EVALUACIÓN DE UN HUMEDAL ARTIFICIAL DE FLUJO ...
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EVALUACIÓN DE UN HUMEDAL ARTIFICIAL DE FLUJO SUBSUPERFICIAL PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE LA UNIVERSIDAD LIBRE JEIMMY ALEXANDRA RINCÓN MEDINA Cód. 064081005 NOHORA FERNANDA MILLÁN BALLÉN Cód. 064081050 Universidad Libre Facultad de Ingeniería Ingeniería Ambiental Bogotá 2013
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EVALUACIÓN DE UN HUMEDAL ARTIFICIAL DE FLUJO SUBSUPERFICIAL PARA EL
TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE LA UNIVERSIDAD LIBRE
JEIMMY ALEXANDRA RINCÓN MEDINA
Cód. 064081005
NOHORA FERNANDA MILLÁN BALLÉN
Cód. 064081050
Universidad Libre
Facultad de Ingeniería
Ingeniería Ambiental
Bogotá
2013
2
EVALUACIÓN DE UN HUMEDAL ARTIFICIAL DE FLUJO SUBSUPERFICIAL PARA EL
TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE LA UNIVERSIDAD LIBRE
JEIMMY ALEXANDRA RINCÓN MEDINA
Cód. 064081005
NOHORA FERNANDA MILLÁN BALLÉN
Cód. 064081050
Trabajo de Grado para optar al título de Ingeniero Ambiental
Director:
ANDRÉS FELIPE SUAREZ ESCOBAR
INGENIERO QUÍMICO
Universidad Libre
Facultad de Ingeniería
Ingeniería Ambiental
Bogotá
2013
3
Nota de aceptación:
Firma del presidente del jurado
Firma del jurado
Firma del jurado
Bogotá D.C. 10, Septiembre de 2013
4
DEDICATORIA
Este trabajo es dedicado especialmente a DIOS, quien nos mostró que con esfuerzo y
dedicación, todo se puede lograr, a él, gracias por sus bendiciones y por guiarnos por el
buen camino.
A nuestros padres, hermanos y familiares por su amor, su compresión y apoyo
incondicional, gracias por ayudarnos a alcanzar nuestras metas y sueños, a ustedes
dedicamos nuestros triunfos y los frutos de nuestro esfuerzo.
5
AGRADECIMIENTOS
A la Universidad Libre por los conocimientos adquiridos a lo largo de nuestra carrera,
agradecemos infinitamente a los docentes del programa de Ingeniería Ambiental que con
sus enseñanzas aportaron herramientas indispensables para realizar este trabajo.
Gracias al Ingeniero Andrés Suarez, por su asesoría, por sus enseñanzas y el apoyo que
nos brindó durante el desarrollo de esta investigación.
Y especialmente gracias a Dios y a cada una de las personas, amigos, compañeros y
familiares que nos apoyaron.
6
CONTENIDO
INTRODUCCIÓN ................................................................................................. 111
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ........................................................... 122
2. JUSTIFICACIÓN ......................................... ¡Error! Marcador no definido.3
3. OBJETIVOS ........................................................................................... 144
3.1. OBJETIVO GENERAL .............................................................................. 144
3.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS ....................................................................... 144
4. MARCO TEÓRICO ................................................................................... 155
4.1. AGUAS RESIDUALES DOMESTICAS .......................................................... 155
4.2. HUMEDALES .......................................................................................... 166
4.2.1. Vegetación en los humedales .................................................................... 17
4.2.2. Humedales artificiales ............................................................................... 18
4.2.3. Procesos de remoción en los humedales artificiales ................................... 200
4.2.4. Diseño de un humedal artificial de flujo subsuperficial horizontal ................ 211
4.3. Parametros comunmente analizados para el tratamiento de aguas residuales en
humedales artificiales ........................................................................................... 233
4.3.1. Temperatura ......................................................................................... 233
4.3.2. Conductividad ........................................................................................ 233
4.3.3. Turbidez ................................................................................................ 244
4.3.4. Solidos Suspendidos ............................................................................... 244
4.3.5. Potencial de hidrogeno (pH) ................................................................... 244
4.3.6. Oxígeno disuelto (OD ............................................................................. 255
4.3.7. Demanda química de oxigeno (DQO ........................................................ 255
4.3.8. Demanda biológica de oxigeno (DBO5) ..................................................... 266
4.3.9. Nitrógeno orgánico................................................................................. 266
4.3.10. Nitrógeno amoniacal ................................................................................ 27
4.3.11. Nitratos ................................................................................................... 27
4.3.12. Nitritos .................................................................................................... 27
4.3.13. Fósforo total ............................................................................................ 28
5. METODOLOGÍA ........................................................................................ 29
7
5.1. CARACTERIZACIÓN INICIAL DEL AGUA ..................................................... 29
5.2. DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y MONTAJE DEL HUMEDAL HSS ....................... 311
5.3. SEGUIMIENTO, MONITOREO Y MEDICIÓN ............................................... 333
5.4. DETERMINACIÓN DE LAS CONDICIONES DEL SISTEMA ............................ 333
5.5. COMPARACIÓN DE REMOCIÓN DE HV Y HC ............................................. 333
6. RESULTADOS Y DISCUCIÓN ................................................................... 355
6.1. CARACTERIZACIÓN INICIAL DEL AGUA ................................................... 355
6.2. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL HUMEDAL A ESCALA DE LABORATORIO ... 366
6.2.1. Diseño de las unidades experimentales. ................................................... 366
6.2.2 Donstrucción del sistema.. ........................................................................ 38
6.3. RECOLECCIÓN Y ANÁLISIS DE DATOS ....................................................... 39
6.3.4. Oxígeno disuelto (OD) ............................................................................ 411
6.3.5. Conductividad. ....................................................................................... 422
6.3.6. Solidos suspendidos totales (SST) ........................................................... 422
6.3.7. Demanda biológica de oxigeno (DBO). ..................................................... 444
6.3.8. Demanda química de oxigeno (DQO). ...................................................... 466
6.3.9. Nitrógeno amoniacal (NH4).. ..................................................................... 47
6.3.10. Nitrógeno orgánico (Norg). ......................................................................... 48
6.3.11. Nitritos (NO2). .......................................................................................... 50
6.3.12. Fosforo total (P-PO4) .............................................................................. 533
6.4. CONDICIONES DE MAYOR REMOCIÓN DEL SISTEMA¡Error! Marcador no
definido.5
6.5. COMPARACIÓN PAREADA ........................... ¡Error! Marcador no definido.5
6.5.1. Comparación pareada para DBO5 ............................................................ 566
6.5.2. Comparación pareada para DQO ............................................................. 566
7. CONCLUSIONES ....................................................................................... 58
8. RECOMENDACIONES .............................................................................. 600
BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................... 611
ANEXOS.. ............................................................................................................ 655
8
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1. Humedal .................................................................................................. 166
FIGURA 2. Humedal de flujo libre ................................................................................. 18
FIGURA 3. Humedal de flujo subsuperficial vertical ........................................................ 19
FIGURA 4. Humedal de flujo subsuperficial horizontal .................................................... 19
FIGURA 5. Caja de inspección .................................................................................... 300
FIGURA 6. Humedales construidos HV y HC ................................................................ 322
FIGURA 7. Contenedor construido en acrílico................................................................. 37
FIGURA 8. Humedales en construcción ......................................................................... 38
FIGURA 9. Variación de temperatura del afluente, HV y HC ............................................ 39
FIGURA 10. Comportamiento del ph durante el tratamiento .......................................... 400
FIGURA 11. Comportamiento de la turbidez respecto al tiempo ..................................... 400
FIGURA 12. Comportamiento del oxígeno disuelto respecto al tiempo ............................. 41
FIGURA 13. Comportamiento de la conductividad respecto al tiempo ............................ 422
FIGURA 14. Carga de sst del afluente y los efluentes ................................................... 433
FIGURA 15. Remoción de sst ..................................................................................... 444
FIGURA 16. Comportamiento de dbo respecto al tiempo .............................................. 455
FIGURA 17. Remoción de DBO ................................................................................... 455
FIGURA 18. Carga de dqo del afluente y los efluentes .................................................. 466
FIGURA 19. Remoción de DQO .................................................................................... 47
FIGURA 20. Comportamiento de NH4 respecto al tiempo ................................................ 48
FIGURA 21. Remoción de NH4 ...................................................................................... 48
FIGURA 22. Comportamiento de NORG respecto al tiempo ................................................ 49
FIGURA 23. Remoción de NORG ..................................................................................... 49
FIGURA 24. Variación de concentración de NO2 ........................................................... 500
FIGURA 25. Remoción de nitritos ............................................................................... 511
FIGURA 26. Variación de la concentración de NO3........................................................ 511
FIGURA 27. Remoción de nitratos .............................................................................. 522
FIGURA 28. Variación de concentración de P-PO4 ........................................................ 533
9
FIGURA 29. Remocion de fósforo ............................................................................... 534
LISTA DE TABLAS
TABLA 1. Especies vegetales más comunes en los humedales ......................................... 17
TABLA 2. Métodos utilizados para determinar parámetros físicos y químico .................... 300
TABLA 3. Caracterización física y química del agua residual ............................................ 35
TABLA 4. Dimensiones de las unidades experimentales ................................................ 366
TABLA 5. Características hidráulicas de las unidades experimentales ............................. 388
TABLA 6. Condiciones de operación para HV y HC ....................................................... 555
TABLA 7. Comparación pareada para DBO5 ................................................................. 566
TABLA 8. Comparación pareada para DQO .................................................................. 566
10
LISTA DE ANEXOS
AXEXO A. Plano del contenedor del humedal .............................................................. 65
AXEXO B. Registro fotografico ................................................................................... 66
11
INTRODUCCIÓN
Desde hace unos años, algunos sistemas naturales están siendo considerados para el
desarrollo de nuevas tecnologías. Para la depuración de aguas y control de la
contaminación.
