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SISTEMAS BIOLOGICOS EXTENSIVOS HUMEDALES ARTIFICIALES
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HUMEDALES ARTIFICIALES Sistemas de tratamiento biológico extensivos, donde participan microrganismos diversos, interactuando en un ecosistema que imita procesos naturales. Desempeñan un papel importante en la descentralización de sistemas de tratamiento de aguas residuales.
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HUMEDALES ARTIFICIALES El término Humedal se usa para definir áreas que tienen 3 componentes típicos:
Presencia de periódicamente.
agua: agua :
área
inundada
permanente
o
Suelos característicos: clasificados comohídricos comohídricos.. Vegetación apropiada : prevaleciendo las plantas macrófitas (plantas hídricas grandes) adaptadas a las condiciones hidrológicas.
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OTRAS DENOMINACIONES HumedalesArtificiales PantanosArtificiales
Wetlands Reed beds
Filtros con plantas
Root zone methods
Lechos de plantas
Rock reed filters
Lechos de macrofitas Lechos de hidrofitas Fitotratamientos Biofiltros Tratamientospasivos 4
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APLICACIONES DE LOS HUMEDALES
Tratamiento descentralizado de aguas residuales domesticas y urbanas – Cochabamba /Bolivia
Tratamiento de aguas grisesasentamiento Humano Oasis- Villa el Salvador
APLICACIONES Drenaje acido de mina. Tratamiento
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de lodos de depuradoras.
HUMEDAL PARA DRENAJE ACIDO
PARA TRATAMIENTO DE LODOS (Canteros de Mineralización)
.
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TIPOS DE HUMEDALES ARTIFICIALES Superficiales o de Flujo libre: (FL) • Con plantas flotantes • Con plantas sumergidas • Con plantas emergentes
Subsu perficiales (FSS) • Flujo horizontal (FSSH) • Flujo vertical (FSSV) • Combinación(FSSV – FSSH)
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HUMEDALES DE FLUJO L IBRE O SUPERFICIAL En estos sistemas, el agua circula por lagunas de poca profundidad (entre 0.2 y 0,5 m) a través de las raíces y/o tallos de las plantas y en contacto con el aire. • Se utiliza vegetación flotante, emergente o sumergida.
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MECANISMOS DE REMOCION DE CONTAMINANTES EN HUMEDALES DE FLUJO SUPERFICIAL Sedimentación de sólidos Degradación biológica de la materia orgánica: microorganismos aerobios y anaerobios. Remoción de nutrientes: absorción por las plantas, nitrificación, desnitrificación. Remoción de patógenos: suficiente área superficial, tiempo de retención, radiaciónUV. Remoción de metales: absorción por las plantas, precipitación como óxidos, hidróxidos, sulfuros 9
HUMEDALES DE FLUJO LIBRE 10
sedimentacion
Flujo pistón (mayor longitud), incrementa tiempo de retención, favorece sedimentación y precipitación (desagües demina.) FuenteUNESCOIHL
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ESTUDIOS DE CASO
CIA MINERA SANTA LUISA S.A. 11
HUMEDALES EN LA CIA MINERA SANTA LUISA S.A.
o o o o
Campamento de 340 hab. Altitud 3850msnm Caudal 121 m 3/día Especies vegetales : Rorippa nasturtiumaquaticum Verónica anagalis aquaticum.
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HUMEDALES EN LA CIA MI NERA SANTA LUISA S.A.
Fotos y esquema: Villanueva Aynor 13
A J R O B N A S E D D A D I L A P I C I N U M R A T P
Jacinto de agua (Eichhornia crassipes)
Fuente:Municipalidadde SanBorja/perusan2007
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PTAR MUNICIPALIDAD DE SAN BORJA
o o o o
PTARpara tratar aguas delrío Surco Caudalde tratamiento 3 l/s Filtro biológico con piedra pómez Lecho de macrofitas
ING.ROSAMIGLIO T.
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LEMNA SYSTEM (Sistema patentado)
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LEMNA SYSTEM REUSO DE LEMNA
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HUMEDALES DE FLUJO SUBSUPERFICIAL Filtro biológico de grava sembrado con plantas acuáticas por donde discurren las aguas residuales pretratadas.
