EVALUACIÓN Y DISEÑO DE UN HUMEDAL ARTIFICIAL PARA EL

TRATAMIENTO DE AGUAS DOMESTICAS

ASESOR OSCAR ALVAREZ

DIEGO FELIPE AGUILERA PALENCIA COD 9812284

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA

BOGOTA, 2002/10/25

EVALUACIÓN Y DISEÑO DE UN HUMEDAL ARTIFICIAL PARA EL

TRATAMIENTO DE AGUAS DOMESTICAS

Proyecto de grado presentado como requisito parcial para optar al titulo de Ingeniero Quimico

POR:

DIEGO FELIPE AGUILERA PALENCIA COD 9812284

IQUI-2002-2-01

Cod 199812284

BOGOTA, 2003-01-29

TABLA DE CONTENIDO Pag 1. ANTECEDENTES 5 2. MARCO TEORICO 24 2.1. Funciones principales de los humedales 24 2.2 Clases de humedales 24 2.2.1 Humedales de flujo superficial (SF) 25 2.2.2 Humedales de flujo subsuperficial (SSF) 26 2.3 Los principales componentes de un humedal 27 2.3.1 El Agua 27 2.3.2 Los Substratos 27

2.3.3 La vegetación 28 2.3.4 Microorganismos 30 2.4 Aspectos de la construcción 30 2.4.1 Impermeabilización 30 2.4.2 Vegetación 31 2.5 Remoción de los contaminantes 32 2.5.1 Sólidos en suspensión 32 2.5.2 DBO 32 2.5.3 Nitrógeno 33 2.5.4 Fósforo 33 2.5.5 Coliformes fecales 34 2.6. Diseño del sistema de flujo subsuperficial 34 3.DISEÑO GENERAL DE UN HUMEDAL ARTIFICIAL 37 3.1 Metodología de diseño 40 3.1.1 Metodología General 40 3.1.2 DISEÑO HIDRAULICO 40 3.1.3 DISEÑO TERMICO DEL HUMEDAL 47 3.1.4 MODELO DE REMOCION DE DBO 53 3.1.5 MODELO DE REMOCION DE NITROGENO 56

4.DISEÑO DEL HUMEDAL 63 4.1 Remoción de DBO 65 4.2 Temperatura media del humedal 66 4.3 Calculo del área para la remoción de Nitrógeno 68

5.COSTOS 72

6. CONCLUSIONES 74

7. BIBLIOGRAFIA 75

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OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Evaluar y diseñar desde el punto de vista técnico y económico un humedal artificial

como alternativa para el tratamiento de Aguas residuales domesticas.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

- Caracterizar los vertimientos para identificar el grado de contaminación de

las aguas.

- Identificar las variables mas importantes para considerar dentro del diseño

del humedal.

- Evaluar los costos que implica desarrollar el tratamiento de aguas

residuales con un humedal.

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DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

Las zonas que en la actualidad no tienen el privilegio de contar con los servicios

domésticos entre estos el servicio de alcantarillado tienen problemas con las

aguas domesticas ya que estas al salir se acumulan creando malos olores y

condiciones inapropiadas de higiene, lo que genera problemas de salud a la

población que vive a sus alrededores. Un ejemplo de esto se encuentra en la zona

industrial de Fontibon en donde alrededor de las fabricas o dentro de ellas viven

una gran cantidad de personas en casas donde no cuentan con el servicio de

alcantarillado.

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JUSTIFICACION

Debido al carencia de alcantarillado en esta zona de Bogotá y de recursos para su

implementación, este proyecto pretende desarrollar una propuesta que evalué la

relación costo / beneficio del diseño de un humedal artificial, que funcione para el

tratamiento de aguas residuales domesticas provenientes de un hogar habitado

por 15 personas, se escogió el diseño de un humedal ya que se ha encontrado

que estos tienen una buena eficiencia en la depuración de desechos orgánicos,

los cuales se encuentran en gran abundancia en las aguas domesticas, y que son

opciones económicas y de fácil mantenimiento.

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INTRODUCCION

“Los sistemas de tratamiento de aguas servidas utilizando plantas, existen desde

hace mas de un siglo. Este tipo de método se popularizo a comienzos de los años

1980 cuando los especialistas de diferentes países trataron de aplicar el desarrollo

de métodos bien adaptados a pequeñas comunidades y a industrias aisladas.

Estos métodos debían estar de acuerdo con los siguientes criterios” (Centro

Nacional del Agua.(1999). Sistemas de tratamiento de Aguas Servidas por medio

de Humedales Artificiales. P.23)

- Costos menores en la operación y construcción de los sistemas

convencionales

- Requiere poco equipo mecanizado

- Bajo consumo de energía.

El uso de humedales artificiales o naturales permitirá satisfacer varios de estos

criterios y este tipo de método ha conocido un impulso considerable durante los

últimos años.

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1. ANTECEDENTES

Según Sherwood (1997) Los humedales son ecosistemas naturales saturados de

aguas superficiales o subterráneas, que tienen la propiedad de modificar las

propiedades de las aguas que pasan o permanecen dentro de estos, estas

propiedades han hecho que sea viable construir humedales artificiales con las

mismas características de los naturales para el tratamiento de aguas residuales a

un bajo costo, ya que la tecnología que se utiliza para la construcción de estos es

mínima; algunas de las características de estos humedales son: Fijar los

contaminantes en la superficie del suelo, utilizar y transformar los elementos por

intermedio de los microorganismos y lograr niveles de tratamiento a un bajo costo

de energía y mantenimiento. Para poder obtener los resultados deseados, es

necesario hacer un pretratamiento, para evitar obstrucciones y por ende

eficiencias bajas.

La primera vez que se utilizo el termino humedal fue en la Convention on Wetlands

of international importance Especially as waterflow habitat celebrada en Rasman

Irán en 1971 a partir de esta fecha se han desarrollado estudios sobre este tema

en Estados Unidos, Europa y América, también se han construido humedales

artificiales donde los resultados obtenidos han sido satisfactorios. En Alemania,

Dinamarca y Reino Unido se han construido humedales diferentes a los de

Norteamérica debido a que la movilidad del agua es diferente entre estos países y

esto cambia el diseño del humedal.

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Los humedales que han sido construidos se han utilizado para tratar aguas

domesticas de comunidades, se han hecho estudios para tratar aguas residuales

de la industria petrolera, y para la industria de alimentos.

A continuación presentare una serie de resúmenes de artículos relevantes con el

tema de los humedales artificiales donde se presentan varios aspectos

importantes a la hora de diseñar un humedal y también resultados obtenidos de

humedales construidos en diferentes partes del mundo.

ARTICULO N° 1

Autor: Dr. André Gerth

Titulo: Sistema para la purificación de aguas servidas en una laguna de flujo

vertical con vegetación.

! Lugar: Alemania

! Fecha: 18 Enero de 2001

! Definición: Capas de suelo/arena plantadas con vegetación típica de las

ciénagas, regadas con agua servida, se trata de sistemas de purificación de

aguas contaminadas de alto rendimiento los cuales se aprovechan de procesos

naturales, y funciona sin mayor intervención del hombre.

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! Componentes de la laguna:

- Una etapa anterior de prepurificacion

- Varias capas de grava en el lecho

- Sistemas de drenaje

! Resultados obtenidos:

Parámetro Descarga Valor limite %

Descontaminación

DBO 20 40 95

NITRATO AMONIO 1.0 - 97

ORTOFOSFATO 0.2 - 98

TURBIEDAD Claro - -

COLORACION Incoloro - -

OLOR Inoloro - -

! Costos:

Se destacan por costos de operación bajos, dentro de los principales gastos están

los siguientes:

- Dragado de capa superior de tierra

- Impermeabilización

- Capa filtro (grava)

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- Plantas

- Sistema de drenaje.

- Pocas de trabajo de personal por semana

- Remoción de lodos 1 vez por año

- Limpieza del sistema de drenaje.

! Duración Util:

Esta limitada por la vida de la vegetación que no tienen limite gracias a su

regeneración dentro del medio, las lagunas mas antiguas tienen 30 años y se

calcula que la vida media puede estar hasta los 40 años.

ARTICULO N° 2

Boletín PIPELINE

Titulo: Humedales artificiales: Un tratamiento natural alternativo

! Fecha: Verano de 1998

! Resumen:

Los humedales artificiales minimizan el tratamiento que tiene lugar en los

humedales naturales al colocar plantas y una combinación de procesos biológicos,

químicos y físicos que remueven los agentes contaminantes del agua, incluso

proveen de un hábitat natural adicional para aves, animales e insectos.