Los humedales son uno de estos sistemas naturales que ha despertado interés, ya que
proveen sumideros para la amortiguación de contaminantes orgánicos e inorgánicos
(Villegas Gómez, Guerrero Erazo, Castaño rojas, & Paredes Cuervo , 2006)
Esta capacidad es el mecanismo mediante el cual los humedales artificiales simulan los
procesos naturales con el propósito de tratar las aguas residuales. Los humedales artificiales
logran el tratamiento de las aguas residuales a través de la sedimentación, absorción y
metabolismo bacterial.
La Universidad Libre sede Bosque popular, en la actualidad no cuenta con ningún sistema
de tratamiento de aguas residuales, y no se ha realizado ninguna investigación referente a
la utilización de humedales artificiales con este fin.
Por consiguiente se diseñó, instalo, monitoreo y evaluó por medio de un modelo a escala, la
eficiencia de remoción de estos sistemas, para parámetros como DBO, DQO, Nitrógeno
total, Fosforo total, entre otros paramentos físicos. Evidenciando también los efectos de las
aguas tratadas en el sistema sobre las plantas, y los resultados finales del proceso.
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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La Universidad Libre sede Bosque Popular no cuenta con un sistema de tratamiento para las
aguas residuales generadas en la institución y en estos momentos vierte este efluente en el
sistema de alcantarillado. La composición de este tipo de agua es variada puesto que se
recolectan en una misma línea de conducción aguas de actividades sanitarias, lluvia y de
efluentes de laboratorio. Como resultado se genera un efluente con concentraciones
considerables de carga orgánica, inorgánica y contaminación microbiológica (Coliformes
fecales y totales principalmente).
Bajo estas condiciones, la institución no cumple con la normatividad de vertimientos
dispuesta por la autoridad puesto que los niveles de concentraciones de DQO, DBO5,
nitrógeno y fósforo, rebasan los límites permisibles dispuestos en la norma.
Debido a esto, la institución debe implementar dentro de sus procesos, estrategias de
mitigación y prevención de la contaminación con el fin de aminorar la problemática
generada por dicha actividad y ser ejemplo de gestión para la sociedad en la
implementación de estrategias de control.
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2. JUSTIFICACIÓN
En los últimos años el crecimiento de costos ambientales asociado con el tratamiento de
aguas residuales ha generado conciencia investigativa destinada al diseño de nuevas
tecnologías, buscando un ahorro energético y económico. Hace algunos años, el hombre ha
venido implementando los humedales artificiales como estrategia de tratamiento para
disminuir los posibles efectos adversos de los vertimientos sobre los medios receptores
convirtiéndose en una alternativa atractiva para la depuración de aguas residuales
domésticas (Osnaya Ruiz, 2012). Estos sistemas suelen ser menos costosos de construir,
operar y mantener que otro tipo de tratamiento con el que se logre una calidad de agua
similar a la que se puede obtener con el humedal y una de las principales ventajas que
poseen estos sistemas, es la disminución en los olores y vectores así como la disminución
de riesgos de salud pública (Llagas Chafloque & Guadalupe Gomez, 2006).
Mediante el desarrollo de este proyecto se evaluó una estrategia de tratamiento para los
efluentes generados por la Universidad, teniendo en cuenta los beneficios ecológicos,
económicos y de salud pública que poseen estos sistemas en el tratamiento de aguas
residuales. En este trabajo se realizó una aproximación en la construcción y mantenimiento
de humedales de flujo subsuperficial, mediante la evaluación de la eficiencia de remoción de
materia orgánica en términos de la demanda biológica de oxigeno (DBO), demanda química
de oxígeno (DQO), sólidos suspendidos totales (SST), nitrógeno y fósforo total.
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3. OBJETIVOS
3.1. OBJETIVO GENERAL
Evaluar un humedal artificial de flujo subsuperficial (HSS) a escala laboratorio para el
tratamiento de aguas residuales generadas en la Universidad Libre sede Bosque Popular.
3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Caracterizar las aguas residuales de la Universidad Libre sede Bosque Popular con el fin de
establecer el grado de contaminación que estas poseen.
Diseñar, construir y montar un humedal artificial de flujo subsuperficial a escala de
laboratorio para el tratamiento de aguas residuales servidas de la Universidad Libre.
Evaluar el efecto de variables de proceso del humedal de flujo subsuperficial sobre
parámetros físicos y químicos tales como DBO5, DQO, SST, NO3, NO2, nitrógeno total y
fosforo total.
Determinar las condiciones óptimas de operación del humedal de flujo subsuperficial a
escala de laboratorio para el tratamiento de aguas residuales servidas de la Universidad
Libre.
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4. MARCO TEÓRICO
4.1. AGUAS RESIDUALES DOMESTICAS
De acuerdo a la definición dada por el ministerio de ambiente y desarrollo sostenible, ‘‘Se
entiende por aguas residuales domesticas a todas las descargas procedentes de hogares o
de instalaciones de generadores que desarrollen actividades productivas (industriales,
comerciales o se servicio), e incluyen lo siguiente:
a. Las aguas vertidas de los retretes y servicios sanitarios;
b. Descargas de duchas, lavados de pisos, cocinas y lavaderos, incluyendo lavamanos.
’(Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible)
Las aguas residuales domesticas se caracterizan por presentar grandes variaciones en su
composición principalmente debido a microorganismos patógenos, además estas aguas
poseen componentes físicos, químicos y biológicos, presentando una mezcla de sustancias
orgánicas e inorgánicas.
La mayor parte de la materia orgánica consiste en residuos fecales, materia vegetal, sales
minerales y diversos materiales sintéticos (Torres Lozada , Foresti, & Valloser), por lo que
estas aguas contienes diversas sustancias tanto naturales como artificiales que llegan al
alcantarillado y son consideradas como dañinas para el hombre y el ambiente.
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4.2. HUMEDALES
Los humedales son un conjunto de múltiples ecosistemas naturales y artificiales (Figura 1).