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MECANISMOS DE REMOCION EN HUMEDALES SUBSUPERFICIALES (FSS) CONSTITUYENTE DEL AGUARESIDUAL
MECANISMO DE REMOCIÓN
Sólidos suspendidos
Sedimentación/filtración
Materia orgánica biodegradable
Degradación microbiana (aerobia, anaerobia, facultativa)
Nitrógeno
Amonificación, seguida por nitrificación-desnitrificación Volatilización, toma por la planta
Fósforo
Porción en el suelo (reacciones de de adsorción, precipitación con Fe, Al, Ca, minerales de arcilla). Tomapor la planta
Metales pesados
Sedimentación Adsorción sobre superficie de plantas y detritos
Patógenos
Tomapor la planta Sedimentación/filtración Muerte natural, radiación UV,excreciones de las plantas
Fuente: Brix H, 1993; Crites and Tchobanoglous,1998
HUMEDALES DE FLUJO SUBSUPERFICIAL Los sistemas SSF se clasifican de acuerdo al sentido de circulación del
agua en: humedales de flujo horizontal y humedales de flujo vertical. Existen
también sistemas híbridos que combinanlos dos tipos de flujo, un humedal vertical, seguido por un humedal horizontal.
HORIZONTAL
VERTICAL
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TIPOS DE FLUJO EN HUMEDALES FSS
Ref : www.bodenfilter.de/englbofilter.htm
Flujo horizontal 21
TIPOS DE FLUJO EN HUMEDALES FSS
Ref : www.bodenfilter.de/englbofilter.htm
Flujo vertical 22
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COMPONENTES DE LOS PANTANOS ARTIFICIALES DE FLUJO SUBSUPERFICIAL
Medio de soporte Microorganismos o bacterias Plantas acuáticas
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MEDIO DE SOPORTE •
•
•
•
En los sistemas de flujo subsuperficial existe un lecho que puede estar constituido por grava y arena con tamaños variables. Los sistemas son diseñados para evitar el flujo de agua por la superficie del humedal Si ocurre el ingreso de una alta cantidad de sólidos suspendidos con el agua se puede producir la colmatación del lecho y por consiguiente la aparición de flujo superficial Por ello es importante lograr la mayor eliminación de sólidos en los tratamientospreliminares. ING.ROSA MIGLIOT.
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MEDIO DE SOPORTE •
•
•
Otro aspecto importante es que el material debe estar libre de polvo, no debe contener arcilla, limo, ni otro material fino La grava y arena deben ser bien graduadas con tamaños en un rango entre 2 a 12 mm Un Coeficiente de uniformidad (Cu) apropiado, con un valor entre 4 y 6 que representa a un suelo bien graduado:
n n a m f f o H . H : o t o F
Cu = D60 / D10 •
D60 : el diámetro o tamaño por debajo del cual queda el 60% del suelo, en peso
•
D10 : llamado también diámetro efectivo; el diámetro o tamaño por debajo del cual queda el 10% del suelo, en peso.
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COEFICIENTE DE UNIFORMIDAD
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MEDIO DE SOPORTE •
•
La estructura del medio define las propiedades hidráulicas del humedal y determina con que facilidad circula el agua a través de el. Son importantes dos propiedades: Conductividad hidráulica y porosidad. El Cuadro muestra características promedio de sustratos para humedales de flujo subsuperficial. Sin embargo se recomienda que la conductividad hidráulica y la porosidad del material sea determinada previamente en el laboratorio.
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MICROORGANISMOS
Actúan
en l a descomposición de materia orgánica y en la degradación y en la transformación de compuestos tóxicos. Están fijados alrededor de las raíces y rizomas de las plantas Actúan microorganismos anaerobios aerobios, y facultativos. . 28
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PLANTAS Suministran oxígeno al suelo y mantienen un ambiente adecuado para el crecimiento de bacterias. Tranferencia de O2 hacia las raices AGUA RESIDUA L CRUDA
AGUA RESIDUA L TRATADA Ambiente aerobio MEDIO FILTRANTE Ambiente anaerobio 29
PLANTAS Aspectos
importantesde las plantas con relaciónal tratamiento son: densidad de raíces y su tasa de crecimiento. Una alta densidad de raíces mejora las propiedades hidráulicas del suelo y ayuda a prevenir la colmatación. Una mayor longitud de raíces y rizomas permite utilizar lechos de mayorprofundidad.
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PLANTAS Otra función importante de las plantas en los humedales es la toma de nutrientes, así como otros constituyentes presentes en el agua residual (metales pesados). Sin embargo la cosecha de las plantas no es la vía más eficiente para la remoción de nutrientes. Algunos estudios señalanque con la cosecha se elimina menos del 10% del nitrógeno removido del agua.
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ESPECIES VEGETALES UTILIZADAS EN HUMEDALES DE FLUJO SUBSUPERFICIAL
Papiro (Cyperus papirus)
Zacate
Paraguitas (Cyperus alternifolius )
Carrizo (Phragmites Achira (Canna edulis)
australis)
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ESPECIES VEGETALES UTILIZADAS EN HUMEDALES DE FLUJO SUBSUPERFICIAL
Papiro
IRIS CALA
BAMBU
CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO DE HUMEDALES SUBSUPERFICIALES
Tratamientos primarios: están destinados a retener sólidos suspendidos, y para ello se pueden emplear: sedimentadores, tanques Sépticos y tanqu es Imhoff .
