UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DEMÉXICO

COLEGIO DE CIENCIAS Y HUMANIDADES PLANTEL SUR

Y

FACULTAD DE QUÍMICA

PRESENTAN

MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DELHUMEDAL ARTIFICIAL DEL COLEGIO DE

CIENCIAS Y HUMANIDADES PLANTEL SUR CONACTIVIDADES DIDÁCTICAS PARA EL

BACHILLERATO UNAM

Quím. Agustín Arreguín Rojas (Coordinador)Dr. Salvador Alejandro Sánchez TovarDra. María del Refugio González SandovalDra. Marisela Bernal GonzálezDra. María del Carmen Durán Domínguez

México D.F.

Serie: Química Ambiental del Agua

Vol. 8

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MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DELHUMEDAL ARTIFICIAL DEL COLEGIO DE CIENCIAS YHUMANIDADES PLANTEL SUR CON ACTIVIDADESDIDÁCTICAS PARA EL BACHILLERATO UNAM

© AMCATH, Academia Mexicana de Ciencias Artes Tecnología yHumanidades

ISBN 978-607-7807-12-4

Responsable de la edición

Profa. Dr.-Ing. María del Carmen Durán-Domínguez-de-Bazúa

Programa INFOCAB Proyectos aprobados PB201312 y SB201608

Serie: Química Ambiental del Agua. Volumen 8

Primera edición (2010)

Segunda edición (2013)

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Índice

PáginaPresentación 5

1. Los humedales naturales 7

2. Introducción a los humedales artificiales 11

2.1. Humedales de flujo superficial (SFW) 122.2. Humedales de flujo subsuperficial (SsF) 122.3. Humedales con plantas flotando sobre la superficie del agua 132.4. Tipos y funciones de las plantas usadas en los humedales artificiales superficiales

y subsuperficiales14

3. Sitio de construcción 17

3.1. Características de la zona donde se localiza el humedal: 173.2. Topografía y clima 173.3. Elección y localización del sitio 18

4. Bases de diseño, descripción y mantenimiento del sistema 21

4.1. Parámetros y ecuaciones de diseño 214.1.1. Factores de diseño de un humedal artificial 214.1.2. Ecuaciones de diseño de los humedales artificiales 24

4.2. Descripción general del proceso y diagrama de flujo y de proceso (DFP) 254.2.1. Fosa séptica (FS-101) 26

4.2.1.1. Mantenimiento 264.2.2. Bomba sumergible (BS1) 27

4.2.2.1. Mantenimiento 284.2.3. Tanque dosificador (TC-101) 284.2.4. Bomba centrífuga de alimentación al filtro percolador (BS3). 28

4.2.4.1. Mantenimiento: 284.2.5. Filtro percolador FP-101 29

4.2.5.1. Mantenimiento: 294.2.6. Distribuidor hidráulico (DH-101) 29

4.2.6.1. Mantenimiento: 314.2.7. Humedad artificial 31

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Página4.2.7.1. Lecho rocoso 314.2.7.2. Pendiente del humedal 314.2.7.3. Geomembrana 314.2.7.4. Vegetación del humedal 324.2.7.5. Cárcamo de salida 324.2.7.6. Mantenimiento 32

4.2.8. Fosa de Almacenaje y Desinfección TD-101 334.2.9. Bomba extractora de lodos (BS2) 33

4.2.9.1. Mantenimiento 33

Diagrama de flujo y proceso para el humedal artificial del SILADIN-CCH-Sur 34

Arreglo general para el humedal artificial del SILADIN-CCH-Sur 35

Anexo memorias de cálculo 37

Bibliografía 43

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PRESENTACIÓN

Estimado lector:

Con la idea de mostrarte que en la Universidad los retos difíciles se pueden lograr, tecomentamos acerca del origen de nuestro humedal artificial, construido en el Plantel Sur delCCH. Esto inicia en el año de 2002, cuando profesores del CCH Sur, asistimos a la Facultadde Química – UNAM al evento “Reunión Internacional de Los Humedales”, organizada porla Dra. María del Carmen Durán de Bazúa quien en esa fecha re-inauguraba un Humedalpiloto para depuración de aguas negras de una sección del Centro Cultural Universitario(Av. Insurgentes Sur 3000). La experiencia adquirida en este evento nos llevó a proyectar unhumedal piloto (con actividades didácticas) en nuestro plantel, el cual, con una poblaciónpromedio de 14,000 personas, genera un enorme caudal de aguas negras, las cuales sonvertidas al manto freático porque nuestro Plantel está situado en el área volcánica “Pedregalde San Ángel” y, al igual que en los fraccionamientos residenciales de esta zona, no esfactible económicamente instalar una red de drenaje y, por lo tanto, las aguas negras sondesechadas a través de grietas que se localizan entre la roca.

Es posible que existan muchos proyectos semejantes, dirigidos a resolver este problema delmanejo de las aguas negras y que éstos se deben haber encontrado muchos inconvenientespara su realización. En nuestro caso fuimos favorecidos por varias instituciones y susdirectivos, quienes nos han apoyado en puntos importantes del desarrollo del proyecto:

1. En el diseño del proyecto contamos con la asesoría, experiencia y entusiasmo de la Dra.María del Carmen Durán Domínguez de Bazúa, Profesora Titular “C” de la Facultad deQuímica de la UNAM, miembro del Sistema Nacional de Investigadores desde su fundaciónen 1984.

2. El apoyo técnico en todo momento del Dr. Salvador Alejandro Sánchez-Tovar, Doctoradopor la UNAM en Ciencias Químicas (Ingeniería Química) e investigador de la empresaTecnología Intercontinental S. A. de C. V., quien ha participado con la Ingeniería delProceso de este humedal, así como la supervisión de la construcción y del arranque,realizando también la gestión de las donaciones mencionadas abajo.

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3. El Programa INFOCAB1 por medio del cual se obtuvo presupuesto para la adquisición deequipo de laboratorio, audiovisual y de cómputo, además de equipo auxiliar para el procesoautomático del humedal. Este programa con los dos proyectos aprobados, PB201312 ySB201608, fue el punto de arranque y continuidad del proyecto.

4. La DGOE2 - UNAM, a través del Ing. Xavier Palomas Molina, Director General, quienapoyó este proyecto con la construcción de la base piramidal en la que se instaló el humedaly actualmente aceptó conectar los efluentes del Edificio de Idiomas para aumentar elvolumen de agua tratada.

5. Las empresas “Tecnología Intercontinental S.A. de C.V.”; “INVENTEC S.A. de C.V.” y“CONDISMARQ S.A. de C.V.”, de las cuales hemos recibido apoyo en especie, comoservicio técnico y donativos de equipo y materiales, allanando el camino para la instalacióndel humedal.

6. Desde luego, este proyecto ha contado desde el inicio con el apoyo del Lic. Jaime FloresSuaste, Director del Plantel Sur, del Lic. Sergio Garita Hernández, Secretario Administrativoy del Biol. Sabel René Reyes Gómez, Secretario Técnico del SILADIN3.

¿Cómo está organizado este Manual?

