Manual Humedales (2)

Copyright Programa de las Naciones Unidas para los Asentamientos Humanos (ONU-HABITAT), 2008 Todos los derechos reservados. El material de esta publicacin puede ser reproducido total o parcialmente en cualquier formato con nes educativos y/o no lucrativos siempre que se reconozca y cite la fuente. ONU-HABITAT agradecera recibir una copia de las publicaciones que hagan uso de este material como fuente. Referencia ONU-HABITAT, 2008. Manual de Humedales Articiales. Programa Agua para las ciudades asiticas de ONU-HABITAT, Nepal, Katmand.

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HS: HS/980/08E

Exencin: Las denominaciones utilizadas y la presentacin del material de esta publicacin no implican la emisin de opiniones por parte de la Secretara de las Naciones Unidas en lo que concierne al estado legal del pas, territorio, ciudad o rea, as como de sus autoridades o a la delimitacin de sus fronteras, ni en relacin a su sistema econmico o nivel de desarrollo. Los anlisis, conclusiones y recomendaciones de este informe no reejan necesariamente la visin del Programa de las Naciones Unidas para los Asentamientos Humanos (ONU-HABITAT), del Consejo de Administracin de ONU-HABITAT o de los estados miembros. Versin en Espaol Traduccin Diagramacin Responsable de la edicin en Espaol

Francisca Alemn Jorge Rojas Vctor Arroyo

iiManual de Humedales Articiales

PrlogoEn un mundo en rpida y constante expansin urbana surgen importantes retos, entre ellos, el escaso saneamiento ambiental, una amenaza para la vida y el sustento, especialmente de los ms pobres. Est claro que si continuamos en esta lnea, los ODM que promueven reducir a la mitad los problemas relacionados con la salubridad en el 2015, no lograrn cumplir el reto de disminuir el nmero de personas sin acceso sostenible a condiciones bsicas de salubridad. No basta con simplemente ofrecer servicios sanitarios para asegurar una buena salubridad ambiental. Es necesario disponer de sistemas seguros de transporte y tratamiento de los excrementos sin poner en peligro la salud ambiental. En las grandes ciudades de los pases industrializados, esto normalmente se lleva a cabo a travs de sistemas centralizados de gestin de aguas residuales con tecnologas avanzadas de tratamiento de dichas aguas. No obstante, estos sistemas son caros y dif ciles de manejar. Los sistemas de tratamiento y gestin de aguas residuales descentralizados y de menor tamao como, por ejemplo, los humedales articiales, ofrecen una alternativa viable para muchas de las reas urbanas de los pases en desarrollo. La construccin de humedales articiales en lugares donde existe terreno asequible es relativamente econmica y stos pueden ser operados y mantenidos incluso por la propia comunidad. Este manual, basado en una serie de ejemplos de humedales articiales de Nepal, adems de ofrecer una gua bsica para el diseo, construccin, operacin y mantenimiento de humedales, muestra informacin especca sobre aquellas situaciones en las que stos pueden no ser una alternativa factible. Creo que las experiencias y los estudios de caso aqu descritos pueden ser muy tiles como materiales de referencia para los gestores de polticas pblicas y profesionales expertos en agua y saneamiento. Asimismo, espero que sirvan de estmulo a la accin local para la consecucin de sistemas y tecnologas de gestin de aguas residuales asequibles. Anna Kajumulo Tibaijuka Directora Ejecutiva, ONU-HABITAT

iiiManual de Humedales Articiales

Manual de Humedales Articiales

iv

PrefacioCon el apoyo del Fondo Fiduciario de Agua y Saneamiento, ONU-HABITAT est desarrollando el Programa Agua para las ciudades asiticas (WAC por su sigla en ingls-), que est actualmente operativo en India, Repblica Popular China, Nepal, Repblica Democrtica Popular de Laos y Vietnam, y en fase de extensin a Camboya, Indonesia y Pakistn. Teniendo como objetivo principal crear un ambiente que promueva la inversin a favor de los pobres de las ciudades, el programa WAC presenta enfoques innovadores que facilitan el acceso al agua y saneamiento por parte de este sector de la poblacin. En general, estos proyectos piloto tienen como objetivo abordar serios problemas de sanidad ambiental a travs de enfoques prcticos orientados a la comunidad. Uno de estos problemas, al que se enfrentan las ciudades asiticas en pleno proceso de expansin urbanstica, es el del tratamiento y gestin seguros de las aguas residuales. Las soluciones tradicionales que hacen uso de las tecnologas avanzadas simplemente no son asequibles o son demasiado complicadas de mantener en la mayora de las pequeas y medianas ciudades. Como parte del programa de trabajo normativo de WAC, las lecciones aprendidas a travs de los proyectos piloto se documentan para que puedan llegar a un pblico ms amplio. Esta publicacin sobre el diseo, construccin, operacin y mantenimiento de humedales articiales ha sido elaborada en el seno de este programa a partir de las experiencias en Nepal y en reconocimiento de la necesidad de una alternativa viable a las tecnologas convencionales de tratamiento y gestin de aguas residuales. Se debe destacar, no obstante, que los humedales articiales presentan limitaciones tales como la falta de terreno o su costo, lo cual puede hacer el proyecto inviable. Del mismo modo, los aspectos climatolgicos y los parmetros de aguas residuales pueden afectar su correcto funcionamiento. La coordinacin para la elaboracin de este manual corri a cargo del Dr Roshan Shrestha, Consejero tcnico principal del Programa Agua para las ciudades asiticas, en Nepal. El programa tambin agradece la contribucin del Sr Shirish Singh as como de los doctores Guenter Langergraber y Elif Asuman Korkusuz de la Universidad de Recursos Naturales y Ciencias Aplicadas de Viena para la elaboracin de este manual. Andre Dzikus Director Seccin II Agua y Saneamiento Divisin Agua, Saneamiento e Infraestructura del Programa de las Naciones Unidas para los Asentamientos Humanos (ONU-HABITAT)

vManual de Humedales Articiales


vi

ndiceiii Prlogo v Prefacio 1 3Captulo Uno Introduccin Captulo Dos Qu es un humedal articial? 2.1 Ventajas de los humedales articiales 2.2 Limitaciones de los humedales articiales Captulo Tres Conguraciones de los humedales articiales 3.1 Flujo horizontal (FH) 3.2 Flujo vertical (FV) 3.3 Hbrido Captulo Cuatro

5 5

7

7 8 9

11 15

Cmo funciona un humedal articial15 16 16 17 18 18 20 21 21 22 22 23 23 24


Captulo Cinco Diseo de humedales articiales 5.1 Tratamiento preliminar 5.2 Tratamiento primario 5.2.1 Fosa sptica 5.2.2 Reactor anaerbico (Fosa sptica mejorada) 5.3 Tamao del humedal 5.3.1 Dimensin basada en ecuaciones 5.3.2 Dimensin basada en rea especca requerida por poblacin equivalente 5.4 Profundidad 5.4.1 Humedal de ujo horizontal 5.4.2 Humedal de ujo vertical 5.5 rea transversal del lecho (slo para humedales de ujo horizontal) 5.6 Seleccin del lecho ltrante 5.6.1 Humedal de ujo horizontal 5.6.2 Humedal de ujo vertical

vii

5.7 Gradiente del lecho 5.8 Sellado del lecho 5.9 Estructuras de entrada y salida 5.9.1 Entradas 5.9.2 Salidas 5.10 Vegetacin

24 25 26 26 32 33

35

Captulo Seis Construccin de humedales articiales 6.1 Construccin de la cubeta 6.2 Impermeabilizacin de la cubeta Ensayo de permeabilidad 6.3 Relleno del substrato 6.3.1 Humedales de ujo horizontal 6.3.2 Humedales de ujo vertical 6.3.3 Ensayo de calidad de la arena 6.4 Estructuras de entrada y salida 6.5 La plantacin de vegetacin 6.6 Manejo del nivel hdrico para el crecimiento de la vegetacin Captulo Siete Operacin y Mantenimiento 7.1 Puesta en marcha 7.2 Operaciones rutinarias 7.2.1 Ajuste de los niveles hdricos 7.2.2 Mantenimiento de la uniformidad del caudal 7.2.3 Manejo y cuidado de la vegetacin 7.2.4 Control del olor 7.2.5 Mantenimiento de bermas (muros) 7.3 Operaciones a largo plazo Captulo Ocho Humedales articiales para secado de lodos Captulo Nueve Estudios de caso 9.1 Tratamiento de aguas residuales de hospital (Hospital Dhulikhel) 9.1.1 Descripcin tcnica 9.1.2 Rendimiento 9.1.3 Operacin y mantenimiento 9.1.4 Costos 9.2 Tratamiento y reutilizacin de aguas residuales combinadas residenciales y de laboratorio (ENPHO) 9.2.1 Descripcin tcnica 9.2.2 Rendimiento 9.2.3 Operacin y mantenimiento 9.2.4 Costos

