Manual de humedales artificiales by Frederys Hernández

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HS: HS/980/08E

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Manual de Humedales Artiﬁciales

Versión en Español Traducción Diagramación Responsable de la edición en Español

Francisca Alemán Jorge Rojas Víctor Arroyo

Prólogo En un mundo en rápida y constante expansión urbana surgen importantes retos, entre ellos, el escaso saneamiento ambiental, una amenaza para la vida y el sustento, especialmente de los más pobres. Está claro que si continuamos en esta línea, los ODM que promueven reducir a la mitad los problemas relacionados con la salubridad en el 2015, no lograrán cumplir el reto de disminuir el número de personas sin acceso sostenible a condiciones básicas 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 países industrializados, esto normalmente se lleva a cabo a través de sistemas centralizados de gestión de aguas residuales con tecnologías avanzadas de tratamiento de dichas aguas. No obstante, estos sistemas son caros y dif íciles de manejar. Los sistemas de tratamiento y gestión de aguas residuales descentralizados y de menor tamaño como, por ejemplo, los humedales artificiales, ofrecen una alternativa viable para muchas de las áreas urbanas de los países en desarrollo. La construcción de humedales artificiales en lugares donde existe terreno asequible es relativamente económica y éstos pueden ser operados y mantenidos incluso por la propia comunidad. Este manual, basado en una serie de ejemplos de humedales artificiales de Nepal, además de ofrecer una guía básica para el diseño, construcción, operación y mantenimiento de humedales, muestra información específica sobre aquellas situaciones en las que éstos pueden no ser una alternativa factible.

Anna Kajumulo Tibaijuka Directora Ejecutiva, ONU-HABITAT

iii Manual de Humedales Artiﬁciales

Creo que las experiencias y los estudios de caso aquí descritos pueden ser muy útiles como materiales de referencia para los gestores de políticas públicas y profesionales expertos en agua y saneamiento. Asimismo, espero que sirvan de estímulo a la acción local para la consecución de sistemas y tecnologías de gestión de aguas residuales asequibles.

Manual de Humedales ArtiďŹ ciales

Prefacio Con el apoyo del Fondo Fiduciario de Agua y Saneamiento, ONU-HABITAT está desarrollando el Programa Agua para las ciudades asiáticas (WAC – por su sigla en inglés-), que está actualmente operativo en India, República Popular China, Nepal, República Democrática Popular de Laos y Vietnam, y en fase de extensión a Camboya, Indonesia y Pakistán. Teniendo como objetivo principal crear un ambiente que promueva la inversión 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 población. En general, estos proyectos piloto tienen como objetivo abordar serios problemas de sanidad ambiental a través de enfoques prácticos orientados a la comunidad. Uno de estos problemas, al que se enfrentan las ciudades asiáticas en pleno proceso de expansión urbanística, es el del tratamiento y gestión seguros de las aguas residuales. Las soluciones tradicionales que hacen uso de las tecnologías avanzadas simplemente no son asequibles o son demasiado complicadas de mantener en la mayoría de las pequeñas y medianas ciudades. Como parte del programa de trabajo “normativo” de WAC, las lecciones aprendidas a través de los proyectos piloto se documentan para que puedan llegar a un público más amplio. Esta publicación sobre el diseño, construcción, operación y mantenimiento de humedales artiﬁciales 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 tecnologías convencionales de tratamiento y gestión de aguas residuales. Se debe destacar, no obstante, que los humedales artiﬁciales presentan limitaciones tales como la falta de terreno o su costo, lo cual puede hacer el proyecto inviable. Del mismo modo, los aspectos climatológicos y los parámetros de aguas residuales pueden afectar su correcto funcionamiento.

Andre Dzikus Director Sección II Agua y Saneamiento División Agua, Saneamiento e Infraestructura del Programa de las Naciones Unidas para los Asentamientos Humanos (ONU-HABITAT)

v Manual de Humedales Artiﬁciales

La coordinación para la elaboración de este manual corrió a cargo del Dr Roshan Shrestha, Consejero técnico principal del Programa Agua para las ciudades asiáticas, en Nepal. El programa también agradece la contribución del Sr Shirish Singh así como de los doctores Guenter Langergraber y Elif Asuman Korkusuz de la Universidad de Recursos Naturales y Ciencias Aplicadas de Viena para la elaboración de este manual.

Manual de Humedales ArtiďŹ ciales

Índice iii Prólogo v Prefacio 1

Capítulo Uno Introducción

Capítulo Dos ¿Qué es un humedal artificial? 2.1 Ventajas de los humedales artificiales 2.2 Limitaciones de los humedales artificiales

5 5

Capítulo Tres Conﬁguraciones de los humedales artiﬁciales 3.1 Flujo horizontal (FH) 3.2 Flujo vertical (FV) 3.3 Híbrido

7 8 9

Capítulo Cuatro

Cómo funciona un humedal artiﬁcial

Capítulo Cinco Diseño de humedales artificiales 5.1 Tratamiento preliminar 5.2 Tratamiento primario 5.2.1 Fosa séptica 5.2.2 Reactor anaeróbico (Fosa séptica mejorada) 5.3 Tamaño del humedal 5.3.1 Dimensión basada en ecuaciones 5.3.2 Dimensión basada en área específica requerida por población equivalente 5.4 Profundidad 5.4.1 Humedal de flujo horizontal 5.4.2 Humedal de flujo vertical 5.5 Área transversal del lecho (sólo para humedales de flujo horizontal) 5.6 Selección del lecho filtrante 5.6.1 Humedal de flujo horizontal 5.6.2 Humedal de flujo vertical

15 16 16 17 18 18 20 21 21 22 22 23 23 24

vii Manual de Humedales Artiﬁciales

53 55

Manual de Humedales Artiﬁciales

viii

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 Vegetación

24 25 26 26 32 33

Capítulo Seis Construcción de humedales artificiales 6.1 Construcción de la cubeta 6.2 Impermeabilización de la cubeta Ensayo de permeabilidad 6.3 Relleno del substrato 6.3.1 Humedales de flujo horizontal 6.3.2 Humedales de flujo vertical 6.3.3 Ensayo de calidad de la arena 6.4 Estructuras de entrada y salida 6.5 La plantación de vegetación 6.6 Manejo del nivel hídrico para el crecimiento de la vegetación

35 35 36 37 37 37 38 39 40 41

Capítulo Siete Operación y Mantenimiento 7.1 Puesta en marcha 7.2 Operaciones rutinarias 7.2.1 Ajuste de los niveles hídricos 7.2.2 Mantenimiento de la uniformidad del caudal 7.2.3 Manejo y cuidado de la vegetación 7.2.4 Control del olor 7.2.5 Mantenimiento de bermas (muros) 7.3 Operaciones a largo plazo

47 47 48 48 48 50 51 51

Capítulo Ocho Humedales artiﬁciales para secado de lodos Capítulo Nueve Estudios de caso 9.1 Tratamiento de aguas residuales de hospital (Hospital Dhulikhel) 9.1.1 Descripción técnica 9.1.2 Rendimiento 9.1.3 Operación y mantenimiento 9.1.4 Costos 9.2 Tratamiento y reutilización de aguas residuales combinadas residenciales y de laboratorio (ENPHO) 9.2.1 Descripción técnica 9.2.2 Rendimiento 9.2.3 Operación y mantenimiento 9.2.4 Costos

55 55 57 58 58 58 58 59 59 61

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

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

Referencias bibliográﬁcas

Anexo - A: Cómo tratar las aguas negras con humedales artiﬁciales: Una perspectiva general de los sistemas franceses

Tablas Principales congresos internacionales Mecanismos de remoción de contaminantes en humedales artificiales Criterios básicos de diseño para fosas sépticas de dos compartimentos Criterios básicos para el diseño de un reactor anaeróbico Lista de acciones quincenales de operación y mantenimiento Lista de acciones bi-mensuales de operación y mantenimiento Lista de acciones anuales de operación y mantenimiento Descripción técnica del humedal artificial del Hospital Dhulikhel Descripción técnica del humedal artificial de ENPHO Descripción técnica del humedal artificial de la Universidad de Katmandú Descripción técnica del humedal artificial de Sunga Concentraciones de contaminantes en Sunga Descripción técnica de humedal artificial de residencia privada

4 12 16 18 51 52 52 56 59 62 65 67 68

ix Manual de Humedales Artiﬁciales

Tabla 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

Figuras Figura 1 Figura 2 Figura 3 Figura 4 Figura 5 Figura 6 Figura 7 Figura 8 Figura 9 Figura 10 Figura 11 Figura 12

Manual de Humedales Artiﬁciales

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 artificial Corte transversal de un humedal artificial de flujo horizontal (FH) Corte transversal de un humedal artificial de flujo vertical (FV) Mecanismo de remoción de contaminantes Transferencia de oxígeno desde las raíces Transformaciones del nitrógeno en humedales artificiales Corte transversal de una fosa séptica de dos compartimentos Corte transversal de un reactor anaeróbico de flujo ascendente Gráfico de KBOD para flujo horizontal versus temperatura a una profundidad de 40 cm del substrato y una porosidad del 40% Gráfico de KBOD para flujo vertical versus temperatura a una profundidad de 70 cm del substrato y una porosidad del 30% Área específica requerida por población equivalente (PE) para humedales FH y FV con descargas específicas de diferentes tipos de aguas residuales Disposición del substrato en un humedal FH Disposición del substrato en un humedal FV Disposición del substrato en un humedal FV Dispositivos de salida Granulometría típica Ensayo de calidad de la arena Efecto de la configuración del humedal en la distribución efectiva del caudal Resultados del ensayo de calidad de la arena Técnica para plantar esquejes de rizomas Perfil del substrato para lechos de secado de lodos Representación esquemática del humedal artificial del Hospital Dhulikhel Rendimiento del humedal artificial del Hospital Dhulikhel desde 1997 a 2006 Representación esquemática del humedal artificial de ENPHO Rendimiento del humedal artificial de ENPHO desde 2002 a 2006 Representación esquemática del humedal artificial de Sunga Rendimiento del humedal artificial de la Universidad de Katmandú desde 2001 a 2006 Representación esquemática del humedal artificial de la Universidad de Katmandú Rendimiento del humedal artificial en Sunga desde agosto de 2006 a agosto de 2007 Representación esquemática de humedal artificial de residencia privada Rendimiento de humedal artificial de residencia privada desde mayo de 1998 a mayo de 2000 Representación esquemática de planta de tratamiento de lixiviados de fosa séptica 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

capítulo UNO

introducción CASI todas las grandes ciudades del mundo han inaugurado el siglo XXI enfrentando una crisis ambiental. Las ciudades no sólo se enfrentan al reto de proveer instalaciones adecuadas de saneamiento a sus residentes (Figura 1), sino que deben asegurarse de que los recursos hídricos disponibles no estén contaminados. El vertido de aguas residuales sin procesar contribuye de forma importante al deterioro de las condiciones de salubridad y a la contaminación de las masas de agua cercanas. Es de esperar que el problema aumente debido al rápido crecimiento urbano, a menos que se tomen las medidas necesarias para controlar y tratar los eﬂuentes. 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 pública en las áreas urbanas de los países industrializados. Sin embargo, el costo de estos sistemas de alcantarillado es bastante alto y, por tanto, inasequible para muchos de los países en desarrollo. Los sistemas centralizados requieren sistemas tradicionales de tratamiento intensivo, tecnológicamente complejos y ﬁnancieramente onerosos. Ello hace que muchas comunidades de los países en desarrollo no puedan permitirse la construcción y operación de estos sistemas tradicionales de tratamiento. Los sistemas alternativos de tratamiento natural, sencillos de construir y operar además de baratos y ambientalmente correctos, parecen ser los más adecuados para estas comunidades.

Porcentaje de población que dispone de mejores condiciones de salubridad

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

Manual de Humedales Artiﬁciales

Los humedales artificiales (CWs – por su sigla en inglés -), una tecnología natural de tratamiento de aguas residuales, de bajo precio, eco-tecnológica y biológica, diseñada con el fin 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 fin pedir que se implementen humedales artificiales para el tratamiento de aguas residuales pero sí que pretende ofrecer una amplia descripción de las cuestiones relacionadas con el tratamiento de aguas residuales por medio de humedales artificiales. El manual ha sido elaborado en formato de guía general para el diseño, construcción, operación y mantenimiento de humedales artificiales para el tratamiento de aguas residuales residenciales e incluye también una introducción al diseño de humedales artificiales para el secado de lodos. El capítulo 2 ofrece una introducción a los humedales artificiales y su desarrollo. En el capítulo 3 se describen las diferentes configuraciones de los humedales artificiales ahondando en las características de los humedales de flujo horizontal (FH) y vertical (FV). El capítulo 4 tiene por objetivo proporcionar un resumen del principio operativo de los humedales artificiales además de una descripción de los mecanismos de remoción de contaminantes específicos. El capítulo 5 ilustra sobre los variados aspectos a ser considerados durante el diseño de un humedal artificial de flujo subsuperficial, mientras que el capítulo 6 se dedica a mostrar los aspectos relacionados con la construcción de los humedales, ilustrándolos mediante fotograf ías. En el capítulo 7 se abordan los aspectos de operación y mantenimiento de los humedales para lograr un funcionamiento adecuado y el capítulo 8 ofrece una introducción al diseño de humedales artificiales para el secado de lodos. Por último, en el capítulo 9 se incluyen seis estudios de caso de humedales artificiales en Nepal para el tratamiento de diferentes tipos de aguas residuales. Cada estudio de caso incluye una descripción de los detalles técnicos, del rendimiento del humedal, de su operación y mantenimiento así como de los costos asociados.

Manual de Humedales Artiﬁciales

capítulo DOS

qué es un humedal artificial? UN HUMEDAL artificial es una cubeta de poca profundidad rellena de algún tipo de material (substrato), generalmente arena o grava, y plantada con vegetación resistente a condiciones de saturación. Las aguas residuales se introducen en la cubeta y fluyen sobre la superficie o a través del substrato y son vertidas fuera de ésta a través de una estructura que controla la profundidad de dichas aguas en el interior del humedal. Un humedal artificial se compone de los siguientes cinco componentes principales: • Cubeta • Substrato o Lecho filtrante • Vegetación • Membrana impermeabilizante • Estructuras de entrada y salida

Vegetación

Entrada Impermeabilizante

Salida Cubeta

Componentes de un humedal artiﬁcial

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 flujo subsuperficial. Este substrato da soporte a las raíces de los mismos tipos de vegetación emergente, plantada en la superficie superior del substrato.

3 Manual de Humedales Artiﬁciales

Substrato o Lecho ﬁltrante

Por medio de sistemas de estructuras de entrada y salida, se consigue que la distribución y recolección de aguas residuales sea homogénea. En caso de que sea importante proteger las aguas subterráneas, se debe usar una membrana impermeabilizante. Desde la década de 1950, se han usado en todo el mundo humedales artificiales con diferentes configuraciones, escalas y diseños para tratar diferentes tipos de aguas residuales de forma efectiva. Los sistemas existentes varían desde aquellos de uso en hogares familiares a sistemas municipales de gran escala. En la actualidad, los humedales artificiales se presentan como sistemas alternativos de tratamiento en áreas rurales de Europa. Más del 95% de estos humedales son de flujo subsuperficial. En los próximos años, se espera que el número de sistemas de este tipo supere los 10.000 solamente en Europa (Platzer, 2000). A pesar de que el potencial para la aplicación de la tecnología de humedales en los países en desarrollo es enorme, su nivel de adopción para el tratamiento de aguas residuales en dichos países ha sido bajo. Algunas de las limitaciones que se han identificado están relacionadas con el hecho de disponer de un conocimiento y experiencia limitados en el diseño y gestión de este tipo de sistema. Debido al enorme potencial de los humedales artificiales para el tratamiento de aguas residuales, se han venido organizando diversos congresos internacionales con el fin de dar a conocer nuevos avances en este campo. Además de otros congresos internacionales, la Asociación Internacional del Agua (IWA- por su sigla en inglés-) organiza el Congreso Internacional sobre sistemas de humedales para el control de la contaminación del agua. En la tabla 1 se muestra la lista de congresos internacionales organizados por IWA.

Principales Congresos Internacionales

CONFERENCIA

FECHA

1er. Congreso Internacional sobre sistemas de humedales para el control de la contaminación del agua,

1988, Chattanooga,

Estados Unidos de América

2do. Congreso Internacional sobre sistemas de humedales para el control de la contaminación del agua,

24 al 28 de septiembre de 1990,

Cambridge, Reino Unido

3er. Congreso Internacional sobre sistemas de humedales para el control de la contaminación del agua,

30 de noviembre al 3 de diciembre de 1992,

Sydney, Australia

4to. Congreso Internacional sobre sistemas de humedales para el control de la contaminación del agua,

6 al 10 de noviembre de 1994,

Guangzhou, República Popular China

5to. Congreso Internacional sobre sistemas de humedales para el control de la contaminación del agua,

15 al 19 de septiembre de 1996

Viena, Austria

Manual de Humedales Artiﬁciales

TABLA 1

LUGAR

6to. Congreso Internacional sobre sistemas de humedales para el control de la contaminación del agua,

27 de septiembre al 2 de octubre de 1998,

São Paulo, Brasil

7mo. Congreso Internacional sobre sistemas de humedales para el control de la contaminación del agua,

11 al 16 de noviembre de 2000,

Florida, Estados Unidos de América

8vo. Congreso Internacional sobre sistemas de humedales para el control de la contaminación del agua,

16 al 19 de septiembre de 2002,

Arusha, Tanzania

9no. Congreso Internacional sobre sistemas de humedales para el control de la contaminación del agua,

26 a 30 de septiembre de 2004,

Avignon, Francia

10mo. Congreso Internacional sobre sistemas de humedales para el control de la contaminación del agua,

25 a 29 de septiembre de 2006,

Lisboa, Portugal

11mo. Congreso Internacional sobre sistemas de humedales para el control de la contaminación del agua,

1 al 7 de noviembre de 2008,

Indore, India

2.1

• • • • •

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

2.2 • • •

Limitaciones de los humedales artiﬁciales

requieren un área amplia el tratamiento por medio de humedales puede resultar económico en comparación con otras opciones si existe terreno disponible y asequible aún falta desarrollar los criterios de diseño para diferentes tipos de aguas residuales y climas

5 Manual de Humedales Artiﬁciales

•

Ventajas de los humedales artiﬁciales

Manual de Humedales ArtiďŹ ciales

capítulo TRES

conﬁguraciones de los humedales artiﬁciales

EXISTEN varias configuraciones de diseño de humedales artificiales (Haberl, 1999) y éstas se pueden clasificar de acuerdo a los siguientes elementos: • • • • • • • • •

forma de vida de los macrofitos predominantes (flotantes, emergentes, sumergidos), padrón de flujo en los sistemas de humedales (flujo libre de aguas superficiales, flujo subsuperficial: horizontal y vertical), tipo de configuraciones de las celdas de los humedales (sistemas híbridos, sistemas de fase única, 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 clasificaciones mencionadas anteriormente, en este manual sólo se han considerado los humedales artificiales de flujo subsuperficial. Existen principalmente dos tipos de direcciones de flujo en uso en este tipo de humedales, el flujo horizontal (FH) y el flujo vertical (FV).