La Convención Ramsar los define como: ‘‘Aquellas extensiones de marismas, pantanos,
turberas o aguas de régimen natural o artificial, permanentes o temporales, estancadas o
corrientes, dulces, salobres o saladas, incluyendo las extensiones de agua marina cuya
profundidad en marea baja no exceda de seis metros ’’ (Secretaria de la convencion de
ramsar, 1971)
Los humedales desempeñan un papel muy importante ya que favorecen al control de la
erosión, la recarga de acuíferos, a la mitigación de inundación, retención de sedimentos y
absorción de contaminantes.
La Convención de Ramsar también ha adoptado un Sistema de clasificación de Tipos de
Humedales agrupados en tres categorías: humedales marinos y costeros, humedales
continentales y humedales artificiales.
Figura 1. Humedal
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4.2.1. Vegetación en los humedales
Existe una gran diversidad de especies vegetales en estos ecosistemas. Algunas de las
especies más representativas se muestran en la Tabla 1:
Tabla 1. Especies vegetales más comunes en los humedales
Nombre Científico Familia Nombre Común
Características Principales
Zantedeschia aethiopica
Araceae Cartucho
Capaz de crecer en ambientes húmedos y medio ambientales. Suele encontrarse en canales de riego, zanjas de desagüe y orillas de cuerpos de agua. Tiene un uso ornamental.
Juncais Carex sp
Cyperaceae
Cortadera
Crecen en aguas costeras, interiores salobres y humedales Crecen bien en agua desde 5cm hasta 3 m de profundidad.
Schoenoplectus californicus
Cyperaceae Junco
Es una planta de crecimiento rápido, tolera suelos con un pH entre 3.7 y 8.5. Es resistente a sequias.
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4.2.2. Humedales artificiales
Los humedales artificiales son sistemas de depuración de aguas de poca profundidad, en el
que se siembran especies vegetales encargadas de purificar el agua mediante procesos
naturales, para aumentar la descomposición de los materiales degradables contenidos en el
agua residual con mecanismos que se dan de forma espontánea en la naturaleza tanto a
nivel físico-químico como biológico (Delgadillo, Camacho, Perez, & Andrade, 2010).
Este tipo de sistemas se componen de áreas que se encuentran inundadas por aguas
superficiales o subterráneas con un caudal constante tal, que sea suficiente para mantener
las condiciones de inundación.
Existen diversos tipos de sistemas de humedales artificiales desarrollados para el
tratamiento de agua residual dependiendo de la circulación del agua, sea superficial o
subterránea.
Humedales de flujo libre: El flujo de agua es horizontal superficial, se conforman
con un aspecto similar a los humedales naturales (Figura 2). Se les aplica agua
residual en forma continua y el tratamiento se produce durante la circulación del
agua a través de los tallos y raíces de la vegetación emergentes (Miguel, 2013).
Figura 2. Humedal de flujo libre
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Humedales de flujo subsuperficial vertical: La circulación del agua es de tipo
vertical y tiene lugar a movimientos, de manera que el medio granular no está
permanentemente inundado (Figura 3).
Estos humedales constan de tuberías de aireación, para airear el lecho en
profundidad y mejorar y favorecer así los procesos de degradación aeróbica y la
nitrificación (Miguel, 2013).
Humedales de flujo subsuperficial horizontal: Los humedales artificiales de
flujo sub superficial pueden considerarse reactores biológicos, el agua entra por uno
de sus extremos, y se reparte, atravesando la zona de grava sembrada con las
plantas en el otro extremo, el agua es recogida en el fondo (Figura 4). El nivel
máximo se regula de manera que no aflore la lámina de agua y se mantenga unos
centímetros por debajo de la grava, haciendo visitable el humedal e impidiendo la
proliferación de moscas y mosquitos (Miguel, 2013).
Figura 3. Humedal de flujo subsuperficial vertical
Figura 4. Humedal de flujo subsuperficial horizontal
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4.2.3. Procesos de remoción en los humedales artificiales
Proceso de remoción físico: Los humedales artificiales son capaces de
proporcionar una alta eficiencia física en la remoción de contaminantes asociados
con material párticulado. La sedimentación de los sólidos suspendidos se promueve
por la baja velocidad de flujo, ya que este es con frecuencia laminar (Londoño
Cardona & Marin Vanegas, 2009).
Proceso de remoción biológico: La remoción biológica es quizá la vía más
importante para la remoción de contaminantes en los humedales artificiales, debido
a la captación de estos como forma de nutrientes esenciales tales como: nitrógeno,
nitrato, amonio y fosfato, son tomados fácilmente por las plantas del humedal
(Londoño Cardona & Marin Vanegas, 2009).
Los principales procesos biológicos desarrollados en los humedales artificiales son:
Proceso de nitrificación: La nitrificación es un proceso autotrófico; esto quiere
decir que la energía necesaria para el crecimiento bacteriano se obtiene de la
oxidación de compuestos de nitrógeno, principalmente del amoníaco.
La oxidación del amonio es un proceso que se realiza en dos etapas. En la primera
etapa, el amonio es convertido a nitrito; en la segunda éste es convertido a nitrato
(Suarez & Jacome, 2007).
Proceso de desnitrificación: La desnitrificación biológica es un proceso de dos
etapas que requiere nitrificación en un ambiente aerobio seguido de desnitrificación
en un ambiente anóxico.
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En cualquier sistema que realice desnitrificación con nitrificación, se da la oxidación
heterotrófica de la materia orgánica. Las bacterias aerobias utilizan oxígeno como
aceptor final de electrones. La reacción aporta energía que es utilizada para producir
más bacterias (Suarez & Jacome, 2007).
Proceso de remoción químico: El proceso químico más importante de la
remoción se da en los suelos del humedal debido a la adsorción, que da lugar a la
retención a corto plazo o a la inmovilización a largo plazo de varias clases de
contaminantes (Londoño Cardona & Marin Vanegas, 2009).
4.2.4. Diseño de un humedal artificial de flujo subsuperficial horizontal
Los sistemas de flujo subsuperficial se diseñan con el objeto de proporcionar tratamiento
secundario o avanzado, y requieren condiciones de flujo uniformes para alcanzar los
rendimientos esperados. Esto se logra en sistemas de tamaño pequeño a moderado (Perez
Reyes, Enciso Saenz, Del prado, & Castañon, Gonzales).
El diseño esta guiado por la metodología clásica paso a paso recomendada por la
Enviromental Protection Agency (United States Enviromental Protection Agency, 2000).
a. Se debe determinar el tipo de medio poroso que se va a tener en el humedal, por lo
general este consta de grava, es así como se determina la altura del lecho.
b. Se debe determinar la porosidad y la conductividad hidráulica del medio poroso, este
cumpliendo una porosidad de 0,38 (aproximadamente) y la conductividad hidráulica
de 7500 m3/m2/d
22
Se debe fijar el tiempo de retención hidráulica (TRH) y el área superficial (As) con las
ecuaciones 1 y 2.
𝑇𝐻𝑅 = 𝑛 ∗ 𝐿 ∗ 𝑊 ∗ 𝑑
𝑄 1
Dónde:
TRH = tiempo de retención hidráulica (d)
n = porosidad efectiva (%)
L = longitud (m)
W = ancho (m)
d = promedio de profundidad del agua (m)
Q= caudal promedio (m3/d)
Para calcular área superficial (As), se selecciona una relación L: W y se remplaza en la
siguiente ecuación.
𝐴𝑠 = 𝐿 × 𝑊 2
Finalmente se calcula el flujo subsuperficial a partir de la Ley de Darcy con el fin de verificar
si el caudal calculado es menor al caudal de diseño, de no ser así, se debe ajustar la
relación L: W de esta forma se asegura que todo el flujo valla por debajo del medio.
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4.3. PARÁMETROS COMÚNMENTE ANALIZADOS PARA EL TRATAMIENTO DE
AGUAS RESIDUALES EN HUMEDALES ARTIFICIALES
4.3.1. Temperatura
La temperatura juega un papel muy importante en la eficiencia de remoción en humedales
artificiales, esto debido a que la mayoría de los procesos de remoción en el sistema son de
carácter biológico.
En el caso en que la temperatura sea inferior a 10°C las reacciones responsables para la
remoción de DBO y nitrógeno disminuyen su velocidad.