35 35 36 37 37 37 38 39 40 41

47

47 47 48 48 48 50 51 51

53 55

viiiManual de Humedales Articiales

55 55 57 58 58 58 58 59 59 61

9.3 Tratamiento de aguas residuales institucionales (Universidad de Katmand) 9.3.1 Descripcin tcnica 9.3.2 Rendimiento 9.3.3 Operacin y mantenimiento 9.3.4 Costos 9.4 Tratamiento de aguas residuales municipales (Sunga) 9.4.1 Descripcin tcnica 9.4.2 Rendimiento 9.4.3 Operacin y mantenimiento 9.4.4 Costos 9.5 Tratamiento de aguas grises (Residencia privada) 9.5.1 Descripcin tcnica 9.5.2 Rendimiento 9.5.3 Operacin y mantenimiento 9.5.4 Costos 9.6 Tratamiento de lixiviados de fosas spticas y rellenos sanitarios (Pokhara) 9.6.1 Descripcin tcnica 9.6.2 Costos

61 61 62 64 64 64 64 66 67 67 67 67 67 69 69 70 70 71

73 77

Referencias bibliogrcas Anexo - A: Cmo tratar las aguas negras con humedales articiales: Una perspectiva general de los sistemas franceses

TablasTabla 1 Tabla 2 Tabla 3 Tabla 4 Tabla 5 Tabla 6 Tabla 7 Tabla 8 Tabla 9 Tabla 10 Tabla 11 Tabla 12 Tabla 13 Principales congresos internacionales Mecanismos de remocin de contaminantes en humedales articiales Criterios bsicos de diseo para fosas spticas de dos compartimentos Criterios bsicos para el diseo de un reactor anaerbico Lista de acciones quincenales de operacin y mantenimiento Lista de acciones bi-mensuales de operacin y mantenimiento Lista de acciones anuales de operacin y mantenimiento Descripcin tcnica del humedal articial del Hospital Dhulikhel Descripcin tcnica del humedal articial de ENPHO Descripcin tcnica del humedal articial de la Universidad de Katmand Descripcin tcnica del humedal articial de Sunga Concentraciones de contaminantes en Sunga Descripcin tcnica de humedal articial de residencia privada 4 12 16 18 51 52 52 56 59 62 65 67 68

ixManual de Humedales Articiales

FigurasFigura 1 Figura 2 Figura 3 Figura 4 Figura 5 Figura 6 Figura 7 Figura 8 Figura 9 Figura 10 Figura 11 Figura 12 Figura 13 Figura 14 Figura 15 Figura 16 Figura 17 Figura 18 Figura 19 Figura 20 Figura 21 Figura 22 Figura 23 Figura 24 Figura 25 Figura 26 Figura 27 Figura 28 Figura 29 Figura 30 Figura 31 Figura 32 Figura 33 Cobertura de mejoras de saneamiento en 2002 Componentes de un humedal articial Corte transversal de un humedal articial de ujo horizontal (FH) Corte transversal de un humedal articial de ujo vertical (FV) Mecanismo de remocin de contaminantes Transferencia de oxgeno desde las races Transformaciones del nitrgeno en humedales articiales Corte transversal de una fosa sptica de dos compartimentos Corte transversal de un reactor anaerbico de ujo ascendente Grco de KBOD para ujo horizontal versus temperatura a una profundidad de 40 cm del substrato y una porosidad del 40% Grco de KBOD para ujo vertical versus temperatura a una profundidad de 70 cm del substrato y una porosidad del 30% rea especca requerida por poblacin equivalente (PE) para humedales FH y FV con descargas especcas de diferentes tipos de aguas residuales Disposicin del substrato en un humedal FH Disposicin del substrato en un humedal FV Disposicin del substrato en un humedal FV Dispositivos de salida Granulometra tpica Ensayo de calidad de la arena Efecto de la conguracin del humedal en la distribucin efectiva del caudal Resultados del ensayo de calidad de la arena Tcnica para plantar esquejes de rizomas Perl del substrato para lechos de secado de lodos Representacin esquemtica del humedal articial del Hospital Dhulikhel Rendimiento del humedal articial del Hospital Dhulikhel desde 1997 a 2006 Representacin esquemtica del humedal articial de ENPHO Rendimiento del humedal articial de ENPHO desde 2002 a 2006 Representacin esquemtica del humedal articial de Sunga Rendimiento del humedal articial de la Universidad de Katmand desde 2001 a 2006 Representacin esquemtica del humedal articial de la Universidad de Katmand Rendimiento del humedal articial en Sunga desde agosto de 2006 a agosto de 2007 Representacin esquemtica de humedal articial de residencia privada Rendimiento de humedal articial de residencia privada desde mayo de 1998 a mayo de 2000 Representacin esquemtica de planta de tratamiento de lixiviados de fosa sptica y relleno sanitario 1 3 8 9 11 12 13 16 17 19 19 20 24 25 27 32 38 38 39 39 40 54 55 57 59 60 61 63 64 66 67 69 70

xManual de Humedales Articiales

captulo UNO

introduccinCASI todas las grandes ciudades del mundo han inaugurado el siglo XXI enfrentando una crisis ambiental. Las ciudades no slo se enfrentan al reto de proveer instalaciones adecuadas de saneamiento a sus residentes (Figura 1), sino que deben asegurarse de que los recursos hdricos disponibles no estn contaminados. El vertido de aguas residuales sin procesar contribuye de forma importante al deterioro de las condiciones de salubridad y a la contaminacin de las masas de agua cercanas. Es de esperar que el problema aumente debido al rpido crecimiento urbano, a menos que se tomen las medidas necesarias para controlar y tratar los euentes. Se ha hecho uso de sistemas de alcantarillado centralizados utilizando como base el agua con el objeto de lograr una considerable mejora de la salud pblica en las reas urbanas de los pases industrializados. Sin embargo, el costo de estos sistemas de alcantarillado es bastante alto y, por tanto, inasequible para muchos de los pases en desarrollo. Los sistemas centralizados requieren sistemas tradicionales de tratamiento intensivo, tecnolgicamente complejos y nancieramente onerosos. Ello hace que muchas comunidades de los pases en desarrollo no puedan permitirse la construccin y operacin de estos sistemas tradicionales de tratamiento. Los sistemas alternativos de tratamiento natural, sencillos de construir y operar adems de baratos y ambientalmente correctos, parecen ser los ms adecuados para estas comunidades.

1Manual de Humedales Articiales

Porcentaje de poblacin que dispone de mejores condiciones de salubridad

Cobertura de mejoras en el saneamiento en 2002 (OMS, UNICEF, 2004) FIGURA 1

Los humedales articiales (CWs por su sigla en ingls -), una tecnologa natural de tratamiento de aguas residuales, de bajo precio, eco-tecnolgica y biolgica, diseada con el n de imitar los procesos de los ecosistemas de humedales naturales, se destacan como una alternativa potencial o como un sistema suplementario para el tratamiento de aguas residuales. Este manual no tiene como n pedir que se implementen humedales articiales para el tratamiento de aguas residuales pero s que pretende ofrecer una amplia descripcin de las cuestiones relacionadas con el tratamiento de aguas residuales por medio de humedales articiales. El manual ha sido elaborado en formato de gua general para el diseo, construccin, operacin y mantenimiento de humedales articiales para el tratamiento de aguas residuales residenciales e incluye tambin una introduccin al diseo de humedales articiales para el secado de lodos. El captulo 2 ofrece una introduccin a los humedales articiales y su desarrollo. En el captulo 3 se describen las diferentes conguraciones de los humedales articiales ahondando en las caractersticas de los humedales de ujo horizontal (FH) y vertical (FV). El captulo 4 tiene por objetivo proporcionar un resumen del principio operativo de los humedales articiales adems de una descripcin de los mecanismos de remocin de contaminantes especcos. El captulo 5 ilustra sobre los variados aspectos a ser considerados durante el diseo de un humedal articial de ujo subsupercial, mientras que el captulo 6 se dedica a mostrar los aspectos relacionados con la construccin de los humedales, ilustrndolos mediante fotograf as. En el captulo 7 se abordan los aspectos de operacin y mantenimiento de los humedales para lograr un funcionamiento adecuado y el captulo 8 ofrece una introduccin al diseo de humedales articiales para el secado de lodos. Por ltimo, en el captulo 9 se incluyen seis estudios de caso de humedales articiales en Nepal para el tratamiento de diferentes tipos de aguas residuales. Cada estudio de caso incluye una descripcin de los detalles tcnicos, del rendimiento del humedal, de su operacin y mantenimiento as como de los costos asociados.