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Uno de los usos más comunes es el proveer tratamiento avanzado o adicional a

las aguas residuales de hogares.

Los humedales artificiales se han utilizado como tratamiento de aguas residuales

desde la década de los 70’s lo que los convierte relativamente en una nueva

tecnología ambiental.

Una de las razones por la que la gente se siente atraída en la construcción de

estos sistemas es su bajo costo de operación debido a que su requerimiento de

energía es bajo o nulo.

! Ventajas:

- Bajo costo de construcción y mantenimiento

- Cumple con regulaciones ambientales

- Conservación de fuentes locales de agua

- Requiere poca o nula energía

- Proporcionan un tratamiento efectivo de aguas domesticas

! Desventajas:

- Requerimiento alto de Area

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- Pueden presentar problemas de mosquitos

- Pueden ser menos predecibles que otros sistemas convencionales

- El conocimiento de todos los procesos involucrados no esta definido.

ARTICULO N° 3

Cooperativa de Texas EXTENSIÓN

Titulo: Humedales Artificiales (sistemas para el tratamiento de aguas

residuales)

! Resumen

Un humedal artificial para el tratamiento domestico de aguas negras se diseña

para que imite los procesos naturales de los humedales que ocurren naturalmente.

Este sistema utiliza plantas y microbios para mejorar la calidad de las aguas

negras.

! Humedal Artificial

Es un lecho de piedra nivelada con agua por debajo de la superficie, donde crecen

plantas acuáticas.

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Elimina nutrientes, materia orgánica, sólidos en suspensión y patógenos.

El lecho en si es normalmente de grava pero puede ser de cualquier material

poroso que no se corroa o se disuelva con las aguas negras, el agua que va a

tratarse corre horizontalmente por el lecho, permaneciendo por debajo de la

superficie

! Tratamiento

Se cree que microbios que viven el las superficies de la grava y en las raíces de

las plantas eliminan los contaminantes que entran al humedal. Las plantas le

proporcionan oxigeno al lecho y eliminan algunos de los nutrientes. Otros

procesos como la filtración, la descomposición microbiana y la fijación a la

superficie de las partículas también ayudan a eliminar los contaminantes. Entre

mas tiempo permanezca el agua en el humedal mas contaminantes se eliminaran

y mejor será la calidad que sale del humedal.

! Generalidades de los humedales artificiales

- Relación area-caudal: 1 ft2 por cada galón de agua negra a tratar.

- Profundidad: 1-2 pies

- Area de corte transversal: Relación largo-ancho entre2y 3 mantiene el nivel

subsuperficial.

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ARTICULO N° 4

Autor: Manuel Ñique Alvarez

Titulo: Humedales construidos para el tratamiento de aguas residuales.

! Problema

Altos costos de energía y de mantenimiento en grandes instalaciones de concreto

y acero como son las diversas lagunas de tratamiento, las cuales tienen altos

consumos de energía, ha llegado a ser muy caro para las comunidades y

empresas operadoras que utilizan estos sistemas para el tratamiento de aguas

residuales, siendo insostenible su funcionamiento originando perdida de la

eficiencia en el tratamiento y en otros casos el abandono de las instalaciones.

Esto produce contaminación de fuentes de agua y por consiguiente el deterioro de

la calidad de la salud humana.

! Solución

Técnicas que utilizan sistemas acuáticos para el tratamiento de aguas servidas

como los humedales artificiales y los sistemas de plantas acuáticas, estos

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sistemas de tratamiento natural, reproducen los procesos que ocurren en la

naturaleza, dando como alternativa sistemas de bajo costo y amigables al

ambiente.

Se ha generado la técnica de humedales artificiales para tratar aguas servidas los

que cumplen funciones como: Fijar físicamente los contaminantes en la superficie

del suelo y la materia orgánica, utiliza y transforma los elementos por intermedio

de los microorganismos y logra niveles de tratamiento con un bajo consumo de

energía y bajo mantenimiento.

! Resultados obtenidos

PARAMETRO % REMOCION EFLUENTE

DBO 60-86% 2-7 mg/l

SST 73-93% 10mg/l

NITOGENO 80-97% -

FOSFORO 9-58% -

COLIFORMES 84-99% -

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! Conclusiones

- Condiciones ambientales como la temperatura intervienen de manera

significativa en el proceso.

- Bajos costos de operación, instalación y mantenimiento

- Facilita el reciclaje y reutilizacion del agua

- Relación de 4-10 veces mas de área frente a otros sistemas

- Componentes biológicos susceptibles a sustancias tóxicas como los

pesticidas o el amoniaco.

ARTICULO N°5

Autor: Agustín Lahora Cano

Titulo: Los humedales artificiales como tratamiento terciario de bajo costo

en la depuración de aguas residuales urbanas

! Problema

La comunidad Europea obligan, mediante la directiva 9172717CEE, a limitar el

contenido de nutrientes responsables de la eutrofizacion (nitrógeno y fósforo) en

los vertidos de aguas residuales urbanas depuradas, por lo que son necesarias

tecnologías para complementar los actuales sistemas de tratamiento.

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! Solución

Existen experiencia sobre humedales artificiales como eficaz tratamiento terciario

de bajo costo, aunque no se conocen con profundidad los procesos implicados en

este. GALASA en prevención con el cumplimiento de la directiva, ha construido un

humedal artificial experimental a pequeña escala, cuyos resultados iniciales

indican la viabilidad de esta tecnología bajo condiciones climáticas típicas de la

región usando especias vegetales autóctonas Phragmites australis (cañota,

carrizo) y Thypa dominguensis.

! Resultados

Parámetro Afluente Efluente Norma

DBO 420 2 25

SST 385 15 150

NT 84 6 15

Fosforo Total 8.9 1.6 2

Coliformes 8.3*106 0 -

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! Conclusiones

- Bajo costo de construcción y de energía

- Sistema flexible a cambios de caudal y carga del Efluente

- Intensa actividad microbiana durante todo el año

- Si el nivel del agua permanece subsuperficial se reducen los problemas de

mosquitos

- Los criterios de diseño no son totalmente conocidos

- Desconocimiento de los procesos biológicos involucrados

! Recomendaciones de diseño

- Profundidad de 60-80 cm

- Impermeabilizante (lamina sintética)

- Relleno (grava con alto contenido de Calcio y Hierro)

- Area (2-5 m2/habitante influentes muy cargados)

- Area (1-2m2/habitante para tratamiento terciario)

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ARTICULO N°6

Autor: Carmen Duran de Bazúa

Titulo: Humedales artificiales, una alternativa viable para el tratamiento de

aguas residuales en zonas rurales

! Problema

En México aproximadamente el 80% de las aguas residuales generadas son

descargadas al ambiente sin un tratamiento adecuado y la falta de recursos

obligan a la búsqueda de alternativas mas económicas.

! Solución

Los humedales artificiales son sistemas de tratamiento con gran potencial

especialmente por su sencillez de operación y su bondad con el ambiente y

representa desde el punto de vista económico y técnico una opción viable para

ser utilizados como sistemas de tratamiento de aguas residuales rurales que

cuenten con áreas amplias.

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! Desarrollo

El PIQAYQA de la UNAM en cooperación con diversas entidades construyo una

pequeña planta cuyo principal objetivo es la diseminación técnica del sistema.

Sus principales características son:

- Lugar: México

- Caudal: 5.3m3/dia

- Area: 75m2

- Tiempo de residencia: 1.8 días

- Plantas: Phragmites (carrizos)

- Soporte: Escoria volcánica

! Resultados

Parámetro Porcentaje de remoción

DBO 74-75%

Nitrógeno amoniacal Mas de 80%

Fósforo 20%

Coliformes fecales 99.5-99.997%

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! Generalidades de diseño

- Profundidad del lecho: 0.6-1.5 m por debajo del nivel del agua

- Impermeabilización: Arcilla, tierra- cemento, plástico sintético o asfalto

- Relleno: Grava de un solo tamaño, o combinando grava con arena

- Pendiente de 4-6%

! Conclusiones

- Opción con alta viabilidad para ser implementado en las comunidades

rurales

- Ventaja de uso de materiales típicos de la región

- Vida media (25-30 años)

- Eficiencia de 90%

ARTICULO N°7

Autor: R.L. Lavigne y J. Jankiewicz

Titulo: Tecnología del tratamiento de pantanos secos artificiales y su

aplicación en la Amazonia del Ecuador

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! Problema

La construcción de un sistema de tratamiento convencional es poco factible para

muchos países en desarrollo en los cuales materiales convencionales y recursos

financieros son escasos. En la Amazonia de América del Sur se ha presentado un

rápido crecimiento poblacional e industrial debido ala extracción de petróleo crudo

en esta región, agudizando los problemas de suministro de agua, manejo de

aguas residuales afectando a poblaciones que viven en zonas donde el agua que

se consume proviene de ríos a los cuales se les vierte aguas sin tratamiento.