Mientras que si la temperatura aumenta de manera significativa, aumenta la saturación del
agua, disminuyendo la solubilidad del oxígeno, acelerando las reacciones químicas y
biológicas que consumen oxígeno, lo que produce olores desagradables por la producción
de metano, ácido sulfhídrico y materia orgánica parcialmente oxidada (Londoño Cardona &
Marin Vanegas, 2009).
4.3.2. Conductividad
Es la medida de la capacidad del agua para conducir electricidad, esta es transportada por
iones en solución que aumentan la conductividad.
Se sabe que las plantas pueden asimilar algunos iones e incorporarlos a sus tejidos. De
acuerdo a resultados obtenidos en anteriores estudios se demuestra la reducción de la
conductividad de manera significativa (Zarate Guido & Durande Bazua, 2008)
24
4.3.3. Turbidez
La turbidez es la condición por la cual el agua pierde su transparencia, esta generalmente
se remueve en los humedales artificiales gracias a la presencia de las plantas que favorecen
los procesos físicos de sedimentación y adherencia del material en suspensión (Nuñes, y
otros, 2006).
De igual manera es importante mantener un tiempo de retención alto, para que el agua en
tratamiento este más tiempo en contacto de los proceso físicos.
4.3.4. Solidos suspendidos
Se ha demostrado que los humedales pueden reducir de una manera significativa los sólidos
suspendidos, por mecanismos básicos como sedimentación, precipitación química, adsorción
e interacciones microbianas (Londoño Cardona & Marin Vanegas, 2009).
Para mantener una eficiencia de remoción alta de solidos suspendidos es importante
mantener una alta densidad de plantas y escoger bien el lecho filtrante, manteniéndolo
entre 10 y 15mm.
4.3.5. Potencial de hidrogeno (pH)
El pH es muy importante debido a que es influido por factores bióticos, abióticos, y
bioquímicos.
En algunos casos se ha encontrado que la descomposición del material vegetal muerto
confiere acidez al agua, así como la actividad microbiana lo que en algunos casos explica la
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acides del pH, del mismo modo se ha demostrado que la producción de algas contribuye al
mantenimiento de un pH ligeramente básico (Nuñes, y otros, 2006).
4.3.6. Oxígeno disuelto (OD)
El oxígeno disuelto en los humedales artificiales es rápidamente consumido por los
microorganismos, lo que hace que el sistema sea anaerobio.
En los humedales de flujo subsuperficial el oxígeno que entra al sistema, lo hace por medio
de la los tallos y las hojas de la planta, aportando de esta manera el oxígeno necesario para
que los microorganismos descompongan la materia orgánica presente en el agua residual
(Ramirez Flores, y otros, 2012).
4.3.7. Demanda química de oxigeno (DQO)
Es un parámetro que mide el material orgánico contenido en una muestra mediante la
oxidación química.
La transformación de la DQO es esencialmente afectada por los microorganismos cuya
presencia y actividad es realzada por la presencia y procesos mediados por las plantas de
los humedales
En algunos estudios realizados se ha demostrado la capacidad de remoción se debe a el
tempo de retención y la acción filtrante del sustrato. Las reducciones de DQO se deben al
metabolismo de los microorganismos que utilizan los compuestos orgánicos para la
producción de biomasa (Romedo Aguilar, Colin Cruz , Sanchez Salinas, & Ortiz Hernandez ,
2009).
26
Igualmente la remoción de DQO también se debe a l aporte de oxigeno por las raíces de las
plantas, aunque este es casi insignificante comparado con las reacciones biológicas.
4.3.8. Demanda Biológica de oxigeno (DBO5)
En los humedales artificiales la remoción de DBO se da por la absorción de compuestos
orgánicos y por oxidación bacterial.
La remoción de materia orgánica se da por sedimentación rápidamente debido al flujo lento
en los sistemas subsuperficiales lo cual ocasiona que cerca del 50% de la DBO sea
removida al inicio del humedal. El resto de la materia orgánica es removida al entrar en
contacto con los microorganismos (Lara, 2009).
4.3.9. Nitrógeno orgánico
La de nitrógeno orgánico en humedales artificiales se da por efecto de las plantas, aunque
estudios realizados han demostrado que solo ente un 10% y un 15% es removido por este
medio.
El nitrógeno orgánico que entra en un humedal generalmente se encuentra asociado a
materia párticulado. La remoción inicial de estos materiales como sólidos suspendidos es
más o menos rápida, pero mucho de este nitrógeno sufre descomposición o mineralización
y descarga entonces nitrógeno en forma amoniacal al agua (Lara, 2009).
27
4.3.10. Nitrógeno amoniacal
La remoción de nitrógeno amoniacal se da por asimilación, dado que el nitrógeno es un
nutriente, los microorganismos asimilan el nitrógeno amoniacal y lo incorporan a su masa
celular.
También se presenta el proceso de nitrificación-desnitrificación, la remoción de nitrógeno se
logra en un proceso de dos pasos. En el primer paso, el amoníaco se oxida biológicamente
a nitratos. En el segundo paso, el nitrato se reduce a oxígeno gaseoso, el cual se deja
escapar del sistema (Marin Montoya & Correa Ramirez, 2010).
4.3.11. Nitratos
Los nitratos son generados por la nitrificación bilógica, cuando el nitrógeno amoniacal de
oxida a nitritos y luego a nitratos.
Los nitratos se ven afectados durante el movimiento a través del sustrato por un conjunto
de procesos físicos, químicos y biológicos que influyen en su movimiento, transformación y
distribución. Entre estos están las reacciones de oxidación-reducción (nitrificación-
desnitrificación), los procesos de adsorción y absorción, la volatilización de amoniaco y la
mineralización de compuestos nitrogenados (Calvete Samper & Paz Gonzalez, 2005).
4.3.12. Nitritos
Debido al origen sanitario de las aguas residuales, el nitrógeno se presenta mayormente
como nitrógeno amoniacal, y de compuestos orgánicos nitrogenados. Lo que favorece los
procesos de nitrificación, dando como resultado la formación de nitratos y nitritos por la
28
actividad de bacterias nitrificantes. Los resultados sugieren además, que existen zonas
anaerobias al interior del humedal, que conducen a la formación de nitritos (Romero
Aguilar, Colin Cruz, Sanchez Salinas, & Ortiz Hernandez, 2009).
4.3.13. Fosforo total
De acuerdo a estudios realizados se a encontrado que la remoción de fosforo en los
humedales artificiales no es muy alta, debido a que no hay mucho contacto entre el agua y
es suelo, por lo que se a optado en algunos caso en cambiar la grava por arena o tierra, lo
que disminuye la velocidad de flujo y aumenta el tiempo de retención.
En algunos casos la eliminación de este se hace en forma de fosfato, debido a que los
microorganismo y las plantas lo usan como nutriente aunque no en gran cantidad (Guido
Zarate, y otros, 2011).
29
5. METODOLOGÍA
La siguiente metodología propuesta se desarrolló durante cuatro meses.
En primera medida se realizó la caracterización inicial del agua residual de la Universidad
Libre sede Bosque Popular. La cual comprende:
a. Toma de muestras
b. Caracterización física y química del agua residual
Posteriormente se diseñó y construyó el humedal a escala de laboratorio. Para esto se
llevaron a cabo las siguientes actividades:
a. Determinación del lecho del humedal
b. Selección de especies a plantar
Finalmente se realizó la evaluación del humedal y sé determinaron las condiciones óptimas
de operación para obtener una mayor eficiencia de remoción.
A continuación se describe en detalle cada etapa de la metodología.
5.1. CARACTERIZACIÓN INICIAL DEL AGUA
Para la recolección de la muestra de agua residual se llevó a cabo el método de muestreo
puntual y se realizó de acuerdo a lo consignado en la “Guía para el monitoreo y análisis de
vertimientos de aguas superficiales y subterráneas” del IDEAM (Instituro De Hidrologia y
estudios Ambienatles de Colombia, 2002)
30
La toma de muestra se realizó en las instalaciones de la Universidad, en la caja de
inspección ubicada en el parqueadero del Bloque D. Esta caja de inspección recibe las aguas
provenientes de los baños, cocinas y laboratorios (ver Figura 5).