captulo DOS

qu es un humedal articial?UN HUMEDAL articial es una cubeta de poca profundidad rellena de algn tipo de material (substrato), generalmente arena o grava, y plantada con vegetacin resistente a condiciones de saturacin. Las aguas residuales se introducen en la cubeta y uyen sobre la supercie o a travs del substrato y son vertidas fuera de sta a travs de una estructura que controla la profundidad de dichas aguas en el interior del humedal. Un humedal articial se compone de los siguientes cinco componentes principales: Cubeta Substrato o Lecho ltrante Vegetacin Membrana impermeabilizante Estructuras de entrada y salida

Substrato o Lecho ltrante

Vegetacin

Entrada Impermeabilizante Cubeta

Salida


Componentes de un humedal articial

FIGURA 2

La cubeta excavada se rellena con un substrato permeable (se ha usado roca, grava, arena y suelo) y el nivel de agua se mantiene por debajo de la parte superior del substrato, de tal manera que se produzca un ujo subsupercial. Este substrato da soporte a las races de los mismos tipos de vegetacin emergente, plantada en la supercie superior del substrato.

Por medio de sistemas de estructuras de entrada y salida, se consigue que la distribucin y recoleccin de aguas residuales sea homognea. En caso de que sea importante proteger las aguas subterrneas, se debe usar una membrana impermeabilizante. Desde la dcada de 1950, se han usado en todo el mundo humedales articiales con diferentes conguraciones, escalas y diseos para tratar diferentes tipos de aguas residuales de forma efectiva. Los sistemas existentes varan desde aquellos de uso en hogares familiares a sistemas municipales de gran escala. En la actualidad, los humedales articiales se presentan como sistemas alternativos de tratamiento en reas rurales de Europa. Ms del 95% de estos humedales son de ujo subsupercial. En los prximos aos, se espera que el nmero de sistemas de este tipo supere los 10.000 solamente en Europa (Platzer, 2000). A pesar de que el potencial para la aplicacin de la tecnologa de humedales en los pases en desarrollo es enorme, su nivel de adopcin para el tratamiento de aguas residuales en dichos pases ha sido bajo. Algunas de las limitaciones que se han identicado estn relacionadas con el hecho de disponer de un conocimiento y experiencia limitados en el diseo y gestin de este tipo de sistema. Debido al enorme potencial de los humedales articiales para el tratamiento de aguas residuales, se han venido organizando diversos congresos internacionales con el n de dar a conocer nuevos avances en este campo. Adems de otros congresos internacionales, la Asociacin Internacional del Agua (IWA- por su sigla en ingls-) organiza el Congreso Internacional sobre sistemas de humedales para el control de la contaminacin del agua. En la tabla 1 se muestra la lista de congresos internacionales organizados por IWA.

TABLA 1CONFERENCIA

Principales Congresos Internacionales FECHA1988, Chattanooga, 24 al 28 de septiembre de 1990, 30 de noviembre al 3 de diciembre de 1992, 6 al 10 de noviembre de 1994, 15 al 19 de septiembre de 1996 27 de septiembre al 2 de octubre de 1998, 11 al 16 de noviembre de 2000, 16 al 19 de septiembre de 2002, 26 a 30 de septiembre de 2004, 25 a 29 de septiembre de 2006, 1 al 7 de noviembre de 2008,

LUGAREstados Unidos de Amrica Cambridge, Reino Unido Sydney, Australia Guangzhou, Repblica Popular China Viena, Austria So Paulo, Brasil Florida, Estados Unidos de Amrica Arusha, Tanzania Avignon, Francia Lisboa, Portugal Indore, India

1er. Congreso Internacional sobre sistemas de humedales para el control de la contaminacin del agua, 2do. Congreso Internacional sobre sistemas de humedales para el control de la contaminacin del agua, 3er. Congreso Internacional sobre sistemas de humedales para el control de la contaminacin del agua, 4to. Congreso Internacional sobre sistemas de humedales para el control de la contaminacin del agua,


5to. Congreso Internacional sobre sistemas de humedales para el control de la contaminacin del agua, 6to. Congreso Internacional sobre sistemas de humedales para el control de la contaminacin del agua, 7mo. Congreso Internacional sobre sistemas de humedales para el control de la contaminacin del agua, 8vo. Congreso Internacional sobre sistemas de humedales para el control de la contaminacin del agua, 9no. Congreso Internacional sobre sistemas de humedales para el control de la contaminacin del agua, 10mo. Congreso Internacional sobre sistemas de humedales para el control de la contaminacin del agua, 11mo. Congreso Internacional sobre sistemas de humedales para el control de la contaminacin del agua,

2.1

Ventajas de los humedales articiales

la construccin de los humedales puede ser ms barata que la de otras opciones de tratamiento el uso de procesos naturales, la construccin sencilla (se pueden construir con materiales locales), operacin y mantenimiento sencillos, rentabilidad (bajos costos de operacin y mantenimiento), estabilidad del proceso

2.2

Limitaciones de los humedales articiales

requieren un rea amplia el tratamiento por medio de humedales puede resultar econmico en comparacin con otras opciones si existe terreno disponible y asequible an falta desarrollar los criterios de diseo para diferentes tipos de aguas residuales y climas



6

captulo TRES

conguraciones de los humedales articiales

EXISTEN varias conguraciones de diseo de humedales articiales (Haberl, 1999) y stas se pueden clasicar de acuerdo a los siguientes elementos: forma de vida de los macrotos predominantes (otantes, emergentes, sumergidos), padrn de ujo en los sistemas de humedales (ujo libre de aguas superciales, ujo subsupercial: horizontal y vertical), tipo de conguraciones de las celdas de los humedales (sistemas hbridos, sistemas de fase nica, sistemas multi-fase), tipo de aguas residuales a tratar, nivel de tratamiento de las aguas residuales (primario, secundario o terciario), tipo de tratamiento previo, estructuras de entrada y salida, tipo de substrato (grava, suelo, arena, etc.), y tipo de carga (carga continua o intermitente).

De entre las varias clasicaciones mencionadas anteriormente, en este manual slo se han considerado los humedales articiales de ujo subsupercial. Existen principalmente dos tipos de direcciones de ujo en uso en este tipo de humedales, el ujo horizontal (FH) y el ujo vertical (FV).

3.1

Flujo horizontal (FH)7Manual de Humedales Articiales

La gura 3 muestra el corte transversal de un humedal articial de ujo horizontal. Se le denomina humedal FH porque las aguas residuales se descargan a la entrada y uyen lentamente a travs del substrato poroso bajo la supercie del lecho siguiendo una trayectoria ms o menos horizontal hasta que alcanzan la zona de salida. Durante este trayecto, las aguas residuales entran en contacto con una red de zonas anaerbicas, aerbicas y anxicas. Las zonas aerbicas se encuentran alrededor de las races y rizomas de la vegetacin del humedal que liberan oxgeno en el substrato. Durante el paso de las aguas residuales a travs de la rizosfera, stas se limpian mediante degradacin microbiolgica y diferentes procesos f sicos y qumicos (Cooper et al. 1996). Los humedales FH pueden eliminar de forma efectiva los contaminantes orgnicos (SST, DBO5 y DQO) de las aguas residuales. Debido a la poca transferencia de oxgeno en el

interior del humedal, la remocin de nutrientes (especialmente el nitrgeno) es limitada, sin embargo, los humedales HF eliminan los nitratos existentes en las aguas residuales. Vegetacin

Tubera de entrada

Zona de tratamiento (arena)

Nivel de agua

Membrana impermeabilizante

Zona de Zona de recoleccin distribucion Tubera vertical (grava) (grava) ajustable Corte transversal de un humedal articial de ujo horizontal (Morel y Diener, 2006)

FIGURA 3

3.2

Flujo vertical (FV)

Los humedales articiales FV estn formados por un lecho plano de arena o grava cubierto de arena o grava y vegetacin (Figura 4). Las aguas residuales son vertidas en la parte superior y se ltran a travs del lecho para ser posteriormente recogidas mediante una red de drenaje situada en la base. Los humedales FV son alimentados de forma intermitente en grandes cantidades que