! Solución

Construcción de un pantano seco para una población de 10000 habitantes de

1200 m2 para el tratamiento de esta agua que eran vertidas a los ríos sin tratar.

! Resultados

PARAMETRO ENTRADA(mg/l) SALIDA(mg/l)

DBO 288 3

DQO 301 11

NH4 27.7 9.43

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PO4 2.21 0

SST 377 14

COLIFORMES 121000 6000

! Conclusiones

- No hay proliferación de mosquitos

- Máxima eficiencia debido a la gran biomasa asociada con la rizofera

- Excelente retención de pequeñas partículas

- Efluente de alta calidad (cerca de los valores de consumo humano)

- Bajas exigencias técnicas, bajo costo, autosostenible.

ARTICULO N° 8

Titulos: Los humedales o pantanos artificiales: Una alternativa para el

tratamiento de aguas residuales

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! Problema

El tratamiento de las aguas residuales generadas por el consumo humano

industrial representa uno de los crecientes problemas ecológicos que el país

enfrenta (Solo 20 % de las aguas residuales reciben tratamiento en México). Los

sistemas basados en tecnologías convencionales no son rentables ni sustentables

para las necesidades urbanas contemporáneas.

! Solución

Ante la búsqueda de nuevas formas de atacar este problema la aplicación de los

sistemas de pantanos artificiales o humedales artificiales comienzan cada vez mas

a tomar fuerza como una tecnología alternativa muy útil para contrarrestar los

efectos contaminantes de los sistemas tradicionales. Esta técnica se viene

utilizando en Europa y en Estados Unidos desde los años70’s con grandes

resultados económicos y operativos incluso en una técnica viable para países en

vía de desarrollo.

! Aplicaciones

- Tratamiento de aguas domesticas

- Tratamiento de aguas ácidas

- Remoción de Fósforo y Nitrógeno

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- Descarga del drenaje de minas

! Ventajas

- Consumo de energía bajo

- Costo bajo de operación y mantenimiento

- Flexibilidad del sistema a cambios de clima

- Buena remoción de DBO, Nitrógeno y Fósforo

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2.MARCO TEORICO

2.1 Funciones principales de los humedales

Según Lara (1999) Los humedales son áreas que se encuentran saturadas por

aguas superficiales o subterráneas con una frecuencia y duración tales, que sean

suficientes para mantener condiciones saturadas. Suelen tener plantas

emergentes, esta vegetación proporciona superficies para la formación de

películas bacterianas facilitando la filtración y adsorción de los constituyentes del

agua residual.

Los humedales tienen tres funciones fundamentales:

- Fijar físicamente los contaminantes en la superficie del suelo y la materia

orgánica

- Utilizar y transformar los elementos por intermedio de los organismos

- Lograr niveles de tratamiento consistentes con un bajo consumo de energía

y bajo mantenimiento.

2.2 Clases de humedales

“Existe una multitud de variantes del procedimiento de tratamiento con ayuda de

humedeales de los cuales muchos son similares. Es posible subdividir

procedimientos en diversos componentes. Si se clasifican estos componentes a

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partir del flujo, es posible reagruparlos en dos categorías”. (Centro Nacional del

Agua.(1999). Sistemas de tratamiento de Aguas Servidas por medio de

Humedales Artificiales. P.38)

2.2.1 Humedales de flujo superficial (SF)

Según Alvarez (1994)Estos humedales consisten de una cubeta poco profunda,

suelo u otro medio para soportar raíces de la vegetación, y una estructura del

control del agua que mantiene el agua a un nivel poco profundo, estos se

asemejan mucho a un pantano natural puede proveer habitat para la vida silvestre

y beneficios estéticos como el tratamiento del agua. En los humedales SF la capa

mas superficial es aeróbica, mientras que la capa mas profunda es anaerobia.

Para lograr tratamiento secundario o avanzado, los humedales SF consisten en

balsas o canales paralelos con la superficie del agua expuesta a la atmósfera y el

suelo constituido por suelo relativamente impermeable o con una cubierta

impermeable, vegetación emergente, y niveles de agua poco profundos. El

tratamiento se produce durante la circulación del agua a través de los tallos y

raíces de la vegetación emergente. Esta clase de humedales se utilizan

principalmente para el tratamiento de agua de minas y escurrimiento agrícola.

Entre la ventaja de estos humedales esta: El capital requerido y los costos de

operación son bajos, su construcción y mantenimiento son simples, dentro de las

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26

desventajas se encuentra principalmente el requerimiento de una gran área en

comparación con otros sistemas.

2.2.2 Humedales de flujo subsuperficial (SSF)

Según Alvarez (1994)Consiste en canales o zanjas excavadas y rellenos con un

sustrato poroso de roca o grava.

El nivel de agua es diseñado para que se mantenga debajo del nivel del sustrato y

el agua a tratar no este expuesta al aire. Debido a la confinación hidráulica

impuesta por el sustrato, los humedales SSF están mejor preparados para tratar

aguas servidas con sólidos en concentraciones relativamente bajas y flujo

uniforme. Estos humedales son frecuentemente usados para reducir el DBO de las

aguas servidas domesticas.

Entre sus ventajas esta la tolerancia a los cambios de temperatura, minimizan las

plagas de mosquitos y malos olores, poseen un alto potencial de asimilación por

unidad de área en comparación a los sistemas SF debido a su mayor superficie de

contacto, requiriendo menor área.

Entre las ventajas esta su costo mas alto frente al SF y regular el flujo es mas

difícil

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6.3 Según Lara (1999) Los principales componentes de un humedal son: El

agua, los substratos, las plantas emergentes y los microorganismos.

2.3.1 El Agua

La hidrología es el factor de diseño mas importante en un humedal construido

porque reúne todas las funciones del humedal y porque es a menudo el factor

primario en el éxito o fracaso del humedal Las propiedades del agua son

afectadas por la lluvia, la temperatura, la evapotranspiración la cual puede obtener

un valor importante en las perdidas de agua del humedal, principalmente se dan

en climas áridos y en los meses de verano, estas perdidas hacen que el volumen

de agua disminuya y por lo tanto la remoción de los contaminantes decrece, y la

evaporación directa del agua también afecta las propiedades del agua, y

evidentemente por las plantas y microorganismos, que desarrollan el proceso de

tratamiento ya que la densidad de la vegetación en un humedal puede obstruir

caminos de flujo, afectando la movilidad del agua A través del humedal.

2.3.2 Los Substratos

Los substratos son los materiales que se utilicen para la creación del suelo por lo

general se utiliza grava, arena, roca y materiales orgánicos como el compost es

muy importante ya que dentro y sobre este permanecen los organismos vivos del

humedal, la permeabilidad del suelo depende directamente del sustrato que se

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28

utilice, y en general almacenan organismos y sustancias presentes en el humedal,

también el substrato es importante porque muchas transformaciones químicas y

biológicas tienen lugar dentro de este, la acumulación de restos de vegetación

aumenta la cantidad de materia orgánica en el humedal. La materia orgánica de

lugar al intercambio de materia, fijación de microorganismos, y es una fuente de

Carbono, que es la fuente de energía para algunas de las mas importantes

reacciones biológicas en el humedal, la granulometria de el substrato es un

parámetro importante en el diseño del humedal ya que de este depende la

movilidad del agua a través del humedal por entre los espacios vacíos los cuales

sirven como canales de flujo.

2.3.3 La vegetación

El mayor beneficio de las plantas es la transferencia de oxigeno a la zona de la

raíz, la continua inundación, los sólidos y el medio de los sistemas de flujo

subsuperficial proporcionan medio anaerobio que no es un buen ambiente para el

desarrollo de la mayor parte de la vegetación.

Las plantes emergentes tienen la capacidad de tomar oxigeno y otros gases de la

atmósfera y transportarlos a través de largos vasos hasta la raíz la cual por medio

de los rizomas proporciona un ambiente aerobio al sistema.