Flujo horizontal (FH)

La figura 3 muestra el corte transversal de un humedal artificial de flujo horizontal. Se le denomina humedal FH porque las aguas residuales se descargan a la entrada y fluyen lentamente a través del substrato poroso bajo la superficie del lecho siguiendo una trayectoria más o menos horizontal hasta que alcanzan la zona de salida. Durante este trayecto, las aguas residuales entran en contacto con una red de zonas anaeróbicas, aeróbicas y anóxicas. Las zonas aeróbicas se encuentran alrededor de las raíces y rizomas de la vegetación del humedal que liberan oxígeno en el substrato. Durante el paso de las aguas residuales a través de la rizosfera, éstas se limpian mediante degradación microbiológica y diferentes procesos f ísicos y químicos (Cooper et al. 1996). Los humedales FH pueden eliminar de forma efectiva los contaminantes orgánicos (SST, DBO5 y DQO) de las aguas residuales. Debido a la poca transferencia de oxígeno en el

7 Manual de Humedales Artiﬁciales

3.1

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

Tubería de entrada

Zona de tratamiento (arena)

Nivel de agua

Membrana impermeabilizante

Zona de Zona de recolección distribuci’on Tubería vertical (grava) (grava) ajustable Corte transversal de un humedal artiﬁcial de ﬂujo horizontal (Morel y Diener, 2006)

3.2

FIGURA 3

Flujo vertical (FV)

Los humedales artiﬁciales FV están formados por un lecho plano de arena o grava cubierto de arena o grava y vegetación (Figura 4). Las aguas residuales son vertidas en la parte superior y se ﬁltran a través 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

Tuberías de distribución Manual de Humedales Artiﬁciales

Grava Arena

Membrana impermeabilizante

Tuberías de drenaje

Corte transversal de un humedal artiﬁcial de ﬂujo vertical (Morel y Diener, 2006)

FIGURA 4

inundan la superficie. El líquido drena gradualmente hacia abajo a través del lecho y es recogido por una red de drenaje situada en la base. El lecho drena completamente hasta quedar libre de líquido, lo que posibilita que haya de nuevo aire. La siguiente dosis de líquido atrapa este aire y junto con a la aireación causada por la rápida presencia de líquido en el lecho, genera una buena transferencia de oxígeno posibilitando, por tanto, la nitrificación. La difusión del oxígeno del aire generado por el sistema de descargas intermitentes contribuye en mayor medida a la oxigenación del lecho de filtrado en comparación con la transferencia de oxígeno por medio de la planta. Platzer (1998) demostró que el sistema de descargas intermitentes ofrece una transferencia potencial de oxígeno de 23 a 64 g O2.m-2.d-1 mientras que Brix (1997) mostró que la transferencia de oxígeno a través de la planta (especies comunes de juncos) ofrece una transferencia potencial de oxígeno al área de la raíz de 2 g O2.m-2.d-1, que es utilizada principalmente por las propias raíces y rizomas. La última generación de humedales artificiales ha sido desarrollada haciendo uso del sistema de flujo vertical con cargas intermitentes. Los motivos del creciente interés en el uso de este tipo de sistemas son principalmente: • • •

presentan una mayor capacidad de transferencia de oxígeno dando como resultado una buena nitriﬁcación; son considerablemente más pequeños que los sistemas FH, pueden eliminar eﬁcientemente DBO5, DQO y los patógenos.

3.3

Híbrido

Los humedales FH funcionan bien en el caso de la remoción de DBO5 y SST para el tratamiento secundario de aguas residuales, pero no es así en el caso de la nitrificación debido a su limitada capacidad de transferencia de oxígeno. Como resultado, ha crecido el interés por los humedales FV ya que éstos tienen una capacidad mucho mayor de transferencia de oxígeno y ocupan un área considerablemente menor que los humedales FH. No obstante, los humedales FV también tienen sus limitaciones tales como una menor eficacia en la remoción de sólidos. Del mismo modo, pueden obstruirse si la selección de suelos no es la adecuada. Debido a estas razones, el interés por los humedales combinados (híbridos) 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 finalidad, los humedales híbridos podrían ser humedales FH seguidos por un humedal FV o viceversa. Manual de Humedales Artificiales

Manual de Humedales ArtiďŹ ciales

capítulo CUATRO

cómo funciona un humedal artificial UN HUMEDAL artificial es un complejo entramado de aguas residuales, substrato y vegetación además de una selección de microorganismos (fundamentalmente bacterias). La vegetación juega un papel fundamental ya que proporciona una superficie y un medioambiente apropiados tanto para el crecimiento de los microbios como para la filtración. La remoción de los contaminantes dentro de los humedales se logra por medio de varios complejos procesos f ísicos, químicos y biológicos, tal y como se muestra en la Figura 5. Plantas acuáticas

Volatilización

Entrada de aguas residuales

Contaminante

Filtración y adsorción

Degradación bacteriana

Sedimentación, precipitación y adsorción

Sedimentos Mecanismos de remoción de contaminantes (adaptado de Wetlands International, 2003)

FIGURA 5

Los mecanismos de remoción de contaminantes en los humedales artiﬁciales se presentan en la Tabla 2.

Manual de Humedales Artiﬁciales

Metabolismo de la planta

TABLA 2

Mecanismos de remoción de contaminantes en humedales artiﬁciales (Cooper et al., 1996)

COMPONENTES DE LAS AGUAS RESIDUALES

MECANISMOS DE REMOCIÓN

Sólidos en suspensión

Sedimentación Filtración

Orgánicos solubles

Degradación microbiana aeróbica Degradación microbiana anaeróbica

Fósforo

Adsorción de la matriz Absorción por la planta

Nitrógeno

Amonificación seguida por nitrificación microbiana Desnitrificación Absorción por la planta Adsorción de la matriz Volatilización del amoniaco (principalmente en sistemas de flujo superficial)

Metales

Adsorción e intercambio catiónico Complexación Precipitación Absorción por la planta Oxidación/reducción microbiana

Patógenos

Sedimentación Filtración Degradación natural Depredación Irradiación UV (sistemas de flujo superficial) Excreción de antibióticos por las raíces de los macrofitos

Tanto los sólidos en suspensión como los sedimentados que no son eliminados en el tratamiento primario son eliminados de forma efectiva en el humedal mediante ﬁltración y sedimentación. Las partículas se sedimentan en microceldas estáticas o son forzadas por restricciones de caudal. Nuevo brote

Manual de Humedales Artiﬁciales

El crecimiento microbial tanto en suspensión como adherido es responsable de la remoción de compuestos orgánicos solubles, que son degradados biológicamente, tanto de forma aeróbica (en presencia de oxígeno disuelto) como anaeróbica (en ausencia de oxígeno disuelto). El oxígeno requerido para la degradación aeróbica es proporcionado directamente desde la atmósfera por difusión o por liberación desde las raíces de las plantas hacia la rizosfera. No obstante, la transferencia de oxígeno desde las raíces es insigniﬁcante (Figura 6).

Raíz Zona oxidada Oxígeno

Rizoide ampliﬁcado Zona reducida Rizoma

Transferencia de oxígeno desde las raíces (adaptado de Wetlands International, 2003)

FIGURA 6

Los mecanismos para la remoción del fósforo en los humedales artificiales son la adsorción, la complexación y la precipitación, el almacenamiento, la absorción por la planta y la asimilación biótica (Watson et al., 1989). Los mecanismos de remoción del nitrógeno en los humedales artificiales son manuales e incluyen la volatilización, la amonificación, la nitrificación/desnitrificación, la absorción por la planta y la adsorción de la matriz (Figura 7). Uno de los mecanismos importantes en la mayoría de los humedales artificiales es la nitrificación/desnitrificación microbial. El amoniaco se oxida y se transforma en nitrato mediante la acción de bacterias nitrificantes en las zonas aeróbicas. El nitrato se convierte en gas dinitrógeno por medio de bacterias desnitrificantes en zonas anóxicas y anaeróbicas. El proceso de remoción de metales en los humedales artificiales incluye la sedimentación, la filtración, la adsorción, la complexación, la precipitación, el intercambio catiónico, la absorción por la planta y las reacciones mediadas por microbios, especialmente la oxidación (Watson et al., 1989). La adsorción implica la unión de iones de metal a la planta o a la superficie matriz mientras que la presencia de bacterias genera la precipitación de óxidos de metal y sulfuros dentro de los humedales. Algunos tipos de humedales disponen de una alta capacidad para la adsorción directa de metales. Los patógenos son eliminados durante el paso de las aguas residuales a través del sistema, principalmente mediante sedimentación, filtración y adsorción por biomasa. Una vez que estos organismos son atrapados dentro del sistema, su número disminuye rápidamente, principalmente por procesos de degradación natural y depredación (Cooper et. al, 1996).

Volatilización Zona anaeróbica

Absorción de la matriz

Entrada de biomasa Zona anaeróbica Nitriﬁca ción Entradade biomasa

nitr

iﬁc

ció

ació

ca triﬁ

Entrada de biomasa Transformaciones del nitrógeno en humedales artiﬁciales (Cooper et al., 1996)

13 FIGURA 7

Manual de Humedales Artiﬁciales

Des

Manual de Humedales ArtiďŹ ciales

capítulo CINCO

diseño de humedales artificiales ANTES de diseñar un humedal artificial, se debe tener en cuenta que el substrato utilizado se puede llenar rápidamente de desechos, polvo y sedimentos procedentes de las aguas residuales si no se eliminan estos materiales antes de proceder a utilizarlo. Por esta razón, se debe llevar a cabo un tratamiento preliminar/primario con el fin de eliminar estos sedimentos. Sin embargo, algunos sistemas en Francia han obviado las unidades de tratamiento primario y han optado por utilizar humedales artificiales de flujo vertical organizados de tal forma que funcionen en paralelo (Molle et al., 2004). Estos sistemas se encuentran fuera del ámbito de estudio de este manual. No obstante, puede encontrar información al respecto en el artículo de investigación titulado “Cómo tratar las aguas negras mediante humedales artificiales: 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 fracción gruesa de los sólidos de la fase líquida. Tiene como misión preparar las aguas residuales entrantes para su posterior tratamiento en el humedal mediante la reducción o remoción de los elementos problemáticos que podrían impedir la operación o incrementar excesivamente los costos de mantenimiento y de los mecanismos de bombeo – en caso de que los haya -. Estos elementos problemáticos típicos suelen ser los sólidos de gran tamaño, los desechos, el polvo, los olores, etc.

(Se recomienda al lector consultar los libros de texto básicos sobre tratamiento preliminar de aguas residuales.)

15 Manual de Humedales Artiﬁciales

El tratamiento preliminar de aguas residuales está conformado principalmente por un filtro y una cámara de filtrado de polvo. El filtro es un mecanismo con aberturas, generalmente de tamaño uniforme, que se usa para retener los sólidos encontrados en las aguas residuales entrantes a la planta de tratamiento, eliminando así los materiales más gruesos. La cámara de retención de polvo elimina toda clase de polvo, ya sea de arena, grava o cualquier otro material pesado cuya gravedad específica supere la de los sólidos orgánicos presentes en las aguas residuales.

5.2

Tratamiento primario

El tratamiento primario consiste en la separación de la materia suspendida mediante operaciones f ísicas, principalmente la sedimentación. Las aguas residuales sin procesar contienen partículas suspensas más pesadas que el agua. Estas partículas tienden a depositarse por inﬂuencia de la gravedad, especialmente en condiciones de inactividad. El tratamiento primario reduce la cantidad de sólidos en suspensión y de carga orgánica que pasarían al humedal y equilibra la calidad y el caudal de aguas residuales hasta un cierto límite.

5.2.1 Fosa séptica La fosa séptica constituye el tratamiento primario más común utilizado en los humedales artiﬁciales de menor tamaño a nivel mundial. Una fosa séptica de dos compartimentos elimina más sólidos que una de un solo compartimento (Loudon et al., 2005). La ﬁgura 8 muestra el corte transversal de una fosa séptica típica de doble compartimento.

Desechos

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

Manual de Humedales Artiﬁciales

FIGURA 8

Las fosas sépticas, en general, se han de vaciar y limpiar para poder eliminar el lodo. De lo contrario, se producirán eﬂuentes de baja calidad con alta cantidad de contenido sólido en suspensión, lo cual puede afectar de forma negativa al funcionamiento de los humedales artiﬁciales (obstrucción del lecho). Para garantizar una operación continua y efectiva, el material acumulado debe extraerse periódicamente, generalmente cuando la acumulación de lodo y desechos exceda el 30% del volumen líquido de la fosa. En la tabla 3 se muestran los criterios básicos de diseño de una fosa séptica de dos cámaras.

TABLA 3 Criterios básicos de diseño para fosa séptica de dos compartimentos Tiempo de retención hidráulica (TRH) Nivel de acumulación de lodos Volumen de acumulación de lodos y desechos Intervalo para remoción de lodos Volumen del primer compartimento

>12 horas a profundidad máxima del lodo y acumulación máxima de desechos Dependiendo de la tasa de remoción de SST y del ﬂujo de entrada de aguas residuales (70 a 100 litros/persona/año) Nivel de acumulación de lodos multiplicado por el nivel de acumulación de desechos > 1 año 2/3 del volumen total de la fosa

Para obtener mayor información sobre diseños de fosas sépticas, se recomienda consultar los siguientes autores Mara D. (1996), Crites y Tchobanoglous (1998), Sasse L. (1998) o cualquiera de las referencias bibliográﬁcas básicas sobre este tema.

EJEMPLO El ejemplo presentado aquí es un caso general. Calculemos el tamaño de una fosa séptica de dos cámaras para una población de 400 personas con un caudal especíﬁco de aguas residuales de 80 litros diarios por persona. • • • • • • •

Volumen promedio de aguas residuales (Q) = 400 x 80 / 1000 = 32 m3/d Tiempo de retención hidráulica (TRH) = 1,5 días = 36 horas (se supone) Volumen requerido para la fosa séptica = 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 séptica = 2 m (se supone) Ancho de la fosa séptica = 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 séptica se considera de 1,7 m después de restar la medida de 0,3 m correspondiente al borde libre. Compruebe el TRH después de la acumulación de lodo: • Nivel de acumulación de lodo = 70 litros/persona/año • Intervalo para remoción de lodo = 1 año • Volumen de lodo = nivel de acumulación de lodo x número de usuarios x intervalo para remoción de lodo = (70 x 400 x 1)/1000 = 28 m • Volumen disponible para aguas residuales en la fosa séptica = Volumen total– volumen de lodo = 48 – 28 = 20 m • TRH después de acumulación de lodo = Volumen disponible para aguas residuales en la fosa séptica/Volumen promedio de aguas residuales = 20/32 = 0,625 días = 15 horas (Siempre que el TRH > 12 horas, el diseño está correcto)

5.2.2 Reactor Anaeróbico (Fosa séptica mejorada) En los últimos años, se han desarrollado diseños de reactores anaeróbicos (fosas sépticas mejoradas) con el fin de mejorar la eficacia en la remoción de sólidos y contaminantes orgánicos. El principio básico 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 deflectores en la fosa forzando, de esta manera, que las aguas residuales fluyan por debajo y por encima de los deflectores en su trayecto desde la entrada hasta la salida. Las aguas residuales que fluyen de forma ascendente atraviesan el lodo depositado favoreciendo el contacto entre éstas y la biomasa.

Lodos

Corte transversal de un reactor anaeróbico de ﬂujo ascendente (Morel y Diener, 2006)

FIGURA 9

Manual de Humedales Artiﬁciales

Los criterios básicos para el diseño de un reactor anaeróbico se detallan en la Tabla 4.

TABLA 4 Criterios básicos para el diseño de reactores anaeróbicos Tiempo de retención hidráulica Nivel de acumulación de lodos Nivel de acumulación de lodos y desechos Intervalo para remoción de lodos Número de cámaras de ﬂujo ascendente Velocidad máxima de ﬂujo ascendente

>24 horas a profundidad máxima del lodo y acumulación máxima de desechos Dependiendo de la tasa de remoción de SST y del ﬂujo de entrada de aguas residuales (70 a 100 litros/persona/año) Nivel de acumulación de lodos multiplicado por el nivel de acumulación de desechos > 1 año >2 1,4 a 2 m/h

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

5.3

Tamaño del humedal

5.3.1 Dimensión basada en ecuaciones El tamaño del humedal se podría decidir en base a la ecuación de Kickuth:

Ah = • • • • •

Qd (ln Ci – ln Ce) KDBO

Ah = Área de superficie del lecho (m2) Qd = nivel promedio de flujo diario de desechos (m3/d) Ci = concentración de DBO5 en el afluente (mg/l) Ce = concentración de DBO5 en el efluente (mg/l) KDBO = constante de velocidad (m/d)

KDBO es determinada a partir de la fórmula KTdn, donde,

Manual de Humedales Artiﬁciales

• • • • •

KT = K20 (1.06)(T-20) K20 = constante de velocidad a 20 ºC (d-1) T = temperatura de operación del sistema (ºC) d = profundidad de la columna de agua (m) n = porosidad del substrato (porcentaje expresado en forma de fracción)

KDBO depende de la temperatura y el nivel de degradación de DBO generalmente aumenta en un 10% por °C. De esta manera, se espera que la constante de velocidad de reacción para la degradación de DBO sea mayor durante el período de estío que durante el invierno. También se ha reportado que KDBO aumenta a medida que el sistema envejece.

a) KDBO para humedales FH La ﬁgura 10 muestra KDBO para un humedal FH. El gráﬁco se realizó partiendo de la ecuación anteriormente planteada para temperaturas que varían desde 10°C a 25ºC. La profundidad del humedal FH es de 40 cm y la porosidad del substrato es de 40%. Se estableció el valor de K20 a 1.1 d-1.

Temperatura (grados) Gráﬁco 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 ﬁgura 11 muestra KDOB para un humedal FV. El gráﬁco se estableció partiendo de la misma ecuación para humedales FH con temperaturas desde 10 ºC a 25 ºC. La profundidad del humedal FV es de 70 cm y la porosidad del substrato es de 30%. Se estableció el valor de K20 a 1.1 d-1.