Tuberas de distribucin


Grava Arena


Tuberas de drenaje

Corte transversal de un humedal articial de ujo vertical (Morel y Diener, 2006)

FIGURA 4

inundan la supercie. El lquido drena gradualmente hacia abajo a travs del lecho y es recogido por una red de drenaje situada en la base. El lecho drena completamente hasta quedar libre de lquido, lo que posibilita que haya de nuevo aire. La siguiente dosis de lquido atrapa este aire y junto con a la aireacin causada por la rpida presencia de lquido en el lecho, genera una buena transferencia de oxgeno posibilitando, por tanto, la nitricacin. La difusin del oxgeno del aire generado por el sistema de descargas intermitentes contribuye en mayor medida a la oxigenacin del lecho de ltrado en comparacin con la transferencia de oxgeno por medio de la planta. Platzer (1998) demostr que el sistema de descargas intermitentes ofrece una transferencia potencial de oxgeno de 23 a 64 g O2.m-2.d-1 mientras que Brix (1997) mostr que la transferencia de oxgeno a travs de la planta (especies comunes de juncos) ofrece una transferencia potencial de oxgeno al rea de la raz de 2 g O2.m-2.d-1, que es utilizada principalmente por las propias races y rizomas. La ltima generacin de humedales articiales ha sido desarrollada haciendo uso del sistema de ujo vertical con cargas intermitentes. Los motivos del creciente inters en el uso de este tipo de sistemas son principalmente: presentan una mayor capacidad de transferencia de oxgeno dando como resultado una buena nitricacin; son considerablemente ms pequeos que los sistemas FH, pueden eliminar ecientemente DBO5, DQO y los patgenos.

3.3

Hbrido

Los humedales FH funcionan bien en el caso de la remocin de DBO5 y SST para el tratamiento secundario de aguas residuales, pero no es as en el caso de la nitricacin debido a su limitada capacidad de transferencia de oxgeno. Como resultado, ha crecido el inters por los humedales FV ya que stos tienen una capacidad mucho mayor de transferencia de oxgeno y ocupan un rea considerablemente menor que los humedales FH. No obstante, los humedales FV tambin tienen sus limitaciones tales como una menor ecacia en la remocin de slidos. Del mismo modo, pueden obstruirse si la seleccin de suelos no es la adecuada. Debido a estas razones, el inters por los humedales combinados (hbridos) ha aumentado. En estos sistemas, las ventajas y desventajas de los humedales FH y de los humedales FV pueden combinarse y, de esta manera, complementarse. Dependiendo de la nalidad, los humedales hbridos podran ser humedales FH seguidos por un humedal FV o viceversa.


10


captulo CUATRO

cmo funciona un humedal articialUN HUMEDAL articial es un complejo entramado de aguas residuales, substrato y vegetacin adems de una seleccin de microorganismos (fundamentalmente bacterias). La vegetacin juega un papel fundamental ya que proporciona una supercie y un medioambiente apropiados tanto para el crecimiento de los microbios como para la ltracin. La remocin de los contaminantes dentro de los humedales se logra por medio de varios complejos procesos f sicos, qumicos y biolgicos, tal y como se muestra en la Figura 5. Plantas acuticas

Volatilizacin

Entrada de aguas residuales

Contaminante

Metabolismo de la planta

Degradacin bacteriana

Filtracin y adsorcin Sedimentos

Sedimentacin, precipitacin y adsorcin

11FIGURA 5Manual de Humedales Articiales

Mecanismos de remocin de contaminantes (adaptado de Wetlands International, 2003)

Los mecanismos de remocin de contaminantes en los humedales articiales se presentan en la Tabla 2.

TABLA 2

Mecanismos de remocin de contaminantes en humedales articiales (Cooper et al., 1996)

COMPONENTES DE LAS AGUAS RESIDUALES Slidos en suspensin Orgnicos solubles Fsforo Nitrgeno

MECANISMOS DE REMOCIN Sedimentacin Filtracin Degradacin microbiana aerbica Degradacin microbiana anaerbica Adsorcin de la matriz Absorcin por la planta Amonicacin seguida por nitricacin microbiana Desnitricacin Absorcin por la planta Adsorcin de la matriz Volatilizacin del amoniaco (principalmente en sistemas de ujo supercial) Adsorcin e intercambio catinico Complexacin Precipitacin Absorcin por la planta Oxidacin/reduccin microbiana Sedimentacin Filtracin Degradacin natural Depredacin Irradiacin UV (sistemas de ujo supercial) Excrecin de antibiticos por las races de los macrotos

Metales

Patgenos

Tanto los slidos en suspensin como los sedimentados que no son eliminados en el tratamiento primario son eliminados de forma efectiva en el humedal mediante ltracin y sedimentacin. Las partculas se sedimentan en microceldas estticas o son forzadas por restricciones de caudal.Nuevo brote


El crecimiento microbial tanto en suspensin como adherido es responsable de la remocin de compuestos orgnicos solubles, que son degradados biolgicamente, tanto de forma aerbica (en presencia de oxgeno disuelto) como anaerbica (en ausencia de oxgeno disuelto). El oxgeno requerido para la degradacin aerbica es proporcionado directamente desde la atmsfera por difusin o por liberacin desde las races de las plantas hacia la rizosfera. No obstante, la transferencia de oxgeno desde las races es insignicante (Figura 6).

Raz Zona oxidada Oxgeno

Rizoide amplicado Zona reducida Rizoma

Transferencia de oxgeno desde las races(adaptado de Wetlands International, 2003)

FIGURA 6

Los mecanismos para la remocin del fsforo en los humedales articiales son la adsorcin, la complexacin y la precipitacin, el almacenamiento, la absorcin por la planta y la asimilacin bitica (Watson et al., 1989). Los mecanismos de remocin del nitrgeno en los humedales articiales son manuales e incluyen la volatilizacin, la amonicacin, la nitricacin/desnitricacin, la absorcin por la planta y la adsorcin de la matriz (Figura 7). Uno de los mecanismos importantes en la mayora de los humedales articiales es la nitricacin/desnitricacin microbial. El amoniaco se oxida y se transforma en nitrato mediante la accin de bacterias nitricantes en las zonas aerbicas. El nitrato se convierte en gas dinitrgeno por medio de bacterias desnitricantes en zonas anxicas y anaerbicas. El proceso de remocin de metales en los humedales articiales incluye la sedimentacin, la ltracin, la adsorcin, la complexacin, la precipitacin, el intercambio catinico, la absorcin por la planta y las reacciones mediadas por microbios, especialmente la oxidacin (Watson et al., 1989). La adsorcin implica la unin de iones de metal a la planta o a la supercie matriz mientras que la presencia de bacterias genera la precipitacin de xidos de metal y sulfuros dentro de los humedales. Algunos tipos de humedales disponen de una alta capacidad para la adsorcin directa de metales. Los patgenos son eliminados durante el paso de las aguas residuales a travs del sistema, principalmente mediante sedimentacin, ltracin y adsorcin por biomasa. Una vez que estos organismos son atrapados dentro del sistema, su nmero disminuye rpidamente, principalmente por procesos de degradacin natural y depredacin (Cooper et. al, 1996).

Volatilizacin Zona anaerbica

Absorcin de la matriz

Entrada de biomasa Zona anaerbica Nitrica cin Entradade biomasa

Des

nitr

ic

aci

n

Ni

ca tri

ci

n

FIGURA 7


Entrada de biomasa Transformaciones del nitrgeno en humedales articiales (Cooper et al., 1996)

13

14


captulo CINCO

diseo de humedales articialesANTES de disear un humedal articial, se debe tener en cuenta que el substrato utilizado se puede llenar rpidamente de desechos, polvo y sedimentos procedentes de las aguas residuales si no se eliminan estos materiales antes de proceder a utilizarlo. Por esta razn, se debe llevar a cabo un tratamiento preliminar/primario con el n de eliminar estos sedimentos. Sin embargo, algunos sistemas en Francia han obviado las unidades de tratamiento primario y han optado por utilizar humedales articiales de ujo vertical organizados de tal forma que funcionen en paralelo (Molle et al., 2004). Estos sistemas se encuentran fuera del mbito de estudio de este manual. No obstante, puede encontrar informacin al respecto en el artculo de investigacin titulado Cmo tratar las aguas negras mediante humedales articiales: Una perspectiva general de los sistemas franceses, incluido en el Anexo-A de este manual.