El propósito de este manual es proporcionar al lector los conceptos básicos de un humedalartificial y la información técnica necesaria para la comprensión del sistema, su arranque,operación y mantenimiento.

Este manual está dirigido al personal de mantenimiento, profesores responsables deproyectos relacionados con el humedal y cualquier miembro del colegio o visitantes queestén interesados en el humedal.

Adelante y mucho éxito.

Los autores

1 INFOCAB: Iniciativa para Fortalecer la Carrera Académica en el Bachillerato de la UNAM.2 DGOE: Dirección General de Obras Externas de la UNAM.3 SILADIN: Sistema de Laboratorios de Investigación, UNAM.

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CAPÍTULO 1

LOS HUMEDALES NATURALES

A estos terrenos se les conoce conmuchos y muy variados nombres:ciénagas, pantanos, marismas, lagunascosteras, rías, esteros, cenagales,petenes, tintales, tulares, carrizales,selvas bajas inundables, tasistales,aguadas, sabanas y otros más. Perohay un término que los engloba atodos: humedales.

Y a todos ellos —excepto quizá a lostintales—Los humedales presentancondiciones de saturación del sueloque van de estacionales a permanentes.Dicha saturación causa anoxia en elsuelo lo que altera sus característicasquímicas y biológicas y da como resultado que tanto su biota como la dinámica de muchos de susprocesos y su papel en la dinámica de los ecosistemas sea especial.

Existen diferentes definiciones de los humedales y distintas clasificaciones para distinguirlasdependiendo de la fuente de agua que los alimenta, de su posición en el paisaje y de otrosfactores. Por la presencia de un período seco se reconocen dos tipos de humedales: estacionales ypermanentes (Horn y Goldman, 1994).

Los primeros se encuentran generalmente en depresiones del paisaje con suelos con drenaje pobrelo que produce acumulación de agua durante la época de lluvias. En ellos la dinámica a que dalugar la alternancia de períodos secos y húmedos produce la liberación de nutrientes lo que losconvierte en ecosistemas muy productivos (Durán-de-Bazúa y col., 1998).

También ocupan diferentes posiciones dentro de las cuencas hidrográficas. Algunos humedales seencuentran en las partes bajas, como los asociados a lagos o las marismas que se localizan enestuarios. En otros casos podemos hallarlos en las partes altas de las cuencas, asociados a ríos o

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aisladas, sin una conexión aparente con ríos, lagos o lagunas. Sin embargo, esta apariencia deaislamiento puede ser engañosa, pues la mayoría de los humedales se encuentran relacionadoscon los cuerpos de agua a través del flujosub-superficial de agua y los mantosfreáticos. En muchos casos los humedalesson comunidades transicionales entre lossistemas terrestres y los sistemasacuáticos. Las plantas que habitan en loshumedales han desarrollado una serie deadaptaciones que les permiten tolerar lascondiciones especiales de este hábitat, enparticular las bajas concentraciones deoxígeno en el suelo y en el caso de losestuarios la tolerancia a las altasconcentraciones de sal. Entre las plantasde los humedales destacan aquéllas queemergen sobre la superficie del agua y que son el elemento dominante en muchos de ellos, comolos tules (Typha spp.) o diferentes especies de árboles. El exceso de agua es una limitante porquereduce la disponibilidad de oxígeno para las raíces, debido a que la difusión del oxígeno en elagua es alrededor de 10,000 veces más lenta en el agua que en el aire y porque existen muchoscompuestos químicos en el agua que aloxidarse consumen su oxígeno (Whitlow yHarris, 1979). Una de las adaptaciones a lascondiciones de anegación es el aerénquima,tejido esponjoso que permite el intercambiogaseoso entre las partes aéreas de las plantasy las raíces. Una adaptación notable a lascondiciones de anaerobiosis de los suelos delos humedales lo encontramos en losmanglares, que presentan raíces aéreas. Estosambientes proporcionan serviciosecosistémicos de gran importancia (cuadro1), entre los que destaca la capacidad deretener nutrientes y pequeñas cantidades desedimento, lo que protege a los cuerpos y fuentes de agua. Esta capacidad de los humedales esresultado de las condiciones que se dan en el suelo anegado. Los suelos de los humedales puedenser originariamente de naturaleza predominantemente mineral u orgánica, aunque con el tiempolas condiciones de anegación y anaerobiosis ocasionan que la materia orgánica se acumule. Por lo

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anterior estos suelos poseen una serie de características químicas especiales, entre las quedestacan una alta eficiencia para atrapar muchos compuestos químicos, en particular metalespesados y fosfatos. Otra característica importante desde el punto de vista químico, es quepresentan muchos estados de oxidación loque favorece la transformación química demuchos compuestos. Las poblacionesmicrobianas tienen una gran influencia enla química de dichos suelos, siendo departicular importancia las transformacionesde los compuestos de nitrógeno que, comoconsecuencia de la actividad microbianabajo condiciones anóxicas, dan comoresultado la desnitrificación, es decir, latransformación de nitrato en nitrógenomolecular que es liberado a la atmósfera.Estas propiedades químicas y biológicas del suelo de los humedales actúan como “filtros”,reduciendo las concentraciones de nutrientes y otros compuestos químicos que son arrastrados delas partes altas de las cuencas, purificando el agua y, en muchos casos, protegiendo a los cuerposde agua asociados de la eutrofización. Estas propiedades purificadoras se utilizan para eltratamiento de aguas residuales cuando se construyen humedales para este fin (Cronk, 1996; Hey,2002; Kadlec y Knight, 1996).

Sirven de área de reproducción para algunos moluscos (ej. ostras y caracoles), peces y crustáceos(ej. camarones, langostas y cangrejos) de importancia económica, pues son fuentes de alimentopara el hombre. Otra función de gran importancia que brindan estas áreas es la de proveer refugioy alimento a aves acuáticas residentes y migratorias tales como patos y gansos. También proveende áreas de anidación para varias especies amenazadas de tortuga marina, son hábitat de otrascomo el manatí y el cocodrilo, y en sus sistemas habitan especies terrestres muy diversas, talescomo tapires, jaguares, monos, varias especies de rapaces, pelicanos y flamencos, entre otros

Se les ha considerado tradicionalmente sitios carentes en absoluto de valor, meros obstáculospara la construcción de caminos, la agricultura o la urbanización. Sin embargo, constituyen unode nuestros más valiosos recursos naturales y hay que tomar medidas para protegerlos yconservarlos, porque su destrucción puede tener serias consecuencias para la pesca, el turismo yotras actividades. Algunos humedales en el interior del país, como las milenarias pozas de CuatroCiénegas en el estado norteño de Coahuila, en México, son de gran importancia ecológica, por lasingularidad de su biodiversidad. Lo aislado y estable de estos humedales complejos, haocasionado la evolución de especies únicas en el lugar, entre las que podemos mencionar peces,

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caracoles, algas y tortugas. En general, los humedales tienen una alta producción pesquera, sonrefugio de flora y fauna silvestres y nos brindan una gran variedad de bienes, servicios yfunciones de gran valor. Son fuente de agua para uso humano, recargan los mantos acuíferos,filtran el agua y mejoran su calidad, pueden ser utilizados como fuente de energía, barreras contrahuracanes, vías de comunicación, etc. Ayudan a controlar las inundaciones y erosiones, yprotegen las costas. Actualmente la importancia de estos ecosistemas es reconocida, y diferentesorganizaciones nacionales e internacionales trabajan para su protección y recuperación.