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

FIGURA 11

Manual de Humedales Artiﬁciales

5.3.2 Dimensión basada en área especíﬁca requerida por población equivalente (PE)

Área requerida (m2/pe)

La relación entre el área específica requerida y la población equivalente se cumple cuando existe uniformidad en la cantidad y calidad específicas de aguas residuales. En general, se puede confiar en la regla de oro sugerida por diferentes trabajos (dependiendo de las condiciones climáticas). Sin embargo, los costos de inversión tienden a ser más altos debido a los aspectos conservadores de este enfoque. El área específica requerida para humedales artificiales FH y FV se calcula para diferentes descargas concretas de aguas residuales y una cierta cantidad de población. Se establece la contribución de DBO en 40 g DBO/pe.d, 30% de la carga DBO se reduce en el tratamiento primario y la concentración de DBO en el efluente 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 requeriría un área específica de 1 a 2 m2/pe en el caso de humedales FH, mientras que en el caso de humedales FV, se necesitaría un área específica de 0,8 a 1,5 m2/pe. s FH medale u h a r a rea p ad de á Necesid s FV humedale ra a p a re de á Necesidad

Caudal especíﬁco de aguas residuales (litros por persona y día) Área especíﬁca requerida por población equivalente para humedales FH y FV para diferentes descargas de aguas residuales

FIGURA 12

Tomando en consideración los casos de Nepal, se ha de resaltar que el área específica requerida presentada en el gráfico 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 específicas de aguas residuales son mayores. Manual de Humedales Artificiales

EJEMPLO El ejemplo aquí presentado es un caso general. El proyectista ha de tomar en cuenta las circunstancias y estándares locales. Calculemos el tamaño de un humedal artificial para una población de 400 personas con un caudal específico de aguas residuales de 80 litros por persona y por día. • Volumen promedio de aguas residuales (Q) = 400 x 80 / 1000 = 32 m3/d Para determinar la concentración de DBO5 en el afluente, se debe analizar una muestra del agua residual en un laboratorio certificado. En ausencia de un laboratorio, se puede calcular la concentración de la siguiente manera: • • • • •

Contribución de DBO5 = 40 g DBO5/pe.d Concentración 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 concentración de DBO5 en el aﬂuente sería (Ci) = 350 mg/l Concentración de DBO5 en el eﬂuente sería (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 ecuación a continuación:

Ah = • • • •

5.4

Qd (ln Ci – ln Ce) KDBO

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

Profundidad

En general, la profundidad del substrato en un humedal artificial de flujo subsuperficial se limita aproximadamente a la profundidad de las raíces de la plantas, de tal manera que las plantas estén en contacto con el afluente e influyan en el tratamiento. Sin embargo, se debe tener en cuenta el tiempo de retención hidráulica –TRH (tiempo que las aguas residuales son retenidas en el humedal) a la hora de elegir la profundidad del humedal.

5.4.1 Humedales FH

Se recomienda considerar un promedio de profundidad de 40 cm considerando la precipitación, que podría originar ﬂujo superﬁcial.

21 Manual de Humedales Artiﬁciales

La mayoría 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 diseñado, en general, con lechos de entre 30 y 45 cm de profundidad (Steiner y Watson, 1993). Un estudio experimental llevado a cabo en España mostró que los humedales FH con una profundidad promedio de 27 cm eran más efectivos que los humedales FH con un promedio de profundidad de agua superior a los 50 cm. (García et al., 2004).

5.4.2 Humedales FV Generalmente, para los sistemas FV se consideran profundidades superiores a las consideradas para los sistemas FH. La mayoría 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 (ÖNORM 1997), mientras que en Dinamarca, la profundidad recomendada es de un mínimo de 1 m (Brix, 2004). Los sistemas FV en Nepal se construyeron con alrededor de 1 m de profundidad, pero en la actualidad se están utilizando profundidades menores. En un clima subtropical, es posible incrementar los niveles de carga aplicados por encima de lo que señalan las guías emitidas en Centroeuropa y lograr que se produzca nitriﬁcación 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 nitriﬁcación adecuada, además de favorecer la remoción de contaminantes orgánicos.

5.5

Área transversal del lecho (sólo para humedales de FH)

Las dimensiones del lecho se derivan de la ley de Darcy y deben proporcionar flujo subsuperficial a través de la grava bajo condiciones promedio de flujo. Se han asumido dos aspectos importantes a la hora de aplicar la fórmula: • •

se puede usar el gradiente hidráulico en vez de la pendiente, y la conductividad hidráulica se estabilizará a 10-3 m/s en el humedal establecido.

La ecuación es: Ac = Qs / Kf (dH/ds)

Manual de Humedales Artiﬁciales

• • • •

A = área transversal del lecho (m2) Q = caudal promedio (m3/s) K = conductividad hidráulica del lecho completamente desarrollado (m/s) dH/ds = gradiente del fondo del lecho (m/m)

Para gravas con granulometría graduada se elige generalmente un valor de Kf de 1 x 10-3 a 3 x 10-3 m/s. En la mayoría de los casos, se utiliza un dH/ds de 1%. No existe una regla clara y deﬁnida sobre el ancho óptimo para el humedal. Sin embargo, si supera los 15 m, se recomienda dividir la celda con el ﬁn 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 única celda para facilitar la operación y mantenimiento del humedal.

EJEMPLO Calculemos el área 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 ecuación, • A c = 18.52 m2 Considerando una profundidad del humedal de 0,4 m, el ancho sería 46,30 m. Longitud del humedal = Área /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 ecuación, • Ac = 6,17 m2 Considerando una profundidad del humedal de 0,4 m, el ancho del humedal sería 15,43 m. Proporcionemos un ancho de 15 m. Longitud del humedal = Área/ancho/número de humedales = 524,1/15/3 = 11,6 m En los humedales FV, ya que el flujo es vertical, el ancho y el área transversal del lecho de FV no son establecidos como requisito para mantener el flujo por debajo de la superficie y evitar el flujo superficial.

5.6

Selección del lecho ﬁltrante

Los lechos cumplen diferentes funciones: • son material de enraizamiento para la vegetación, • ayudan a distribuir/recolectar de manera uniforme el caudal en la entrada/salida, • proporcionan área superﬁcial para el crecimiento de los microbios, y • ﬁltran y atrapan las partículas

5.6.1 Humedales FH El tamaño del diámetro de las partículas que conforman los lechos usados en los humedales FH varía desde 0,2 mm a 30 mm (ÖNORM 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).

23 Manual de Humedales Artiﬁciales

Las partículas muy pequeñas tienen una conductividad muy baja y crean un flujo superficial. Las partículas de gran tamaño tienen una conductividad hidráulica muy alta, pero disponen de poca área de superficie húmeda por volumen unitario de hábitat microbial. Un lecho con partículas gruesas y angulares es adverso a la propagación de las raíces. Los materiales de tamaño medio, generalmente caracterizados como gravas, suelen comprometer el buen funcionamiento por lo que se recomienda que sean lavados previamente a su uso ya que así se pueden eliminar arenas finas que podrían bloquear los espacios huecos.

Se recomienda que las partículas de los lechos en las zonas de entrada y salida midan entre 40 y 80 mm de diámetro con el ﬁn 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 remoción de contaminantes con partículas de diferentes tamaños en el rango de 10 a 60 mm (U.S. EPA, 2000). La ﬁgura 13 muestra los tamaños de substrato recomendados, que utiliza partículas de entre 40 y 80 mm en las zonas de entrada y salida y de 5 a 20 mm en la zona de tratamiento. Tubería de entrada Grava de 40 a 80 mm

Grava de 40 a 80 mm

Membrana impermeabilizante

Grava de 5 a 20 mm

Disposición del substrato en un humedal FH

Tubería de salida

FIGURA 13

5.6.2 Humedales FV Las propiedades del substrato o lecho filtrante, d10 (granulometría efectiva), d60 y el coeficiente de uniformidad (el cociente entre d60 y d10) son características importantes a tener en cuenta en su selección. No existe un substrato estándar uniforme para la construcción de humedales FV. Varios libros coinciden en señalar que la granulometría efectiva debería ser 0,2 < d10 < 1,2 mm, el coeficiente de uniformidad de 3 < d60/d10 < 6 y la conductividad hidráulica de Kf 10-3 a 10-4 m/s (Reed et al., 1990, Vymazal et al., 1998, GFA, 1998, Liénard et al., 2000, Brix, H., 2004, Korkusuz, E.A., 2005). Los lechos de filtrado usados en el Hospital Dhulikhel tenían un d10 = 0,4 mm y un d60/d10 = 1,5 (Shrestha R.R., 1999). El nivel de descenso de la permeabilidad en afluentes de características similares con sólidos en suspensión es mayor para los medios porosos con tamaños de poros más pequeños. En comparación con la grava, las arenas muestran una disminución relativamente más rápida de su permeabilidad debido a los efectos de la acumulación de sedimentos en la superficie. Sin embargo, la profundidad de las obstrucciones es mayor en caso de tamaños mayores de partículas (Walker, 2006). Manual de Humedales Artificiales

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 ﬁgura 14 se muestra la disposición del substrato o lecho ﬁltrante.

5.7

Gradiente del lecho

La superﬁcie superior del lecho debe ser uniforme o casi uniforme con el ﬁn de facilitar la plantación y la rutina de mantenimiento. En teoría, el gradiente inferior debe coincidir con el gradiente del nivel hídrico 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

Disposición del substrato en un humedal FV

FIGURA 14

lo largo del lecho. Lo más práctico sería lograr que el fondo forme un gradiente uniforme a lo largo de la dirección del ﬂujo desde la entrada hasta la salida, facilitando de esta manera el drenaje cuando sea necesario hacer el mantenimiento. No se ha investigado cuál sería el gradiente óptimo, no obstante, se recomienda que sea de 0,5% a 1% para facilitar tanto la construcción como el drenaje correcto.

5.8

Sellado del lecho

Los humedales de flujo subsuperficial que proporcionen tratamiento secundario deben impermeabilizarse con el fin de evitar el contacto directo entre las aguas residuales y las aguas subterráneas. 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, suficiente para conseguir la permeabilidad necesaria. El grosor de las membranas depende de la permeabilidad del suelo. En la Guía Europea (Cooper, 1990) se advierte que si el suelo local tiene una conductividad hidráulica de 10-8 m/s o inferior, es probable que contenga alto contenido arcilloso y, por tanto, se “encharque” fácilmente y proporcione un sellado adecuado para el lecho. Como norma general, se pueden utilizar estas interpretaciones para los valores del coeficiente de permeabilidad obtenidos in situ:

• k>10-7m/s: • •

k<10-8 m/s: k<10-9 m/s:

el suelo es demasiado permeable debiéndose impermeabilizar los humedales; puede ocurrir ﬁltración pero no la suﬁciente como para evitar que los humedales dejen de estar anegados; los humedales se sellarán de forma natural; no hay riesgo de contaminación de las aguas subterráneas (si k>10-9 m/s y las aguas subterráneas se utilizan para suministro de uso potable, será necesario realizar estudios hidrogeológicos más detallados).

El suelo podría mezclarse con cemento Portland común (8 kg/m2) para disminuir la permeabilidad y hacer que se compacte con el objeto de sellar los humedales. En los países desarrollados se ha utilizado la bentonita mezclada y compactada con suelos locales.

25 Manual de Humedales Artiﬁciales

• k>10-6m/s:

Otros impermeabilizantes sintéticos incluyen: • Cloruro de polivinilo (PVC) • Polietileno (PE) • Polipropileno Las membranas impermeabilizantes se deben seleccionar en base a su disponibilidad y rentabilidad. Para lograr instalar la membrana con éxito, es crucial preparar el substrato evitando que éste contenga materiales que puedan perforarla.

5.9 Estructuras de entrada y salida Las estructuras de entrada y salida distribuyen el caudal y controlan su trayectoria a través del humedal, así como la profundidad del agua. Las múltiples estructuras de entrada y salida ubicadas a cada extremo del humedal son esenciales para asegurar la distribución uniforme del aﬂuente a través del humedal. Estas estructuras ayudan a evitar las “zonas muertas” donde el nivel de intercambio de agua es bajo, dando como resultado tiempos de detención de las aguas residuales mucho menores que los señalados en teoría. La estructura de entrada debe diseñarse para minimizar el posible corto circuito y la obstrucción de los suelos así como para maximizar la distribución constante del caudal, mientras que la estructura de salida debe diseñarse para minimizar el posible corto circuito, maximizar la recolección constante del caudal y permitir que el operario varíe el nivel hídrico operativo, pudiendo así drenar el lecho.

5.9.1 Entradas

Manual de Humedales Artiﬁciales

Las estructuras de entrada en los humedales subsuperficiales incluyen colectores superficiales y subsuperficiales tales como una tubería perforada, zanjas abiertas perpendiculares a la dirección del flujo, etc. Una única entrada no sería adecuada para una celda amplia pues no se lograría un flujo uniforme a través de toda la celda. En general, se usan colectores perforados o ranurados que recorren todo el humedal a lo ancho. El tamaño de los colectores, el diámetro de los orificios y el espacio entre éstos depende de la velocidad del caudal considerada en el diseño. Siempre que sea posible, se debe instalar el colector de entrada en una ubicación que esté al alcance del operario para que, en caso de ser necesario, éste pueda proceder al ajuste del caudal y al mantenimiento. Un colector subsuperficial evita la formación de limos y algas y la consecuente obstrucción que puede producirse cerca de los colectores superficiales. Sin embargo, sería dif ícil ajustarlo y proceder a su mantenimiento. a) Humedales FH En los humedales FH, el propósito es lograr una distribución uniforme a través de toda el área transversal del borde de entrada del lecho. En la mayoría de los lechos, el flujo se distribuye hacia una zona de entrada de roca, compuesta por rocas de granulometría graduada. En la figura 15 se muestran ejemplos de diseños de entradas en humedales FH.

Vaciado (ambos extremos) Válvula de control Grava

VISTA EN SECCIÓN

Vaciado VISTA EN PLANTA

a) Tubería perforada sumergida

Desechos depositados o efluente

Lecho de carrizos/juncos 0,5m Gabión de malla metálica con rocas de 60 a 100mm VISTA EN PLANTA

Membrana impermeabilizante

VISTA EN SECCIÓN

b) Alimentación del gabión

Gabiones de malla metálica

Superﬁcie a nivel Cobertura de suelo sobre la membrana impermeabilizante Tubería de PVC

T basculante

T de 90° con sellos en forma de anillo"O" VISTA EN PLANTA

Relleno con rocas

0,5m Membrana Gabión de malla metálica impermeabilizante (opcional) con rocas de 60 a VISTA EN SECCIÓN 100mm

Entrada

c) T basculante

Ejemplos de diseños de entradas en humedales artiﬁciales FH (U.S. EPA, 2000) FIG

FIGURA 15

Manual de Humedales Artiﬁciales

Lecho de carrizos/juncos

Las fotografías 1 a 6 muestran los diferentes tipos de sistemas de entrada de FH.

Entrada con tubería perforada

FOTO 1

Entrada con tubería ranurada

FOTO 2

Manual de Humedales Artiﬁciales

Entrada con canaleta (Cooper et al., 1996)

FOTO 3

Entrada con canaleta – primer plano (Cooper et al., 1996)

FOTO 4

Entrada con gabión (Cooper et al., 1996)

FOTO 5

Entrada con tubería sumergida – cuello de tubería con corte en V (Cooper et al., 1996)

FOTO 6

Manual de Humedales Artiﬁciales

b) Humedales FV En los humedales FV es fundamental lograr una distribución uniforme por toda el área del lecho. Las estructuras para humedales FV se componen de un tanque de alimentación intermitente con una red de distribución. Las fotos 7 y 8 muestran el funcionamiento de un sifón hidromecánico utilizado para la alimentación intermitente. En este sistema la alimentación del agua hacia los lechos se mantiene por el nivel hídrico. Cuando el nivel de agua alcanza cierta altura dentro del tanque, un tapón impide que el cubo se eleve. El nivel de agua sube y se llena el cubo. Al pesar, éste se hunde y el agua procedente del tanque de alimentación inunda el lecho. Cuando el lecho se llena de cierta cantidad de agua, ésta deja de entrar. El agua que queda en el cubo sale debido a la presión ejercida por el sifón y se queda dentro del tanque hasta que se llena de agua de nuevo. Algunos humedales han usado una red de tuberías con oriﬁcios orientados hacia abajo. Los extremos de la tubería deben sobresalir de tal manera que el aire pueda pasar durante la descarga al igual que para asegurar la distribución homogénea de las aguas residuales. Otros humedales han utilizado hoyas o canaletas con desbordamientos por cada lado. En las fotos 9 a 11 se muestran los diseños de entradas de FV.

Tanque de alimentación y mecanismo – Nivel óptimo de agua en el tanque para llenar el cubo (Shrestha, R.R., 1999)

FOTO 7

Manual de Humedales Artiﬁciales

30 Tanque de alimentación y mecanismo – El cubo se hunde y el agua inunda el lecho (Shrestha R.R., 1999)

FOTO 8

Entrada con red de tuberías y tubería principal en el centro

FOTO 9

Entrada con red de tuberías y tubería principal en la orilla.

FOTO 10

Canal de distribución (Cooper et al., 1996)

FOTO 11

Manual de Humedales Artiﬁciales

5.9.2 Salidas Las estructuras de salida ayudan a mantener uniforme el caudal a través del humedal así como a controlar la profundidad operativa. El diseño de humedales de flujo subsuperficial debe permitir una inundación controlada a 15 cm para promover un crecimiento deseable de plantas y controlar la maleza. El uso de una estructura de salida ajustable - recomendado para mantener un gradiente hidráulico adecuado en el lecho - puede beneficiar significativamente tanto la operación como el mantenimiento del humedal. Un colector subsuperficial perforado conectado a una salida ajustable ofrece una máxima flexibilidad y fiabilidad como mecanismos para humedales de flujo subsuperficial. Estos mecanismos pueden ser una compuerta ajustable, una serie de maderos o un codo basculante. La figura 16 y las fotograf ías 12 a 14 muestran diferentes tipos de estructuras de salida. Compuerta ajustable

Compuerta ajustable

Filtro de desechos

Salida

Salida VISTA EN PLANTA a) Compuerta ajustable Gabión de malla metálica (opcional) con rocas de 60 a 100 mm

VISTA EN SECCIÓN Gabión de malla metálica (opcional) con rocas de 60 a 100 mm Nivel de agua

Nivel de agua Colector de Membrana tubería ranurada impermeabilizante VISTA EN SECCIÓN

b) Sección intercambiable

Sección intercambiable de tuberías que se ajustan al conector con anillo sellante

Colector de tubería ranurada

Junta de anillo "O" VISTA EN SECCIÓN

c) Estructura en codo de 90° Mecanismos de salida (U.S. EPA, 2000)

FIGURA 16

Manual de Humedales Artiﬁciales

Salida en codo

FOTO 12

Salida con codo basculante (Cooper et al., 1996)

FOTO 13

Salida con tubería ﬂexible (Cooper et al., 1996)

FOTO 14 La mayoría de los sistemas FH disponen de una tubería de drenaje perforada anexada a una zona de drenaje de 0,5 m de ancho, rellena de rocas grandes bien graduadas. Esta tubería conduce a un sumidero donde el nivel de agua es controlado ya sea por un codo basculante o por una tubería conectada. Para sistemas de menor tamaño se utiliza una alternativa más barata; una tubería plástica ﬂexible que puede mantenerse en posición mediante una cadena o una cuerda.