Figura 5. Caja de inspección
En la caracterización inicial del agua residual se determinó la temperatura, pH, turbidez,
conductividad, concentración de fósforo, nitrógeno amoniacal, nitrógeno orgánico, oxígeno
disuelto, nitritos, nitratos, DBO5, DQO y SST, utilizando los procedimientos del Standard
Methods for the Examination of Water and Wastewater (APHA-AWWA-WEF, 1992),
registrados en la Tabla 2.
Tabla 2. Métodos utilizados para determinar parámetros físicos y químicos
Parámetro Código Standard Methods
SST Standard Methods 2540 D
Turbidez Standard Methods 2130 B
Temperatura Standard Methods 2550 B
Conductividad Standard Methods 2510 B
31
pH Standard Methods 4500 H+ B
Fosforo Standard Methods 4500 P C
Nitrógeno orgánico Standard Methods 4500-Norg B
Nitrógeno amoniacal Standard Methods 4500- NH3 E
Oxígeno disuelto Standard Methods 4500 O G-
Nitratos Standard Methods 4500 NO3 B
Nitritos Standard Methods 4500 NO2 B
DBO5 Standard Methods 5210 B
DQO Standard Methods 5220 C
Los resultados obtenidos durante el análisis de laboratorio, fueron comparados con el
proyecto de resolución “límites permisibles en vertimientos puntuales a cuerpos de agua
superficiales y a sistemas de alcantarillado público”, con el fin de determinar si las
condiciones del agua residual vertida cumple con los requisitos ambientales exigidos por la
autoridad.
5.2. DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y MONTAJE DEL HUMEDAL HSS
El humedal diseñado consta de dos unidades experimentales denominadas humedal
plantado (HV) y humedal control (HC). Para el diseño se adoptaron las dimensiones de los
contenedores y se utilizaron algunos ítems de la metodología clásica de diseño
recomendada por la Enviromental Protection Agency.
La selección de plantas se hizo luego de realizar visitas y reconocimiento de las especies
vegetales que posee el humedal Jaboque ubicado en la ciudad de Bogotá, posterior a este
reconocimiento se escogieron los tipos de plantas que se utilizaron, mencionadas en la
Tabla 1.
32
Para el lecho o sustrato utilizado, se utilizó grava con una porosidad aproximada de 0.38
(United States Enviromental Protection Agency, 2000). De acuerdo a las dimensiones de los
contenedores sé definió el diámetro y sé calculó el volumen de grava necesaria para el
sistema.
Los humedales se construyeron en el laboratorio de aguas húmedas de la Universidad Libre
sede Bosque Popular. La unidad experimental HV estuvo compuesta por grava y plantas,
mientras que la unidad experimental HC se compuso únicamente de grava.
Figura 6. Humedales construidos HV y HC
Intentando simular la actividad de un humedal, fue necesario estabilizar el sistema durante
47 días, para esto, se suministró Triple 15 al agua residual, con el objetivo de acelerar los
procesos internos y la adaptación de las plantas. Él fertilizante contenía 15% de nitrógeno
orgánico, 12% de nitrógeno úrico, 3% de nitrógeno amoniacal y 15% de fósforo asimilable.
33
5.3. SEGUIMIENTO, MONITOREO Y MEDICIÓN
El tratamiento de aguas residuales domesticas presenta como inconveniente la variación
temporal de sus características, por tanto no fue posible controlar y manipular algunas
variables de proceso. Las concentraciones de los contaminantes dependen de la cantidad de
personas que realizan sus actividades en las instalaciones. A mayor número de población
estudiantil y administrativa, mayor fue el nivel de contaminación.
Para evaluar el efecto de las variables sobre la remoción, fue necesario identificar la acción
de las plantas y las condiciones de operación de sistema.
En esta fase se trabajó con muestras puntuales, las concentraciones de los parámetros no
se alteraron, esto se hizo con el fin de simular el trabajo real del sistema, ya que las
concentraciones de entrada siempre varían e influyen en la remoción obtenida.
Para la caracterización del afluente y efluentes, se realizó muestreo puntual 2 veces por
semana. Se tomaron tres réplicas de cada muestra y se sometieron a análisis para
determinar el promedio de contenido de materia orgánica y concentraciones fisicoquímicas
utilizando los procedimientos del Standard Methods registrados en la Tabla 1.
5.4. DETERMINACIÓN DE LAS CONDICIONES DEL SISTEMA
Con base a los resultados obtenidos durante la investigación, se determinaron y se
establecieron las condiciones de operación, que garantizan la mayor remoción de
contaminantes contenidos en el agua servida de la Universidad Libre.
34
5.5 COMPARACIÓN DE REMOCIÓN DE HV Y HC.
Se evaluó la diferencia de remoción del sistema, en términos de DBO5 y DQO de las
unidades HV y HC por el método estadístico de comparación pareada.
35
6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
6.1. CARACTERIZACIÓN INICIAL DEL AGUA
A continuación en la Tabla 3 se muestran los resultados obtenidos en la caracterización
inicial de los parámetros físicos y químicos del agua residual de la Universidad Libre.
Tabla 3. Caracterización física y química del agua residual
Parámetro Unidad Valor
medido
Desviación
estándar
Valores
máximos
permisibles
SST mg/L 856 ±35,4 200
Turbidez NTU 14.03 ±0,91 -
Temperatura ºC 23.5 ±0,25 < 40 ºC
Conductividad ms/cm 2.24 ±0.45 -
Fosforo mg/L 5.8 ±0,077 5
Nitrógeno Orgánico
mg/L 511.7 ±42.82 -
Nitrógeno amoniacal
mg/L 423.7 ±31.09 10
Nitratos mg/L 7.9 ±0,21 10
Nitritos mg/L 0.698 ±0,05 2
DBO5 mg/L O2 268.4 ±0,25 200
DQO mg/L O2 297.7 ±0,20 400
Oxígeno disuelto mg/L O2 0.60 ±0,15 -
pH Unidades
de pH 7.3 ±0,032 5.0 – 9.0
Los valores obtenidos en la caracterización, indican altas concentraciones de SST, DBO,
fósforo, y nitrógeno, estos resultados exceden los valores reportados en el proyecto de
36
resolución “límites permisibles en vertimientos puntuales a cuerpos de agua superficiales y a
sistemas de alcantarillado público” (Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible).
Lo anteriormente descrito señala la importancia de crear un sistema de tratamiento de aguas
residuales para la Universidad, con el fin de cumplir lo establecido por la autoridad ambiental
y contribuir a la disminución de los daños causados al medio ambiente.
6.2. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL HUMEDAL HSS A ESCALA DE
LABORATORIO
6.2.1. Diseño de las unidades experimentales. Las unidades experimentales fueron
hechas de acrílico de 3mm. Las dimensiones de estas se registran en la Tabla 4. En el
anexo A1 puede verse el plano de los contenedores.
Tabla 4. Dimensiones de las unidades experimentales
W Ancho 0.20 m
L Largo 0.40 m
d Profundidad 0.20 m
L:W 2:1
Los contenedores de acrílico transparente facilitaron la observación del comportamiento
interno de cada unidad (ver Figura 7).
37
Figura 7. Contenedor construido en acrílico
Para la selección de las plantas, se visitó el Humedal Jaboque ubicado en la localidad de
Engativá. Con aprobación de la administración del humedal fueron extraídas plantas de las
siguientes especies: Juncais Carex sp, Schoenoplectus californicus y Zantedeschia
aethiopica. De las especies anteriormente mencionadas se sembraron 12 (doce) plantas en
la unidad experimental HV.
Siguiendo la recomendación de la Enviromental Protection Agency, se utilizaron 12800cm3
de grava para el lecho de cada humedal, los diámetros usados fueron de 1/2”,3/8”,1/4” y
1/8”, dispuestos en los contenedores en capas de 3200 cm3 y 4 cm de grosor.