Humedales en México

(https://www.google.com/search?hl=es&q=fotografia+de+un+humedal+en+mexico&lr=)

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CAPÍTULO 2

INTRODUCCIÓN A LOS HUMEDALES ARTIFICIALES

Un humedal artificial (HA) se puede definir como un área que se encuentra saturada por aguassuperficiales o subterráneas con una frecuencia y duración tal, que sea suficiente para mantenerestas condiciones de saturación. Tienen tres funciones básicas que los hacen tener un atractivopotencial para el tratamiento de aguas residuales:

Fijar físicamente los contaminantes en la superficie del suelo y la materia orgánica.

Utilizar y transformar los elementos por intermedio de los microorganismos.

Lograr niveles de tratamiento consistentes con un bajo consumo de energía y mínimomantenimiento.

Los humedales artificiales pueden emplearsecomo un sistema complementario en unaplanta de tratamiento de aguas existente paramejorar la calidad del agua (pulimento) ypueden usarse también como el principalsistema de tratamiento en pequeñascomunidades (Durán de Bazúa, 2004). Estatecnología constituye una opción técnica,económica y ambientalmente viable ya querequiere poca especialización del personalpara su manejo, posee bajo costo demantenimiento, crea nuevos hábitats para la vida silvestre y protege de manera indirecta la saludde la población (Ruiz-López., 2009).

Como sistema de tratamiento de aguas residuales, un humedal artificial consta de un material desoporte (grava, arena o escoria volcánica), plantas (plantas vasculares) y microorganismos(bacterias, hongos principalmente) separados del entorno circundante (suelos adyacentes)mediante una membrana impermeable. Estos elementos interactúan entre sí para remover loscontaminantes de un agua residual mediante complejos procesos, físicos, químicos y biológicos(Guido-Zárate, 2006). Algunos de estos procesos se describen más adelante en este capítulo. Los

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humedales artificiales pueden clasificarse dependiendo de su hidráulica, en humedales de flujosuperficial (en inglés Surface Flow Wetlands o Free Water Surface Wetlands, SFW), flujo sub-superficial (Submerged Bed o Subsurface Flow, SsF) y con plantas flotando sobre la superficiedel agua (Ruiz-López, 2009).

2.1. Humedales de flujo superficial (SFW, en inglés)

Tienen como característica principal que el agua se expone a la atmósfera, por lo que laalimentación se realiza por la superficie de un canal o estanque que contiene una capa de agua nomuy profunda, generalmente de unos 30 cm, aunque puede llegar a ser más de 1 m (Figura 2.1).Consisten normalmente de uno o más canales de poca profundidad que tienen un recubrimientode fondo para prevenir la percolación hacia el agua freática susceptible de contaminación y, unacapa sumergida de suelo para las raíces de la vegetación macrófita emergente seleccionada. Cadasistema cuenta con estructuras adecuadas de entrada y descarga para asegurar una distribuciónhomogénea del agua residual (EPA, 2000a,b).

Figura 2.1. Humedal artificial de tipo superficial (Kadlec y Knight, 1996)

2.2. Humedales de flujo subsuperficial (SsF, en inglés)

En estos humedales, el agua se hace pasar por debajo de la superficie del sistema. Lacaracterística principal de este tipo de sistemas es que no hay, como tal, una columna de aguacontinua, sino que el influente circula a través de un medio inerte, que consiste en un lecho dearena y/o grava de grosor variable, que sostiene la vegetación la cual puede ser del tipo hidrófitoo higrófito. Este lecho se diseña de modo que permita la circulación del agua residual tantohorizontal como verticalmente a través del sistema radicular de las macrófitas acuáticas (Figura2.2).

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Figura 2.2. Humedal artificial de tipo subsuperficial (Kadlec y Knight, 1996)

Las ventajas que se presentan al utilizar este tipo de sistemas son: a) menos área requerida, yaque las áreas superficiales para la absorción, filtración y los biofilmes son mucho más altos; y b)se reducen los insectos y los problemas del olor, puesto que las aguas residuales permanecendebajo de la superficie de grava (EPA, 2000a,b). La principal desventaja que pueden llegar apresentar es la saturación de los espacios libres del lecho a causa del gran crecimiento de lasraíces y rizomas de las macrófitas, lo que puede derivar en la formación de caminospreferenciales para el agua, con lo que se reduce el tiempo de residencia hidráulica y, por lotanto, la capacidad de depuración del humedal (Durán-de-Bazúa, 2004; Maul y Cooper, 2000).

2.3. Humedales con plantas flotando sobre la superficie del agua

Finalmente, los humedales con plantas flotando sobre la superficie del agua, consisten en canaleso estanques de profundidad variable (0.4 a 1.5 m) alimentados con agua residual pre-tratada, enlos que se desarrollan las plantas que flotan de modo natural (Figura 2.3). Se utilizan plantas deltipo jacinto de agua (Eichomia crassipes) y lenteja de agua (Lemna spp.), conocida en la cuencade México como chichicaxtle.

Figura 2.3. Humedal artificial con plantas flotantes (IWA, 2000)

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2.4 Tipos y funciones de las plantas usadas en los humedales artificiales superficiales ysubsuperficiales

La vegetación emergente más utilizada en los humedales artificiales superficiales ysubsuperficiales incluye a las espadañas o tule (Typha spp.), los juncos (Scirpus spp.) y loscarrizos (Phragmites spp.).

Las funciones más importantes de las plantas para el tratamiento de aguas residuales en un HAson los efectos físicos y químicos que originan dichas plantas (ITRC, 2003). Las plantasestabilizan el material de empaque, proporcionan un excelente medio para la filtración, impidenque el material de empaque se azolve y proveen de una gran área superficial para la adhesión delos microorganismos.

Las plantas también aportan oxígeno al humedal, generado por el proceso de la fotosíntesis. Lostallos, las hojas y, principalmente, las raíces, liberan oxígeno a través de sus rizomas a larizósfera donde, se establece una relación simbiótica entre los microorganismos presentes y conesto se favorece la degradación de la materia orgánica y, a su vez, intercambian gases como CO2

y CH4 desde la zona radicular hacia la atmósfera por los espacios gaseosos dentro de la planta.

Otro beneficio de las plantas es que cuando mueren, sirven como fuente de nutrientes para losmicroorganismos saprofitos y forman una biopelícula fija que contribuye también a ladegradación de los contaminantes del agua residual. La Figura 2.4 detalla los efectos principalesde las partes de una planta.