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El Oxigeno es utilizado para el crecimiento de la raíz y para la actividad microbial,

esto produce micrositios en las raíces y risozomas que proporcionan ambiente

aeróbico, y en los cuales ocurren reacciones como la nitrificación, en los sistemas

de flujo subsuperficial se favorece esta actividad microbiana debido al contacto

directo entre las raíces y el agua.

La presencia física de la vegetación permite la penetración en la tierra o medio de

apoyo y por lo tanto el transporte del oxigeno, cuando estas plantas mueren se

denominan restos de vegetación que sirven como medio y fuente de nutrientes

para el crecimiento de otras plantas. Las plantas emergentes sirven como

hospedero de los microorganismos, le dan una baja velocidad al flujo por su alta

densidad, absorben carbono, nutrientes y minerales del agua, limitan la

canalización del flujo de agua, transfieren gases entre la atmósfera y los

sedimentos Dentro de esta vegetación se encuentran tres diferentes géneros:

Thypha, Phragmites y Scirpus.

Cada uno de estos géneros poseen características diferentes que las hacen

especiales dependiendo del lugar donde se construya el humedal y de la

utilización del humedal

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30

2.3.4 Microorganismos

Una característica fundamental de los humedales es que sus funciones son

principalmente reguladas por microorganismos y su metabolismo. Los

microorganismos incluyen bacteria, levaduras, hongos y protozoarios. La biomasa

microbiana consume gran parte del carbono orgánico y muchos nutrientes.

La actividad microbiana que ocurre en el humedal transforma un gran numero de

sustancias orgánicas e inorgánicas en sustancias insolubles, altera las

condiciones de potencial redox del sustrato y así afecta la capacidad de proceso

del humedal, algunas de estas actividades se presentan en presencia del oxigeno,

mientras que otras en ausencia de este, es por esto que los humedales son

sistemas aerobios y anaerobios para que se pueda dar todo tipo de actividad

microbiana.

2.4 Aspectos de la construcción

2.4.1 Impermeabilización

Segu CENAGUA (1999) En cualquier tipo de humedal se necesita colocar una

capa o barrera impermeable para evitar que el agua del humedal se mezcle con el

agua del suelo donde este se va a construir y por lo tanto se presente una

contaminación, se pueden utilizar materiales sintéticos como asfalto o algún tipo

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31

de membrana, pero también se pueden utilizar materiales que estén en el mismo

lugar, y que por medio de su compactación pueden llegar a tener las mismas

propiedades de impermeabilidad que los materiales sintéticos. El fondo del suelo

debe ser cuidadosamente alisado para evitar perforaciones en el

impermeabilizante, también se debe dejar una pendiente para asegurar la

movilidad del agua a través del suelo. Se debe dejar totalmente liso el fondo para

evitar flujos preferenciales del agua por medio de canales artificiales o

accidentales. La grava que se dispone sobre la superficie impermeabilizada no

debe romperla, la selección de este material es un punto critico en el diseño del

humedal por lo que es preferible la utilización de grava.

2.4.2 Vegetación

La elección del tipo de vegetación esta directamente ligada al ambiente ya que

cada una de las especias puede crecer en situaciones particulares y la elección

debe estar ligada a las condiciones de operación del sistema, cada una de las

especies mas utilizadas tienen características que las hace mas favorables para

cada tipo de humedal sea SSF o SF, un punto importante es que se deben

escoger si se tiene la oportunidad las especias nativas del sitio de construcción.

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2.5 Según Lara (1999) Remoción de los contaminantes

2.5.1 Sólidos en suspensión

Aunque algunos sistemas operan sin pretratamiento, se recomienda

especialmente instalar un elemento de tratamiento primario que permita retirar

elementos en suspensión. La puesta en marcha de un pozo séptico antes del

tratamiento permitirá retirar hasta el 60% de sólidos en suspensión y el 40% de

DBO, en los sistemas subsuperficiales la remoción de sólidos suspendidos se

presenta por medio del medio poroso por medio de filtración dando niveles de

remoción de 90-95 %.

2.5.2 DBO

La DBO se retira de manera física ya sea a nivel del pretratamiento o por filtración

y sedimentación en los lechos de plantas, las aguas servidas atraviesan en

principio zonas aeróbicas cerca de las raíces y rizomas y anaerobias en la zona

del medio filtrante, cuando las condiciones hidráulicas del medio filtrante se

mantienen, la digestión de la fracción carbonada es muy buena, la actividad

microbiana se reduce a bajas temperaturas es por esto que los rendimientos

disminuyen en épocas de invierno entre un 80y 70% mientras que en época

normal se pueden presentar rendimientos de 80-95%

IQUI-2002-2-01

33

2.5.3 Nitrógeno

El nitrógeno se consume básicamente mediante tres pasos:

Primero se presenta una absorción química del nitrógeno en el suelo, pero este

efecto no es normalmente dominante ya que necesita condiciones especiales en el

suelo y solo se presenta en Humedales de flujo superficial.

El segundo fenómeno implicado es de nitrificación seguida de la denitrificacion por

la actividad microbiana, en la primera parte el amoniaco es transformado a nitratos

y nitratos en presencia del oxigeno, y después estos nitratos y nitritos se

convierten en nitrógeno gaseoso por medio de la desnitrificaron en ausencia del

oxigeno, pero el seguimiento de estos pasos en sistemas subsuperficiales es muy

difícil de monitorear y los rendimientos tienen valores muy variados.

2.5.4 Fósforo

La remoción de fósforo en la mayoría de los sistemas de humedal artificial no es

muy eficaz debido a las pocas oportunidades de contacto entre el agua residual y

el terreno.

Algunos sistemas en Europa usan arena en vez de grava para aumentar la

capacidad de retención del fósforo pero este medio requiere áreas muy grandes

debido ala reducida conductividad hidráulica de la arena comparada con la de la

IQUI-2002-2-01

34

grava, para lograr una importante remoción de fósforo, se necesitaran grandes

áreas o tratamientos alternativos.

Datos experimentales que se pueden presentar valores de 30-50% de remoción

de fósforo.

2.5.5 Coliformes fecales

La reducción de microorganismos patógenos se hace posible en sistemas de

tratamiento bajo ciertas condiciones.

Para ello es importante crear una zona de pulimiento que no sea favorable al

crecimiento de microorganismos y evitar los cortocircuitos. Los sistemas bajo la

superficie permiten disminuir las concentraciones en microorganismos de 102 a

104 Coliformes por 100 ml y son menos sensibles a los cambios de caudal que los

de flujo superficial.

2.6. DISEÑO DEL SISTEMA DE FLUJO SUBSUPERFICIAL

Los humedales artificiales pueden ser tratados como rectores biológicos según

sus características, pueden ser modelados con diferentes ecuaciones para ver su

funcionamiento, estas ecuaciones se desarrollan para ver que tan efectiva puede

ser la depuración de sustancias contaminantes en el cuerpo de agua

IQUI-2002-2-01

35

Los humedales se pueden modelar como un reactor tipo pistón, ya que el agua

actúa como el flujo de entrada y va pasando a través del humedal donde las

plantas y los microorganismos actúan como el catalizador, en el cual la

concentración es uniforme en el tiempo pero varia en el espacio, el tiempo de

residencia depende del volumen del humedal y del flujo de agua o caudal medio

por medio de la siguiente ecuación:

QV=τ

τ = Tiempo de residencia

V = Volumen del humedal

Q = Caudal de agua( caudal medio)

Y la ecuación para un reactor tipo pistón es la siguiente: KtA er −=−

rA= Cinética de reacción

K= constante de reacción

T= tiempo

IQUI-2002-2-01

36

Para cada contaminante hay diferencia en el tratamiento de las ecuaciones, pero

no totalmente, lo que mas influye en el cambio es la constante de reacción que

varia según la temperatura para cada clase de contaminante

IQUI-2002-2-01

37

3.DISEÑO GENERAL DE UN HUMEDAL ARTIFICIAL

Todos o la gran mayoría de los Humedales Artificiales construidos han sido

considerados como un reactor biológico, con una constante cinética de primer

orden, y de flujo tipo pistón para la remoción de DBO, Nitrógeno, Sólidos

Suspendidos Totales y fósforo.