Estas unidades se utilizan para evitar la rápida colmatación del material del lecho, con este proceso se garantiza un tiempo de vida entre 10 y 15 años para el sustrato.
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TRATAMIENTOS PRELIMINARES Y PRIMARIOS El sistema requiere incorporar Pretratamientos (procesos destinados a eliminar sólidos, arenas y grasas), y tratamientos primarios para reducir la colmatacion del lecho del humedal
REJA,DESARENADOR
SISTEMA CON TANQUE SEPTICO
CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO o
Forma y dimensiones : rectangular o cuadrada con una profundidad entre 0,60 y 0,70 m.
o o o
Área: entre 1 y 5 m 2/población equivalente. Estructuras de entrada y salida: para distribuir y recoger el flujo Control de nivel: regula nivel de agua en el lecho
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CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO Recomendaciones básicas para el diseño de un humedal de flujo horizontal: • La superficie superior del humedal debe ser horizontal, pero el fondo
del lecho debe mantener una pendiente entre 0,5 y 1%. • La profundidad del lecho normalmente es de 60 cm; adicionalmente
tiene entre15 y 30 cm de borde libre. • Respecto al ancho del lecho, es crítico usar longitudes mayores a 30 m
porque dificultan una distribución uniforme del flujo; para anchos mayores es conveniente dividir el humedal en varias celdas.
ESTRUCTURAS DE ENTRADA Y SALIDA
ING. ROSA MIGLIO T.
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REVESTIMIENTO DEL LECHO y SIEMBRA DE VEGETACION
ING.ROSAMIGLIOT.
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EFICIENCIAS DE REMOCION DE CONTAMINANTES SISTEMA COMPLETO
HUMEDAL SUBSUPERFICIAL DE FLUJO HORIZONTAL
DQO
90-95%
80-90%
DBO5
95-98%
90-95%
≥ 90%
80-90%
SS N total
35%
35%
P total
10-20%
10-20%
2.5-3 un.log.
2-2.5 unidades log
1-3 un.log.
1-3 unidades log
Coliformes fecales Huevos de helmintos FUENTE: Gauss M.
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HUMEDALES SUBSUPERFICIALES DE FLUJO VERTICAL
La distribución del efluente ocurre en toda la superficie en intervalos de tiempo.
Se suele dosificar el agua 4 a 6 veces al día. Para la alimentación se requiere de una bomba o de un sifón
El agua infiltra verticalmente y se colecta por el fondo. El área necesaria es menor que en humedal de flujo horizontal. La profundidad del lecho oscila entre 0,80 y 1,00 m.
ING.ROSAMIGLIOT.
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HUMEDALES SUBSUPERFICIALES DE FLUJO VERTICAL – CELDA FRANCESA
Humedal de flujo vertical para tratamiento primario
Recibe el desagüe crudo el cual se distribuye por sectores en la celda Se dosifican por pulso 2 a 4 veces al día, y se intercalan los sectores periódicamente.
Para la alimentación se requiere de una bomba El agua infiltra verticalmente, los solidos se mineralizan en la superficie del lecho durante el periodo que no es alimentado.
ING.ROSAMIGLIOT.
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HUMEDALES PARA TRATAMIENTO DE LODOS
Los lodos se distribuyen sobre la superficie en capas de poco espesor 5 a 10 cm) La parte liquida infiltra y el lodo es degradado en el humedal 43
HUMEDALES PARA TRATAMIENTO DE LODOS
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COMUNIDAD DE LACABAMBA - ANCASH
• Pob atendida: 1300 pers. • Q = 104 m3/día • Area de humedal = 58,5m2 45
PLANTAS DE TRATAMIENTO – EL MIRADOR – NUEVO PACHACUTEC, VENTANILLA
Población atendida: 2655 habitantes Caudal tratado: 1,23 l/s 46
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PTAR CEMENTOS LIMA/agua residual domestica
o o
o
Caudal de tratamiento : 7,5 l/s Pretratamiento: rejas, tanque regulador, sedimentador de placas lamelares, tanque de oxigenación. Fines. Reuso en riego y agua contra incendios
HUMEDAL DE MESAPATA-Recuay, Ancash
Juncos imbricatos o
o
Drenaje ácido de relave Especies vegetales: Cyperus niger, Juncos imbricatos
Fuente:J.Palomino-UNASAN2010 48
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HUMEDAL DE MESAPATA-Recuay, Ancash
Fuente:J.Palomino-UNASAN2010
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HUMEDAL DE MESAPATA-Recuay, Ancash PARAMETRO
AFLUENTE (mg/l)
EFLUENTE (mg/l)
EFICIENCIADE REMOCION
pH
2.2
7.3
-
Sulfatos
500
26
96
Cobre
7
0.1
99
Plomo
26
0.2
99
Fierro
25
0.1
99,6
Fuente:J.Palomino-UNASAN2010 50
25
A I C
Lugar
Planta
Código
Abundancia relativa
Huancapetí
Calamagrostis ligulata
Cali
90%
Jui
60%
Distichia muscoides
N A D N U B A Y S A D A R T S I G E R S A T N A L P
5%
Otras Mesapata
5%
Juncus imbricatus Juncus bufonius
15%
Sciperusniger
15%
Otras Quilcayhuanca
10%
Ciperus sp.