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Figura 2.4. Efecto de las plantas en los HA (Guido-Zárate, 2006)

EL HUMEDAL DEL CCH SUR ES UN HUMEDAL DE FLUJO SUBSUPERFICIAL

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Fotografía del área aprobada por las autoridades para instalar el humedal artificial

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CAPÍTULO 3

SITIO DE CONSTRUCCIÓN

3.1. Características de la zona donde se localiza el humedal

El CCH Sur prácticamente forma parte de La Reserva Ecológica del Pedregal de San Ángel(REPSA, 2007). Esta Reserva se encuentra al suroeste de la ciudad de México, en los terrenos deCiudad Universitaria, por lo que es custodiada y manejada por la Universidad NacionalAutónoma de México. La REPSA tiene un alto valor biológico y cultural para la conservación dela biodiversidad y representa un patrimonio importante del Distrito Federal. Esta área es uno delos pocos ecosistemas naturales del sur de la Cuenca de México y destaca por sus característicasfísicas, químicas y biológicas muy particulares que ameritan ser conservadas (de la Fuente, 2005;Rojo, 1994). Debido a la variabilidad del sustrato y altitud, la Reserva presenta diferentesasociaciones vegetales, siendo ésta clasificada como matorral xerófilo, con dominancia dearbustos (Senecio praecox) y hierbas. Algunos árboles exóticos, como el eucalipto (Eucalyptussp.) y el pirú (Schinus molle), son ahora abundantes (INE, 2005). Se han registrado 337 especiesde plantas vasculares, 148 de aves, 34 de mamíferos, 23 de reptiles y 7 de anfibios (SEREPSA,2008). El ecosistema de la REPSA nombrado desde la Conquista como “malpaís” es consideradouno de los espacios de mayor riqueza florística de toda la cuenca de México y un refugio dediversidad de fauna que otrora se distribuía en lo que hoy es la Ciudad de México y susalrededores. No es aventurado decir que el ecosistema del Pedregal de San Ángel puede ser laúltima reserva natural del área metropolitana de la segunda megaciudad del planeta (Lot-Helguera, 2008).

3.2. Topografía y clima

El área de la Reserva tiene 237 ha (una zona núcleo de 171 ha y una de amortiguamiento de 66ha) y se encuentra en la Delegación Coyoacán, al suroeste del Distrito Federal (entre 19º 20’ 22’’y 19° 13’ 25’’ N y 99° 8’ 26’’ y 99º 14’ 3’’ O, con una altitud sobre el nivel del mar, de 2,200 –2,277 m). El sustrato de esta superficie es típicamente basáltico, producto de la erupción delvolcán Xitle hace aproximadamente 2,500 años y de la accidentada topografía (INE, 2005).

Su clima es templado subhúmedo con régimen de lluvias en verano [Cb(w 1 )w].Topográficamente la reserva se localiza entre las isotermas de 15.3 °C y 15.6 °C y entre lasisoyetas de 814.7 mm y 952.7 mm, es decir, su temperatura media es de 15°C y la precipitación

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media anual es de 870.2 mm al año. La época de lluvias es de mayo a octubre y la época de secasde octubre a mayo (Portal REPSA, 2010). El CCH Sur cuenta con una estación meteorológicacomo parte del Programa de Estaciones Meteorológicas de Bachillerato Universitario. Susregistros en tiempo real, diario y mensuales se pueden consultar en la página del Programa:http://pembu.atmosfcu.unam.mx/php/estaciones.php.

3.3. Elección y localización del sitio

El humedal artificial del Colegio de Ciencias y Humanidades Plantel Sur se localiza dentro delespacio del Sistema de Laboratorios de Docencia e Investigación (SILADIN) (Figura 2.1).

Figura 3.1. Localización del SILADIN en el CCH-Sur

El sitio exacto de construcción elegido por el CCH-SUR, fue un jardín del mismo SILADIN,dispuesto al lado de los laboratorios de biología, quedando al norte del plantel y al este ynoroeste el jardín botánico de la UNAM, tal como se indica en la figura 2.2. La razón de la

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elección fue porque ya se encontraba al lado del mismo terreno una antigua fosa séptica desedimentación de sólidos, que concentra las aguas residuales de los dos edificios que conformanel SILADIN. Además, por ser una zona propicia para que los estudiantes realicen prácticas decampo e investigación, bajo la supervisión de sus profesores e investigadores.

Figura 3.2. Localización del humedal artificial en el espacio del SILADIN

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Fotografía con montaje del humedal artificial antes de sembrar las hidrofitas

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CAPÍTULO 4

BASES DE DISEÑO, DESCRIPCIÓN Y MANTENIMIENTO DELSISTEMA

4.1. Parámetros y ecuaciones de diseño

4.1.1. Factores de diseño de un humedal artificial

La hidrología es el factor de diseño más importante en un humedal artificial ya que reúne todaslas funciones del humedal y es a menudo el factor primario en el éxito o fracaso del mismo.Puede verse afectada por la densidad de la vegetación la cual provoca movimientos sinuosos delagua a través de las raíces, rizomas, tallos y hojas. El que un humedal se encuentre saturado deforma permanente permite la formación de una zona anaerobia en la cual pueden llevarse a cabociertos procesos biogeoquímicos que ayudan a la remoción de contaminantes (Ruiz-López, 2009).

Los tipos de sustratos que se suelen utilizaren la instalación de humedales artificialesincluyen suelo, arena, grava, roca ymateriales orgánicos como el “compost”.Algunos sedimentos y restos se puedenacumular en el humedal debido a la bajavelocidad del agua y la alta productividadtípica de estos sistemas. Los factores por losque el sustrato, sedimentos y los restos devegetación se consideran importantes sonlos siguientes:

Funcionan como soporte de muchos de los organismos vivientes en el humedal.

Su permeabilidad puede afectar el movimiento del agua a través del humedal.

Pueden ocurrir muchas transformaciones químicas y biológicas (sobre todo del tipo

microbiano).

Proporciona almacenamiento para muchos contaminantes.

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La acumulación de restos de vegetación aumenta la cantidad de materia orgánica en elhumedal. La materia orgánica da lugar al intercambio de materia, fijación demicroorganismos y es una fuente de carbono, que es la fuente de energía para algunas delas reacciones biológicas más importantes que se llevan a cabo.

Las características físicas y químicas del suelo y otros sustratos pueden ser alteradas porinundaciones, ya que, el agua reemplaza los gases atmosféricos en los poros y el metabolismomicrobiano consume el oxígeno disponible, esto produce la formación de un sustrato anóxico, locual será importante para la remoción de contaminantes como nitrógeno y metales.

La principal importancia del uso de vegetación en los humedales artificiales, radica en latransferencia de oxígeno a la zona radicular. Como se mencionó en el Capítulo 1, las funcionesque desempeña la vegetación para el tratamiento del agua residual son las siguientes:

Estabiliza el sustrato y limita la canalización del flujo.

Da lugar a velocidades de agua bajas permitiendo que los materiales suspendidos se

sedimenten

Toma el carbono, nutrientes y elementos traza incorporándolos a sus tejidos.

Transfiere gases entre la atmósfera y los sedimentos.