5.1

Tratamiento preliminar

El tratamiento preliminar se encarga principalmente de separar la fraccin gruesa de los slidos de la fase lquida. Tiene como misin preparar las aguas residuales entrantes para su posterior tratamiento en el humedal mediante la reduccin o remocin de los elementos problemticos que podran impedir la operacin o incrementar excesivamente los costos de mantenimiento y de los mecanismos de bombeo en caso de que los haya -. Estos elementos problemticos tpicos suelen ser los slidos de gran tamao, los desechos, el polvo, los olores, etc. El tratamiento preliminar de aguas residuales est conformado principalmente por un ltro y una cmara de ltrado de polvo. El ltro es un mecanismo con aberturas, generalmente de tamao uniforme, que se usa para retener los slidos encontrados en las aguas residuales entrantes a la planta de tratamiento, eliminando as los materiales ms gruesos. La cmara de retencin de polvo elimina toda clase de polvo, ya sea de arena, grava o cualquier otro material pesado cuya gravedad especca supere la de los slidos orgnicos presentes en las aguas residuales. (Se recomienda al lector consultar los libros de texto bsicos sobre tratamiento preliminar de aguas residuales.)


5.2

Tratamiento primario

El tratamiento primario consiste en la separacin de la materia suspendida mediante operaciones f sicas, principalmente la sedimentacin. Las aguas residuales sin procesar contienen partculas suspensas ms pesadas que el agua. Estas partculas tienden a depositarse por inuencia de la gravedad, especialmente en condiciones de inactividad. El tratamiento primario reduce la cantidad de slidos en suspensin y de carga orgnica que pasaran al humedal y equilibra la calidad y el caudal de aguas residuales hasta un cierto lmite.

5.2.1 Fosa spticaLa fosa sptica constituye el tratamiento primario ms comn utilizado en los humedales articiales de menor tamao a nivel mundial. Una fosa sptica de dos compartimentos elimina ms slidos que una de un solo compartimento (Loudon et al., 2005). La gura 8 muestra el corte transversal de una fosa sptica tpica de doble compartimento.

Desechos

Lodos Corte transversal de una fosa sptica de doble compartimento (Morel y Diener, 2006)

FIGURA 8


Las fosas spticas, en general, se han de vaciar y limpiar para poder eliminar el lodo. De lo contrario, se producirn euentes de baja calidad con alta cantidad de contenido slido en suspensin, lo cual puede afectar de forma negativa al funcionamiento de los humedales articiales (obstruccin del lecho). Para garantizar una operacin continua y efectiva, el material acumulado debe extraerse peridicamente, generalmente cuando la acumulacin de lodo y desechos exceda el 30% del volumen lquido de la fosa. En la tabla 3 se muestran los criterios bsicos de diseo de una fosa sptica de dos cmaras.

TABLA 3Criterios bsicos de diseo para fosa sptica de dos compartimentosTiempo de retencin hidrulica (TRH) Nivel de acumulacin de lodos Volumen de acumulacin de lodos y desechos Intervalo para remocin de lodos Volumen del primer compartimento >12 horas a profundidad mxima del lodo y acumulacin mxima de desechos Dependiendo de la tasa de remocin de SST y del ujo de entrada de aguas residuales (70 a 100 litros/persona/ao) Nivel de acumulacin de lodos multiplicado por el nivel de acumulacin de desechos > 1 ao 2/3 del volumen total de la fosa

Para obtener mayor informacin sobre diseos de fosas spticas, se recomienda consultar los siguientes autores Mara D. (1996), Crites y Tchobanoglous (1998), Sasse L. (1998) o cualquiera de las referencias bibliogrcas bsicas sobre este tema.

EJEMPLOEl ejemplo presentado aqu es un caso general. Calculemos el tamao de una fosa sptica de dos cmaras para una poblacin de 400 personas con un caudal especco de aguas residuales de 80 litros diarios por persona. Volumen promedio de aguas residuales (Q) = 400 x 80 / 1000 = 32 m3/d Tiempo de retencin hidrulica (TRH) = 1,5 das = 36 horas (se supone) Volumen requerido para la fosa sptica = Q x TRH = 32 x 1,5 = 48 m3 Volumen del primer compartimento = 2/3 del volumen requerido = 2/3 x 48 = 32 m3 Volumen del segundo compartimento = 1/3 del volumen requerido = 1/3 x 48 = 16 m3 Profundidad de la fosa sptica = 2 m (se supone) Ancho de la fosa sptica = 4 m (se supone)

Entonces, longitud del primer compartimento = Volumen/(Profundidad x Ancho) = 32/(1,7* x 4) = 4,7 m Longitud del segundo compartimento = Volumen/(Profundidad x Ancho) = 16/(1,7* x 4) = 2,35 m * Por favor, tome en cuenta que la profundidad de la fosa sptica se considera de 1,7 m despus de restar la medida de 0,3 m correspondiente al borde libre. Compruebe el TRH despus de la acumulacin de lodo: Nivel de acumulacin de lodo = 70 litros/persona/ao Intervalo para remocin de lodo = 1 ao Volumen de lodo = nivel de acumulacin de lodo x nmero de usuarios x intervalo para remocin de lodo = (70 x 400 x 1)/1000 = 28 m Volumen disponible para aguas residuales en la fosa sptica = Volumen total volumen de lodo = 48 28 = 20 m TRH despus de acumulacin de lodo = Volumen disponible para aguas residuales en la fosa sptica/Volumen promedio de aguas residuales = 20/32 = 0,625 das = 15 horas (Siempre que el TRH > 12 horas, el diseo est correcto)

5.2.2 Reactor Anaerbico (Fosa sptica mejorada)En los ltimos aos, se han desarrollado diseos de reactores anaerbicos (fosas spticas mejoradas) con el n de mejorar la ecacia en la remocin de slidos y contaminantes orgnicos. El principio bsico de tales sistemas radica en el aumento de contacto entre las aguas residuales entrantes y la biomasa activa en el lodo acumulado. Esto se logra insertando deectores en la fosa forzando, de esta manera, que las aguas residuales uyan por debajo y por encima de los deectores en su trayecto desde la entrada hasta la salida. Las aguas residuales que uyen de forma ascendente atraviesan el lodo depositado favoreciendo el contacto entre stas y la biomasa.


Lodos

Corte transversal de un reactor anaerbico de ujo ascendente (Morel y Diener, 2006)

FIGURA 9

Los criterios bsicos para el diseo de un reactor anaerbico se detallan en la Tabla 4.

TABLA 4Criterios bsicos para el diseo de reactores anaerbicosTiempo de retencin hidrulica Nivel de acumulacin de lodos Nivel de acumulacin de lodos y desechos Intervalo para remocin de lodos Nmero de cmaras de ujo ascendente Velocidad mxima de ujo ascendente >24 horas a profundidad mxima del lodo y acumulacin mxima de desechos Dependiendo de la tasa de remocin de SST y del ujo de entrada de aguas residuales (70 a 100 litros/persona/ao) Nivel de acumulacin de lodos multiplicado por el nivel de acumulacin de desechos > 1 ao >2 1,4 a 2 m/h

Para mayor informacin sobre diseos de reactores anaerbicos, se recomienda consultar los libros de Sasse (1998), Wanasen (2003), Foxon et al., (2004), entre otros.

5.3

Tamao del humedal

5.3.1 Dimensin basada en ecuacionesEl tamao del humedal se podra decidir en base a la ecuacin de Kickuth: Qd (ln Ci ln Ce) KDBO

Ah =

Ah = rea de supercie del lecho (m2) Qd = nivel promedio de ujo diario de desechos (m3/d) Ci = concentracin de DBO5 en el auente (mg/l) Ce = concentracin de DBO5 en el euente (mg/l) KDBO = constante de velocidad (m/d)

KDBO es determinada a partir de la frmula KTdn, donde, KT = K20 (1.06)(T-20) K20 = constante de velocidad a 20 C (d-1) T = temperatura de operacin del sistema (C) d = profundidad de la columna de agua (m) n = porosidad del substrato (porcentaje expresado en forma de fraccin)


KDBO depende de la temperatura y el nivel de degradacin de DBO generalmente aumenta en un 10% por C. De esta manera, se espera que la constante de velocidad de reaccin para la degradacin de DBO sea mayor durante el perodo de esto que durante el invierno. Tambin se ha reportado que KDBO aumenta a medida que el sistema envejece.

a) KDBO para humedales FH La gura 10 muestra KDBO para un humedal FH. El grco se realiz partiendo de la ecuacin anteriormente planteada para temperaturas que varan desde 10C a 25C. La profundidad del humedal FH es de 40 cm y la porosidad del substrato es de 40%. Se estableci el valor de K20 a 1.1 d-1.