5.10 Vegetación La vegetación y sus restos son necesarios para el rendimiento exitoso de los humedales artiﬁciales, contribuyendo además a darles una apariencia estética. Hay una serie de

33 Manual de Humedales Artiﬁciales

En los sistemas FV, el sistema de recolección puede consistir en una red de tuberías de drenaje rodeada por rocas de gran tamaño. La tubería de drenaje llevará a un sumidero de recolección que facilitará el drenaje total del lecho vertical.

criterios que la vegetación a ser plantada en los humedales artiﬁciales ha de cumplir: • • • • • • • •

Utilización de especies de macrofitos locales predominantes Penetración profunda de las raíces Rizomas fuertes y raíces fibrosas en gran cantidad Considerable biomasa o densidad de tallo para lograr la máxima transferencia de agua Asimilación de nutrientes Área superficial máxima para poblaciones microbianas Transporte eficiente de oxígeno hacia la zona de raíces para facilitar la oxidación de metales tóxicos reducidos y soporte de una amplia rizosfera.

Las fotograf ías 15 y 16 muestran dos especies, Phragmites sp. y Typha sp., ampliamente usadas en los humedales artiﬁciales. Phragmites karka y P. australis (Carrizo común) es una de las especies de humedales más productivas, extendidas y variables del mundo. Debido a su tolerancia climática y a su rápido crecimiento es la especie predominante en los humedales artiﬁciales.

Phragmites karka (carrizo común)

FOTO 15

Manual de Humedales Artiﬁciales

Junco – typha angustifolia (Wetlands International, 2003)

FOTO 16

capítulo SEIS

construcción de humedales artificiales LA CONSTRUCCIÓN de humedales artificiales implica, en primer lugar, la construcción de la cubeta (movimiento, excavación, nivelación y compactación del terreno y construcción de bermas/muros), la impermeabilización, el relleno con substratos, la construcción de estructuras de entrada y salida y la plantación de vegetación. Esta última es una actividad exclusiva de los humedales artificiales. En esta sección pretendemos ofrecer una guía sobre estos aspectos especiales y exclusivos de la construcción de humedales.

Construcción de la cubeta

Para la construcción de la cubeta, se aplican los procedimientos y técnicas estándares utilizados en ingeniería civil, que incluyen trabajos de preparación del terreno, excavación, nivelación y compactación de este. Es deseable que haya un equilibrio a la hora de excavar, extraer y rellenar el emplazamiento con el objeto de evitar préstamos de canteras alejadas o de tener que disponer de suelo extra. Si existe en el lugar seleccionado suelo de calidad para la agricultura, se debería extraer y apilar. Es importante que la compactación de la base sea uniforme para proteger la integridad de la membrana de posteriores actividades de construcción (por ejemplo, la colocación de la membrana impermeabilizante, el depósito de grava, etc.) así como de la tensión a la hora de rellenar el humedal. La mayoría de los humedales se construye de forma nivelada o con una ligera pendiente de alrededor de 1% en la dirección del caudal. Las bermas deben construirse en conformidad con las consideraciones geotécnicas estándar. Se debe proporcionar una cantidad adecuada de borde libre que pueda contener una cierta cantidad de precipitación de tormenta. Las fotograf ías 17 a 21 muestran la construcción de la cubeta.

6.2

Impermeabilización de la cubeta

Es necesario impermeabilizar la cubeta en caso de que la permeabilidad del suelo sea superior a 10-6 m/s. Se debe seleccionar la membrana atendiendo a los aspectos de disponibilidad y costo. Hay que tomar cuidado con el ﬁn de evitar que ésta se perfore durante la colocación y las posteriores actividades de construcción. Si la base contiene rocas angulares, se debe colocar una capa de arena por debajo de la membrana y nivelarla. La fotograf ía 22 muestra la membrana impermeabilizante de la cubeta.

35 Manual de Humedales Artiﬁciales

6.1

Método in-situ (en campo) a escala reducida para determinar la permeabilidad El método abarca dos grupos: el utilizado para determinar la permeabilidad del substrato por encima de la napa freática y, por otro lado, el usado para determinar la permeabilidad del substrato por debajo de la napa freática. Por encima de la napa freática, el suelo no está saturado. Para medir la conductividad hidráulica saturada, se debe verter el agua necesaria para conseguir condiciones cercanas a la saturación. Este método se llama “método de estándar nivel de referencia infiltración”. Por debajo de la napa freática, el suelo cinta está saturado por definición. Por tanto, tan sólo métrica con hace falta extraer agua del suelo, creando un pozo superficie flotador del suelo y observar la velocidad del flujo de agua hacia el pozo junto con la carga hidráulica inducida. Este método se denomina “método de extracción”. capa freática

Método de extracción Se perfora un pozo en el suelo hasta una cierta profundidad por debajo de la napa freática. Una vez que el agua dentro del pozo se nivele con el agua subterránea, se extrae una parte para lograr que el agua subterránea comience a ﬁltrarse dentro del pozo y así poder medir la velocidad a la que va subiendo. La conductividad hidráulica del suelo se calcula utilizando la siguiente fórmula:

capa impermeable

K = C x (H0 – Ht)/t

Manual de Humedales Artiﬁciales

donde, • K = conductividad hidráulica del suelo saturado (m/d) • C = factor dependiente de la profundidad de la capa impermeable situada por debajo de la parte inferior del pozo y de la profundidad promedio del nivel de agua en el pozo por debajo de la napa freática • t = tiempo transcurrido desde la primera medición del nivel de elevación del agua en el pozo • Ht = profundidad del nivel de agua en el pozo de monitoreo por debajo del nivel de referencia en un tiempo t (cm) • H0 = Ht cuando t = 0 Cuando D > ½ D2, entonces •

C = (4000 x r/h’)/((20 + D2/r) x (2 – h’/D2)

Cuando D = 0, entonces •

C = (3600 x r/h’)/((10 + D2/r) x (2 – h’/D2)

Método de infiltración Se 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 estándar nivel de referencia varias veces hasta que el suelo circundante se cinta sature a una distancia considerable y se logre métrica con que la infiltración (velocidad) se mantenga a superficie flotador del suelo un valor más o menos constante. Después del último vertido de agua en el pozo, se mide la velocidad de descenso del nivel de agua. Los datos obtenidos (h+ ½r y t) se trazan en papel semi-logarítmico. La gráfica debe producir una línea recta. Si la línea es curva, se ha de continuar mojando el suelo hasta que la gráfica muestre una línea recta. Con cualquier de los dos pares de valores de h+ ½r y t, el valor de K se puede calcular de acuerdo a esta ecuación: K = 1,15r ((log(h0 + ½r) – log(ht + ½r)/(t – t0) donde, • t = tiempo desde el inicio de la medición (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 comenzará 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 ﬁnos que pudieran bloquear los espacios libres, lo cual contribuiría a la obstrucción del substrato. Es preferible el substrato de cantos rodados al substrato triturado angular debido a que el primero queda más suelto creando más espacios.

6.3.1 Humedales FH

6.3.2 Humedales FV Antes de disponer los substratos en un humedal FV, se deben marcar adecuadamente las capas de substrato de diferente tamaño dentro de la cubeta. Se deben lavar para eliminar las partículas indeseadas y disponer una red de recolección en la base de acuerdo al diseño,

37 Manual de Humedales Artiﬁciales

Antes de disponer los substratos, se deben dividir las zonas de entrada y salida. Se han de deﬁnir 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 así como en la de tratamiento. La fotograf ía 23 muestra la disposición de substratos en un humedal FH.

antes de colocarlos. Se comenzará 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 análisis granulométrico y la determinación de la conductividad hidráulica. La granulometría adecuada para humedales artiﬁciales FV se muestra en la ﬁgura 17. A falta de un laboratorio acreditado, la calidad de la arena se puede determinar mediante el ensayo de calidad de la arena.

Partículas de lodo partículas de limo ﬁno

medio

partículas de arena

grueso

ﬁno

medio

grueso

partículas de arena gruesa ﬁno

medio

roca

grueso

Granulometría > d en G%

ﬁnos

Partículas del ﬁltro

Diámetro de la partícula en mm Granulometría (Guía alemana ATV – gráﬁco de AKUT)

FIGURA 17

Ensayo de calidad de la arena

Manual de Humedales Artiﬁciales

Se coloca una tubería de PVC de 300 mm de longitud y 110 mm de diámetro 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 figura 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 continuación, se vierten 500 ml de agua del caño dentro de la tubería, pero sin provocar demasiadas alteraciones en la superficie de arena y se mide el tiempo que tarda en drenar completamente. Tan pronto el líquido haya drenado, se vierten otros 500 ml de agua y se vuelve a medir el tiempo. Esto se repetirá hasta que el tiempo se nivele. A continuación se puede representar el tiempo como se muestra en la figura 19.

500ml de agua 100mm tubería 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

Tiempo en drenar (segundos)

Ensayo de arena

Límite

Fallo <1 semana Arena de río – prueba satisfactoria Arena ﬁltrada Arena de concreto, Hereford Suelo arenoso, Aberdeen Arena gruesa y angular lavada, Aberdeen Sistema II Oaklands Park – arena gruesa y angular lavada Arena gruesa, Devon

Número de dosis

Resultados del ensayo de calidad de la arena (Cooper et al., 1996)

FIGURA 19

El gráﬁco muestra resultados para algunos tipos de arena usados por Grant y Moodie (1996) y da una idea de la gama de arenas adecuadas. Las muestras a y d son claramente inadecuadas. La muestra e está cerca del límite de adecuación lo que puede implicar un riesgo. La muestra c es claramente la mejor y las muestras b, g y h son satisfactorias. Las arenas que drenan entre 50 y 150 segundos por 500 ml (una vez saturadas) son satisfactorias. Las fotograf ías 25 a 27 muestran el relleno de substratos en un humedal FV.

Estructuras de entrada y salida

6.4

Se deben colocar estructuras de entrada y salida, tal y como se menciona en el capítulo 5.9, de acuerdo al diseño. Las tuberías de entrada y salida de los humedales FH deben disponerse perpendicularmente al caudal en el humedal. La figura 20 muestra la disposición de los mecanismos de entrada y salida en un humedal artificial FH. Los orificios de distribución en la red de entrada para humedales FV deben colocarse así para garantizar la distribución homogénea de las aguas residuales por toda el área del humedal. De forma similar, la red de salida debe colocarse de esta manera para garantizar que no se produce corto circuito dentro del humedal. Las fotograf ías 24, 25 y 29 muestran la construcción de estructuras de entrada y salida. Salida Plantas del humedal

a) MALO: Canal de ﬂujo preferencial desde la entrada a la salida

b) REGULAR: Amplias zonas muertas en las esquinas, no en la trayectoria del ﬂujo

c) BUENO: Tubería principal con múltiples salidas y tubería de pie en zanja rellena de rocas con única tubería de salida

d) MEJOR: Múltiples entradas y diques de control de ﬂujo

Efecto de la conﬁguración del humedal en la distribución efectiva del caudal (Departamento de Agricultura de los Estados Unidos, U.S.D.A. – por su sigla en inglés -,2002)

FIGURA 20

Manual de Humedales Artiﬁciales

Entrada

6.5

La plantación de vegetación

Establecer cómo plantar la vegetación es probablemente el aspecto menos familiar de la construcción de humedales. Se puede conseguir que crezca vegetación en el humedal de diferentes formas: transplantando raíces, rizomas, tubérculos, semillas o plantas ya crecidas; esparciendo semillas compradas o de otros lugares; importando substrato y su banco de semillas desde humedales cercanos o conﬁando completamente en el banco de semillas del emplazamiento original. La mayoría de los humedales se plantan con matas o esquejes de rizomas extraídos de humedales naturales. La propagación de semillas y el trasplante de plantas ya existentes son cada vez más populares. Las dos principales técnicas para la plantación de rizomas son: • Plantar matas • Plantar esquejes Se pueden extraer matas de una zona de juncos sin provocar daños importantes al humedal existente. Para humedales pequeños, se puede cavar con una pala, pero en el caso de proyectos a gran escala es necesario disponer de una excavadora. Las matas no pueden apilarse cuando sean transportadas o almacenadas, pues esto dañaría los tallos. El espacio entre plantas dependerá del tamaño de las matas obtenidas. Con la plantación de un 1 m2 de matas a intervalos de 10 m o de matas más pequeñas en 1 o 2 m2 se debe conseguir una cobertura completa en un año dependiendo de la tasa de mortalidad (Cooper et. al., 1996). Los esquejes de rizomas se pueden obtener de humedales existentes o de viveros. Deben plantarse las matas de rizomas no dañadas de aproximadamente 100 mm de largo con al menos un internódulo y un brote lateral o terminal. A la hora de plantar los rizomas, se debe hacer con un extremo aproximadamente hasta la mitad bajo la superﬁcie del medio y el otro extremo expuesto al aire. El intervalo entre rizomas debe ser de alrededor de 4 rizomas por m2. Las fotograf ías 24 a 29 muestran el humedal recién plantado, mientras que las fotograf ías 30 y 31 muestran el humedal después del crecimiento de la vegetación.

Internódulo sin dañar Brote lateral Nódulos

Manual de Humedales Artiﬁciales

40 a) Extraer rizomas con una pala o recogerlos de entre las pilas de rizomas dañados a inicios de la primavera

b) Seleccionar los rizomas con un internódulo no dañado y dos nódulos con brotes laterales. Cortar el excedente dañado. También se pueden usar los rizomas con un brote al término

c) Plante casi en horizontal – 45° de ángulo, de tal manera que al menos un nódulo esté enterrado casi 4 cm. Plante a principios de la primavera aproximadamente 4 esquejes/m2

d) Inunde superﬁcialmente (2 a 5cm) asegurándose de que el esqueje queda por encima del agua superﬁcial. Los brotes aparecerán a principios del verano

Técnica para plantar esquejes de rizoma (Hawke y Jose, 1996)

FIGURA 21

6.6

Manejo del nivel hídrico para el crecimiento de la vegetación

Se recomienda dejar que las plantas se desarrollen bien antes de introducir aguas residuales al sistema; las plantas necesitan una oportunidad de superar la tensión de la plantación antes de que se las someta a otras tensiones. Puede que también sea necesario un incremento gradual en la concentración de residuo aplicado. Para que las plantas arraiguen profundamente, el nivel de agua desde el principio no debe ser demasiado alto. Demasiada agua crea más problemas para las plantas de humedales durante la primera fase de crecimiento que su falta debido a que las raíces no reciben la cantidad adecuada de oxígeno. Las especies emergentes deben plantarse en un substrato húmedo (pero no inundado) debiéndose dejar que crezcan lo suﬁciente como para dar tallos con hojas. Las fotograf ías mostradas a continuación ilustran la construcción de humedales artiﬁciales en Sunga, Municipio de Thimi, Nepal.

Una vista del lugar escogido para el humedal artiﬁcial. Estaba siendo usado como basural de residuos sólidos.

FOTO 17

Limpieza del sitio, trabajos de preparación del terreno y excavación en proceso

FOTO 18

Manual de Humedales Artiﬁciales

Compactación de la base

FOTO 19

Construcción de las paredes de la cubeta

FOTO 20

Manual de Humedales Artiﬁciales

Cubeta lista para la impermeabilización y relleno de substrato

FOTO 21

Colocación de membrana impermeabilizante en la cubeta

FOTO 22

Relleno de substrato en humedales de ﬂujo horizontal (observe las zonas de entrada y salida)

FOTO 23

Humedal artiﬁcial de ﬂujo horizontal después de plantar la vegetación

FOTO 24

Manual de Humedales Artiﬁciales

Instalación de la red de recolección y relleno de substrato (capa de drenaje) en humedales artiﬁciales de ﬂujo vertical

FOTO 25

Relleno de substrato (capa principal) en humedales artiﬁciales de ﬂujo vertical

FOTO 26

Manual de Humedales Artiﬁciales

44 Relleno de substrato (capa de protección) en humedales artiﬁciales de ﬂujo vertical

FOTO 27

Relleno de substrato completo en humedales artiﬁciales de ﬂujo vertical

FOTO 28

Humedal artiﬁcial de ﬂujo vertical después de colocar la red de distribución de salida y plantar la vegetación

FOTO 29

Humedal artiﬁcial de ﬂujo horizontal después del crecimiento de la vegetación

FOTO 30

Manual de Humedales Artiﬁciales

Humedal artiﬁcial de ﬂujo vertical en operación y después del crecimiento de la vegetación

FOTO 31

Una vista del humedal artiﬁcial tras su ﬁnalización

FOTO 32 La construcción de lechos de secado de lodos es similar a la construcción de humedales artiﬁciales de ﬂujo vertical salvo en la estructura de distribución del lodo. Generalmente, este es introducido en los lechos de secado de lodos por un extremo del lecho y se esparce lentamente por toda el área de lecho de secado por efecto de la gravedad.

Manual de Humedales Artiﬁciales

capítulo SIETE

operación y mantenimiento

LA OPERACIÓN y el mantenimiento se pueden clasificar en términos de puesta en marcha, rutina y largo plazo. Hay importantes diferencias entre los tres; los requisitos para la puesta en marcha varían de acuerdo a los emplazamientos, los detalles del diseño influyen en las operaciones rutinarias y las operaciones a largo plazo dependen de la carga. Además, se deben hacer revisiones minuciosas al menos dos veces al año para garantizar la operación efectiva del humedal. La operación y el mantenimiento en el tratamiento primario son de gran importancia para el funcionamiento eficaz del humedal.

7.1

Puesta en marcha

Los periodos de puesta en marcha son necesarios para poder establecer la vegetación asociada a los procesos de tratamiento. Estos variarán dependiendo del tipo de diseño, las características de las aguas residuales afluentes y la estación del año. En el caso de los humedales artificiales de flujo subsuperficial, el periodo de puesta en marcha no es tan crítico ya que su rendimiento no depende tanto de la vegetación, sin embargo, no cabe duda de que ésta añade un valor estético al humedal. Durante el período de puesta en marcha, el operario es principalmente responsable del ajuste del nivel de agua en el humedal. En general, éste tiene que llenarse hasta la superficie del substrato tras plantar la vegetación. Tan pronto las plantas comienzan a enraizar, el nivel de agua puede ir reduciéndose gradualmente hasta alcanzar el nivel operativo señalado en el diseño.