CY
70%
Calamagrostis sp.
Casp
15%
Distichia muscoides
10%
Otras Quebrada Honda
5%
Calamagrostis ligulata
Cali
60%
Juncus imbricatus
Juim
25%
Distichia muscoides
10%
Otras
5% Fuente:J.Palomino-UNASAN-2010
CRITERIOS DE DISEÑO o
o
o
o
Tamaño del sistema, diseño físico y características dependen de la topografía, geología, tipo de suelo. El tamaño del lecho y sus componentes, dependen del diseño hidráulico y de las exigencias para eliminar contaminantes. Criterios de tipo hidráulico: definen el largo, ancho y pendiente aplicando la ley de Darcy. Se comportan como reactores de cultivo fijo con flujo pistón. Criterios de tipo biológico: permiten encontrar la superficie total o área de tratamiento
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DISEÑO HIDRAULICO Se realiza en base a la Ley de Darcy: Q = ks x At x s Siendo: Q = gasto promedio (m3/día) ks = conductividad hidráulica (m3/m2.día) At = área de la sección transversal (m 2) s = gradiente hidráulica (m/m) o pendiente
REMOCION DE CONTAMINANTES
La remoción de contaminantes es calculada usando modelos matemáticos de primer orden, que proporcionan el área mínima requerida para el tratamiento.
Las dimensiones obtenidas por estos métodos, dependen del contaminante que se quiere eliminar, de la concentración original, de la calidad final deseada, de las condiciones climáticas del sitio de localización.
Posteriormente el área de tratamiento obtenida debe ajustarse de acuerdo a relaciones recomendadas de largo:ancho, profundidad y pendiente.
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REMOCION DE CARGA ORGANICA o
o
La Carga orgánica se debe limitar a la capacidad de trasferencia de oxigeno de la vegetación al sistema. Se pueden aplicar modelos de primer orden como el de Reed: Ce/Co = e-KT x t Siendo:
Ce = DBO en el efluente (mg/l) Co = DBO en el afluente (mg/l) KT = Cte. de remoción de carga Orgánica (días -1) t = tiempo de retención ( días) KT = K20 (1,06)T-20 y K20 = 1,104 (días-1)
TIEMPO DE RETENCION HIDRAULICO Se diseña en función al caudal de diseño y a la geometría del sistema. Vol l x a x d xn t = --------------- = -------------------------Q
Q
Siendo: t = tiempo de retención ( días) l = longitud del lecho (m) a = ancho del lecho (m) d = profundidad del lecho (m) n = porosidad del sustrato Q = caudal (m 3/día)
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PARAMETROS DE DISEÑO o
CARGAORGANICAAPLICADA
o
CARGA HIDRAULICA APLICADA
o
TIEMPO DE R ETENCION HIDRAULICA
o
SUPERFICIE ESPECIFICA
PARAMETROS TIPICOS DE DISEÑO PARA HUMEDALES EN CLIMAS CALIDOS TIPO DE FLUJO Carga orgánica
SSW HORIZONTAL
SSW VERTICAL
< 60 *
< 350 kgDBO/ha.dia
kgDBO/ha.dia Carga hidráulica
< 40 mm/día
< 200 mm/día
Area por hab-eq
3 a 10 m2
1 a 2 m2
Relación largo:ancho Profundidad Pendiente de fondo Tipo de relleno Vegetación
3:1
NA
< 0.60 m
> 1m
0.5 - 1 %
0.5
1%
–
Arenas y gravillas
Arenas y gravillas
Variable
Variable
Fuente:Hoffman H,en Manualde diseño de humedales artificiales
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HUMEDALES SUBSUPERFICIALES DE FLUJO VERTICAL - CARGAS
Experiencias en Brasil y Perú (ROTARIA DEL PERU SAC) reportan la aplicación de una carga orgánica de: - 30 gDBO/m2dia para tratar aguas residuales - 24 gDBO/m2dia para tratar aguas grises - 32 gDBO/m2dia para tratar aguas negras.
En cuanto a cargas hidráulicas, la misma empresa reporta: - 150 mm/día para tratar aguas residuales - 120 mm/día para tratar aguas grises - 70 mm/día para tratar aguas negras.
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