Se determinaron las características hidráulicas de operación del sistema, utilizando las
dimensiones adoptadas para los contenedores y asumiendo un caudal de 1,44 L/día para
calcular los parámetros consignados en la Tabla 5.
38
Tabla 5. Características hidráulicas de las unidades experimentales
Parámetro Dimensión Unidad
Ancho W 0.20 m
Longitud L 0.40 m
Profundidad H 0.20 m
Caudal Q 1 mL/min
Área superficial As 0.08 m2
Profundidad del agua d 0.16 m
Porosidad n 38 %
Relación L:W - 2 a 1 -
Volumen agua Va 4.9 L
Volumen de suelo Vs 12.8 L
Tiempo de retención
hidráulico TRH 3.38 d
6.2.2 Construcción del sistema. Los humedales se construyeron el 4 de marzo de 2013
en el laboratorio de aguas húmedas de la Universidad Libre sede Bosque Popular (ver
Figura 8). La unidad experimental HV está constituida por grava y plantas, mientras que la
unidad experimental HC se compone totalmente de grava. Esto con el fin de establecer las
diferencias de remoción entre las unidades construidas.
Figura 8. Humedales en construcción
Diseño de los contenedores de las
unidades experimentales
Montaje del lecho de los humedales
Termino del lechoSiembra de las plantas
en el humedal 1
39
Las unidades experimentales se pusieron en marcha el 11 de marzo de 2013, trabajaron en
recirculación 47 días. Durante este periodo de estabilización se aplicó Triple 15 al agua
residual para acelerar los procesos internos y la adaptación de las plantas.
6.3. RECOLECCIÓN Y ANÁLISIS DE DATOS
6.3.1. Temperatura. Los datos obtenidos durante la investigación, evidencian que la
temperatura de entrada fue mayor que las temperaturas de salida. Posiblemente la
conducción del agua y las condiciones ambientales a las que se encontraba expuesto el
sistema, influyeron en los cambios térmicos de HV y HC. En la Figura 9 se observa el
comportamiento de la temperatura durante el tratamiento.
6.3.2. Potencial de hidrogeno (pH). De acuerdo a los resultados obtenidos (ver Figura
10), el afluente presento alcalinidad debido a los jabones y detergentes disueltos en el
agua , mientras que HV y HC presentaron un leve aumento de pH revelando el poco efecto
de la grava y las plantas sobre los cambios de este indicador durante el tiempo de
operación del sistema.
10
15
20
25
30
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60 63
Tem
pera
tura
(ºC)
Tiempo (d) Afluente HV HC
Figura 9. Variación de temperatura del afluente, HV y HC
40
6.3.3. Turbidez. Los resultados obtenidos revelan que la turbidez del afluente fue mayor,
indicando la presencia de microorganismos y coliformes fecales.
En la Figura 11 se observa el comportamiento de la turbidez del afluente, HV y HC durante
la investigación.
Figura 11. Comportamiento de la turbidez respecto al tiempo
0
3
6
9
12
15
18
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61
Turb
idez
(N
TU)
Tiempo (d)
Afluente HV HC
0,01,02,03,04,05,06,07,08,09,0
10,0
HV HC
pH
(u
nid
ade
s)
Antes del tratamiento Después del tratamiento
Figura 10. Comportamiento del pH durante el tratamiento
41
El comportamiento de la turbidez reveló una disminución, debida principalmente al lecho
utilizado (grava) .Los porcentajes de remoción obtenidos para HV oscilaron entre 36% y
52%, mientras la remoción obtenida en HC osciló entre 64% y 81%, obteniendo la mejor
eficiencia. La diferencia de remoción pudo darse debido a que las plantas fueron
sembradas con algo de sustrato en sus raíces provocando posibles vacíos que dificultaban la
retención de partículas.
6.3.4. Oxígeno disuelto (OD). En la figura 12 se observa el comportamiento del oxígeno
disuelto durante el desarrollo de la investigación.
Figura 12. Comportamiento del oxígeno disuelto respecto al tiempo
Los datos descritos en la anterior tabla indican que el agua del efluente es apta para que se
presenten procesos aerobios, donde se puede encontrar el oxígeno necesario para
mantener la vida microbiana y desarrollar procesos de descomposición de materia orgánica,
como mínimo 2 mg O2/L.
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
1 4 8 11 14 19 21 25 28 32 35 40 42 47 49 53 55 57 61 63
Oxi
gen
o d
isu
elto
(m
g/O
2)
Tiempo (d)
Afluente HV HC
42
6.3.5. Conductividad. En la Figura 13 se presenta el comportamiento de la conductividad
con respecto al tiempo.
Al inicio de nota un cambio más considerable para el sistema HV, debido a que las plantas
pueden asimilar algunos iones como nutrientes e incorporarlos a sus tejidos
Posteriormente en la segunda semana el comportamiento deja de ser variable y se muestra
más constante para ambos humedales, esto corresponde a la disminución en la densidad de
las plantas, debido a que la especie Juncais Carex sp, con más especies plantadas
demuestra un rechazo al ambiente creado y nos e mantiene estable en este.
Figura 13. Comportamiento de la conductividad respecto al tiempo
6.3.6. Solidos suspendidos totales (SST). Durante los análisis realizados se pudo
observar que la concentración de solidos suspendidos fue variable, indicando
concentraciones mayores a la entrada. En la Figura 12 se puede observar el
comportamiento del sistema en términos de SST.
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
1 4 8 11 14 19 21 25 28 32 35 40 42 47 49 53 55 57 61 63
Co
nd
uct
ivid
ad (
ms/
cm)
Tiempo (d)
Afluente HV HC
43
Figura 14. Carga de SST del afluente y los efluentes
Los sólidos suspendidos son removidos por sedimentación y filtración, estos procesos son
puramente físicos y también contribuyen a la eliminación de otros contaminantes presentes
en las aguas residuales. (Lara, 2009) Sustenta que la grava tiene la habilidad de mejorar la
calidad del efluente mediante la fijación de sólidos suspendidos y la formación de
biopelículas bacterianas.
Los resultados obtenidos durante la investigación revelan que en la semana siete HV
obtuvo mayor disminución de SST (ver Figura 13). Los datos registrados nos llevan a
identificar el nivel de carga que se debe aplicar al sistema para obtener una eficiente
remoción de sólidos.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1 2 3 4 5 6 7 8 9
SST
(mg/
L)
Tiempo (semanas)
Afluente HV HC
44
Figura 15. Remoción de SST
En estudios realizados por (Conte, Martinuzzi, Giovanelli, Pucci, & Masi, 2001) y (Otalora
Rodriguez, 2011) utilizaron grava para lecho filtrante y reportaron remociones de SST de
45% a 95%. Los resultados obtenidos en esta investigación se encuentran en el rango
promedio de remoción alcanzando una eficiencia máxima de 63%.
6.3.7. Demanda biológica de oxigeno (DBO). En la figura 16 se aprecia el
comportamiento de DBO con respecto al tiempo, con esta se demuestra un comportamiento
muy común en ambos sistemas durante todo el transcurso de la investigación, aunque es
notoria una concentración más baja en el sistema HV.
Esto se debe a que además de la actividad microbiana, las raíces de las plantas sembradas
ayudan a la filtración del efluente.
0%
20%
40%
60%
80%
100%
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Rem
oci
ón
de
SST
(%)
Tiempo (semanas)
HV HC
45
Figura 16. Comportamiento de DBO respecto al tiempo
De acuerdo a estudios realizados por la Enviromental Protection Agency, se demuestra que
la DBO5 es eliminada rápidamente a la entrada del humedal, siendo suficiente un tiempo de
retención hidráulico de 2 días, lo cual indica que el alto tiempo de retención hidráulica
presentes en el humedal y la relación L: W ayuda a la alta capacidad de remoción que se
obtuvo de este parámetro, como se muestra en la figura 17.