Operaciones rutinarias

Puesto que los humedales artiﬁciales son sistemas “naturales”, las operaciones rutinarias son más pasivas y exigen poca intervención del operario. Este debe observar, tomar las acciones necesarias cuando surja algún problema y realizar el monitoreo de la operación siempre que sea necesario.

47 Manual de Humedales Artiﬁciales

7.2

Los momentos críticos en los que la intervención del operario es necesaria son: • • • • •

Ajuste de los niveles de agua Mantenimiento de la uniformidad del caudal (estructuras de entrada y salida) Manejo y cuidado de la vegetación Control del olor Mantenimiento de las bermas (muros)

7.2.1 Ajuste de los niveles hídricos El nivel del agua y el control del caudal son generalmente las únicas variables operacionales que afectan de forma significativa el rendimiento de un humedal artificial bien diseñado. Los cambios en los niveles de agua influyen en el tiempo de residencia hidráulica y afectan a la difusión atmosférica del oxígeno en la fase acuática así como a la cobertura de las plantas. Se deben investigar inmediatamente los cambios significativos en los niveles de agua ya que se pueden deber a pérdidas, salidas obstruídas, bermas con brechas, drenaje de aguas pluviales, entre otras causas.

7.2.2 Mantenimiento de la uniformidad del caudal Es extremadamente importante mantener un caudal uniforme a través del humedal por lo que es necesario ajustar los mecanismos de entrada y salida para conseguir el rendimiento esperado en el tratamiento. Se debe inspeccionar con asiduidad los colectores de entrada y salida y ajustarlos regularmente. Además se les debe limpiar y retirar los desechos que puedan obstruir la entrada y salida. Será necesario llevar a cabo la remoción de desechos y de limos bacterianos tanto de la compuerta como de los ﬁltros. Asimismo, los colectores sumergidos de entrada y salida deben ser purgados periódicamente. Puede que también sean necesarias limpiezas adicionales con rociado de agua a alta presión o por medios mecánicos. Los sólidos suspendidos en el aﬂuente tienden a acumularse cerca de la entrada hacia el humedal y estas acumulaciones pueden reducir los tiempos de detención hidráulica. Por tanto, a medida que vaya pasando el tiempo, será necesario eliminar estos sólidos acumulados.

7.2.3 Manejo y cuidado de la vegetación

Manual de Humedales Artiﬁciales

Las comunidades de plantas de humedal se mantienen por sí mismas y cada año crecen, mueren y vuelven a crecer. El objetivo fundamental en la gestión de la vegetación es mantener las comunidades de plantas deseadas dentro del humedal. Esto se consigue tanto por medio de cambios en los niveles de agua como de la cosecha de plantas indeseadas (por ejemplo, la maleza) cuando y donde sea necesario. Donde la cobertura de plantas sea deficiente, las actividades de gestión para mejorarla, incluyen el ajuste del nivel de agua, cargas reducidas, aplicación de pesticidas y la replantación. Puede que sea necesario, dependiendo del diseño del humedal, cosechar y eliminar restos de vegetación. No obstante, un humedal de flujo subsuperficial bien diseñado y operado no debería necesitar cosecha de rutina.

Una vista de la obstrucciĂłn de las perforaciones debido al arrastre de lodos procedentes del tratamiento primario

FOTO 33

Arrastre de lodos desde la unidad de tratamiento primario

FOTO 34

Maleza indeseada en el humedal

FOTO 35

Manual de Humedales ArtiďŹ ciales

Cosechando vegetación de humedal

FOTO 36

Remoción manual de maleza dañina e indeseada

FOTO 37

7.2.4 Control del olor

Manual de Humedales Artiﬁciales

Rara vez los olores constituyen un problema molesto en los humedales adecuadamente cargados. Los componentes olorosos se asocian generalmente a condiciones anaeróbicas, que pueden ser originadas por cargas excesivas de DBO y de amoniaco. Existe olor si el agua es inundada en la superficie del lecho, pero puede evitarse si ésta se distribuye uniformemente dentro del lecho. Si la duración del tratamiento primario es demasiado larga, entonces las aguas residuales pueden sufrir condiciones anaeróbicas que producirán olor cuando entren al humedal artificial. Sin embargo, éste es insignificante puesto que las aguas residuales se filtran hacia el lecho rápidamente siempre y cuando no haya obstrucción.

7.2.5 Mantenimiento de bermas (muros) Se debe realizar un mantenimiento apropiado de las bermas (muros). Cualquier erosión o grieta en los muros al igual que las pérdidas o escapes a través de éstos deben repararse mediante taponado, sellado, etc. tan pronto se perciban.

7.3

Operaciones a largo plazo

Las operaciones de rutina son esenciales para la gestión adecuada de un humedal. Además de los requisitos normativos, las velocidades del afluente y efluente, la calidad de las aguas residuales y los niveles de agua deben ser regularmente monitoreados y evaluados. Con el tiempo, estos datos sirven de ayuda al operario para predecir potenciales problemas y elegir las acciones correctivas apropiadas. Generalmente, los sólidos procedentes de las unidades de tratamiento y los restos de vegetación reducen gradualmente el espacio poroso en los humedales. La mayoría de los sólidos se acumula en el borde de la entrada de los lechos FH donde el espacio poroso se puede reducir sustancialmente en un par de años, lo cual puede producir flujo superficial. Esta acumulación de sólidos depende de la carga. Debe evaluarse el rendimiento del humedal cada cierto tiempo. Se deben recoger muestras y analizarlas para confirmar la eficacia del tratamiento. Al menos los siguientes parámetros han de ser analizados: • • • • • • •

Sólidos suspendidos totales (SST) Demanda bioquímica de oxígeno (DBO5) Demanda química de oxígeno (DQO) Amoniaco Nitrato Fósforo Coliformes fecales

Los requisitos de operación y mantenimiento se resumen en las listas 5 a 7:

Lista de acciones quincenales de operación y mantenimiento

Bermas/muros

•

Inspección visual para ver si hay de maleza, erosión y daños

Entrada

•

Inspección visual para confirmar la distribución adecuada y uniforme del afluente e identificar obstrucciones y daños Mantenimiento y ajustes en caso de ser necesarios

• Salida

•

Inspección visual para comprobar que no hay obstrucciones y daños y revisión visual del nivel de agua así como de la calidad y cantidad del eﬂuente

Vegetación

•

Inspección visual para ver si hay maleza y comprobar la salud de las plantas o de problemas de pestes. Toma de acciones de recuperación siempre que sea necesario.

Manual de Humedales Artiﬁciales

TABLA 5

TABLA 6 Bermas/muros

•

Inspección para ver si hay maleza, erosión y/o daños. Toma de acciones de recuperación en caso de ser necesario.

Salida

• •

Revisión del funcionamiento del sistema de descarga y salud del aﬂuente Donde sea adecuado, segar o pastar (sólo ovejas) en terraplenes externos y alrededores del humedal

Vegetación

•

Control de malezas en los humedales mediante arrancado manual, aplicación de herbicidas y/o incremento temporal del nivel de agua

Tratamiento primario

•

Inspección visual del tratamiento primario de ﬂujo ascendente para garantizar la integridad estructural así como la cantidad y la calidad del eﬂuente

TABLA 7

Manual de Humedales Artiﬁciales

Lista de acciones bi-mensuales de operación y mantenimiento

Lista de acciones anuales de operación y mantenimiento

Substrato

•

Comprobar la obstrucción del substrato, extraerlo, limpiarlo y sustituirlo en caso necesario

Entrada

•

Quitar las tapas de la tubería de entrada y de la red de distribución, purgar y limpiar minuciosamente para eliminar limos y obstrucciones

Salida

•

Limpiar y quitar las plantas alrededor de la tubería de salida para proporcionar acceso y evitar obstrucciones

Vegetación

•

Cosechar vegetación y replantar en caso necesario

Tratamiento primario

•

Comprobar los niveles de lodo en el tratamiento primario y extraer el lodo necesario para garantizar el rendimiento del tratamiento y evitar su arrastre hacia el humedal

capítulo OCHO

humedales artificiales para secado de lodos LA UTILIZACIÓN de humedales artificiales para el secado de lodos se debe a la reducción a largo plazo de su volumen debido al desaguado por medio del drenaje, a la evapotranspiración y a la mineralización de sólidos orgánicos (Nielsen, 2003). Los humedales artificiales para el secado de lodos se usan cada vez más debido a las siguientes ventajas: • • •

•

Sencillos de operar y bajo costo de operación y mantenimiento Menor frecuencia de remoción de lodos desaguados del lecho permitiendo su acumulación durante varios años antes del vaciado del mismo Incremento de la capacidad de desaguado debido a la evapotranspiración de la vegetación e incremento de la estabilidad del lodo debido al oxígeno adicional proporcionado por los rizomas El lixiviado está sometido a las reacciones microbiales dentro de los humedales facilitando la nitriﬁcación y un mayor grado de remoción

Los criterios básicos de diseño para los lechos de secado de lodos son la tasa de carga (SLR – por su sigla en inglés-) y la frecuencia de aplicación de lodos. Los valores SLR adoptados en varias investigaciones encontradas en la literatura técnica varían desde 20 a 250 kg TS/m2.año (Lienard et al., 1995, Cooper et al., 1996, Koottatep et al., 2001, Nielsen, 2005). Se debe tener en cuenta que los valores SLR son menores para las temperaturas bajas y más altos para temperaturas altas. Se recomienda usar un SLR de 200 kg TS/ m2.año en Nepal. La frecuencia para la aplicación de lodos es generalmente de una vez por semana y la profundidad de aplicación no debe ser de más de 30 cm.

• • •

20 cm de grava gruesa (tamaño de partícula de 20 a 40 mm) 10 cm de grava media (tamaño de partícula de 5 a 10 mm) 10 cm de arena ﬁna (tamaño de partícula de 1 a 4 mm)

53 Manual de Humedales Artiﬁciales

El perfil de substrato usado en lechos de secado de lodos es similar al usado en los humedales artificiales de flujo vertical. La profundidad del substrato entre 0,4 m y 0,8 m es la más ampliamente usada (Cooper et al., 1996, Shrestha, R.R., 1999, Nielsen, 2005). El perfil de substrato recomendado (desde la parte inferior a la superior) para lechos de secado de lodos se muestra en la figura 22.

Arena de 1 a 4mm Grava de 5 a 10mm

Grava de 20 a 40mm

PerďŹ l de substrato para lecho de secado de lodos

Manual de Humedales ArtiďŹ ciales

FIGURA 22

capítulo NUEVE

estudios de caso En esta sección se presentan seis estudios de caso correspondientes a seis humedales artiﬁciales en Nepal. • • • • • •

Tratamiento de aguas residuales de hospital (Hospital Dhulikhel) Tratamiento de aguas residuales combinadas residenciales y de laboratorio (ENPHO) Tratamiento de aguas residuales institucionales (Universidad de Katmandú) Tratamiento de aguas residuales municipales (Sunga, Thimi) Tratamiento de aguas grises (Residencia privada) Tratamiento de lixiviados de fosas sépticas y rellenos sanitarios (Pokhara)

Cada estudio de caso incluye una descripción técnica del humedal usado, su rendimiento, requisitos de operación y mantenimiento y consideraciones de costos.

9.1

Tratamiento de aguas residuales de hospital (Hospital Dhulikhel)

9.1.1 Descripción técnica El humedal artificial del hospital Dhulikhel se construyó en 1997. La planta de tratamiento de aguas residuales está formada por un tanque de tres cámaras de sedimentación (16,5 m3) y un humedal artificial híbrido de flujo horizontal seguido de flujo vertical. El área total del humedal artificial es 261 m2 (FH – 140 m2 y FV – 121 m2) y está construido en una cubeta de terreno impermeabilizado con membrana.

Entrada Tratamiento primario (Tanque de sedimentación)

Flujo horizontal Tanque de alimentación

Salida Flujo vertical

Representación esquemática del humedal artiﬁcial del Hospital Dhulikhel

Cámara de recolección

FIGURA 23

Manual de Humedales Artiﬁciales

55 Tanque de alimentación

El humedal FH se rellenó (0,65 a 0,7 m) con grava triturada de 1 a 4 mm en la zona de tratamiento, mientras que en las zonas de entrada y salida se utilizó grava de 10 a 20 mm. La estructura de entrada, compuesta de una tubería de PVC de 100 mm de diámetro con huecos de 20 mm de diámetro a una distancia de 2 m, está conectada a un tanque de alimentación (0,9 m3 por alimentación). La estructura de salida está formada por una tubería perforada de 100 mm de diámetro con perforaciones de 6 mm de diámetro. El humedal FV (conformado desde la parte superior a la inferior por 0,75 m de arena, 0,10 m de grava de 5 a 8 mm, 0,15 m de grava de 10 a 20 mm y 0,05 m de arena – total 1,05 m) se rellenó de arena como capa principal. El d10 y d60/d10 de arena fue de 0,40 mm y 1,5 respectivamente. La estructura de entrada está formada por una tubería de 100 mm de diámetro, situada en el centro como tubería principal con 6 ramiﬁcaciones de tuberías de 50 mm de diámetro conectadas a un tanque de alimentación (1,5 m3 por alimentación). Se perforaron huecos de 8 mm y 6 mm en las tuberías ramiﬁcadas a una distancia de 1 m. La estructura de salida está compuesta por 3 secciones de tubería perforada de 100 mm de diámetro con perforaciones de 6 mm de diámetro.

TABLA 8

Descripción técnica del humedal artiﬁcial del Hospital Dhulikhel

Ubicación Año de inicio de operación Tipo de humedal artificial Configuración del humedal Substrato del humedal Tipo de aguas residuales Caudal de aguas residuales por día Pre-tratamiento Tipo de alimentación Población Equivalente (PE) Área superficial total del humedal Área superficial por PE Área superficial por volumen (m3) de aguas residuales Especies de plantas

Manual de Humedales Artiﬁciales

Dhulikhel, distrito de Kavre 1997 Flujo subsuperﬁcial Flujo horizontal (FH) seguido de lecho de ﬂujo vertical (FV) Arena, grava Aguas residuales de hospital 10 m3 en 1997 | 75 m3 en 2006 Tanque de sedimentación – 16,5 m3 Intermitente 51 en 1997 | 386 en 2006 261 m2 (lecho FH – 140 m2 y lecho FV – 121 m2) 5,1 m2 en 1997 | 0,7 m2 en 2006 26,1 m2 en 1997 | 3,5 m2 en 2006 Phragmites Karka

Phragmites karka fue la vegetación elegida para plantar en los lechos, que se operaron con carga intermitente. El sistema de carga intermitente se mantiene hidromecánicamente. Cuando el nivel de agua alcanza una cierta altura en el tanque, un tapón impide que el cubo se eleve. El nivel de agua sube y se llena el cubo. El cubo pesa más y se hunde haciendo que el agua entre al lecho desde el tanque de alimentación (Ver fotograf ías 7 y 8). En la actualidad, el humedal está en fase de rehabilitación para conseguir tratar alrededor de 90 m3/día de aguas residuales.

Humedal artiﬁcial del Hospital Dhulikhel en 1997, justo al término de su construcción (Shrestha R.R., 1999)

FOTO 38

9.1.2 Rendimiento El rendimiento del humedal se muestra en la figura 24. Se puede apreciar que la eficacia en la remoción de DBO5, DQO y SST es mayor cuando se da un incremento del caudal de aguas residuales desde 10 m3/día a 35 m3/día, pero disminuye cuando éste se eleva a 75 m3/día. Sin embargo, la calidad del efluente se encuentra aún dentro de los límites de tolerancia permitiendo que las aguas residuales puedan ser descargadas en las aguas superficiales desde la planta combinada de tratamiento de aguas residuales como se establece en el Estándar Genérico – Parte III, del Ministerio de Población y Medioambiente del Nepal.

DQO

Eﬁcacia de remoción (%) Año Rendimiento del humedal artiﬁcial del Hospital Dhulikhel desde 1997 a 2006

FIGURA 24

57 Manual de Humedales Artiﬁciales

DBO

Caudal de aguas residuales (m3/día)

SST

9.1.3 Operación y mantenimiento Se nombra un encargado que dedica 20% del tiempo a la operación y mantenimiento del humedal artiﬁcial además de a otras tareas del hospital. Los trabajos regulares de mantenimiento en el humedal consisten en extraer la vegetación no deseada de los lechos y limpiar los sistemas de entrada y salida. La remoción de vegetación se lleva a cabo de 2 a 3 veces al año junto con los trabajos de limpieza generales. Se cosecha la vegetación una vez al año. El lodo del tanque de depósito se extraía a intervalos de 3 a 6 meses al principio. En la actualidad, ha pasado a ser extraido a intervalos de 1 a 2 meses. Ello se debe al enorme incremento del caudal de aguas residuales. Se ha limpiado la superﬁcie del substrato del lecho una vez en los últimos diez años en el caso del lecho vertical. El problema más importante durante la operación y mantenimiento del humedal fue el robo de componentes del humedal tales como las tapas de las bocas de alcantarillado, las tuberías, etc. debido a que el humedal está relativamente lejos de las instalaciones del hospital.

9.1.4 Costos El costo total de la construcción del humedal ascendió a 1.100.000 de rupias nepalesas – 16.000 dólares americanos (es decir, 4.200 rupias nepalesas – 60 dólares americanos por m2 del humedal). El costo promedio de su operación y mantenimiento es de aproximadamente 10.000 rupias nepalesas – 150 dólares americanos al año. Alrededor de 30.000 rupias nepalesas – 430 dólares americanos se han gastado en la reposición de tuberías y tapas de bocas de alcantarillado en los últimos diez años.

Tratamiento y reutilización de aguas residuales combinadas residenciales y de laboratorio (ENPHO) 9.2

9.2.1 Descripción técnica

Manual de Humedales Artiﬁciales

El humedal artificial de la Organización para la Salud Pública y el Medioambiente (ENPHO – por su sigla en inglés -) se construyó en 2002. Este humedal se compone de un tanque de depósito (0,5 m3) y un humedal artificial de flujo vertical (15 m2). La cubeta se construyó con ladrillos, el lecho está sellado con una membrana impermeabilizante y se rellenó de arena como capa principal (desde la parte superior hasta la inferior – 0,60 m de arena, 0,10 m de grava de 5 a 8 mm y 0,10 m de grava de 10 a 20 mm – total 0,80 m). La estructura de entrada está formada por una tubería de 50 mm de diámetro en el centro como tubería principal con dos ramificaciones de tuberías de 50 mm de diámetro conectadas al tanque de sedimentación con un mecanismo de alimentación intermitente de 0,2 m3 por descarga. Se perforaron huecos de 6 mm en las tuberías de ramificación a una distancia de 1 m. La estructura de salida se compone de una tubería perforada de 75 mm de diámetro y perforaciones de 6 mm de diámetro.