La liberación de oxígeno desde las estructuras subsuperficiales de las plantas oxigena

otros espacios dentro del sustrato.

El tallo y los sistemas de la raíz dan lugar a sitios para la fijación de microorganismos.

La selección de la vegetación dependerá de las condiciones climáticas de la localidad, laprofundidad del agua, el diseño del humedal (ya sea que se trate de un humedal de tiposuperficial, subsuperficial o de plantas flotantes) y las características del agua residual a tratar. Deesta manera, se pueden utilizar plantas de tipo emergentes, sumergidas, flotantes y de raícesflotantes (Figura 4.1). Las plantas emergentes que son frecuentemente utilizadas en laconstrucción de humedales artificiales para tratamiento de aguas residuales son las espadañas otule, carrizos, juncos y juncos de laguna (Ruiz-López, 2009). En la Figura4.2 se esquematizan loselementos principales que conforman un humedal artificial.

Las funciones de un humedal artificial se encuentran reguladas por los microorganismos y sumetabolismo. Estos incluyen bacterias, levaduras, hongos y protozoarios. La biomasa microbianatransforma un gran número de sustancias orgánicas e inorgánicas en sustancias inocuas oinsolubles, altera las condiciones de potencial redox del sustrato y de esta forma incide en la

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capacidad de proceso del humedal y, recicla los nutrientes que se encuentran en humedal (Ruiz-López, 2009).

Figura 4.1. Tipos de plantas utilizadas en un humedal artificial. De izquierda a derecha;emergentes, de raíces flotantes, sumergidas, y de libre flotación (EPA, 2000a,b)

Las transformaciones microbianas pueden ser de tipo aerobio o anaerobio. Además, se puedenpresentar especies de tipo facultativo, o sea, con capacidad de funcionar bajo condicionesaerobias y anaerobias en respuesta a los cambios en las condiciones medioambientales. Esimportante tener cuidado con la presencia de sustancias tóxicas, como por ejemplo plaguicidas ymetales pesados, ya que pueden dañar la comunidad microbiana presente en el humedal (Lara-B,1999). El efecto que puedan tener dependerá de su concentración, combinación de elementos osustancias tóxicas y la resistencia del sistema.

Figura 4.2. Elementos principales que componen un humedal artificial

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4.1.2. Ecuaciones de diseño de los humedales artificiales

Los humedales artificiales son considerados como reactores biológicos, que operan comoreactores tipo pistón perfectamente mezclados y bajo una cinética de primer orden, por lo quesiguen la siguiente ecuación:

Ce

Ci = e-Kt

(4-1)

donde:

Ce = Concentración de contaminante en el efluente (mg/L)

Ci = Concentración de contaminante en el influente (mg/L)

K = KT = Constante de reacción de primer orden dependiente de la temperatura (d-1)

t = TRH= Tiempo de residencia hidráulica (d)

El tiempo de residencia hidráulica puede definirse también como:

L * W * y * nQTRH =

(4-2)

donde:

L = Largo del humedal (m)W = Ancho del humedal (m)y = Profundidad (m)n = Porosidad o espacio disponible para el flujo del agua a través del humedal (Porcentajeexpresado como decimal)Q = Caudal promedio, (m3/d)

Si se combinan las ecuaciones 4-1 y 4-2, se puede calcular el área superficial, As (m2) estimada.

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Q*ln(Ce /Ci )K * y * n

As =(4-3)

El valor de KT depende del contaminante que se quiere eliminar, en caso de no contarse convalores de la literatura puede aplicarse la siguiente ecuación:

KT = K20(1.1)(T-20) (4-4)

En la Tabla 4.1 se muestran los valores de K20 más utilizados en el cálculo de humedales enfunción del material de soporte utilizado.

Tabla 4.1. Valores más usados en cálculo de humedales

Material Diámetromedio (mm)

Porosidad% Conductividadhidráulica

ks(m3/m2*d)

K20

Arena mediana 3.2 36-40 10,000-50,000 1.84Arena gruesa 5-7 28-32 1000-10000 1.35

Grava 8 30-55 500-5000 0.6Tezontle 20-30 40-50 20000-25000 2.1

La memoria de cálculo que permitió calcular el presente humedal se encuentran en el anexo alfinal de este documento.

4.2. Descripción general del proceso y diagrama de flujo y de proceso (DFP)

Para poder describir el humedal artificial del SILADIN-CCH-Sur es necesario seguir cada pasoayudándose de las Figuras 3.1. y 3.2. En la Figura 3.1 se presenta el Diagrama de Flujo deProceso (DFP), donde se esquematiza el proceso descrito así como las modificaciones que serealizarán a futuro. En la Figura 3.2 se encuentra el Arreglo General del Humedal Artificial que

26

Grieta del subsuelo

LABORATORIOS SILADIN

WCWC

presenta las dimensiones del humedal y la distribución espacial de los equipos. En los siguientesincisos se describe la función de cada uno de los equipos y tanques así como las recomendacionesde mantenimiento.

4.2.1. Fosa séptica (FS-101)

El proceso de tratamiento del aguaresidual proveniente de losedificios del SILADIN y deledificio de idiomas comienzacuando esta se descarga porgravedad a un registro anterior ala fosa séptica (FS-101). Una vezque las aguas negras se vierten enesta unidad de separación, elmaterial comienza a fluir bordeando las mamparas verticales y las mamparas invertidas, lascuales provocan un flujo “serpenteante” mismo que facilita la sedimentación de los sólidos“gruesos” en los primeros compartimentos y no permite el paso de los flotantes desde la primeradivisión. Al llegar al último compartimiento el agua clarificada es enviada a la siguiente parte delproceso por medio de una bomba sumergible (BS1).

La fosa está construida en concreto armado con varilla de acero cuenta con tres registros en laparte superior que permiten acceder a una bomba sumergible o a la manguera de un camión tipo“vactor” para la purga de lodos.

4.2.1.1. Mantenimiento

El retiro de lodos para formar composta se realiza cada15 días mediante la bomba de achique(BS2) especial para lodos, sin embargo; el retiro de lodos mediante un tanque de vacío (camióntipo “vactor”) debe realizarse cada 6 meses. De no llevarse a cabo esta práctica, una mayorcantidad de sólidos podría mantenerse suspendidos, viajar al humedal y azolvarlo poco a poco.

27

4.2.2. Bomba sumergible (BS1)

Localizada en el último compartimento de la fosa FS-101, la bomba sumergible BS1 bombea elagua a un tanque dosificador TC-101. La bomba se encuentra suspendida con una cadena deacero inoxidable-316 y apenas se sumerge 0.35 m en el agua residual del último compartimientode la fosa séptica para evitar la extracción de sólidos suspendidos. Las especificaciones de labomba BS1 son las siguientes: Es una bomba sumergible, marca Impel, modelo CV-M2-51-M, esde tipo centrífuga, especial para alto contenido de sólidos suspendidos en aguas residuales. Estáconstruida en acero inoxidable 316, protegida electroquímicamente de la oxidación, su motor esde 0.5 HP, 110 VAC-1F-60 Hz. Sus dimensiones y masa se indican en la Figura 4.3. Cuenta conun flotador tipo “switch” –perilla- que una vez que queda completamente vertical (90°) y apenasflotando sobre la superficie del agua, paralelo a la bomba, manda la señal de arranque al tablerode control y éste al motor de la bomba. El bombeo sigue hasta que el flotador ha caídocompletamente y no vuelve a activarse hasta que el flotador está de nuevo completamenteerguido.