Existen otras alternativas pero no existe un consenso universal que dicte algún

método como el mejor o como el método de diseño general. El siguiente diseño

esta basado en el diseño propuesto por Sherwood C. Reed en el Libro Natural

Systems for Waste and treatment.

Para la remoción de los contaminantes del agua podemos usar las siguientes

ecuaciones que son las que se usan en los reactores de tipo pistón con reacción

de primer orden.

ECUACION GENERAL DE UN REACTOR

Ce: Concentracion a la salida

Co: Concentracion a la entrada K: Constante cinetica de reaccion t: Tiempo de retencion

TIEMPO DE RETENCION HIDRAULICA

KteOCEC −=

QLWynt =

( )1

( )2

IQUI-2002-2-01

38

AREA SUPERFICIAL

L: Largo de la celda W: Ancho Y: Profundidad del agua N: Porosidad del medio Q: Caudal de agua Para poder realizar este diseño es necesario hacer un promedio del flujo de salida

y el de entrada, para poder tener en cuenta las perdidas y ganancias de agua

mediante la operación del humedal, por medio de efectos como la precipitación,

evapotranspiracion etc.

Para un diseño conservador se asume que no existen ganancias ni perdidas por lo

tanto el caudal es constante lo que quiere decir que el flujo de entrada es el mismo

que el de salida.

Constantes que se encuentran en las anteriores ecuaciones son de gran interés

para el buen desarrollo del sistema, una de estas constantes es Kt la cual es la

constante de reacción, y es de primer orden debido a que depende solo de la

temperatura, también depende de el tipo de contaminante pero como constante y

no como variable.

ynKC

CQLnLWA

T

e

o

S

== ( )3

IQUI-2002-2-01

39

Como la constante de reacción Kt depende solo de la temperatura es necesario

saber que temperatura tiene el agua dentro del humedal.

El diseño hidráulico es muy importante para el modelo y para poder predecir la

remoción de contaminantes en el cuerpo de agua, este modelo esta basado en

modelo de flujo tipo pistón, con variables como: flujo constante.

Muchos modelos que han sido desarrollados no han utilizado las variables

suficientes y el desarrollo de humedal no ha sido el esperado, presentando

inconvenientes por cortocircuito.

Un diseño valido requiere consideraciones hidráulicas y termales, para poder

llegar a algún resultado valido, el procedimiento tiene que ser iterativo y es

necesario asumir una profundidad y una temperatura para poder resolver la

ecuación cinética.

Dentro del diseño del humedal, el área es el parámetro de diseño limitante, ya que

para la remoción de cada contaminante se calcula un área y esta es la necesaria

para cumplir con los requerimientos de calidad del agua, el DBO y el Nitrógeno

son los contaminantes limitantes por lo tanto para el diseño se utilizaran estos dos

contaminantes para calcular el área del humedal.

IQUI-2002-2-01

40

3.1 Metodología de diseño

El método que se utiliza comprende los siguientes pasos:

3.1.1 Metodología General

- Asumir una temperatura y una profundidad.

- Calcular el área necesaria para remover la DBO y el nitrógeno del cuerpo de

agua.

- Con esta área calcular la temperatura promedio del humedal.

- Calcular la relación largo/ancho del sistema y comparar estos resultados con

los propuestos como valores apropiados.

3.1.2 DISEÑO HIDRAULICO

Todos los modelos de diseño que se usan actualmente asumen condiciones

uniformes de flujo a pistón y que además no existen restricciones para el contacto

entre los constituyentes del agua residual y los organismos responsables del

IQUI-2002-2-01

41

tratamiento, y todas las condiciones del sistema se mantienen durante el tiempo

de vida del humedal.

El flujo del agua presenta una resistencia dada por el medio y por la vegetación,

para poder vencer esta resistencia es necesario obtener de alguna manera una

energía capaz de superar esa resistencia, por lo tanto es necesario construir el

humedal, con una pendiente en el fondo, la cual crea una diferencia de altura en el

fondo y permite una libre circulación del flujo dando de esta manera una solución

al problema de esta resistencia, pero en algunos casos a medida que pasa el

tiempo la vegetación se va volviendo mas densa, y la resistencia se vuelve mayor

por lo que es necesario crear una pendiente mayor, que tenga capacidad de crear

la suficiente energía para vencer esa resistencia.

En algunos casos es necesario construir o contar con un sistema que puede

regular la altura del nivel de salida para poder controlar el flujo que se mantiene

dentro del sistema.

Un parámetro que tiene gran influencia en el diseño hidráulico es el de la relación

Largo/Ancho, la resistencia sobre el flujo para poder asegura un sistema de flujo

pistón debe ser grande lo cual se permite con valores de L/A grandes pero no tan

grandes porque afecta el sistema, ni tan pequeños porque el tiempo de residencia

será muy corto es por esto que se han dado valores estándares que puedan

IQUI-2002-2-01

42

cumplir con este aspecto, el cual da como valor típico para el buen funcionamiento

del humedal un valor de 3:1 como relación de L:A

Para poder describir el sistema como un sistema de flujo pistón se debe utilizar la

Ley de Darcy que describe el comportamiento de un flujo a través de un medio

poroso, lo cual es aceptado para un humedal, utilizando sólidos y grava como

medio.

Para poder utilizar esta ecuación es necesario asumir las siguientes condiciones.

- Flujo laminar

- Flujo constante y uniforme

- Asumir que no hay perdidas ni ganancias por parte del flujo.

Con estas consideraciones la ley de Darcy proporciona una buena aproximación a

las condiciones hidráulicas del sistema.

Ley de Darcy

El flujo de agua a través de medios porosos, de gran interés en la Mecánica de

Suelos, está gobernada por una ley descubierta experimentalmente por Henri

Darcy en 1856. Darcy investigó las características del flujo del agua a través de

filtros, formados precisamente por materiales térreos,.

IQUI-2002-2-01

43

Trabajando con dispositivos de diseño especial, Darcy encontró que para

velocidades suficientemente pequeñas, el gasto queda expresado por:

kAidtdVQ == /

A es el área total de la sección transversal del filtro e i el gradiente hidráulico del

flujo, medido con la expresión:

Lhhi /)21( −=

La ecuación de continuidad del gasto establece:

AcsKAvQ s==

Siendo A el área del conducto y v la velocidad del flujo. Llevando esta expresión a

la Ley de Darcy, se deduce que:

Kiv =

Es decir, que en el intervalo en que la ley de Darcy es aplicable, la velocidad del

flujo es directamente proporcional al gradiente hidráulico; esto indica que, dentro

del campo de aplicabilidad de la ley de Darcy, el flujo en el suelo es laminar.

En las ecuaciones anteriores, relacionadas con la ley de Darcy, aparece una

constante física de proporcionalidad, k, llamada el Coeficiente de Permeabilidad

IQUI-2002-2-01

44

del Suelo. En cualquiera de esas ecuaciones puede verse que sus unidades son

las correspondientes a una velocidad (téngase presente que i es un concepto

adimensional). Esto se ha utilizado para definir en términos simples el coeficiente

de permeabilidad de un suelo como la velocidad del agua a través del mismo,

cuando está sujeta a un gradiente hidráulico unitario. Es obvio que en el valor

numérico de k se reflejan propiedades físicas del suelo y en cierta medida ese

valor indica la mayor o menor facilidad con que el agua fluye a través del suelo,

estando sujeta a un gradiente hidráulico dado.

Esta facilidad a su vez depende de toda una serie de propiedades físicas del suelo

y, también de algunos factores, tales como temperatura y otros más.

Como vemos para modelar el paso de un fluido por un medio poroso como lo es el

paso del agua a través de un humedal, podemos utilizar la ley de Darcy para ver

su comportamiento a través de este.

Después de observar la ley de Darcy y su definición podemos utilizar las

siguientes ecuaciones para poder llegar al resultado buscado para hallar el ancho

de el humedal, consistente con la profundidad del agua en este.

DADO QUE

LymS ))((=W

AL S= ))(( yWAC =

IQUI-2002-2-01

45

Donde:

m(pendiente del medio esta ente 5-20%)

As(Area superficial)

y(profundidad del agua)

Reorganizando estas ecuaciones con la de la ley de Darcy podemos llegar a una

expresión

donde se obtenga el ancho mínimo aceptable para una celda acorde con su

gradiente hidráulico.

El valor que se obtuvo en la ecuación numero 4 muestra el resultado al que se

quería llegar en el cual esta relacionado el ancho mínimo del humedal, acorde con

la profundidad del agua, la conductividad hidráulica y la pendiente del sistema.