Entrada

Tratamiento primario (Tanque de sedimentación)

Salida

Flujo vertical Cámara de recolección

Representación esquemática del humedal artiﬁcial de ENPHO

FIGURA 25

Phragmites karka fue la variedad que se escogió para plantar en el lecho, que se opera con sistema de carga intermitente y se mantiene hidromecánicamente, como se ha descrito anteriormente. Descripción técnica del humedal artiﬁcial de ENPHO

Ciudad metropolitana de Katmandú 2002 Flujo subsuperﬁcial Flujo vertical (FV) Arena gruesa Aguas residuales combinadas de laboratorio y residenciales 0,7 m3 Tanque de sedimentación – 0,5 m3 Intermitente 6,8 15 m2 2,2 m2 Phragmites Karka

9.2.2 Rendimiento El rendimiento del humedal se muestra en la ﬁgura 26. Como se puede observar, la eﬁcacia en la remoción de los contaminantes orgánicos es buena.

9.2.3 Operación y mantenimiento Los trabajos regulares de mantenimiento del humedal consisten en extraer la vegetación no deseada de los lechos y limpiar el sistema de entrada. La remoción de la vegetación no deseada se lleva a cabo mensualmente junto con los trabajos generales de limpieza. Se

59 Manual de Humedales Artiﬁciales

TABLA 9

DBO

DQO

Eﬁcacia de remoción (%)

SST

Año Rendimiento del humedal artiﬁcial de ENPHO desde 2002 a 2006

FIGURA 26

Manual de Humedales Artiﬁciales

Humedal artiﬁcial de ENPHO

FOTO 39

cosecha vegetación 2 veces al año. El lodo del tanque de sedimentación se extrae cada 6 meses aunque algunas veces ha de hacerse un poco antes. Debido a la obstrucción en la superﬁcie del lecho, se extrajo su capa superior y se rellenó con arena gruesa en 2005.

9.2.4 Costos El costo total de la construcción del humedal ascendió a 40.000 rupias nepalesas – 570 dólares americanos (es decir, 2.700 rupias nepalesas – 40 dólares americanos por m2 de humedal). Se ha informado que los costos de operación y mantenimiento son insigniﬁcantes. Además, la reutilización de las aguas residuales tratadas ha resultado en un ahorro en los gastos de agua de ENPHO.

Las aguas residuales tratadas en ENPHO se reciclan para usos no potables tales como agua de cisternas, limpieza de vehículos, jardinería, etc. Además del reciclaje del agua residual, ENPHO ha instalado sistemas de recolección de aguas pluviales en su ediﬁcio, lo cual supone alrededor de 170 m2 de techo de agua recogida. Las aguas pluviales se recogen en un tanque subterráneo con una capacidad de 10 m3. El exceso de precipitación, especialmente en el monzón, se desvía a la poza de paso para recarga de agua subterránea. El reciclaje de aguas residuales y la recolección de aguas pluviales suponen un ahorro de 4.000 rupias nepalesas (60 dólares americanos) por mes, que, de otra manera, se gastarían en la compra de agua.

Tratamiento de aguas residuales institucionales (Universidad de Katmandú)

9.3

9.3.1 Descripción técnica El humedal artificial de la Universidad de Katmandú se construyó en 2001. La planta de tratamiento de aguas residuales está compuesta por un tanque de sedimentación (40 m3) y un humedal artificial híbrido con lecho de flujo horizontal seguido por dos lechos de flujo vertical. El área total del humedal artificial es 628 m2 (FH – 290 m2 y FV – 338 m2).

Entrada Flujo horizontal

Cámara de distribución

61 Tanque de alimentación

Flujo vertical

Cámara de recolección

Tanque de alimentación

Flujo vertical

Cámara de recolección

Salida

Representación esquemática del humedal artiﬁcial de la Universidad de Katmandú

FIGURA 27

Manual de Humedales Artiﬁciales

Tratamiento primario (Tanque de sedimentación)

Los muros de los humedales se construyeron con ladrillo y se sellaron con membranas impermeabilizantes colocadas encima de una capa de arcilla (100 mm de suelo de algodón negro compactado).

TABLA 10

Descripción técnica del humedal artiﬁcial de la Universidad de Katmandú

Dhulikhel 2001 Flujo subsuperﬁcial Flujo horizontal (FH) seguido por Flujo vertical (FV) Arena, grava Aguas residuales institucionales 30 m3 Tanque de sedimentación – 40 m3 Intermitente 193 628 m2 (LFH – 290 m2 y LFV – 338 m2) 3,3 m2 (El área del lecho se estimó en el momento de la operación. Se reducirá con el incremento del ﬂujo de aguas residuales puesto que este humedal fue diseñado para más de 50 m3/día de aguas residuales.)

Especies de plantas

Phragmites Karka

El humedal FH (0,6 a 0,7 m) se rellenó con grava mediana de 5 mm en la zona de tratamiento, mientras que en las zonas de entrada y salida se utilizó grava de más de 5mm. La estructura de entrada se compone de una tubería de PVC de 100 mm de diámetro con perforaciones de 20 mm de diámetro a una distancia de 0,6 m de centro a centro. Esta tubería de entrada está colocada de 20 a 30 cm por encima del substrato y descansa sobre bloques de concreto. La estructura de salida está formada por una tubería perforada de 100 mm de diámetro.

Manual de Humedales Artiﬁciales

El lecho de flujo vertical se rellenó con arena con una porosidad de 37% como capa principal. El d10 y d60/d10 de la arena fue de 0,40 mm y 1,5 respectivamente. La estructura de entrada se compone de una tubería de 110 mm de diámetro en el centro como tubería principal con 6 ramificaciones de tuberías de 50 mm de diámetro conectadas al tanque de alimentación (2,5 m3 por descarga). Los lechos se plantaron con Phragmites karka. El lecho de flujo horizontal se carga de forma continuada mientras que los lechos de flujo vertical se operan con un sistema de carga intermitente, mantenido hidromecánicamente, como se ha descrito previamente.

9.3.2 Rendimiento El rendimiento del humedal se muestra en la ﬁgura 28.

Humedal artiﬁcial de la Universidad de Katmandú (Shrestha R.R.)

Eﬁcacia de remoción (%)

FOTO 40

SST

DBO

DQO

Año Amoniaco-Nitrógeno

Rendimiento del humedal artiﬁcial de la Universidad de Katmandú desde 2001 a 2006

FIGURA 28

Manual de Humedales Artiﬁciales

9.3.3 Operación y mantenimiento Los trabajos regulares de mantenimiento del humedal consisten en la remoción de vegetación no deseada de los lechos y en la cosecha de vegetación. La remoción de vegetación no deseada se realiza cuatro veces al año mientras que la cosecha tiene lugar dos veces al año. El lodo del tanque de sedimentación se extrajo una vez en el año 2006. El substrato del lecho no ha sido cambiado aún, no obstante, éste está parcialmente obstruído y necesita lavarse. El principal problema encontrado durante las labores de operación y mantenimiento es el robo de componentes del humedal tales como las tapas de las bocas de alcantarillado, tuberías, etc. También se han reportado problemas en el mantenimiento del sistema de alimentación intermitente mediante sifón hidromecánico.

9.3.4 Costos El costo total de la construcción del humedal ascendió a 1.800.000 rupias nepalesas – 26.000 dólares americanos (es decir, 2.900 rupias nepalesas – 40 dólares americanos por m2 de humedal). El costo promedio de operación y mantenimiento es de aproximadamente 20.000 rupias nepalesas – 290 dólares americanos al año.

9.4

Tratamiento de aguas residuales municipales (Sunga)

9.4.1 Descripción técnica El humedal artificial de Sunga, en el municipio de Thimi, fue construido en el año 2005. La planta de tratamiento de aguas residuales está formada por un filtro de partículas gruesas y una cámara de filtrado de polvo como tratamiento preliminar, además de un reactor anaeróbico (42 m3), un humedal artificial híbrido – flujo horizontal seguido de flujo vertical como tratamiento secundario y un lecho de secado de lodos (SDB- por su sigla en inglés-) para el tratamiento de lodos. El área total del humedal es 375 m2 (FH – 150 m2, FV – 150 m2 y LSL – 70 m2).

Manual de Humedales Artiﬁciales

Filtro de Cámara partículas de ﬁltrado gruesas de polvo

Reactor Tanque de anaeróbico distribución

Salida HAFH

HAFV

Lecho de secado de lodos SDB

Salida HAFH

*HAFH (humedal artificial de flujo horizontal) *HAFV (humedal artificial de flujo vertical)

Representación esquemática del humedal artiﬁcial en Sunga

HAFV

FIGURA 29

Los muros de los lechos se construyeron con ladrillo y se sellaron con membrana impermeabilizante extendida sobre la tierra compactada.

TABLA 11

Descripción técnica del humedal artiﬁcial de Sunga

Ubicación Fecha de inicio de operación Tipo de humedal artificial Configuración del humedal Substrato del humedal Tipo de aguas residuales Caudal de aguas residuales por día Pre-tratamiento Tipo de alimentación Población Equivalente (PE) Área superficial total del humedal Área superficial por PE Especies de plantas

Sunga, Municipio de Thimi oct-05 Flujo subsuperﬁcial Flujo horizontal (FH) seguido de Flujo vertical (FV) Arena, grava Aguas residuales municipales 10 m3 Reactor anaeróbico – 42 m3 Continua en LFH e intermitente en LFV 285,7 300 m2 (LFH – 150 m2 y LFV – 150 m2) 1,05 Phragmites Karka

El lecho FH (0,4 a 0,5 m) se rellenó de grava de 10 a 20 mm en la zona de tratamiento, mientras que en las zonas de entrada y salida se utilizó grava de 20 a 40 mm. La estructura de entrada está formada por una tubería de PVC de 150 mm de diámetro con perforaciones de 20 mm de diámetro a una distancia de 0,3 m de centro a centro y por una tubería de PVC de 150 mm de diámetro con ranuras de 0,3 m. La tubería de entrada está colocada justo sobre el substrato. La estructura de salida está formada por una tubería perforada de 150 mm de diámetro con perforaciones de 6 mm.

El lecho para secado de lodos se rellenó con substrato dispuesto como se señala a continuación (desde arriba hacia abajo): • • •

30 cm de arena gruesa 5 cm de grava mediana (tamaño de partícula de 5 a 10 mm) 15 cm de grava gruesa (tamaño de partícula de 20 a 40 mm)

65 Manual de Humedales Artiﬁciales

El lecho FV (conformado desde la parte superior hasta la inferior por 0,05 m de grava de 5 a 10 mm, 0,30 m de arena gruesa, 0,05 m de grava de 5 a 10 mm y 0,15 m de grava de 10 a 20 mm como capa de drenaje – total 0,55 m) se rellenó con arena gruesa como capa principal. El d10 y d60/d10 de la arena fue de 0,35 mm y 3,3 respectivamente. La estructura de entrada está compuesta por una red de una tubería de 100 mm de diámetro conectada a un tanque de alimentación (1,5 m3 por suministro). Se perforaron huecos de 6 mm en las tuberías a una distancia de 1 m. La estructura de salida se compone de una tubería perforada de 100 mm de diámetro con perforaciones de 6 mm de diámetro en el centro y 4 conexiones laterales de tuberías perforadas de 100 mm.

Uno de los lechos FH se plantó con Phragmites karka y el otro con Canna latifolia. Los lechos FV se plantaron con Phragmites karka. Los lechos FH se cargan continuamente mientras que los FV se operan mediante un sistema de carga intermitente, que se mantiene hidromecánicamente, como se describió anteriormente.

Humedal artificial en Sunga Humedal artificial FV Humedal artificial FH

FOTO 41

9.4.2 Rendimiento El rendimiento global del humedal se muestra en la ﬁgura 30. La eﬁcacia de tratamiento de este humedal depende enormemente de la extracción puntual de lodo del reactor anaeróbico (ABR – por su sigla en inglés -). La tabla 12 muestra la concentración de contaminantes en agosto de 2006.

Manual de Humedales Artiﬁciales

DBO

DQO

Eﬁcacia de remoción (%)

SST

Fecha Rendimiento del humedal artiﬁcial de Sunga desde agosto de 2006 a agosto de 2007.

FIGURA 30

TABLA 12

Concentraciones de contaminantes en Sunga (Agosto 2006)

PARÁMETROS SST DBO5 DQO Amoniaco Nitrato Fósforo total Coliformes fecales

UNIDADES mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l CFU/1ml

AGUAS NEGRAS 7 96 950 1.438 145,5 4,1 26,4 1,30E+05

ABR 204 450 1.188 408,9 36,8 44,3 1,30E+06

HAFH 28 165 213 214,1 32,6 20,4 1,10E+06

HAFV 16 30 50 21 566,2 24,3 8,10E+03

9.4.3 Operación y mantenimiento Se nombró un encargado para las labores de operación y mantenimiento del humedal artiﬁcial. Los trabajos regulares de mantenimiento en el humedal consisten en la remoción semanal de vegetación no deseada de los lechos y en la limpieza mensual de los sistemas de entrada y salida. La cosecha de la vegetación se lleva a cabo dos veces al año. Se ha extraido el lodo del reactor anaeróbico una vez.

9.4.4 Costos El costo total de la construcción del humedal ascendió a 2.200.000 rupias nepalesas – 31.500 dólares americanos (es decir, 5.850 rupias nepalesas – 85 dólares americanos por m2 del humedal). El costo de la operación y mantenimiento del humedal es de aproximadamente 36.000 rupias nepalesas – 520 dólares americanos por año.

9.5

Tratamiento de aguas grises (Residencia privada)

9.5.1 Descripción técnica En 1998 se construyó un humedal artificial para una residencia privada. Este humedal se compone de un tanque de sedimentación (0,5 m3) y un humedal artificial de flujo vertical (6 m2).

Entrada Cámara de recolección Tratamiento primario (Tanque de sedimentación)

Salida Flujo vertical

Representación esquemática del humedal artiﬁcial en residencia privada

FIGURA 31

Manual de Humedales Artiﬁciales

TABLA 13

Descripción técnica de humedal artiﬁcial en residencia privada

Ubicación Fecha de inicio de operación Tipo de humedal artificial Configuración del humedal Substrato del humedal Tipo de aguas residuales Caudal de aguas residuales por día (diseño) Pre-tratamiento Tipo de alimentación Población Equivalente (PE) Área superficial total del humedal Área superficial por PE Especies de plantas

Subdivisión N°15, KMC abr-98 Flujo subsuperﬁcial Flujo vertical (FV) Arena, grava Aguas grises 0,5 m3 Tanque de sedimentación – 0,5 m3 Intermitente 8 6 m2 0,7 m2 Phragmites Karka y Canna latifolia

La cubeta se construyó con ladrillo y el lecho se selló con membrana impermeabilizante. Se rellenó con arena gruesa de 0,8 m como capa principal encima de una capa de 0,2 m de grava de 20 a 40 mm que actúa como capa de drenaje. La estructura de entrada está compuesta por una tubería de 25 mm de diámetro en el centro conectada a un tanque de sedimentación con un mecanismo de alimentación intermitente de 0,2 m3 por suministro. Se perforaron huecos de 6 mm en la tubería a una distancia de 1 m. La estructura de salida se compone de una tubería perforada de 75 mm de diámetro con perforaciones de 6 mm de diámetro en el centro en dirección a un tanque de recolección. El lecho se plantó con Phragmites karka y Canna latifolia y se opera con un sistema intermitente de carga, que se mantiene hidromecánicamente, como se ha descrito previamente.

Manual de Humedales Artiﬁciales

68 Humedal artiﬁcial de ﬂujo vertical en construcción (Shrestha R.R., 1999)

FOTO 42

Humedal artiﬁcial de ﬂujo vertical en uso (Shrestha R.R., 1999)

FOTO 43

9.5.2 Rendimiento

Eﬁcacia de remoción (%)

El rendimiento del humedal se muestra en la ﬁgura 32.

SST

DBO

DQO

Fecha

Rendimiento del humedal artiﬁcial en residencia privada desde mayo de 1998 hasta mayo de 2000

FIGURA 32

9.5.3 Operación y mantenimiento Se realizaron las siguientes labores de operación y mantenimiento para garantizar un funcionamiento adecuado del humedal: •

• • •

Inspección regular del tanque de alimentación (combinado con el tanque de sedimentación) para garantizar el funcionamiento adecuado del sifón y la alimentación intermitente hacia el lecho de ﬂujo vertical Remoción a intervalos regulares de vegetación no deseada en el lecho Cosecha anual de vegetación Extracción anual de lodo del tanque de sedimentación

9.5.4 Costos

69 Manual de Humedales Artiﬁciales

El costo total de la construcción del humedal ascendió a 36.000 rupias nepalesas –520 dólares americanos (es decir, 6.000 rupias nepalesas – 85 dólares americanos por m2 del humedal). Se ha reportado que los costos de operación y mantenimiento son insigniﬁcantes. Además, la reutilización de aguas grises resultó en ahorro de gastos de agua de la residencia.

9.6

Tratamiento de lixiviados de fosas sépticas y rellenos sanitarios (Pokhara)

9.6.1 Descripción técnica La planta de tratamiento de lixiviados de fosas sépticas y rellenos sanitarios en Pokhara, perteneciente al Proyecto de mejora medioambiental de Pokhara se construyó en el año 2003. La planta de tratamiento se diseñó para tratar 35 m3/día de lixiviados de fosas sépticas y 40 m3/día de lixiviados de rellenos sanitarios. La planta de tratamiento está formada por las siguientes unidades: • 7 lechos compartimentados de secado de lodos – SDB (1.645 m2); • 2 humedales artificiales compartimentados de flujo horizontal (1.180 m2); y • 4 humedales artificiales compartimentados de flujo vertical (1.500 m2). El lecho de secado de lodos de 1,5 a 1,9 m de profundidad se rellenó de substrato dispuesto como se indica a continuación (desde arriba hacia abajo): • • •

20 cm de grava gruesa (tamaño de partícula de 20 a 40 mm) 10 cm de grava mediana (tamaño de partícula de 5 a 10 mm) 10 cm de arena ﬁna (tamaño de partícula de 0,1 a 1 mm) Drenaje de agua superﬁcial

Lecho de secado de lodos

Recolección

Manual de Humedales Artiﬁciales

Lixiviados

ÁREA DEL RELLENO SANITARIO

Alcantarilla de recolección de lixiviados Tanque intermitente

Lixiviados Lecho horizontal de juncos

Lecho vertical de juncos

Cubeta de recolección de aguas superﬁciales

Alcantarilla Hacia Kulo

Representación esquemática de la planta de tratamiento de lixiviados de fosas sépticas y rellenos sanitarios

Alcantarilla

FIGURA 33

El humedal FH (0,5 a 0,7 m) se rellenó con arena gruesa (tamaño de partícula de 3 a 6 mm) en la zona de tratamiento, mientras que en las zonas de entrada y salida se rellenó con grava de 10 a 20 mm. La estructura de entrada está compuesta de una tubería de PVC de 100 mm de diámetro con huecos de 20 mm de diámetro a una distancia de 2 m, conectada a un tanque de alimentación (0,9 m3 por descarga). La estructura de salida está formada por una tubería perforada de 100 mm de diámetro con perforaciones de 6 mm de diámetro.