Figura 17. Remoción de DBO
0
50
100
150
200
250
300
350
1 4 8 11 14 19 21 25 28 32 35 40 42 47 49 53 55 57 61 63
DB
O (
mg/
L)
Tiempo (d)
Afluente HV HC
0%
20%
40%
60%
80%
100%
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Rem
oci
on
de
DB
O (
%)
Tiempo (semanas)HV HC
46
De acuerdo a estudios realizados por la Enviromental Protection Agency, 2000, se
demuestra que la DBO5 es eliminada rápidamente a la entrada del humedal, siendo
suficiente un tiempo de retención hidráulico de 2 días, lo cual indica que el alto tiempo de
retención hidráulica presentes en el humedal y la relación L: W ayuda a la alta capacidad de
remoción que se obtuvo de este parámetro.
6.3.8. Demanda química de oxigeno (DQO). La transformación de la DQO es afectada
por los microorganismos cuya presencia y actividad es exaltada por la presencia y procesos
mediados por las plantas de los humedales, como se ve en la Figura 18.
Figura 18. Carga de DQO del afluente y los efluentes
La capacidad de remoción del sistema puede referenciarse en la Figura 19. Esta remoción
se debe a los efectos combinados entre el tiempo de retención hidráulica, la acción filtrante
del sustrato y la actividad biológica del sistema, la disminución de la concentración de DQO
en los humedales se debe al metabolismo de los microorganismos, que utilizan los
compuestos orgánicos del agua para la producción de biomasa.
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
300,00
350,00
400,00
1 2 3 4 5 6 7 8 9
DQ
O (
mg/
L)
Tiempo (semanas)Afluente HV HC
47
Figura 19. Remoción de DQO
6.3.9. Nitrógeno amoniacal (NH4). En la Figura 20 se presenta una relación de
nitrógeno amoniacal con respecto al tiempo, donde se evidencia que la concentración del
afluente llego a un pico de 730.8 mg/L en la primera semana lo cual se debe al fertilizante
(triple 15) que se había adicionado al agua para una mejor recepción de las plantas, lo cual
también se notó en los efluentes de ambos sistemas.
A partir del 14 de mayo se presenta una caída, la cual se estima es debido a la salida del
total del fertilizante del sistema, por lo cual el comportamiento a partir de esta semana se
vuelve más constante.
0%
20%
40%
60%
80%
100%
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Rem
oci
on
DQ
O (
%)
Tiempo (semanas)
HV HC
48
Figura 20. Comportamiento de NH4 respecto al tiempo
Para la remoción de nitrógeno se evidencia en la Figura 21, se demuestran porcentajes de
remoción de 92% y 75% para los sistemas HV y HC respectivamente, esto se logra gracias
a que el oxígeno disuelto alcanza los niveles necesarios para los procesos microbianos.
Figura 21. Remoción de NH4
6.3.10. Nitrógeno orgánico (Norg). El comportamiento que se evidencia en la Figura 22
del nitrógeno orgánico en referencia al tiempo es muy similar al comportamiento que se
0,0
100,0
200,0
300,0
400,0
500,0
600,0
700,0
800,0
1 4 8 11 14 19 21 25 28 32 35 40 42 47 49 53 55 57 61 63
NH
4 (
mg/
L)
Tiempo (d)Afluente HV HC
0%
20%
40%
60%
80%
100%
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Rem
oci
on
de
NH
4 (
%)
Tiempo (semanas)
HV HC
49
presenta con el nitrógeno amoniacal, se evidencia una caída notoria para la fecha del 14 de
mayo y de ahí en adelante se mantiene una disminución de la concentración más constante.
Figura 22. Comportamiento de Norg respecto al tiempo
Los porcentajes de remoción alcanzan un 89% para el sistema HV y un 67% para el
sistema HC, es notorio que partir de las últimas semanas los porcentajes de remoción
fueron aumentando debido al crecimiento de plantas.
Figura 23. Remoción de Norg
0,0
100,0
200,0
300,0
400,0
500,0
600,0
700,0
1 4 8 11 14 19 21 25 28 32 35 40 42 47 49 53 55 57 61 63
No
rg (
mg/
L)
Tiempo (d)Afluente HV HC
0%
20%
40%
60%
80%
100%
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Rem
oci
on
de
No
rg (
%)
Tiempo (semanas)
HV HC
50
6.3.11. Nitritos (NO2) La existencia de nitritos en el agua residual, confirma la presencia
de organismos patógenos. El principal mecanismo de eliminación de este contaminante, es
de tipo microbiano, pero también influye, el proceso de absorción y asimilación por parte de
las plantas. En la Figura 14 se muestra la variación de concentración de nitritos respecto al
tiempo.
Figura 24. Variación de concentración de nitritos
Los datos obtenidos muestran que HV tiende a remover más nitritos debido a la presencia
de las plantas, pero a partir de la semana seis la remoción disminuye levemente a causa del
debilitamiento de la especie Juncais Carex sp (ver Figura 15).
0,00
0,30
0,60
0,90
1,20
1 2 3 4 5 6 7 8 9
NO
2(m
g/L)
Tiempo (semanas)
Afluente HV HC
51
Figura 25. Remoción de nitritos
El comportamiento observado indica que HV obtuvo porcentajes de remoción de hasta un
98%, mientras HC registró remociones de 89%, demostrando el efecto de las plantas sobre
los cambios de concentración de nitritos.
6.1.1 Nitratos (NO3). Los resultados obtenidos, indican que HC no presento remoción de
nitratos durante el inicio de la investigación, esto sucedió por la falta de plantas las cuales
asimilan y consumen este compuesto. En la Figura 26 se puede observar el contenido de
nitratos a la entrada y salida del sistema.
Figura 26. Variación de la concentración de NO3
0%
20%
40%
60%
80%
100%
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Rem
oci
ón
NO
2 (
mg/
L)
Tiempo (semanas)HV HC
0
4
8
12
16
1 2 3 4 5 6 7 8 9
NO
3 (
mg/
L)
Tiempo (semanas)Afluente HV HC
52
La remoción de nitratos es dependiente de los procesos internos del sistema que
comprenden la nitrificación y desnitrificación, dándose por la muerte y descomposición de
hojas, raíces y detritus orgánicos para la producción de carbono. Durante la investigaci
ón se comprobó el efecto de las plantas sobre la eliminación de nitratos, HV que fue el
humedal plantado resulto ser la unidad con mayor remoción de NO3 (ver Figura 27).
Figura 27. Remoción de nitratos
Los resultados de remoción indicaron que HV obtuvo porcentajes de remoción de hasta 70
% debido a la carga aplicada y la utilización de plantas, superando el porcentaje de
remoción obtenido por HC que correspondió a 49% al final de la investigación.
Durante la revisión bibliográfica se encontró que Romero et al (2009) trabajaron con aguas
residuales y utilizaron especies Phragmites australis y Typha dominguensis obteniendo un
porcentaje de remoción de 45.5 %, en comparación con la eficiencia de eliminación de
nitratos obtenida en esta investigación, se puede deducir que las especies de plantas
utilizadas en HV son más eficientes y por tanto superan las remociones registradas por
otros investigadores.
0%
20%
40%
60%
80%
100%
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Rem
oci
ón
de
NO
3 (
%)
Tiempo (semanas)HV HC
53
6.3.12. Fosforo total (P-PO4). La eliminación de fósforo depende principalmente de las
plantas, el lecho utilizado y los microrganismos. Las plantas pueden absorber el fósforo
principalmente en el proceso de fotosíntesis, los microrganismos consumen este
contaminante y en el lecho por fijación en el sustrato.
En los análisis realizados se evidencian altos contenidos de P-PO4 a la entrada del sistema,
estas concentraciones se deben al contenido de detergentes o jabones disueltos en el agua
residual. En la Figura 28 se puede observar el comportamiento del fósforo en el afluente,
HV y HC.
Figura 28. Variación de concentración de P-PO4
(Garcia, Morato, & Bayona, 2008) Exponen que al inicio de la puesta en marcha de los
humedales se obtiene una buena eficiencia de eliminación de fósforo, sin embargo
trascurrido el tiempo de operación, se manifiesta un declive en la remoción. Esto es debido
a que lecho o sustrato pierde capacidad de adsorción con el tiempo.