El valor de m es la pendiente del medio acorde con la profundidad del agua en el

medio, este valor esta dado en porcentaje y esta ente un 5% a un 20 %.

5.0

))(())((1

=

S

S

KmAQ

yW ( )4

IQUI-2002-2-01

46

El valor de Ks pertenece a la conductividad hidráulica, para un buen diseño es

conveniente usar valores de Ks/3 como factor de seguridad, debido a que este

valor de Ks varia con la temperatura y el medio y estas condiciones pueden variar

durante el periodo de vida del sistema es necesario utilizar este valor como

constante de seguridad.

La conductividad hidráulica también varia de acuerdo al medio y al numero de

espacios vacíos en este, algunos valores usados en humedales ya construidos y

que son típicos se encuentran en la tablea tal que se muestra a continuación.

Como se menciono anteriormente la temperatura del agua en el humedal es de

gran importancia par poder predecir el comportamiento de este ya que la

constante cinética de reacción depende únicamente de la temperatura, es por esto

que es muy importante desarrollar un procedimiento que logre dar un valor

promedio del agua en el humedal teniendo en cuenta todos los factores que

afectan a la temperatura, a continuación se desarrolla un procedimiento que tiene

en cuenta todos los factores y que proporciona un valor muy aproximado al valor

promedio del agua en el humedal.

IQUI-2002-2-01

47

3.1.3 DISEÑO TERMICO DEL HUMEDAL

La temperatura en el sistema afecta directamente las actividades físicas y

biológicas del sistema.

Reacciones biológicas responsables de la remoción de DBO, nitrificación y

denitrificacion dependen de la temperatura.

Se ha demostrado que en humedales ubicados en Estados Unidos y Canadá la

capacidad de remoción de Nitrógeno durante los meses de invierno decrece de

manera significativa, debido a la influencia que tiene la temperatura en las

reacciones biológicas responsables de la capacidad de remoción del Nitrógeno.

Debido a los dos efectos anteriormente nombrados y a todos los efectos que tiene

la temperatura sobre el sistema y sus componentes es necesario desarrollar un

modelo que pueda calcular la temperatura media del agua en el sistema.

Como el humedal es una zona abierta la cual esta expuesta al aire el agua puede

ganar y perder calor de muchas maneras es de nuestro interés poder calcular ese

calor para saber de que manera cambiara la temperatura del agua y así poder

sacar un promedio entre la temperatura del agua de salida y del agua de entrada.

IQUI-2002-2-01

48

Algunos de los elementos presentes en el humedal presentan mayor o menor

sisgnificancia a la hora de tenerlos en cuenta debido a su función en la perdida o

ganancia de calor en el sistema, estas perdidas o ganancias se presentan

básicamente debido a tres fenómenos de transferencia de calor:

- Conducción: A través del agua, la vegetación, el medio etc..

- Convección: A través del aire con el medio.

- Radiación: Por medio del sol.

Para poder desarrollar un diseño conservador solo se tendrán en cuenta las

perdidas de calor debido a la conducción.

El sistema cuenta con su propia energía, en forma de calor, debido ala presencia

del agua, esta energía esta gobernada por el calor especifico del agua que

depende de la presión, que en este caso en especial será la presión atmosférica

que tiene un valor de 4215(J/Kg) o 1.007(Btu/Lb°F).

La ecuación que relaciona este calor especifico y la energía en forma de calor

dentro del sistema es la ecuación 5

IQUI-2002-2-01

49

Energía del sistema:

))()()()(( nyACq SPG ρ=

qG= Energía del sistema

p= Densidad del agua(1000 Kg/m3 o 62.4Lb/ft3)

y= Profundidad del agua en el sistema

n= Porosidad del medio

As= Area superficial

Para poder calcular la perdida de energía a través de calor por conducción

utilizamos la siguiente relación dada por la ecuación 6:

To(Temperatura de entrada del agua)

Te(Temperatura de salida del agua)

U(Coeficiente total de transferencia de calor)

σ (Constante de conversión 86400s/d o 24h/d)

( )5

( )6))()()()(( 0 σtAUTTq SaL −=

IQUI-2002-2-01

50

Para poder calcular la temperatura

a del aire es necesario remitirse a los datos que se tengan sobre la temperatura

del aire en la región donde se vaya a construir el humedal y con todos los datos

que se tengan en el ultimo año se hace un promedio y este es el valor que se

utilizara.

Para calcular el coeficiente de transferencia utilizamos la ecuación 7 que relaciona

este valor con las conductividades de cada capa que hace parte del sistema y su

respectivo grosor de cada capa. (relación de resistencias)

y(Espesor del material)

k(Conductividad de la capa)

Básicamente son tres elementos diferentes por los que tiene que pasar el calor: La

capa de agua, la capa de piedra o material granulado y la capa de vegetación,

para cada capa de estos materiales existe un espesor determinado y una

conductividad determinada, con estos valores y la anterior ecuación podemos

( )7

+

+

+

=

4

4

3

3

2

2

1

1

1

Ky

Ky

Ky

Ky

U

IQUI-2002-2-01

51

calcular la resistencia de estas capas a la transferencia de calor. Estos valores se

encuentran en la tabla 1.

Tabla 1 Conductividad térmica de los componentes de un humedal

Tabla 6.4 tomada de Natural systems de Sherwood C. Reed

Material Conductividad (W/m°C)

Aire 0.024

Nieve 0.08

Nieve 0.23

Hielo 2.21

Agua 0.58

Capa de resto de vegetación 0.05

Grava seca 1.5

Grava saturada 2.0

Suelo seco 0.8

IQUI-2002-2-01

52

El cambio de la temperatura en el humedal se calcula mediante una relación entre

la energía ganada y la energía perdida por el sistema, mediante la ecuación 8:

Después de haber calculado el cambio de esta temperatura se la restamos a la

temperatura de entrada y podemos obtener la temperatura de salida del agua,

promediamos estas dos temperaturas y obtenemos la temperatura promedio del

agua en el sistema, este procedimiento se realiza con las ecuaciones 9 y 10.

centradasalida TTT −= (9)

Esta temperatura promedio es la temperatura que se maneja en todo el diseño del

humedal.

( )8

( )10

G

LC q

qT =

TTs Te

prom =+2

IQUI-2002-2-01

53

3.1.4 MODELO DE REMOCION DE DBO

Para poder realizar un modelo de diseño para ver el comportamiento de la

remoción de DBO se pueden considerar todos los humedales construidos como

reactores biológicos tipo pistón con una constante de reacción de primer orden.

Las ecuaciones que describen un reactor biológico tipo pistón y que se utilizan

para el diseño del humedal son las ecuaciones 11, 12, 13, y 14

La constante de reacción que rige esta ecuación esta dada por la siguiente

relación la cual es una modificación de la constante de reacción a 20°C.

)20(20 )06.1( −= T

T KK

La constante de reacción a 20°C tiene el siguiente valor el cual es constante para

cualquier tipo de clima.

104.120 =K

KteOCEC −= ( )11

( )12

( )13

IQUI-2002-2-01

54

La diferencia de remoción en humedales de flujo superficial y subsuperficial esta

en la porosidad que depende del medio usado en el sistema el cual tiene valores

típicos para tamaño y para cada tipo de medio estos valores se encuentran en la

tabla 2:

Tabla 2 Características del los medios típicos

Tipo de medio Tamaño efectivo Porosidad Conductividad

hidráulica(m3/m2/d

Arena 2 28-32 100-1000

Arena y grava 8 30-35 500-5000

Grava fina 16 35-38 1000-10000

Grava Media 32 36-40 10000-50000

Roca 128 38-45 50000-250000

Tabla 6.3 tomado de Sherwood C. Reed

IQUI-2002-2-01

55

Otro aspecto importante que difiere en el funcionamiento de las dos clases de

humedales es la constante de reacción que depende de la temperatura.

Los humedales cuentan con una carga orgánica impuesta en el sistema, esta

constante de reacción es un arreglo de la constante de reacción a 20°C la cual

esta relacionada linealmente con esta carga orgánica, esta relación se realizo

mediante datos de humedales construidos que se encuentran operando en

Estados Unidos.

Existen datos para humedales de flujo superficial y subsuperficial en los cuales la

relación de la carga orgánica con la constante de reacción a 20°C se comportan

de una manera lineal y que para los sistema de flujo subsuperficial se encuentra

una pendiente mayor debido a que el área superficial de este sistema es mayor, y

en donde se desarrolla la actividad microbiana lo que da una mayor oportunidad

de que ocurra este tipo de actividad biológica.