Figura 4.3. Dimensiones de la bomba sumergible (BS1) instalada en la fosa de separación (FS-101)el humedal artificial del SILADIN- CCH-Sur

28

4.2.2.1. Mantenimiento

Junto con este manual se anexa el manual de la bomba donde el fabricante indica sobre sumantenimiento y características de operación.

4.2.3. Tanque dosificador (TC-101)

Este tanque tiene la función de homogenizar las aguasnegras, funciona como punto de muestreo y para realizaralgunas otras pruebas para modificar la operación delsistema. Está fabricado en polietileno de alta densidadcon una capacidad nominal de 800 galones o 3,024.L,aproximadamente. En su parte inferior se localiza unaválvula de bola para drenar los lodos pesados que se vansedimentando en caso de ser necesario e inclusive parafuncionar como punto de muestreo. El efluente de estetanque se bombea al Filtro Percolador mediante labomba BS3.

4.2.4. Bomba centrífuga de alimentación al filtro percolador (BS3)

Este equipo envía el afluente ya homogeneizado a la partesuperior del Filtro Percolador FP-101. Esta bomba cuentacon un flotador tipo “switch” de desplazamiento en elTanque TC-101. Cabe mencionar que la varilla es cortaintencionalmente, no más 70.cm por debajo de lasuperficie del agua, con el objeto de que solo se bombeenlos sobrenadantes y no los sólidos sedimentados, ya queestos últimos se retiran por purgado. Una vez que el aguaalcanza su máximo nivel el flotador activa el “switch”hacia arriba y enciende la bomba, cuando desciende elnivel del agua por debajo de la pera del flotador esta jalapor gravedad y apaga la bomba.

4.2.4.1. Mantenimiento

Este tipo de bomba (centrífuga de impulsores abiertos, de

29

0.5 HP y 110 volts), no requiere de mantenimiento especializado, y en algunos casos, puede sermás económico su remplazo. Algunas medidas preventivas que pueden aplicarse son: El cambiode carbones, el reembobinado del motor y el cambio de cables cada 3 meses.

4.2.5. Filtro percolador FP-101

Este filtro cuenta con un distribuidor de agua en forma de cruz para que el agua percole a travésde la cama de un empaque de polietileno que permite la formación de una biopelícula queremueve parte de la materia orgánica presente en el agua. El efluente del filtro, descargado poruna tubería en la parte inferior del filtro, está conectado al Distribuidor Hidráulico (DH-101) quealimenta al Humedal Artificial (HA-101) a todo lo ancho del mismo.

4.2.5.1. Mantenimiento

El filtro percolador cuenta con una purga de tubo de PVC de 2.0” en la parte inferior para purgarlos lodos (esta práctica deberá realizarse mensualmente; los lodos pueden compostearse oenviarse al reactor anaerobio.

Las conexiones de salida pueden lavarse cada 6 meses con ácido muriático y escobillón, usandoguantes, mascarilla y lentes tipo “gogle” para retirar las bacterias que se forman y se producen enforma gelatinosa tapando los tubos.

La tuerca unión que une al distribuidor hidráulico con la salida del filtro se puede separa ypermite desazolvar con alambre y escobillón los depósitos bacterianos que se forman en elmismo.

Con respecto al medio de soporte al interior del filtro no se toca, ni se retrolava y se cambia cada10 años.

La junta de neopreno que forma la uniónde la base con el tubo vertical, se cambiacada 10 años

4.2.6. Distribuidor hidráulico (DH-101)

Se trata de una T de tubo de plásticosemiflexible de polietileno de alta

30

densidad de 6” de diámetro interno. Con perforaciones paralelas al fondo de un solo diámetro(1.0 a 3.0 cm, según el flujo), las cuales se espacian proporcionalmente (por ejemplo, 2 cada 25cm, 2 cada 20 cm, 3 cada 15 cm, 3 cada 10 cm) para mantener un flujo uniforme a lo largo detodo el humedal y permitir que se descargue agua en las orillas y así evitar los caminospreferenciales. Un distribuidor hidráulico también puede construirse espaciando las perforacionesuniformemente cada X distancia, por ejemplo cada 30 cm y aumentando progresivamente losdiámetros (3 de 1.0cm, 3 de 1.5 cm,…,3.0cm); arriba de 3 cm puede perderse presión y no mojartodo el perímetro del orificio de descarga. Para el caso del humedal del CCH-Sur se aplicó laprimera opción. El distribuidor puede ir sobre la superficie pero se ha demostrado que es mejorsumergirlo apenas 10 cm en una cama de piedra volcánica, como en el caso del humedal delSILADIN, o de río, de 10.0 cm de diámetro promedio tal y como se muestra en la Figura 4.4.Esta pedrería se cambia cada 5 años.

Figura 4.4. Colocación del distribuidor hidráulico sumergido

Los distribuidores pueden construirse también con charolas o con vertederos “V-Notch”, siemprey cuando la extensión del brazo no sea mayor a 5 metros.

Distribuidor hidráulicocorte vertical

Corte vertical

HUMEDAL ARTIFICIALEntrada influente

Bordo libre 0.50 m

Grava, 0.90 mSalida efluente

6.0 m Pendiente 1.0-5 %

13.0 m 1 m

Nivel agua, 0.80 m

31

4.2.6.1. Mantenimiento

Para limpiar el distribuidor DH-101, es necesario aflojar la tuerca unión al final del codo dealimentación para separalo; luego se le quita la piedra y se lleva manualmente fuera del humedal.

Puede tallarse con cepillo recto por fuera y cepillo tubular para eliminar la “lama” de los orificiosy luego semi llenarse y mojarse con una solución de ácido muriático (HCl industrial al 35%),dejarlo reposar una noche y al otro día lavarlo con manguera de agua a presión, para despuésreacoplarlo en su sitio.

4.2.7. Humedad artificial

En este apartado se describe la función delos diferentes elementos que conforman elhumedal así como los cuidados que debentenerse para su mantenimiento

4.2.7.1. Lecho rocoso

El agua residual pretratada en el filtropercolador, fluye del distribuidor hidráulicoDH-101 a un lecho de piedra volcánica de0.5 m de ancho x 0.30 m de altura, que losdistribuye uniformemente través del lechode humedal artificial que es de tezontle dediferentes granulometrías (10.0 cm en el fondo, 0.3 cm en la parte media y 1.0-3.0 cm en la partesuperior. Es muy importante mantener la relación anterior, ya que la piedra es fuertementesujetada por las raíces y se trata de no permitir obstrucciones y eliminar caminos hidráulicospreferenciales y mantener la uniformidad del flujo.

