salud. (2005). OPS. Obtenido de

file:///D:/Downloads/DisenoDEdesarenador2014%20(3).pdf

Osnaya, M. Universidad de la Sierra Juárez. Obtenido de http://www.unsij.edu.mx/:

http://www.unsij.edu.mx/tesis/digitales/6.%20MARICARMEN%20OSNAYA%

20RUIZ.pdf. Fecha de consulta: Febrero de 2012.

Ruiz Pascual, M. A. (2013). Humedales artificales para el tratamieno de aguas

residuales domésticas. Chapingo: Universidad Autónoma Chapingo.

Seoánez Calvo, M. (1999). Aguas Residuales: Tratamiento por humedales artificiales.

España: Ediciones Mundi-prensa.

Solís, L. y López J. (2003). Principios básicos de contaminación ambiental. Toluca:

Instituto literario.

USEPA. (1988). Design Manual, Constructed wetlands and Aquatic Plant Systems for

Municipal Wastewater Treatment. USA: (Environmental Protection Agency).