Basado en sistemas construidos en Estados Unidos y otras partes del mundo el

diseño de los humedales se hace para obtener cargas orgánicas altas como valor

optimo de 100 Kg/ha para el cual según la relación el valor de la constante de

reacción obtiene un valor de 1.104.

IQUI-2002-2-01

56

Ya teniendo los valores de reacción podemos sacar la relación para hallar el Area

que se necesitara para la remoción de DBO

n(porosidad del humedal)

y(profundidad del agua en el sistema su valor típico es 0.6)

3.1.5 MODELO DE REMOCION DE NITROGENO

El diseño de remoción de Nitrógeno en ambos tipos de humedales es un proceso

complejo debido a que el Nitrógeno puede estar en gran variedad de formas en

donde para cada tipo de forma se requieren consideraciones diferentes para su

remoción.

La remoción de nitrógeno es usualmente el parámetro de diseño limitante cuando

se tienen limites estrictos de vertido, tanto de nitrógeno amoniacal como de total,

para poder realizar el modelo como un reactor de pistón con cinética de primer

ynKC

CQLnLWA

T

e

o

S

==( )14

IQUI-2002-2-01

57

orden es necesario asumir que todo el nitrógeno que entra es nitrógeno

amoniacal.

El rendimiento esperado durante los primeros años es mayor al calculado debido a

que las plantas absorben el Nitrógeno para su crecimiento, al transcurrir el tiempo

el sistema se estabiliza y los rendimientos obtienen los valores esperados.

Las raíces y los rizomas de las plantas presentes en el sistema tienen micrositios

aeróbicos en su superficie y alrededor de ellas, lo que permite condiciones

optimas para que ocurra la nitrificación, es por estos que la penetración de las

raíces debe ser máxima para que el agua que entra al sistema pueda tener

contacto en toda la superficie del sistema y la remoción del Nitrógeno Amoniacal

sea la mas alta posible.

La nitrificación es un proceso mediante el cual el Nitrógeno Amoniacal es

convertido a Nitratos en presencia del Oxigeno, lo que ayuda a remover parte del

Nitrógeno del sistema. Este proceso al igual que los mencionados anteriormente

tiene una constante de reacción que esta relacionada principalmente por el

porcentaje de penetración de las raíces, esta constante se calcula mediante la

ecuación 15:

Para poder dar una relación entre el porcentaje de penetración de las plantas y la

calidad de nitrificación tenemos la siguiente ecuación que esta basada en

IQUI-2002-2-01

58

resultados vistos en humedales con diferentes plantas, los cuales podemos

observar en la tabla 3:

Donde:

rz(porcentaje de penetración de la planta)

Tabla 3 Oxigeno potencial de Vegetación Emergente en Humedales

Tipo de Planta Profundidad (m) Oxigeno

Disponible(g/m3d)

Scirpus (Bulrush) 0.76 7.5

Phragmites (Reeds) 0.6 8.0

Typha (Cattails) 0.3 7.0

( )15K rzNH = +0 01854 0 39 2 6077. . ( ) .

IQUI-2002-2-01

59

Promedio

Tomada de Sherwood C. Reed

Una vez que tenemos el valor de la constante de nitrificación podemos calcular los

valores de las constantes de reacción a la temperatura del sistema mediante las

ecuaciones 16, 17 y 18:

La primera relación cuando la temperatura es 0°C no tiene sentido ya que a esta

temperatura es necesario utilizar otros modelos donde se tiene en cuenta la

formación de hielo, la segunda relación se utiliza cuando la temperatura esta entre

los 1- 10°C, y la tercera relación cuando la temperatura excede los 10°C

( )18

( )16

( )17

K0 0=

K KTT= −

1010115( . )( )

K KT NHT= −( . )( )1048 10

IQUI-2002-2-01

60

Ya con este valor de la constante de reacción podemos calcular el área que se

necesita para la remoción de el amoniaco, con la ecuación general 19

En la anterior ecuación las concentraciones que se evalúan son de nitrógeno

como nitrógeno amoniacal, esto es porque esta área es la que se necesitaría para

realizar la nitrificación.

Después que se realiza la nitrificación viene otra acción microbiana y es la

desnitrificacion que es la reacción en la cual los nitratos que quedaron de la

nitrificación son convertidos a nitrógeno el cual se desprende a la atmósfera, para

poder realizar esta reacción el sistema tiene que ser anaerobio y los

requerimientos de carbono son necesarios, los cuales son proporcionados por

medio de las plantas muertas o como comúnmente se denomina restos de

vegetación.

Al igual que la nitrificación se utiliza un modelo para el calculo del área necesaria

para remover el resto de Nitrógeno en forma de Nitratos, basado en un rector tipo

pistón para el cual se utilizan las mismas ecuaciones generales, en donde lo único

ynKC

CQLnLWA

T

e

o

S

==( )19

IQUI-2002-2-01

61

que cambia es la constante de reacción que se calcula mediante la ecuación 20,

que tiene el siguiente valor para temperaturas mayores a 1°C:

Después de calcular este valor usamos las ecuaciones 21, y 22 para obtener el

área necesaria para desarrollar la denitrificacion

Para poder determinar el área requerida para la denitrificacion es necesario poner

como concentración inicial de nitratos el valor que se produjo en la nitrificación es

decir la concentración inicial menos la concentración final de amoniaco, y con este

valor si hallar el área para la desnitrificaron.

ynKC

CQLnLWA

T

e

o

S

==

KteOCEC −=

( )20

( )21

( )22

KTT= −10 115 20. ( . )( )

IQUI-2002-2-01

62

Pero la suma de las áreas obtenidas en el proceso de nitrificación y denitrificacion

no es el área total que se necesita para la remoción de Nitrógeno Total del

sistema.

Para poder hallar esta área total se tiene que seguir el siguiente procedimiento:

- Asumir un valor para la concentración final de Nitrógeno en forma Amoniacal.

- Se calcula el valor inicial de los nitratos asumiendo que el Nitrógeno Amoniacal

que se removió es el valor de entrada para los nitratos.

- Con la ecuación general se halla la concentración final de Nitratos.

- La concentración final de Nitrógeno es la suma de los efluentes de la

nitrificación y la denitrificacion, si este valor es mayor al que se busca es

necesario hacer iteraciones hasta obtener el valor deseado.

IQUI-2002-2-01

63

4.DISEÑO DEL HUMEDAL.

De acuerdo al procedimiento anteriormente descrito, se puede diseñar un

Humedal Artificial de flujo subsuperficial para cualquier tipo de condiciones,

teniendo en cuanta básicamente la temperatura, el tipo de vegetación, y el medio

que se va a utilizar, si ya se cuenta con estas condiciones se puede empezar a

desarrollar el diseño teniendo en cuenta que los factores limitantes a la hora de

diseñar son la remoción de DBO y de Nitrógeno, por lo tanto se hará a

continuación el diseño a partir de la remoción de estos dos contaminantes.

Es necesario para empezar con el diseño conocer las concentraciones de los

contaminantes a la entrada del humedal, y hasta que concentración se desea

llegar, cabe notar que esta concentración tiene que estar dentro de la capacidad

de remoción del humedal, es decir que no seria prudente manejar una remoción

de 100% cuando el humedal no tiene la capacidad de manejarla.

A continuación se muestra en la tabla 4 las concentraciones de DBO y de

Nitrógeno a la entrada y a la salida del humedal, la concentración de la salida se

tomo, asumiendo un 80% de remoción que es lo que exige el ministerio de Salud

para vertimientos de aguas residuales.

IQUI-2002-2-01

64

Tabla 4 Caracterización del agua

COMPUESTO AFLUENTE EFLUENTE

DBO 290 58

NITROGENO 55 11

Par Poder desarrollar el diseño se tuvieron en cuenta las siguientes condiciones:

- Caudal = 2.25 m3/d

- Temperatura = 15°C

- Como medio se utilizo Grava fina (n= 0.4, K= 800m3/m2*d)

- La vegetación que se utiliza es Junco

- La pendiente del piso del humedal es del 3%

- Profundidad del agua (y) = 0.6

De acuerdo con el desarrollo del diseño del humedal, y con las ecuaciones

desarrolladas obtenemos los siguientes resultados, de diseño:

IQUI-2002-2-01

65

4.1 Remoción de DBO:

Inicialmente tenemos que calcular el Area requerida para obtener la remoción de

DBO que se desea, este calculo se describe a continuación.