4.2.7.2. Pendiente del humedal

El valor típico de pendiente en los humedales esde 1% para favorecer el flujo evitando asíestancamientos. En este caso, la pendiente de esteHumedal es de 5% por cuestiones constructivas.

4.2.7.3. Geomembrana

El humedal, construido en concreto y acabadoarquitectónico piramidal en basalto, está

32

recubierto de una geomembrana de polietileno de alta densidad de 1.5 mm de espesor para dar laresistencia adecuada. Sobre la geomembrana se colocó una cama de gravilla o tezontle fino de 1.0cm de diámetro promedio y altura no mayor a 15.0 cm. Nunca se debe colocar sobre odirectamente la piedra grande para evitar perforaciones.

A la geomembrana solamente pueden soldarse tubería y accesorios de polietileno de alta densidadya que no es compatible con otros materiales. Las uniones mecánicas deberán asegurar el sellocompleto.

Nunca debe perforarse una membrana con tornillos o clavos, ya que estos iniciarán un punto deruptura. Los silicones, pegamentos y resinas epóxicas son incompatibles con la misma y por lotanto no produce sello.

En caso de que la geomembrana llegara a requerir reparación, deberá ser realizada por un técnicoespecializado, porque si no se aplica el calor de fusión correctamente, esta puede rasgarse operforarse.

4.2.7.4. Vegetación delhumedal

Está conformada por tule,carrizo, zacatul, algunospapiros y alcatraces; elpredominio de estasespecies dependerá de suadaptabilidad a lascondiciones ambientalesdel humedal. La proporciónde plantas por metrocuadrado de humedal es de 8 a 10

4.2.7.5. Cárcamo de salida

El efluente del humedal se descarga por gravedad desde el Cárcamo de Salida, CS-101, hasta laFosa de Almacenaje y Desinfección TD-101, desde donde podrá descargarse al subsuelo o bienutilizarse para riego.

4.2.7.6. Mantenimiento

Aunque pareciera que el humedal trabaja por sí mismo, requiere un mínimo de mantenimientoempezando por la recolección periódica de los restos vegetales como varas y hojas muertas,

33

operación que debe practicarse cada quince días en el verano, cada semana en el otoño y una vezal mes en el invierno. De no hacerse lo anterior los sólidos en pudrición podrían contribuir alazolvamiento del mismo. Con lo que respecta a la densidad de las plantas esta será según laespecie; para el caso de carrizos (Phragmites spp.), se deberán mantener de 8 a 10 plantas /m2,para las espadañas o tule (Typha spp.), de 10 a 12 plantas, y para los juncos de 8 a 10 plantas /m2.La sobrepoblación de plantas puede llevar a que las raíces aprieten el medio y tapen los poros delas piedras. Por lo que concierne a las tuberías de desfogue para evitar inundaciones debenlimpiarse en verano cada semana y en invierno cada quince días de hojas y varas, para evitar queel humedal pudiera inundarse y derramarse.

4.2.8. Fosa de almacenaje y desinfección TD-101

La fosa de almacenaje y desinfección TD-101, desde donde podrá descargarse al subsuelo o bienutilizarse para riego es muy importante. Se pueden usar pastillas de cloro o lámparas ultravioletapara llevar a cabo la desinfección. La concentración de cloro no deberá ser mayor a 1 ppm (1pastilla de ”Cloralex” de 100g por cisterna cada semana).

4.2.9. Bomba extractora de lodos (BS2)

Esta bomba se usa para las purgas periódicas de lodo de la fosa, ya sea para elaborar composta(aunque el diccionario de la lengua española use la palabra compost, en español no puedepronunciarse bien, por lo que se usa composta en este manual) o para su digestión o degradaciónanaerobia (DOF, 2005). Este tipo de bombas están diseñadas exclusivamente para la purga delodo.

4.2.9.1. Mantenimiento

Debe ser realizado cada año por un especialista (Ver Manuales editados por el Programa de

Ingeniería Química Ambiental y de Química Ambiental de la Facultad de Química de la UNAM

en 1998, 2003 y 2009).

Nota: Por falta de recursos económicos esta bomba no ha sido adquirida todavía y los lodos son

extraídos por parte del personal de la UNAM de la DGOC, de la Secretaría Administrativa.

34

FP-101RF-101 Quemador o coogenerador

Nivel de piso=0 (Construido por tesistas)

Lodos a reactor RALFA Bomba BS3Agua residual delos registros PC-101 (A nivel de piso con tanque dosificador) 1,5m TC-101

Tablero

1.5 m

1.25 m Tanque doificador Al humedal1.6 m

1.0m Bomba BS1

sumergible para agua0.5 m

FS-101 Bomba sumergible para lodos BS2Fosa de sedimentación

HA-101

DH-101

Fosa de almacenaje y desinfecciónCS-101 TCD-101

1.0 m

2.0 m2.0 m 0.5 m

11.0 m

HA-101 BS3 Bom ba F. percol. PC-101Humedal artif icial Bomba centrifuga Panel de control DIAGRAMA DE FLUJO Y PROCESO

RF-101 Reactor RAFA FS-01 FP-101 del humedal artific ia l delReactor anaerobio Fosa de sedimentación Filtro Percolador CCH_SUR

BS1 Bom ba de agua TCD-101 Cisterna DH-101 DistribuidorBomba sumergible Tanque de desinfección Hidráulica (4-junio -2009)

BS2 Bom ba de lodos CS-101 Dr. Salvador Sánchez TovarBomba sumergible Cárcamo de salida

1

2

Diagrama de flujo de proceso para el humedal artificial del SILADIN-CCH-Sur

35

5.0m

6.0m

BS3

Agua tratada

1.5m TDC-101

0.5m 0.5m 0.5m 0.5m 0.5m

0.5m

Distribuidor 0.5m

Hidráulico DH-101 0.5m

Piedra volcánica HA-101

100 mm

Pared de piedra

Volcánica 13.0 m

Piramidal Gravas

11.0m

Agua tratada

CS-101

0.5m

Agua 0.5m 0.5m 0.5m 0.5m

Residual

P C -101 Recirculación

2.0 m

AGUA CRUDA

4.04 m

HA-101 TC-101 PC-101

Humedal artif icial Tanque cisterna Panel de control

RF-101 FS-01 FP-101

Reactor anaerobio Fosa de sedimentación Filtro Percolador Arreg lo genera l de l

BS1 Bom ba de agua TCD-101 BS3 Bom ba F. percol.