El humedal FV de 0,9 m de profundidad se rellenó con substrato dispuesto como se muestra a continuación (desde abajo hacia arriba): • • •

20 cm de grava gruesa (tamaño de partícula de 20 a 40 mm) – capa de drenaje incluyendo las tuberías de drenaje 10 cm de grava mediana (tamaño de partícula de 5 a 10 mm) – capa de transición 60 cm de arena mediana (tamaño de partícula de 1 a 4 mm) – capa principal

La estructura de entrada está formada por una tubería de 100 mm de diámetro en el centro como tubería principal con varias ramiﬁcaciones de tuberías de 50 mm de diámetro conectadas a un tanque de alimentación (11,25 m3 por descarga). Los lechos se plantaron con Phragmites karka y se operaron con carga intermitente.

9.6.2 Costos El costo total de la construcción del humedal ascendió a 6.000.000 de rupias nepalesas – 85.700 dólares americanos (es decir, 1.400 rupias nepalesas – 20 dólares americanos por m2 de humedal).

Manual de Humedales Artiﬁciales

Lecho de secado de lodos (Shrestha R.R.)

FOTO 44

Humedal artiﬁcial de ﬂujo horizontal (Shrestha R.R.)

FOTO 45

Manual de Humedales Artiﬁciales

Humedal artiﬁcial de ﬂujo vertical (Shrestha R.R.)

FOTO 46

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anexo A

Cómo tratar aguas negras con humedales artiﬁciales: una perspectiva general de los sistemas franceses P. Molle*, A. Lienard*, C. Boutin*, G. Merlin**, A. Iwema*** *Cemagref, Unidad de investigación: Calidad del agua y prevención de la contaminación, 3bis, quai Chauveau - CP 220, 69336 Lyon Cedex 09 - Francia (Correo electrónico: pascal. molle@cemagref.fr; a;ain.lienard@cemagref.fr) ** Laboratorio OCIE, Equipo de Biotecnología e Ingeniería de procesos para el medioambiente/ Equipe Biotechnologies et Genie des Procedes pour l’Environnement -ES1GEC Universidad de Savoie 73376 Le Bourget du Lac Francia (Correo electrónico: gerard.merlin@univsavoie.fr) *** Agencia del Agua /Agence de l’Eau Rhone Mediterranee Corse, 2-4 allee de Lodz, 69363 Lyon Cedex 07 -France (Correo electrónico: Arthur.IWEMA@eaurmc.fr)

Resumen

Palabras clave Humedales artiﬁciales de ﬂujo vertical, aguas negras, recopilación de datos, diseño, rendimiento.

77 Manual de Humedales Artiﬁciales

El desarrollo de humedales artificiales de flujo vertical para tratar aguas negras ha resultado ser muy exitoso durante los últimos veinte años en Francia. A raíz de esto, se llevó a cabo un análisis en más de ochenta plantas para estudiar su rendimiento y el diseño apropiado en caso de ser necesario. Este estudio demuestra que estos sistemas consiguen respetar ambos objetivos: bajo nivel de DQO y de SS en la salida así como de nitrificación. Se investigó el rendimiento en la remoción de contaminantes en relación a las cargas manejadas y las características específicas de las plantas. La nitrificación parece ser el problema más sensible en estos sistemas y se discute su rendimiento en relación al tamaño. Dichos sistemas, si son bien diseñados, pueden lograr un nivel de salida de 60 mg.L-1 de DQO, 15 mg.L-1 de SS y 8 mg.L-1 de NTK con un área de 2 a 2,5 m2.PE-1. El depósito de lodos en la primera fase debe ser extraido después de aproximadamente 10 a 15 años.

Introducción Entre los diferentes sistemas de humedales artificiales para el tratamiento de aguas residuales residenciales, el humedal artificial de flujo vertical (VFCW – por su sigla en inglés -) de dos fases es el diseño más común encontrado en Francia. La particularidad de este sistema es que acepta aguas residuales directamente desde la primera fase. Ello facilita el manejo de lodos si lo comparamos con el proceso de pasar el lodo por un tratamiento primario en un tanque de sedimentación/digestión Imhoff. El uso de este sistema, desarrollado por Cemagref hace más de 20 años (Lienard et al., 1987), despegó cuando fue aplicado por la compañía SINT durante la década de 1990. Con el paso del tiempo, este sistema ha ido forjándose una buena reputación en el área de tratamiento de aguas residuales de pequeñas comunidades. En la actualidad está bien desarrollado y varias compañías lo ofrecen. Las dimensiones de este sistema obedecen a la práctica pues se basan en el conocimiento adquirido por Cemagref a lo largo de años de estudios en laboratorio y experimentos a gran escala sobre medios de crecimiento. Se propusieron líneas generales (Boutin et al., 1997; Lienard et al., 1998) con el fin de evitar un mal diseño conceptual que pudiera dañar el desarrollo del sistema. El tamaño de los filtros de lechos de juncos se determina en base a una carga orgánica aceptable expresada en términos de unidad superficial de filtro por población equivalente (PE – por su sigla en inglés -). En la actualidad se recomienda que sean dos fases de filtros, el primero de los cuales se divide en tres filtros y el segundo en dos. La configuración de los filtros y el perfil de los suelos pueden observarse en las figuras 1 y 2.

Manual de Humedales Artiﬁciales

Cada unidad de la fase primaria recibe la carga orgánica total durante la fase de alimentación, que suele durar de 3 a 4 días, antes de permanecer inactiva por el doble de tiempo. Estas fases alternadas de descarga y descanso son fundamentales para el control del crecimiento de biomasa adherida en los filtros, así como para mantener las condiciones aeróbicas dentro del lecho de filtrado y mineralizar los depósitos orgánicos resultantes de los SS, contenidos en las aguas negras y que son retenidos en la superficie de los filtros de la fase primaria (Lienard et al., 1990b). A continuación, se envía el efluente a la segunda fase para completar el tratamiento y, en particular, la nitrificación. La superficie recomendada por fase - que podría adaptarse de acuerdo al clima - el nivel de remoción de contaminantes requerido por las autoridades y la carga hidráulica (HL – por su sigla en inglés -) debida a, por ejemplo, la cantidad de agua limpia en la red de alcantarillado (incluso aunque los humedales artificiales de flujo vertical hayan sido recomendados en su mayoría y hasta el momento para redes separadas), pueden expresarse de la siguiente manera: un área total de 1,2 m2 por PE, dividido por 3 unidades idénticas alimentadas alternadamente en la primera fase (es decir, una carga orgánica de ≈ 300 g de DQO m-2.d-1, - 150 g de SS m-2.d-1, y ≈ 25-30 g de NTK m-2.d-1 y una (HL) de 0,37 m.d-1 sobre el filtro en operación), y 0,8 m2 por PE dividido por 2 unidades idénticas alimentadas alternadamente para la segunda fase. Este diseño está basado en una proporción de 120 g de DQO.PE-1, 60 g de SS.PE-1, 10 a 12 g de NTK.PE-1 y 150 L.PE-1 como se observa en mayor medida para las pequeñas comunidades en Francia. Se depositan las aguas negras en los filtros en forma de cargas hidráulicas (mediante un sistema de alta capacidad de almacenamiento y alimentación) para garantizar una distribución óptima tanto de éstas como de los sólidos en suspensión por toda el área de infiltración disponible y mejorar la renovación del oxígeno. Cuando la diferencia de

Entrada de aguas residuales

Primera capa Segunda capa 80cm

Conexión de aire Tubería de drenaje

Capa de drenaje

Una RBF (función de base radial) de primera fase típica

Salida

FIGURA 1

Primera fase

Segunda fase

> 30 cm de grava ﬁna (2 a 8mm)

> 30 cm de arena (0.25mm<d10 <0.40mm)

Capa de transición: 10 a 20cm tamaño adaptado de partícula (de 5 a 20 mm)

Capa de transición: 10 a 20cm de tamaño adaptado de partícula (3 a 10mm)

Capa de drenaje: 10 a 20cm de 20 a 40 mm

Capa de drenaje: 10 a 20cm de 20-40mm

Perﬁles de tamaño de partículas

FIGURA 2

altura entre la entrada y la salida de la planta es suficiente, ésta opera sin una fuente de energía gracias a la labor de sifones de cebado automático. Se sabe que esta configuración facilita una remoción significativa de DQO, SST y una nitrificación casi completa (Boutin et al., 1997). A la vista del éxito de los humedales artificiales de flujo vertical para las pequeñas comunidades y estando al tanto de que las recomendaciones para el diseño no habían sido fijadas aún, el recientemente creado Grupo Francés de Macrofitos inició una investigación para ofrecer una perspectiva general del número de plantas, sus diseños, eficacia y los posibles problemas que podrían surgir. El objetivo de este estudio era corregir los errores que podrían haber ocurrido en el diseño. Este artículo relata la perspectiva ofrecida por el análisis y las lecciones para el diseño que se pueden obtener de esta investigación.

Materiales y métodos La recopilación de datos sobre la situación nacional fue realizada mediante el envío de cuestionarios a los servicios técnicos locales de las plantas de tratamiento de aguas residuales (SATESE) con el fin de verificar las diferentes características de concepción y comportamiento de las plantas de humedales artificiales de flujo vertical en operación en Francia. A partir de los datos obtenidos, se escogió una muestra de 72 plantas para evaluar la eficacia en la remoción de contaminantes y aumentar, de esta manera, la base de datos sobre eficacia de los humedales. La muestra escogida es representativa de la situación a nivel nacional. El 60% de las plantas tienen de 4 a 6 años, el 60% trata solamente aguas residuales residenciales, y la capacidad promedio de la planta es de 410 PE (mediana 325 PE). Tuvimos el cuidado de evaluar la situación a diferentes altitudes (entre 0 y 1.000 m).

79 Manual de Humedales Artiﬁciales

El estudio de eficacia se hizo mediante un muestreo a lo largo de 24 horas de un compuesto de caudales en diferentes momentos del año (verano e invierno). En la medida de lo posible, cada fase de las plantas de tratamiento fue evaluada para el DQO, DBO, SS, NTK, N-NH4, TP y P-P04 en conformidad con los métodos estándares franceses. Se midió el caudal con zanjas venturi o mediante la medición del tiempo de funcionamiento de las bombas en caso de haberlas. Sabiendo que el porcentaje de N en los SS de aguas residuales es aproximadamente del 3 al 5% y de alrededor de 0,7% en el depósito de lodos (Molle, 2003), se supone que la remoción de NTK observada se debe solamente a la nitrificación. Se considera más fiable este cálculo aproximado que aquellos basados en la concentración de nitrato debido a la dificultad de evaluar el balance de nitrógeno

generado por el lixiviado de nitratos durante el período de inactividad. Todas las eficacias de remoción fueron calculadas en términos de kgs de contaminante eliminado. Es necesario el análisis estadístico de los datos para comparar la eficacia en relación con las características del diseño, puesto que cierto número de fuentes de incertidumbre pueden afectar la medida cuantitativa (diferentes operarios y métodos en algunos casos). Los análisis de varianzas y comparación media se realizaron en p= 0,05 mediante la prueba de Fisher F y la prueba Student t, tomando las dos muestras al mismo tiempo. El intervalo de confianza (95% de los valores) se determina a partir de ±2 SD/√N, donde N es el número de valores y SD la desviación estándar.

Resultados y discusión Situación de los humedales artificiales de flujo vertical Alrededor de 200 plantas se encuentran en funcionamiento y más de 60 fueron construidas en el año 2003 (figura 3). Los resultados no están completos debido a que sólo 61 de los 95 departamentos respondieron el cuestionario. Sin embargo, éstos indican que los humedales artificiales de flujo vertical se han hecho populares entre las comunidades pequeñas. El análisis reveló la existencia de 213 plantas en Francia de tratamiento de aguas residuales con humedales artificiales de flujo vertical (65% < 300 PE) con un diseño cercano al recomendado por Cemagref con algunas desviaciones (mínimo a máximo en la primera fase: 0,1 a 4,7m2. PE-1; segunda fase: 0,1 a 3,6 m2. PE-1). Las diferencias en el tamaño de la superficie son el resultado de la adaptación a características influyentes como la presencia de agua limpia, por ejemplo. Alrededor del 70% de estas plantas tratan aguas residuales procedentes de sistemas en red separados: 10% de las aguas residuales de redes separadas con una clara intrusión de agua limpia y 20% de aguas residuales de los sistemas en red combinados. Los sistemas de alimentación se apoyan principalmente en la fuerza de la gravedad (60% por medio de sifones en la primera fase y el 75% en la segunda fase), evitando, de esta manera, la necesidad de una fuente eléctrica en la planta. Se hizo un estudio de la eficacia de remoción mediante 233 evaluaciones en 81 plantas Plantas construidas por año

Número total de plantas 250

200 50

150

40 30

100

Número total de plantas

Manual de Humedales Artiﬁciales

Número de plantas construidas por año

10 0

0 5 198

0 199

2 199

5 199

7 199

9 199

1 200

3 200

Desarrollo de humedales artiﬁciales de ﬂujo vertical a lo largo del tiempo

FIGURA 3

(Tabla 1). Concentramos nuestro análisis en el diseño vertical + vertical alimentado con aguas negras. Esto significó que se consideraron todos los filtros verticales de la primera fase alimentados con aguas negras con el fin de enfocar nuestro análisis en el rendimiento de esta primera fase independientemente de las fases posteriores. Los rendimientos de los sistemas de flujo vertical de la segunda fase se examinaron separadamente.

TABLA 1

Tipos de plantas evaluadas

TIPO DE PLANTA

NÚMERO DE PLANTAS

NÚMERO DE EVALUACIÓN

N° DE AÑOS DE LA PLANTA EN EL MOMENTO DE LA EVALUACIÓN

V+V V+H V+SF V V+P V+V+H V+H+P V+H+H V+H+P V+P+V V+H+V P+V P+V+V H+V+H

53 2 7 5 3 1 1 2 2 1 1 1 1 1

134 33 11 5 12 9 6 3 3 2 1 9 3 2

0a7 1,2 a 8 0,4 a 2 0,6 a 4,6 0,2 a 2,5 Inicio 11,6 a 15 0,6 a 2,3 1,2 1,6 a 8,5 2.6 0a1 ? 3,5 a 4

Eficacia global En el diseño típico de filtro de flujo vertical de dos fases alimentado con aguas residuales no sedimentadas, se observaron amplias variaciones en el filtro en operación en la primera fase de carga hidráulica (HL media = 0,37 m.d-1; SD = 0,38; min-max = 0,03 a 3,9 m.d-1) y carga orgánica (DQO media= 223 g.m-2.d-1; SD = 260; min-max = 17-1680 g.m-2.d-1). Consecuentemente, y también debido a las diferencias en el diseño, número de años de la planta, etc., la eficacia de remoción varió. Si se excluyen los casos en los que una carga hidráulica anormalmente alta dio como resultado un afluente muy diluido, se puede observar

Número de años de la planta 2-6 >2

Media (N) SD Media (N) SD

DQO % de remoción 91 ± 3 (48) 10.2 90 ± 2 (43) 7.1

NTK

Concentración a % de remoción Concentración a % de remoción 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

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

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TABLA 2

Remoción y concentración de contaminantes en la salida de humedales artiﬁciales de ﬂujo vertical de dos fases para cargas hidráulicas inferiores a 0,75 m.d-1

el potencial de los filtros para llevar a cabo una buena remoción de los contaminantes. La Tabla 2 muestra la eficacia de remoción y la concentración a la salida en plantas con cargas hidráulicas inferiores a 0,75 m.d-1 sobre el filtro en operación en la primera fase (2 veces la carga hidráulica en temporada seca). En general, los sistemas pueden lograr una buena calidad de efluente con la excepción de la remoción de fósforo y de la desnitrificación (la desnitrificación no está presente debido a las mejoradas condiciones aeróbicas y la remoción promedio del fósforo es de aproximadamente el 40%). Muy a menudo los operarios mencionan la mejora en el tratamiento con la evolución del depósito de lodos en la primera fase a lo largo de los primeros años de operación. Este efecto no se observa a lo largo de las dos fases de tratamiento donde no destacan diferencias significativas entre las plantas más jóvenes y las más antiguas. La segunda fase de los filtros garantiza la eficacia del tratamiento. Se pueden observar algunas limitaciones en relación a la nitrificación debido a su sensibilidad a la presencia de oxígeno y a la competición con la remoción de DQO. Varios parámetros tales como la distribución del flujo, la frecuencia de descargas, tipo y profundidad de los suelos, etc. pueden influir en la renovación del oxígeno. Esto probablemente explica el rendimiento de la variación de nitrificación observado. Estas variaciones en nuestras muestras se pueden correlacionar con las superficies usadas pero no con las cargas hidráulicas o DQO. Con una carga hidráulica 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 difieren significativamente de acuerdo a la superficie por PE. Las concentraciones en la salida claramente muestran la limitación en el uso de superficies globales inferiores a 2 m2.PE-1 (Vea Tabla 3). En conclusión, no parece necesario diseñar plantas con un área superior a 2,5 m2.p.e-1 para conseguir una mejor nitrificación, 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

Concentración de NTK en la salida de humedales artiﬁciales de ﬂujo vertical de dos fases de acuerdo al tamaño

Área superﬁcial total

1,5 a 2 m2.p.e-1 ,

2 a 2,5 m2.p.e-1 ,

2,5 a 3 m2.p.e-1

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

16 ± 8 (28)

6 ± 2 (20)

5,6 ± 3 (10)

Se utilizaron 46 pruebas para evaluar el rendimiento del tratamiento en su primera fase. Puesto que el diseño de la planta y las cargas hidráulica y orgánica varían, no es fácil estimar de forma precisa el impacto del diseño en la eﬁcacia de remoción. Sin embargo, se puede observar que la primera fase del tratamiento se concentra principalmente en la remoción de SS y DQO aunque la remoción de NTK no es imperceptible (ver tabla 4).