La constante de reacción que rige esta ecuación esta dada por la siguiente

relación la cual es una modificación de la constante de reacción a 20°C.

1)2015()20(20 61.0)06.1(104.1)06.1( −−− === dKK T

T

La constante de reacción a 20°C tiene el siguiente valor el cual es constante para

cualquier tipo de clima.

120 104.1 −= dK

Teniendo ya la constante de reacción calculamos el área con la ecuación 14:

ALn Ln

ms =−

=( . )( )

( . )( . )( . ).

2 25 290 580 61 0 6 0 4

1506

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66

Con el calculo del área podemos calcular el tiempo de retención del agua en el

sistema.

4.2 Temperatura media del humedal:

Energía del sistema:

Ahora calculamos el coeficiente de transferencia global, con la ecuación 7

teniendo en cuenta los valores de conductividad de la tabla1 para cada

componente.

U =

+

+

=1

0150 05

0 0815

0 62

0 3..

..

. .

qG = =( )( )( . )( . )4215 1000 0 4 0 6 1011600

THR d= =( . )( . )( . )

..

1506 0 6 0 42 25

2 6

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Ahora calculamos la perdida de calor a través del medio

σ (Constante de conversión 86400s/d o 24h/d)

El cambio de la temperatura en el humedal se calcula mediante la ecuación 8:

Después de haber calculado el cambio de esta temperatura se la restamos a la

temperatura de entrada y podemos obtener la temperatura de salida del agua,

promediamos estas dos temperaturas y obtenemos la temperatura promedio del

agua en el sistema, este procedimiento se realiza con las ecuaciones 9 y 10.

8.1414.015 =−=−= centradasalida TTT

qL = − =( )( . )(86400)( . ) .15 12 0 3 2 6 1550016

TC = =15500161011600

015.

.

TP =+

=15 14 85

214 92

..

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68

Esta temperatura promedio es la temperatura que se maneja en todo el diseño del

humedal.

4.3 Calculo del área para la remoción de Nitrógeno.

Como lo indica el diseño tomamos todo el Nitrógeno como Amoniacal, y

calculamos el área requerida para esta remoción.

Primero calculamos la constante de Nitrificación con la ecuación 15

Teniendo esta constante podemos calcular la constante de reacción con la

KNH = + =0 01854 0 39 0 412 607. . ..

KT = =−0 41 1048 0 3215 10. ( . ) .( )

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69

ecuación 18

Mediante la ecuación 19 calculamos el área necesaria para la nitrificación:

Calculamos el tiempo de retención y nos da:

Ahora calculamos el nitrato de entrada a la denitrificacion asumiendo que la

remoción de Nitrógeno Amoniacal se convirtió en Nitratos:

Ahora calculamos el afluente de Nitratos con la siguiente ecuación teniendo en

cuenta el tiempo de retención de la nitrificación, y la constante de reacción de la

denitrificación calculada con la ecuación 20 .

ALn Ln

mS =−

=( . )( )

( . )( . )( . ).

2 25 55 110 32 0 6 0 4

46 4 2

THR d= =( . )( . )( . )

.46 4 0 6 0 4

2 255

C mg lo = − =55 11 44 /

C mg le = − =( )(exp)( . * ) . /44 0 49 5 117

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70

La suma del efluente de la Nitrificación y la Denitrificacion es el efluente del

Nitrógeno total esta suma da:

11+1.17=12.7mg/l

Como este valor es cercano al efluente que necesitamos lo dejamos y el Area

necesaria para la remoción del Nitrógeno seria la de la Nitrificación que tiene un

valor de 46 m2.

Utilizamos esta área porque frente a la necesaria para la remoción de DBO es

mayor y sirve para la remoción completa de los dos contaminantes.

Ahora tenemos que calcular el ancho y el largo del humedal para corroborar que si

esta dentro de los parámetros mencionados en los aspectos de diseño.

Para calcular el ancho del humedal utilizamos la ecuación 4

Con el ancho del humedal calculamos el largo.

L= 46/3.46= 13.3m

W m=

=1

0 62 25 46 40 03 800

346.

. * .. *

.

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71

Relación = 13.3/3.46=3.8 Que es el valor típico de un humedal lo que corrobora su

adecuado diseño.

Por lo tanto las dimensiones del humedal son:

- Largo: 13.3 m

- Ancho: 3.46 m

- Profundidad: 0.6 m

- Area superficial: 46 m

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72

5.COSTOS

Par poder desarrollar la valoración económica se tuvo en cuenta todos los

aspectos que se necesitan para la construcción de un humedal.

Dentro de los pasos y materiales que se necesitan para la construcción del

Humedal están:

- Adecuación del terreno (Excavación y taludes)

- Impermeabilización

- Grava

- Tuberías

- Vegetación

El costo para cada material y para la adecuación del terreno es el siguiente:

Adecuación del terreno:

La excavación y transporte del material excavado cuesta $10000 por m3 si

necesitamos excavar 36.8 m3 el costo de esta excavación daría un total de

$368000

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Impermeabilización:

La impermeabilización se hará con geotextil que tiene un costo de $8000 por m2

necesitamos aplicar este geotextil a el área inferior del humedal, que tiene una

extensión de 46 m2 lo que daría un costo de $368000

Grava:

Para rellenar el humedal Utilizamos grava media la cual tiene un costo de $20000

por m3 si necesitamos 27.6 m3 de grava tendría un costo de $552000 la grava

Vegetación: Cada planta tiene un valor de $100 para el humedal es necesario

plantar 128 plantas lo que nos da un total de $12800 y es necesario contratar

mano de obra la cual tiene un valor de $15000 la hora para lo que es necesario 6

horas lo que da un total de $90000

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6. CONCLUSIONES

1. Los Humedales Artificiales son una tecnología para el tratamiento de aguas

domesticas que a pesar que lleva mucho tiempo en desarrollo todavía no se ha

generalizado, un método estándar para su diseño y construcción.

2. El desconocimiento de algunos procesos que ocurren dentro del sistema hacen

que los cálculos en su diseño no sean 100% confiables, el proceso que mas se

desconoce es el de la acción biológica y microbiología

3. Los Humedales Artificiales frente a otras tecnologías de tratamiento de aguas

son mas económicos y resultan atractivos cuando se cuenta con un bajo

presupuesto, y un mantenimiento y operación mínimo.

4. Los Humedales Artificiales tienen mejores rendimientos de remoción que los

exigidos por la legislación Colombiana por parte del Ministerio de Salud.

5. La aplicación de los Humedales Artificiales se puede desarrollar en cualquier

tipo de clima ya que son muy flexibles a la temperatura, factor critico a la hora

de diseñar esta tecnología.

6. El diseño de un Humedal Artificial es un desarrollo teórico con poca parte

experimental, lo que hace que el resultado del diseño final sea confiable, pero

con un riesgo de cambios en el momento de su desarrollo.

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7. BIBLIOGRAFIA

! Reed. Sherwood C. “Natural Systems for waste management and treatment”

2da edición Mc Graw Hill 1995 ! Agustin Lahora Cano “Humedales artificiales como tratamiento de bajo costo

en la depuración de aguas residuales urbanas”. Consultado en Agosto 8, 2002, en http://www.gem.es/materiales/document/documen/g01/d1203.htm

! André Gerth. “Sistema para la purificación de aguas servidas en una laguna de

flujo vertical con vegetación. 2001 ! Bruce Lesikar, Encizo Juan. “Humedales Artificiales (Sistemas para el

tratamiento de aguas residuales)”. Consultado en Agosto 12, 2002, en http://agpublications/tamu.edu/pubs/eng/l5230.pdf

! Humedales Artificiales: Un tratamiento natural alternativo. Información

traducida del boletin PIPELINE (1980). Consultado en Agosto 20, 2002 en http://www.itc.mx/paginaverde/TECNOLOG/tratam.htm

! Duran de Bazua Carmen. “Humedales artificiales, una alternativa viable para el

tratamiento de aguas residuales en zonas rurales, suburbanas y urbanas que tengan área disponible”. Consultado en Agosto 5, 2002, en http://itc.mx/paginaverde/TECNILOG/humartcoy.htm

! CENAGUA. “Sistemas de tratamiento de aguas residuales por medio de

Humedales Artificiales, Santa fe de Bogotá 1999.