Reactor anaerobio de fluijo Bomba sumergible Tanque de desinfección Bomba centrifuga

ascendente a futuro BS2 Bom ba de lodos CS-101 DH-101 Dis tribuidor (4-junio -2009)

Bomba sumergible Cárcamo de salida hidráulico Dr. Salvador Sánchez Tovar

E Entrada hombre-Toma (FS-101)

RALFFARF-101

BS2

TC-101

BS1

FP-101

Arreglo general para el humedal artificial del SILADIN-CCH-Sur

36

37

ANEXO

MEMORIAS DE CÁLCULO

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SALIENDO DEL REACTOR RAFA (OPCIÓN 1)

PARÁMETROS DE ENTRADA (INFLUENTE)DATOS AGUA DE EFLUENTE DEL REACTOR ANAEROBIO

% de REMOCIÓN70%

pH 7.7So (DQO Entrada)= 220 mg/LSo (DBO5 Entrada)= 70 mg /LSST= 120 mg/LSSV= 90 mg/LAGV (ácido acético mg/L) 9 mg/LAlcalinidad CaCO3 32 mg/LGrasa y aceite 5 mg/LNitrógeno (Kjeldahl) 12 mg/LNitratos 3 mg/L

DATOS .GASTOS DE DISEÑO:Población= 1,000 HabitantesQ= Gasto total(población)= 100 m³/d-poblaciónGasto (por habitante)= 100 L / d-habitanteGasto total (L/d-población)= 100,000 L /d-poblaciónGasto total (L/m in-población)= 69.44 L / min-poblaciónConversiones de flujoQmed = 1.16 L/s = 100.00 m³/d = 4.17 m³/h = 0.0694 m³/minQ max inst = 1.74 L/s = 150.00 m³/d = 6.25 m³/h = 0.1042 m³/min

Q max inst = 0.0017 m³/s

Ce= Concentración de DBO en el efluente, mg/L

Co= Concentración de DBO en el afluente, mg/L

A= Fracción de la DBO no removida como sólidos sedimentables a la entrada del sistema,es una variable que depende de la calidad del agua (se recomienda 0.80)

L= longitud del sistema (paralelo al flujo), m

W= ancho del sistema, m

y= profundidad promedio del sistema, m

n= porosidad del sistema (espacio disponible para el paso del agua) como fracción decimal

Q= Caudal promedio en el sistema

Tc, Cambio de temperatura en el humedal

Te, Temperatura del efluente

Tw, Temperatura promedio del agua en el humedal.

Temperatura del agua a la entrada =

As= área superficial

KT= Constante de primer orden dependiente de la temperatura, d-1

TRH, Tiempo de residencia hidrahulica

U, Coeficiente de transferencia de calor

DIMENSIONAMIENTO DEHUMEDALES

CON PLANTA HIDROFILAS

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PARÁMETROS DE SALIDA (EFLUENTE)DATOS AGUA DE EFLUENTE

% de REMOCIÓN85%

pH 7.7S (DQO Salida)= 33.0 mg/LS (DBO5Salida)= 10.5 mg /LSST= 18.0 mg/LSSV= 13.5 mg/LAGV (ácido acético mg/L) 1.4 mg/LAlcalinidad CaCO3 4.9 mg/LGrasa y aceite 0.8 mg/LNitrógeno (Kjeldalh) 1.8 mg/LNitratos 0.4 mg/L

RESUMEN DE DIMENSIONAMIENTO

DISEÑOSUGERIDO

VALORDE

DISEÑO

Área superficial (m2) 87 400 Profundidad del agua (m) 0.8Número de unidades 1.0000 2 de 200 m2 Pendiente del humedal (%) 1Ancho (m) 3.70 5.00 Profundidad de grava (m) 0.9Longitud (m) 23.7 13.00 Temperatura (ºC) 25Longitud (m) Carcamo descarga 1.0 1.0TRH días 0.6 1.0

DIMENSIÓN CALCULADA VARIABLE DE PROCESO

Las referencias para esta parte son múltiples pero solamente se citaron algunas (EPA, 1988;ITRC, 2003; Johnston, 1993; Manahan, 1999).

40

SALIENDO DEL REACTOR RAFADatos de partida:

DBO entrada = 70 mg/lDBO salida = 21 mg/l

SST entrada = 50 mg/l

Caudal Q = 50.00 m³/día = 2.08 m3/hr = 1.74 lps

Población = 1,000 habts.

Medio = grava media de 25mm

n = 0.4ks= 25000 m3/m2*dk = 2 sat

Vegetación = Carrizos (Phragmites Australis)

Profundidad del humedal = 0.8 m

Pendiente del humedal = 1%

Temperatura critica en invierno = 10 °C

Temperatura agua entrada = 25 °C

KT = K20*(106)(T-20)

K20 = 1.104 * d - 1

KT = 1.104 * (1.06)(T - 20)

y1 y2 ynK1 K2 Kn

qLqG

Te = To - Tc

To + Te2

QAs

Ce(SST) = Co(SST)(0.1058 + 0.0014(CH))

Q

Q (Ln Co - Ln Ce)KT * y * n

(To -Ta) * U * α * As * tCp * δ * As * y * n

Tc=

Tw =

=

CH =

TRH =

U =

ECUACIONES A UTILIZAR

+

As =

As * y * n

* 100

Dimensionamiento:

1

+

41

1. Asumiendo la temperatura de diseño 25 ºC

KT = 1.104 * (1.06)T-20 = 2.1500 d-1

2.- Determinar As

3.- Determinación de TRH

4-. Determinando U

Se asumeUna capa de residuos de vegetación de 15 cmUna capa de tezontle seca de 80 mmUna capa de tezontle media saturada de 60 cm

0.15 0.08 0.60.05 1.5 2

5.- Determinando Tc

Te = To - Tc = 24.8 ˚C

To - Te2

T asumida ≈ T DISENO

6.- Determinando largo y ancho

L:W 3:1

Se diseña para una unidades 87.29717 m2 cada una

As = 87 m2

As1 = As2 = 87 m2 96

1 Q * As 0.5

y m * KsSe proponen 1 Reactores

87 Ancho = 5 m3.7 Largo = 13 m

Profundidad máxima de grava 0.9 mL : W 3:1 11.1 m2 Profundida máxima del agua 0.8 m

Pendiente 1-2% según topógrafo7. Determinación de la concentración de SST a la salida.

50.0087

Ce(SST) = Co (0.1058 + 0.0014 (CH)) = 9 mg/L

8. Determinacion de la carga hidraulica para eliminación de fósforo

P entrada = 23 mg/L

50.0087

- 2.74 cm/d - 2.74 cm/dCH 57.1

Ce(p) = 22 mg /L

W =

CH = * 100 =

L=

Ce(p) = Co* exp = Co* exp

= 23.7

= °C

=+

24.9

Cp * δ * As * y * n

=

0.30

0.6 dias

+

Q

m2

Tc = (To -Ta) * U * α * As * t 0.2

87

U =1

KT * ( y ) * ( n )

=As * y * n

Se proponen 100 m2

TRH

Cálculos

Q * (ln Co - ln Ce) =As =

Tw =

cm / d

cm / d

m3.7

57.1

m

=

˚C=

CH = * 100 = 57.1

42

43

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© AMCATH, Academia Mexicana de Ciencias Artes Tecnologíay Humanidades

ISBN 978-607-7807-12-4

Responsable de la edición

Profa. Dr.-Ing. María del Carmen Durán-Domínguez-de-Bazúa

Programa INFOCAB Proyectos aprobados PB201312 ySB201608

Serie: Química Ambiental del Agua. Volumen 8

Primera edición (2010)

Segunda edición (2013)

Se terminó de imprimir en noviembre de 2013