En esta investigación el comportamiento del sistema en términos de remoción de fósforo
total, indico que HC fue más eficiente, obteniendo remociones de hasta 81%, mientras que
la remoción mayor obtenida por HV correspondió a 72% (ver Figura 29), estas remociones
0
2
4
6
8
10
12
14
1 2 3 4 5 6 7 8 9
P-P
O4
(mg/
L)
Tiempo (semanas)
Afluente HV HC
54
se le atribuyen al lecho del humedal y a la actividad microbiana principalmente, pues el
fósforo es asimilado o fijado por la grava, debido a su capacidad de adsorción.
Figura 29. Remoción de fósforo.
Los cambios en la eficiencia de remoción, se pueden atribuir al debilitamiento de las
plantas, como se puede observar a partir de la semana seis HV sufrió un declive que afecto
la eficiencia. Posiblemente la carga aplicada no fue suficiente para el sostenimiento de las
plantas, de igual manera el ambiente en el que se encontraba el sistema no fue el mas
adecuado, por tratarse de especies extraídas de un humedal natural.
Los resultados obtenidos superan lo reportado por Romero et al (2009) quienes utilizaron
plantas pertenecientes a las especies Phragmites australis (carrizo) y Typha dominguensis
(tule) y el lecho del humedal fue conformado por tezontle (roca volcánica nativa de México)
y arena, registrando un porcentaje de remoción de 40.35%.
6.4. CONDICIONES DE MAYOR REMOCIÓN DEL SISTEMA
La evaluación del sistema duro 9 semanas (63 días), durante este tiempo se realizó análisis
para determinar las eficiencias anteriormente descritas. Los resultados obtenidos se
utilizaron para determinar las condiciones a las que debe operar el humedal, para obtener
remociones eficientes sobre DBO5, DQO, SST, NO3, NO2, nitrógeno total y fósforo total.
0%
20%
40%
60%
80%
100%
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Rem
oci
ón
P-P
O4
(%
)
Tiempo (semanas)HV HC
55
La evaluación del efecto de las variables se basó, en la identificación de los cambios
realizados por las plantas sobre la eliminación de parámetros físicos y químicos del agua, así
como también las cargas aplicadas y parámetros de diseño adoptados.
A continuación en la Tabla 6 se reúnen las condiciones óptimas del sistema, establecidas
durante la investigación.
Tabla 6. Condiciones de operación para HV y HC
Parámetro Carga
aplicada Unidad de
medida Caudal (L/día)
TRH (días)
Eficiencia esperada
DBO5 403.2 mg/día 1.44 3.38 88%
DQO 434.16 mg/día 1.44 3.38 70%
Fosforo 5.2 mg/día 1.44 3.38 72%
Nitrógeno
orgánico 399.2 mg/día 1.44 3.38 82%
Nitrógeno
amoniacal 701.6 mg/día 1.44 3.38 92%
Nitritos 11.52 mg/día 1.44 3.38 98%
Nitratos 1.9 mg/día 1.44 3.38 70%
SST 1764 mg/día 1.44 3.38 63%
pH 6.5 – 7.5 Unidades
de pH 1.44 3.38 -
6.5. COMPARACIÓN PAREADA
La eficiencia del sistema se evalúa por la remoción de materia orgánica de cada una de las
unidades, para esto se realiza un comparación pareada para los parámetros de DBO5 y
DQO.
56
6.5.1. Comparación pareada para DBO5
Tabla 7. Comparación pareada para DBO5
HV HC
Media 67,75 77,25
Varianza 182,829 211,776
Numero de muestras 20 20
Grados de libertad 19
Estadístico t0 4,789551
Valor crítico de t0.025, 19 2,093024
De acuerdo a los datos obtenidos en la Tabla 7, con intervalo de confianza del 95% se
obtiene una relación de t0 (4.789551) > t0.025, 19 (2.093024), lo cual indica que existe una
diferencia estadística considerable en cuanto a la remoción de los dos humedales.
6.5.2. Comparación pareada para DQO
Tabla 8. Comparación pareada para DQO
HV HC
Media 165,43 173,10
Varianza 1471,239 1691,258
Numero de muestras 20 20
Grados de libertad 19 Estadístico t 2,125262 Valor crítico de t (dos colas) 2,093024
Los datos mostrados en la Tabla 8, con un intervalo de confianza del 95% muestran una
relación t0 (2.125262) > t0.025, 19 (2.093024), lo que indica una diferencia estadística, para
57
la remoción de ambos sistemas, aunque esta no es tan considerable, como se muestra con
la DBO5.
58
7. CONCLUSIONES
Las especies Zantedeschia aethiopica (Cartucho) y Schoenoplectus californicus (Junco)
manifestaron mayor adaptación, que la especie Carex Sp (Cortadera), pues esta presento
dificultades, lo que influyo en la remoción de contaminantes.
La muerte de las plantas se dio probablemente por el cambio de ambiente, el traslado de
estas especies de un humedal natural a un humedal artificial, perjudicó el sostenimiento de
las mismas y prolongó su agotamiento.
La remoción máxima de carga orgánica expresada como DQO obtenida para HV y HC fue de
70% y 64% respectivamente, lo que indica que el uso de plantas influyó sobre la DQO
obtenida.
Durante la investigación se presentaron condiciones aerobias que influyeron en la remoción
de nitrógeno orgánico. También se presentaron zonas anaerobias responsables de la
eliminación de nitrógeno amoniacal y nitratos.
En términos de remoción de solidos suspendidos totales se puede afirmar que las unidades
experimentales obtuvieron eficiencias similares, esto pudo darse debido a que se utilizó el
mismo material para el lecho (grava).
Para la remoción de fósforo total el sistema HC fue más eficiente, aunque este no poseía
plantas para el consumo de fósforo, obtuvo mayor remoción que HV, revelando la
importancia del lecho filtrante y la actividad microbiana en la eliminación de P-PO4.
59
Se presentó una diferencia considerable en la remoción de carga orgánica en términos de
DBO y una diferencia leve en la eliminación de DQO, que evidencian el efecto de las
plantas sobre dichos parámetros.
La implementación de un humedal artificial como estrategia para el control de la
contaminación, es una alternativa altamente eficiente. El uso de este sistema para el
tratamiento de aguas residuales de la Universidad Libre mejoró de manera considerable la
calidad del agua, además de que se cumplen los requisitos ambientales exigidos, puede
beneficiar de manera paisajista las instalaciones de la institución.
60
8. RECOMENDACIONES
Es indicado acostumbrar las plantas al agua residual a utilizar, para disminuir la tasa de
mortandad y aumentar la tasa de remoción de materia orgánica, características físicas y
químicas del agua residual.
Los sistema deben ser operados en condiciones ideales, la falta de aire y luz pueden
afectar la supervivencia de las plantas y los procesos internos del humedal.
Se debe realizar un mantenimiento adecuado a los humedales artificiales, para evitar el
crecimiento de algas y la producción de olores que pueden afectar la calidad del medio.
Para obtener mayores eficiencias de remoción el humedal artificial debe trabajar mínimo 3
meses para estabilizarse.
Para obtener resultados confiables, es muy importante realizar un buen muestreo,
almacenar debidamente las muestras y realizar correctamente los procedimientos de
análisis para la determinación de parámetros.
61
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65
ANEXOS
A1. PLANO DE CONTENEDOR PARA HUMEDAL
ANEXO A. PLANO DE CONTENEDORES PARA EL HUMEDAL
66
ANEXO B.
REGISTRO FOTOGRÁFICO
PROCESO
REGISTRO FOTOGRÁFICO
FECHA: MARZO - JUNIO DE
2013
FOTO Nº 1 FOTO Nº 2
FOTO Nº 3 FOTO Nº 4
67
FOTO Nº 5 FOTO Nº 6
FOTO Nº 7 FOTO Nº 8
FOTO Nº 9 FOTO Nº 10
68
FOTO Nº 11 FOTO Nº 12
FOTO Nº 13 FOTO Nº 14
FOTO Nº 15 FOTO Nº 16