Temperatura (grados) Grco de K para humedales FH versus temperatura a una profundidad DBO de 40 cm del substrato y una porosidad del 40%

FIGURA 10

b) KDOB para humedales FV La gura 11 muestra KDOB para un humedal FV. El grco se estableci partiendo de la misma ecuacin para humedales FH con temperaturas desde 10 C a 25 C. La profundidad del humedal FV es de 70 cm y la porosidad del substrato es de 30%. Se estableci el valor de K20 a 1.1 d-1.


Temperatura (grados) Grco de K para humedales FV versus temperatura a una profundidad de 70 cm del DOB substrato y una porosidad del 30%

FIGURA 11

5.3.2 Dimensin basada en rea especca requerida por poblacin equivalente (PE)La relacin entre el rea especca requerida y la poblacin equivalente se cumple cuando existe uniformidad en la cantidad y calidad especcas de aguas residuales. En general, se puede conar en la regla de oro sugerida por diferentes trabajos (dependiendo de las condiciones climticas). Sin embargo, los costos de inversin tienden a ser ms altos debido a los aspectos conservadores de este enfoque. El rea especca requerida para humedales articiales FH y FV se calcula para diferentes descargas concretas de aguas residuales y una cierta cantidad de poblacin. Se establece la contribucin de DBO en 40 g DBO/pe.d, 30% de la carga DBO se reduce en el tratamiento primario y la concentracin de DBO en el euente se establece en 30 mg/l. La KDBO para humedales FH y FV se establece en 0,15 y 0,20 respectivamente. Se observa que se requerira un rea especca de 1 a 2 m2/pe en el caso de humedales FH, mientras que en el caso de humedales FV, se necesitara un rea especca de 0,8 a 1,5 m2/pe.H edales F ara hum rea p ad de Necesid FV umedales rea para h de Necesidad

rea requerida (m2/pe)

Caudal especco de aguas residuales (litros por persona y da) rea especca requerida por poblacin equivalente para humedales FH y FV para diferentes descargas de aguas residuales

FIGURA 12

Tomando en consideracin los casos de Nepal, se ha de resaltar que el rea especca requerida presentada en el grco es menor que la recogida en las diferentes investigaciones sobre este aspecto. Ello se debe a que la KDBO utilizada en estas investigaciones es menor y las descargas especcas de aguas residuales son mayores.


EJEMPLOEl ejemplo aqu presentado es un caso general. El proyectista ha de tomar en cuenta las circunstancias y estndares locales. Calculemos el tamao de un humedal articial para una poblacin de 400 personas con un caudal especco de aguas residuales de 80 litros por persona y por da. Volumen promedio de aguas residuales (Q) = 400 x 80 / 1000 = 32 m3/d Para determinar la concentracin de DBO5 en el auente, se debe analizar una muestra del agua residual en un laboratorio certicado. En ausencia de un laboratorio, se puede calcular la concentracin de la siguiente manera: Contribucin de DBO5 = 40 g DBO5/pe.d Concentracin de DBO5 = 40 x 1.000/80 = 500 mg/l Supongamos que el 30% de DBO5 se elimina en la unidad de tratamiento primario, entonces la concentracin de DBO5 en el auente sera (Ci) = 350 mg/l Concentracin de DBO5 en el euente sera (Ce) = 30 mg/l KDBO = 0,15 m/d para humedales FH y 0,2 m/d para humedales FV

Sustituyendo los valores en la ecuacin a continuacin:

Ah =

Qd (ln Ci ln Ce) KDBO

rea para humedal FH = 524,10 m2 rea especca por PE para humedal FH = 1,31 m2 rea para humedal FV = 393,08 m2 rea especca por PE para humedal FV = 0,98 m2

5.4

Profundidad

En general, la profundidad del substrato en un humedal articial de ujo subsupercial se limita aproximadamente a la profundidad de las races de la plantas, de tal manera que las plantas estn en contacto con el auente e inuyan en el tratamiento. Sin embargo, se debe tener en cuenta el tiempo de retencin hidrulica TRH (tiempo que las aguas residuales son retenidas en el humedal) a la hora de elegir la profundidad del humedal.

5.4.1 Humedales FHLa mayora de los humedales FH de Europa presentan una profundidad de lecho de 60 cm (Cooper et al., 1996). En los Estados Unidos, este tipo de humedales ha sido diseado, en general, con lechos de entre 30 y 45 cm de profundidad (Steiner y Watson, 1993). Un estudio experimental llevado a cabo en Espaa mostr que los humedales FH con una profundidad promedio de 27 cm eran ms efectivos que los humedales FH con un promedio de profundidad de agua superior a los 50 cm. (Garca et al., 2004). Se recomienda considerar un promedio de profundidad de 40 cm considerando la precipitacin, que podra originar ujo supercial.


5.4.2 Humedales FVGeneralmente, para los sistemas FV se consideran profundidades superiores a las consideradas para los sistemas FH. La mayora de los sistemas FV en el Reino Unido tienen una profundidad de entre 50-80 cm (Cooper et al., 1996). En cambio, en Alemania se recomienda una profundidad superior a 80 cm (ATV, 1998). Lo mismo ocurre en Austria donde se recomienda una profundidad de 95 cm (NORM 1997), mientras que en Dinamarca, la profundidad recomendada es de un mnimo de 1 m (Brix, 2004). Los sistemas FV en Nepal se construyeron con alrededor de 1 m de profundidad, pero en la actualidad se estn utilizando profundidades menores. En un clima subtropical, es posible incrementar los niveles de carga aplicados por encima de lo que sealan las guas emitidas en Centroeuropa y lograr que se produzca nitricacin en un sistema FV. Los resultados promedio obtenidos de lechos verticales de 75 cm de profundidad mostraron un mejor rendimiento que los obtenidos con lechos verticales de 45 cm de profundidad (Philippi et al., 2004). Se recomienda usar un substrato con una profundidad de 70 cm, puesto que puede proporcionar una nitricacin adecuada, adems de favorecer la remocin de contaminantes orgnicos.

5.5

rea transversal del lecho (slo para humedales de FH)

Las dimensiones del lecho se derivan de la ley de Darcy y deben proporcionar ujo subsupercial a travs de la grava bajo condiciones promedio de ujo. Se han asumido dos aspectos importantes a la hora de aplicar la frmula: se puede usar el gradiente hidrulico en vez de la pendiente, y la conductividad hidrulica se estabilizar a 10-3 m/s en el humedal establecido.

La ecuacin es: Ac = Qs / Kf (dH/ds) A = rea transversal del lecho (m2) Q = caudal promedio (m3/s) K = conductividad hidrulica del lecho completamente desarrollado (m/s) dH/ds = gradiente del fondo del lecho (m/m)


Para gravas con granulometra graduada se elige generalmente un valor de Kf de 1 x 10-3 a 3 x 10-3 m/s. En la mayora de los casos, se utiliza un dH/ds de 1%. No existe una regla clara y denida sobre el ancho ptimo para el humedal. Sin embargo, si supera los 15 m, se recomienda dividir la celda con el n de evitar el corto circuito de las aguas residuales. Se debe tener en cuenta que es mejor usar al menos dos celdas paralelas en vez de una nica celda para facilitar la operacin y mantenimiento del humedal.

EJEMPLOCalculemos el rea transversal del lecho requerido para el humedal FH que fue calculada en la seccion 5.3 Qs = 32 m3/d = 0.00037 m3/s Kf = 2 x 10-3 m/s dH/ds = 0.01 Sustituyendo los valores en la anterior ecuacin, A c = 18.52 m2 Considerando una profundidad del humedal de 0,4 m, el ancho sera 46,30 m. Longitud del humedal = rea /ancho= 524,1/46,3 = 11,3 m Si el ancho del humedal es superior a 15 m, se recomienda dividir la celda. Ahora consideremos 3 humedales en paralelo, entonces Qs = 0,00012 m3/s Kf = 2 x 10-3 m/s dH/ds = 0,01 Sustituyendo los valores en la anterior ecuacin, Ac = 6,17 m2 Considerando una profundidad del humedal de 0,4 m, el ancho del humedal sera 15,43 m. Proporcionemos un ancho de 15 m. Longitud del humedal = rea/ancho/nmero de humedales = 524,1/15/3 = 11,6 m En los humedales FV, ya que el ujo es vertical, el ancho y el rea transversal del lecho de FV no son establecidos como requisito para mantener el ujo por debajo de la supercie y evitar el ujo supercial.