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Primera fase de tratamiento

En la primera fase se obtiene un alto rendimiento en la remoción de SS debido principalmente al depósito en la superficie del filtro. Esta capa de depósitos es de gran relevancia al limitar la tasa de infiltración y, por tanto, el caudal hidráulico que puede pasar a través del filtro. El efecto de este factor restrictivo, que influye en la carga hidráulica que puede ser aceptada a la vez que permite suficiente tiempo de aireación de la superficie, se reduce por el crecimiento de juncos a lo largo del año (Molle, 2003). Sin embargo, no se han observado diferencias significativas en la remoción de contaminantes a lo largo del año incluso con cargas hidráulicas de hasta dos veces el caudal en la estación seca.

Las figuras 4 y 5 presentan los rendimientos de remoción en relación con la carga orgánica (100% de la remoción está representada por la línea punteada). Incluso para las cargas orgánicas superiores a las permitidas en el diseño, la remoción de DQO y de SS es aceptable. Para las cargas hidráulicas bajas, se observa una mayor variación en la remoción de DQO (80 ± 6%; N = 15). Esto se puede relacionar con el hecho de que durante una carga baja, la distribución del agua y, por tanto, el depósito de lodos, no es homogéneo. La heterogeneidad en la distribución puede llevar a algunas deficiencias en la remoción de DQO debido al corto circuito del caudal. La remoción del DQO se ve afectada por la velocidad de infiltración (Molle, 2003). La remoción de SS, sin embargo, parece relativamente estable y eficiente. Esto no se da en el caso de la nitrificación (ver figura 5). Se puede esperar una nitrificación para cargas nominales de NTK (25 a 30 g.m-2.d-1) de aproximadamente 50%. Las variaciones en la eficacia de la nitrificación no se pueden relacionar con el diseño de la planta, sus años o la profundidad del medio, para una demanda global de oxígeno (GOD = DCO + 4.57*NTK) de entre 40 y 110% de carga nominal y cargas hidráulicas de entre 40 y 160% de la carga nominal. De hecho, observamos una tendencia a mejorar la remoción de NTK a lo largo del año. El período invernal, con una mineralización menor del depósito de lodos y bajas temperaturas, es el peor para la actividad biológica. La nitrificación es probablemente la primera a sufrir las consecuencias de estas condiciones limitantes. Además, el período de enero a abril se ve afectado por un período más largo de acumulación de lodos (desde noviembre) lo que hace que se mantenga húmedo, produciendo una mineralización inferior, lo que contribuye a una limitación en la velocidad de infiltración y en la renovación del oxígeno. Remoción y concentración de contaminantes en la salida del primer humedal artificial de flujo vertical para cargas hidráulicas inferiores a 0,6 m.d-1 DQO SS NTK Número de años % de remoción Concentración a % de remoción Concentración a % de remoción Concentración a de la planta

TABLA 4

la salida mg.l-1

Media (N) SD Media (N) SD

2-6 >2

35 0

79 ± 3 (54) 82 ± 3 (34)

131 ± 20 (54) 71 145 ± 24 (34)

la salida mg.l-1

86 ± 3 (54)

33 ± 6 (54)

58 ± 5 (54)

13 ± 5 (54)

12 94± 4 (43) 7

19 15 ± 6 (51) 19

17 85 ± 6 (43) 16

17 12 ± 5 (49) 18

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

300

la salida mg.l-1

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

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<HL<06m.d-1

FIGURA 4

Manual de Humedales Artiﬁciales

Carga tratada (g.m2.d-1)

250

40 130<GOD<350 g.m-2.d.-1 GOD> 350 g.m-2.d.-1 y=7,4211Ln(x) – 10,32 R2=0,4381

NTK tratado (g.m2.d-1)

35 30 25 20 15 10 5

Carga de NTK (g.m2.d-1) Figura 5. NTK tratado para plantas de más de 1 año, 0,15<HL<0,6m.d-1

FIGURA 5

Segunda fase de tratamiento Como se muestra en la Tabla 5, la segunda fase de tratamiento ofrece principalmente una contribución de nitrificación. Debido a las bajas concentraciones de DQO y SS a la entrada (aproximadamente 140 y 40 mg.L-1 respectivamente), esta segunda fase tiene tan solo un efecto depurador en estos parámetros. No se observó relación entre la tasa de remoción y el tamaño del filtro. En los casos de remoción de DQO, las cargas hidráulicas altas parecen disminuir la eficacia (figura 6). Esto fue demostrado por Molle (2003) con experimentos con columna en laboratorio, concluyendo que la remoción del DQO es sensible al tiempo de retención hidráulica.

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No hubo relación entre la concentración de DQO en la salida y la carga hidráulica. La carga hidráulica disminuye la remoción de DQO pero se ve compensada por el efecto de la dilución. Por tanto, la concentración a la salida se mantuvo baja. Sería necesaria más información para analizar de qué manera las características del diseño contribuyen a los cambios en la eficacia de remoción. En nuestro estudio la profundidad y características del suelo no siempre se tuvieron en cuenta o fueron lo suficientemente precisas como para permitir observar cómo los suelos influyen en los niveles de remoción. La distribución total del caudal sobre la superficie del filtro es de gran importancia. Esta información (flujo de los sistemas de alimentación) habría sido de gran valor para poder definir la calidad de distribución en la superficie. Sin embargo, podemos observar que, en general, la nitrificación presenta la misma tasa de eficacia que la observada por Molle (2003) en un estudio realizado bajo mejores condiciones controladas (Figura 8). Algunas evaluaciones (9 de 53) se llevaron a cabo mediante la desviación SATESE de esta correlación para cargas bajas de NTK (Figura 8). No se puede establecer ninguna razón clara o general debido a las numerosas diferentes condiciones que podrían afectar las tasas de nitrificación (concentración baja en la entrada debido a efluente diluido, presencia de la industria, uso de suelo natural, etc.). Es importante tener en cuenta que parece esencial disponer de buenas condiciones de flujo de alimentación. Es necesario llevar a cabo estudios más precisos para evaluar de qué forma la distribución y la frecuencia de descarga pueden modificar la tasa de nitrificación.

TABLA 5

Remoción y concentración de contaminantes en la salida de la segunda fase del humedal artiﬁcial de ﬂujo vertical para cargas hidráulicas <0,6 m.d-1 DQO SS NTK % de remoción

Todas las evaluaciones 80<COD<280 (mean 140) mg.L-1

Concentración a % de remoción la salida mg.l-1

Concentración a % de remoción Concentración a la salida mg.l-1 la salida mg.l-1

Media (N)

56 ± 12 (44)

51 ± 7 (44)

65 ± 10 (44)

11 ± 3 (44)

71 ± 7 (44)

7 ± 2 (44)

SD Media (N)

38 60 ± 8 (28)

23 55 ± 8 (29)

34 72 ± 7 (28)

9 11 ± 4 (29)

23 78 ± 7 (28)

6 6 ± 2 (29)

Sin embargo, notamos que se lograron los objetivos del tratamiento para las cargas inferiores a 15 g.m-2 .d-1 de NTK en el filtro en operación de la segunda fase. Para cargas superiores a este nivel, se observó una disminución en la tasa de nitrificación. Esto no es de importancia respecto a los niveles de salida si esta carga alta se debe una alta carga hidráulica de afluente diluido porque la concentración en la salida logrará los objetivos de calidad. No obstante, si esto es debido a la pequeña área superficial de la unidad, sería dif ícil conseguir el 90% de nitrificación en toda la planta.

Acumulación y manejo de lodos Hasta el momento, sólo se ha extraido el lodo de una de las plantas diseñadas para 1600 p.e. formada por 8 humedales artificiales de flujo vertical anteriores a 3 estanques de estabilización de residuos (WSP – por su sigla en inglés -) (con dimensiones de 5 m2/p.e.). La planta comenzó a funcionar en 1987. Se necesitó eliminar el lodo en 1996, pero no debido a la deterioración de la calidad del efluente, sino a su altura desigual, creando, de esta manera, problemas de distribución y poca disponibilidad de borde libre, lo cual incrementaba el riesgo de desbordamientos en invierno. Se produjo una mala distribución debido a una tasa de flujo de la estación de bombeo insuficiente al encontrarse lejos de la planta y a un canal de distribución inadecuado. Se estimó la altura promedio en 13 cm (mínimo de 6 cm, máximo de 27 cm). En 1999, tras la remoción de lodo de 6 filtros, se cambió el sistema de bombeo y distribución para conseguir una mejor distribución de los SS sobre el área superficial.

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En marzo de 2001 el lodo acumulado en los dos filtros que no se habían limpiado desde la puesta en marcha del humedal (junio de 1987) había alcanzado aproximadamente 25 cm en toda la superficie de cada filtro y el borde libre no era suficiente para garantizar el tratamiento de picos hidráulicos diarios. A partir de estas mediciones, se pudo confirmar que en esta planta la altura del lodo aumenta aproximadamente 15 mm por año. Se analizaron varias muestras de las diferentes capas de lodo con el objeto de determinar su grado de mineralización (Tabla 6). Debido a experimentos hidráulicos y al clima húmedo, justo antes de la remoción del lodo, las condiciones de secado no fueron las óptimas. Sin embargo, el contenido de materia seca fue siempre superior al 20% excepto en la parte superior donde los depósitos eran más recientes. La mineralización que se genera a lo largo del tiempo induce gradientes DM y OM sobre la altura del lodo. Los análisis confirman un contenido relativamente alto de DM en relación con las condiciones húmedas que prevalecen en el momento. Probablemente, la mineralización proporcionó una estructura al lodo que permitió la rápida filtración del agua y evitó que éste se mantuviera demasiado húmedo.

HL>0.4m.d-1 HL<0.4m.d-1

NTK TRATADO (G.M2.D-1)

y=0.7667x R2=0.9077

50 40 30 20 10 0 0

Sólidos suspendidos tratados SS (g.m2.d-1)

CARGA DE NTK (G.M2.D-1) DQO y SS tratados para concentraciones de DQO entre 520 y 1400mg.L-1; 0,15<HL<0,6m.d-1

FIGURA 6

HL>0.4m.d-1 HL<0.4m.d-1

y=0,8123x R2=0,9012

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

Sólidos Suspendidos tratados en la segunda fase

FIGURA 7

Manual de Humedales Artiﬁciales

NTK tratado (g.m-2d-1)

0 0

Carga de NTK (g.m-2.d-1)

NTK tratado en la segunda fase (0,05 <hl<2,2 m.d-1)

FIGURA 8

TABLA 1

Calidad del lodo en los dos ﬁltros de Gensac la Pallue en 2001

MATERIA SECA (G.KG-1)

MATERIA ORGÁNICA (% OF DM)

181.0

Capa superior

61.2

Filtro 6

Filtro 7

205.0 Capa intermedia

214.5

Promedio = 261,8

54.9 51.5

365.9*

Promedio = 42,96 22.5

Capa inferior

291.6

39.8

Lodo extraído

284.0

34.3

Capa superior

154.0

Capa intermedia

213.2

48.3

Capa inferior

218.1

Promedio = 264,3

45.3

Promedio = 41,5

310.5

37.8

Lodo extraído

217.8

49.2

Lodo almacenado desde la primera extracción en 1996

583.0

10.4

* esta gran cantidad se explica por la ubicación de esta muestra, al final del filtro, con muy poca alimentación antes de 1999, debido al fallo del mecanismo de distribución, como ya se mencionó anteriormente. ** formado por varias muestras de lodo mezclado tomadas durante la extracción de un filtro.

Esta capa de depósito se une a los medios eficientes biológicamente y tiende a incrementar las tasas de remoción del DQO, SST y NTK. El aumento en la capa de depósito no afecta drásticamente la capacidad hidráulica del filtro. De hecho, debido al papel mecánico de los juncos (Molle 2003), es solamente la capa delgada de depósitos más recientes la que es hidráulicamente limitante. La extracción de lodos no afectó al crecimiento de los juncos a partir de los rizomas. El análisis metálico de lodos (Molle 2003) mostró que su uso para fines agrícolas es posible siempre y cuando las agroindustrias no hayan sido conectadas a la red de alcantarillado (por ejemplo, cobre del tratamiento de viñedos).

87 Manual de Humedales Artiﬁciales

Basándose en una carga diaria de SS de 16,3 kg y una tasa de remoción del 90%, el balance de masa de entrada de SS en estos dos filtros a lo largo de 14 años se pudo calcular en 75.000 kg de SS. La masa evacuada (altura media de 22,5 cm, contenido de 25% de DM y un área superficial de los 2 filtros de 520 m2) se estima en 29000 kg de SS, lo cual representa casi 39% de los SS ingresados con las aguas residuales. De esta manera, la tasa de mineralización alcanzada fue de 61%, similar a una estimación previa de 65% de Boutin et al. (1997). Esta mineralización anaeróbica, como se evidencia por la presencia de muchos gusanos terrestres Lumbricus, también se puede explicar por el hecho de que, una vez casi desaguado (es decir, el 15% del contenido de SS), los SS retenidos en la superficie del depósito representan una altura no superior a 1,5 mm por semana antes de que tenga lugar cualquier proceso de mineralización. Esta capa delgada está en contacto directo con la atmósfera la mayor parte del tiempo. Las bacterias en la capa de lodo, en óptima higrometría y protegidas de los rayos UV por la acción de la sombra de los juncos, pueden iniciar fácilmente su actividad aeróbica.

Conclusión Este estudio nos ofrece una perspectiva general del rendimiento de las muchas y variadas características de diseño y funcionamiento de los humedales artificiales de flujo vertical en Francia. En general, este sistema es apropiado para comunidades pequeñas ya que el tratamiento es extremadamente eficiente (90% para DQO, 95% para SS y 85% para la nitrificación) a pesar de las variaciones en las cargas hidráulicas y orgánicas (15% de las evaluaciones mostraron cargas orgánicas superiores a la carga nominal de DQO y el 25% de las cargas hidráulicas superiores a la carga nominal). La primera fase del tratamiento realiza una remoción de DQO y SS mientras que la nitrificación es variable y de alrededor del 50% de NTK en la entrada. La segunda fase del tratamiento asegura la remoción del carbono (DQO y SS) y completa la nitrificación. No se puede probar de forma estadística el efecto del diseño en la tasa de remoción de contaminantes (tamaño, características del material, etc.). Sin embargo, al ser más sensible a la oxigenación y a las condiciones de funcionamiento, la nitrificación es un parámetro adecuado para observar la adecuación del diseño y/o funcionamiento de la planta al rendimiento en la remoción de contaminantes. Para este estudio, no se obtuvieron los datos del diseño o, al menos, éstos no fueron lo suficientemente precisos en términos de profundidad de suelos, granulometría, volumen del sifón, flujo de la bomba, etc. como para determinar cómo la nitrificación puede mejorar con un diseño o una gestión óptima. Sin embargo, podemos afirmar que 2 m2.PE-1 es un prerrequisito para lograr suficiente nitrificación. Los tamaños superiores a 2,5 m2.PE-1 no parecen aumentar la nitrificación. El rendimiento de cada fase en relación a las cargas orgánicas y, en algunos casos, hidráulicas, permiten que el potencial del sistema sea definido más claramente. Para las cargas nominales podemos afirmar que 1,2 m2PE-1 en la primera fase y 0,8 m2.PE-1 en la segunda fase permite que se alcancen concentraciones de 60 mg.L-1 en DQO, 15 mg.L-1 en SS y 8 mg.L-1 en NTK. Las cargas hidráulicas pueden influir en la remoción de DQO (observada en la segunda fase del tratamiento). Sin embargo, la concentración en la salida se mantiene debido al efecto de dilución. En relación a la tasa de remoción observada para cada fase, la nitrificación se puede mejorar mediante el incremento del tamaño de la primera fase a 1,5 m2.PE-1 para obtener una concentración en la salida de alrededor de 6 mg.L-1. Sin embargo, esto crearía más problemas de distribución de las aguas residuales. De hecho, la alimentación del flujo de la primera fase es de gran importancia para garantizar una distribución completa del agua hacia el filtro y así usar todo el reactor.

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Se necesita llevar a cabo más estudios con el fin de determinar de manera precisa las condiciones óptimas para la alimentación (caudal, volumen, frecuencia) para mejorar la nitrificación. Sin embargo, en nuestra experiencia, parece que un flujo de alimentación de 0,6 m3.m-2.h-1 es el mínimo. Este flujo garantizaría una distribución satisfactoria para la primera descarga después de un período de descanso, cuando las tasas de filtración pueden ser superiores a 1,4 10-4m.s-1 (Molle, 2003). Esta alimentación aseguraría un buen lodo y una buena distribución del agua en el filtro. La capa de depósito en la primera fase limita la tasa de filtración y mejora la distribución del agua. También suplementa la capa activa biológicamente. La mineralización (60%) conduce a un incremento en el lodo de aproximadamente 1,5 cm por año, el cual debe ser extraído una vez se alcance un máximo de 20 cm, es decir, aproximadamente cada 10 a 15 años. Este lodo se puede usar para fines agrícolas siempre y cuando no existan industrias conectadas al sistema de alcantarillado.

Agradecimientos Los autores desean agradecer a las autoridades de la Agencia del agua de “Rhone Mediterranee Corse” por el apoyo ﬁnanciero, a SATESE por su contribución con la aportación de datos y a H. Zowal y H. Burnett por la ayuda concedida.

Referencias bibliográficas Boutin, C., Lienard, A. and Esser, D. (1997). “Development of a new generation of reedbed filters in France : First results”. Wat. Sci. Tech., 35 (5), pp 315-322. Liénard, A. (1987). “Domestic wastewater treatment in tanks with Emergent Hydrophytes : latest results of a recent plant in France”, Wat. Sci. Tech., 19, (12), pp 373-375. Liénard, A., Boutin, C. and Esser, D. (1990a). “Domestic wastewater treatment with emergent hydrophyte beds in France” en Constructed Wetlands in Water Pollution Control (Adv. Wat.Pollut. Control n°11). Ed. Cooper P.F. and Findlater B.C. Pergamon Press, Reino Unido, pp 183-192. Liénard, A., Esser, D., Deguin, A. and Virloget, F. (1990b) « Sludge dewatering and drying in reed beds: an interesting solution ? General investigation and first trials in France”, en Constructed Wetlands in Water Pollution Control (Adv. Wat. Pollut. Control n°11). Ed. Cooper P.F. and Findlater B.C. Pergamon Press, Reino Unido, pp 257-267. Liénard, A., Boutin, C. and Esser, D. (1998). “Constructed wetlands for wastewater treatment in Europe.”, Ed. Vymazal J., Brix H., Cooper P.F., Green M.B., Haberi R., 1998, Backhuys Publishers, Leiden, Países Bajos, pp.153-168. Molle P., (2003). Subsurface flow constructed wetlands: Phosphorus retention and hydraulic limit of vertical subsurface flow CWs. (en francés) Tesis Dcotoral de Ingeniería de Procesos, Universidad de Montpellier, 267 pp.

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