5.6

Seleccin del lecho ltrante

Los lechos cumplen diferentes funciones: son material de enraizamiento para la vegetacin, ayudan a distribuir/recolectar de manera uniforme el caudal en la entrada/salida, proporcionan rea supercial para el crecimiento de los microbios, y ltran y atrapan las partculas Las partculas muy pequeas tienen una conductividad muy baja y crean un ujo supercial. Las partculas de gran tamao tienen una conductividad hidrulica muy alta, pero disponen de poca rea de supercie hmeda por volumen unitario de hbitat microbial. Un lecho con partculas gruesas y angulares es adverso a la propagacin de las races. Los materiales de tamao medio, generalmente caracterizados como gravas, suelen comprometer el buen funcionamiento por lo que se recomienda que sean lavados previamente a su uso ya que as se pueden eliminar arenas nas que podran bloquear los espacios huecos.


5.6.1 Humedales FHEl tamao del dimetro de las partculas que conforman los lechos usados en los humedales FH vara desde 0,2 mm a 30 mm (NORM B 2505, 1996, Vymazal, 1997, GFA, 1998, EC/ EWPCA, 1990, U.S. EPA, 1988, Steiner y Watson, 1993, U.S. EPA, 1993, Reed et al., 1995, U.S. EPA, 2000).

Se recomienda que las partculas de los lechos en las zonas de entrada y salida midan entre 40 y 80 mm de dimetro con el n de minimizar las obstrucciones. Asimismo, deben extenderse desde la parte superior a la parte inferior del sistema. Para la zona de tratamiento, no parece existir una ventaja clara de la remocin de contaminantes con partculas de diferentes tamaos en el rango de 10 a 60 mm (U.S. EPA, 2000). La gura 13 muestra los tamaos de substrato recomendados, que utiliza partculas de entre 40 y 80 mm en las zonas de entrada y salida y de 5 a 20 mm en la zona de tratamiento.Tubera de entrada Grava de 40 a 80 mm Tubera de salida

Grava de 40 a 80 mm


Grava de 5 a 20 mm

Disposicin del substrato en un humedal FH

FIGURA 13

5.6.2 Humedales FVLas propiedades del substrato o lecho ltrante, d10 (granulometra efectiva), d60 y el coeciente de uniformidad (el cociente entre d60 y d10) son caractersticas importantes a tener en cuenta en su seleccin. No existe un substrato estndar uniforme para la construccin de humedales FV. Varios libros coinciden en sealar que la granulometra efectiva debera ser 0,2 < d10 < 1,2 mm, el coeciente de uniformidad de 3 < d60/d10 < 6 y la conductividad hidrulica de Kf 10-3 a 10-4 m/s (Reed et al., 1990, Vymazal et al., 1998, GFA, 1998, Linard et al., 2000, Brix, H., 2004, Korkusuz, E.A., 2005). Los lechos de ltrado usados en el Hospital Dhulikhel tenan un d10 = 0,4 mm y un d60/d10 = 1,5 (Shrestha R.R., 1999). El nivel de descenso de la permeabilidad en auentes de caractersticas similares con slidos en suspensin es mayor para los medios porosos con tamaos de poros ms pequeos. En comparacin con la grava, las arenas muestran una disminucin relativamente ms rpida de su permeabilidad debido a los efectos de la acumulacin de sedimentos en la supercie. Sin embargo, la profundidad de las obstrucciones es mayor en caso de tamaos mayores de partculas (Walker, 2006).


Se recomienda usar arena (0 a 4 mm) como substrato principal con un d10 > 0,3 mm y un d60/d10 < 4 y con una permeabilidad de 10-3 a 10-4 m/s. En la gura 14 se muestra la disposicin del substrato o lecho ltrante.

5.7

Gradiente del lecho

La supercie superior del lecho debe ser uniforme o casi uniforme con el n de facilitar la plantacin y la rutina de mantenimiento. En teora, el gradiente inferior debe coincidir con el gradiente del nivel hdrico con el objeto de mantener la profundidad del agua uniforme a

Grava de 5 a 10 mm

Arena de 1 a 4 mm

Grava de 5 a 10 mm Grava de 20 a 40 mm

Disposicin del substrato en un humedal FV

FIGURA 14

lo largo del lecho. Lo ms prctico sera lograr que el fondo forme un gradiente uniforme a lo largo de la direccin del ujo desde la entrada hasta la salida, facilitando de esta manera el drenaje cuando sea necesario hacer el mantenimiento. No se ha investigado cul sera el gradiente ptimo, no obstante, se recomienda que sea de 0,5% a 1% para facilitar tanto la construccin como el drenaje correcto.

5.8

Sellado del lecho

Los humedales de ujo subsupercial que proporcionen tratamiento secundario deben impermeabilizarse con el n de evitar el contacto directo entre las aguas residuales y las aguas subterrneas. Las membranas impermeabilizantes que se usan para los humedales son las mismas que generalmente se utilizan para los estanques. Se pueden usar los suelos locales para sellar los humedales si disponen de alto contenido arcilloso, suciente para conseguir la permeabilidad necesaria. El grosor de las membranas depende de la permeabilidad del suelo. En la Gua Europea (Cooper, 1990) se advierte que si el suelo local tiene una conductividad hidrulica de 10-8 m/s o inferior, es probable que contenga alto contenido arcilloso y, por tanto, se encharque fcilmente y proporcione un sellado adecuado para el lecho. Como norma general, se pueden utilizar estas interpretaciones para los valores del coeciente de permeabilidad obtenidos in situ: k>10-6m/s: k>10-7m/s: k D2, entonces C = (4000 x r/h)/((20 + D2/r) x (2 h/D2)

capa impermeable


Cuando D = 0, entonces C = (3600 x r/h)/((10 + D2/r) x (2 h/D2)

Mtodo de inltracinSe perfora un pozo en el suelo a una profundidad concreta, se llena de agua y se deja drenar libremente. Se llena el pozo de agua estndar nivel de referencia varias veces hasta que el suelo circundante se cinta sature a una distancia considerable y se logre mtrica con que la inltracin (velocidad) se mantenga a supercie otador del suelo un valor ms o menos constante. Despus del ltimo vertido de agua en el pozo, se mide la velocidad de descenso del nivel de agua. Los datos obtenidos (h+ r y t) se trazan en papel semi-logartmico. La grca debe producir una lnea recta. Si la lnea es curva, se ha de continuar mojando el suelo hasta que la grca muestre una lnea recta. Con cualquier de los dos pares de valores de h+ r y t, el valor de K se puede calcular de acuerdo a esta ecuacin: K = 1,15r ((log(h0 + r) log(ht + r)/(t t0) donde, t = tiempo desde el inicio de la medicin (s) ht = la altura de la columna de agua en el pozo en tiempo t (cm) h0 = ht en tiempo t = 0

6.3

Relleno del substrato

Una vez colocada la membrana impermeabilizante en la cubeta, se comenzar a rellenar de substratos a la misma vez que se disponen los mecanismos de entrada y salida. Se debe lavar el substrato para eliminar tierra y otros nos que pudieran bloquear los espacios libres, lo cual contribuira a la obstruccin del substrato. Es preferible el substrato de cantos rodados al substrato triturado angular debido a que el primero queda ms suelto creando ms espacios.

6.3.1 Humedales FHAntes de disponer los substratos, se deben dividir las zonas de entrada y salida. Se han de denir claramente las estructuras de salida a la misma vez que se disponen los substratos, los cuales deben ser tamizados y lavados antes de colocarlos en las zonas de entrada y salida as como en la de tratamiento. La fotograf a 23 muestra la disposicin de substratos en un humedal FH.


6.3.2 Humedales FVAntes de disponer los substratos en un humedal FV, se deben marcar adecuadamente las capas de substrato de diferente tamao dentro de la cubeta. Se deben lavar para eliminar las partculas indeseadas y disponer una red de recoleccin en la base de acuerdo al diseo,

antes de colocarlos. Se comenzar a rellenar una vez se hayan completado las actividades anteriormente mencionadas. Puesto que la arena es el substrato escogido para la zona principal de tratamiento, se deben analizar sus propiedades en un laboratorio acreditado. Entre las pruebas a realizar se encuentran el anlisis granulomtrico y la determinacin de la conductividad hidrulica. La granulometra adecuada para humedales articiales FV se muestra en la gura 17. A falta de un laboratorio acreditado, la calidad de la arena se puede determinar mediante el ensayo de calidad de la arena.

Partculas de lodonos

Partculas del ltropartculas de arenano medio grueso

partculas de limono medio grueso

partculas de arena gruesano medio grueso

roca

Granulometra > d en G%

Dimetro de la partcula en mm Granulometra (Gua alemana ATV grco de AKUT)

FIGURA 17

Ensayo de calidad de la arenaSe coloca una tubera de PVC de 300 mm de longitud y 110 mm de dimetro sobre un lecho de grava mediana y se rellena con 200 mm de la arena a ser examinada, tal y como se muestra en la gura 18. La arena debe ser humedecida pero no saturada. Se coloca un pedazo cuadrado de estropajo o algo similar para evitar que el agua interrumpa el proceso. A continuacin, se vierten 500 ml de agua del cao dentro de la tubera, pero sin provocar demasiadas alteraciones en la supercie de arena y se mide el tiempo que tarda en drenar completamente. Tan pronto el lquido haya drenado, se vierten otros 500 ml de agua y se vuelve a medir el tiempo. Esto se repetir hasta que el tiempo se nivele. A continuacin se puede representar el tiempo como se muestra en la gura 19.

500ml de agua 100mm tubera de PVC Estropajo de nylon Arena a ser examinada


Grava mediana, drenaje libre

Ensayo de calidad de la arena (Cooper et al., 1996)

FIGURA 18

Ensayo de arenaFallo 30 cm de arena (0.25mm2 Media (N) SD Media (N) SD

SS

NTKConcentracin a la salida mg.l-1 13 5 (49) 17.5 12 5 (49) 15.7

Concentracin a % de remocin Concentracin a % de remocin la salida mg.l-1 la salida mg.l-1 66 13 (49) 45.5 65 15 (51) 51 95 2 (49) 5 94 4 (43) 12.2 14 5 (49) 17.5 15 6 (51) 19.7 85 5 (49) 17.1 85 6 (43) 18.4

el potencial de los ltros para llevar a cabo una buena remocin de los contaminantes. La Tabla 2 muestra la ecacia de remocin y la concentracin a la salida en plantas con cargas hidrulicas inferiores a 0,75 m.d-1 sobre el ltro en operacin en la primera fase (2 veces la carga hidrulica en temporada seca). En general, los sistemas pueden lograr una buena calidad de euente con la excepcin de la remocin de fsforo y de la desnitricacin (la desnitricacin no est presente debido a las mejoradas condiciones aerbicas y la remocin promedio del fsforo es de aproximadamente el 40%). Muy a menudo los operarios mencionan la mejora en el tratamiento con la evolucin del depsito de lodos en la primera fase a lo largo de los primeros aos de operacin. Este efecto no se observa a lo largo de las dos fases de tratamiento donde no destacan diferencias signicativas entre las plantas ms jvenes y las ms antiguas. La segunda fase de los ltros garantiza la ecacia del tratamiento. Se pueden observar algunas limitaciones en relacin a la nitricacin debido a su sensibilidad a la presencia de oxgeno y a la competicin con la remocin de DQO. Varios parmetros tales como la distribucin del ujo, la frecuencia de descargas, tipo y profundidad de los suelos, etc. pueden inuir en la renovacin del oxgeno. Esto probablemente explica el rendimiento de la variacin de nitricacin observado. Estas variaciones en nuestras muestras se pueden correlacionar con las supercies usadas pero no con las cargas hidrulicas o DQO. Con una carga hidrulica comparable HL (0.20 m.d-1) y concentraciones en la entrada (NTKinlet= 80 15 mg.L-1), las concentraciones de NTK en la salida dieren signicativamente de acuerdo a la supercie por PE. Las concentraciones en la salida claramente muestran la limitacin en el uso de supercies globales inferiores a 2 m2.PE-1 (Vea Tabla 3). En conclusin, no parece necesario disear plantas con un rea superior a 2,5 m2.p.e-1 para conseguir una mejor nitricacin, no obstante, 2 m2.PE-1 i es un prerrequisito para conseguir 8 mg de NTK.L-1 (6 mg N-NH4.L-1).

TABLA 3

Concentracin de NTK en la salida de humedales articiales de ujo vertical de dos fases de acuerdo al tamao1,5 a 2 m2.p.e-1 , 16 8 (28) 2 a 2,5 m2.p.e-1 , 6 2 (20) 2,5 a 3 m2.p.e-1 5,6 3 (10)

rea supercial total NTK en la salida (mg.L-1) (N)

Primera fase de tratamientoSe utilizaron 46 pruebas para evaluar el rendimiento del tratamiento en su primera fase. Puesto que el diseo de la planta y las cargas hidrulica y orgnica varan, no es fcil estimar de forma precisa el impacto del diseo en la ecacia de remocin. Sin embargo, se puede observar que la primera fase del tratamiento se concentra principalmente en la remocin de SS y DQO aunque la remocin de NTK no es imperceptible (ver tabla 4). En la primera fase se obtiene un alto rendimiento en la remocin de SS debido principalmente al depsito en la supercie del ltro. Esta capa de depsitos es de gran relevancia al limitar la tasa de inltracin y, por tanto, el caudal hidrulico que puede pasar a travs del ltro. El efecto de este factor restrictivo, que inuye en la carga hidrulica que puede ser aceptada a la vez que permite suciente tiempo de aireacin de la supercie, se reduce por el crecimiento de juncos a lo largo del ao (Molle, 2003). Sin embargo, no se han observado diferencias signicativas en la remocin de contaminantes a lo largo del ao incluso con cargas hidrulicas de hasta dos veces el caudal en la estacin seca.


Las guras 4 y 5 presentan los rendimientos de remocin en relacin con la carga orgnica (100% de la remocin est representada por la lnea punteada). Incluso para las cargas orgnicas superiores a las permitidas en el diseo, la remocin de DQO y de SS es aceptable. Para las cargas hidrulicas bajas, se observa una mayor variacin en la remocin de DQO (80 6%; N = 15). Esto se puede relacionar con el hecho de que durante una carga baja, la distribucin del agua y, por tanto, el depsito de lodos, no es homogneo. La heterogeneidad en la distribucin puede llevar a algunas deciencias en la remocin de DQO debido al corto circuito del caudal. La remocin del DQO se ve afectada por la velocidad de inltracin (Molle, 2003). La remocin de SS, sin embargo, parece relativamente estable y eciente. Esto no se da en el caso de la nitricacin (ver gura 5). Se puede esperar una nitricacin para cargas nominales de NTK (25 a 30 g.m-2.d-1) de aproximadamente 50%. Las variaciones en la ecacia de la nitricacin no se pueden relacionar con el diseo de la planta, sus aos o la profundidad del medio, para una demanda global de oxgeno (GOD = DCO + 4.57*NTK) de entre 40 y 110% de carga nominal y cargas hidrulicas de entre 40 y 160% de la carga nominal. De hecho, observamos una tendencia a mejorar la remocin de NTK a lo largo del ao. El perodo invernal, con una mineralizacin menor del depsito de lodos y bajas temperaturas, es el peor para la actividad biolgica. La nitricacin es probablemente la primera a sufrir las consecuencias de estas condiciones limitantes. Adems, el perodo de enero a abril se ve afectado por un perodo ms largo de acumulacin de lodos (desde noviembre) lo que hace que se mantenga hmedo, produciendo una mineralizacin inferior, lo que contribuye a una limitacin en la velocidad de inltracin y en la renovacin del oxgeno.

TABLA 4

Remocin y concentracin de contaminantes en la salida del primer humedal articial de ujo vertical para cargas hidrulicas inferiores a 0,6 m.d-1 DQO SS NTK Nmero de aos % de remocin Concentracin a % de remocin Concentracin a % de remocin Concentracin a de la plantala salida mg.l-1 la salida mg.l-1 la salida mg.l-1 2-6 >2 Media (N) SD Media (N) SD

79 3 (54)10

82 3 (34)7

131 20 (54) 71 145 24 (34)70

86 3 (54)12 94 4 (43) 7

33 6 (54)19 15 6 (51) 19

58 5 (54)17 85 6 (43) 16

13 5 (54)17 12 5 (49) 18

35 0 300 250

SS: y=0,9219x R2=0,9968

DQO: y=0,8175x R2=0,976

Carga tratada (g.m2.d-1)

200 150 100 50 0 0 100 200 300 400


Carga de DQO y SS (g.m2.d-1)

DQO y SS tratados para concentraciones de DQO entre 520 a 1400mg. L-1; 0,15

Manual Humedales (2)

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