DISEÑO HIDRÁULICO DE UN HUMEDAL ARTIFICIAL A NIVEL LABORATORIO Guadalupe PÉREZ REYES; Samuel ENCISO SÁENZ; Miguel Cid DEL PRADO MARTÍNEZ; José Humberto CASTAÑÓN GONZÁLEZ*. División de Estudios de Posgrado e Investigación, Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez; Carretera Panamericana km. 1080. C.P. 29050. Tuxtla Gutiérrez, Chiapas, México.
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[email protected] Palabras clave: humedal artificial, diseño hidráulico, modelo matemático.
RESUMEN El deterioro de la calidad del agua es un grave problema ambiental y socioeconómico, que se acentúa en México. El uso del agua para el abastecimiento urbano e industrial debe ir acompañado de un tratamiento que permita su reutilización o bien su disposición sin que perturbe el equilibrio biológico de las zonas de descarga. El objetivo de esta investigación fue el estudio del comportamiento hidráulico de un humedal artificial a escala de laboratorio, considerando el régimen de flujo en un medio poroso establecido en la Ley de Darcy. Asimismo, se analizó el efecto potencial del sistema como fuente de tratamiento de bajo consumo de energía, bajo costo y valor agregado mediante la utilización de plantas de Gossypium Herbaceum y diferentes sustratos de piedra pómez y grava. Para la determinación del comportamiento del humedal se utilizó como trazador el KMnO 4 a diferentes caudales para cada uno de los sustratos. El comportamiento del sistema que se presentó en el caudal más bajo fue de flujo pistón (FPI) en los otros dos caudales se presentó una mezcla de FPI y tanque agitado (TAC). INTRODUCCIÓN En los últimos tiempos, entre las distintas tecnologías no convencionales existentes, los humedales artificiales son los que están experimentando un mayor grado de desarrollo e implantación, resultando una opción para obtener un agua con buena calidad, debido principalmente a su elevada eficiencia en la reducción de materia orgánica, nutrientes y patógenos, reduciéndose los posibles efectos adversos de los vertidos sobre los medios receptores. La depuración en dichos sistemas, se realiza mediante la combinación de procesos físicos, químicos y biológicos; incluyendo la sedimentación, precipitación, adsorción a partículas del suelo, asimilación por el tejido vegetal y transformaciones microbiológicas (Moshiri, 1993). A principios de los años ochenta la autoridad del valle de Tennessee inició un programa de investigación y asistencia técnica sobre humedales construidos para el tratamiento de una gran variedad de desechos. Actualmente existen humedales 1
en Alemania, Austria, Suiza y Dinamarca; sin embargo esta tecnología se ha ido construyendo y evaluando en otros países como Francia, Polonia, España, Estonia, Hungría, Inglaterra, Checoslovaquia, Canadá, Egipto, China, Nicaragua, México, etc. ( Lakatos et al., 1997; Eastlik, 1998) Las ventajas de los humedales artificiales incluyen: flexibilidad en la localización del sitio, optimización en el tamaño según la carga del contaminante, facilidad para tratar una mayor cantidad de aguas residuales que la que pueden tratar los humedales naturales (Bastian y Benforado, 1988) Los principales aspectos a considerar en el diseño son: comportamiento hidráulico, remoción de contaminantes, selección y manejo de vegetación, detalles constructivos y costos. El diseño hidráulico de un humedal artificial es crítico para el éxito de su operación. Todos los modelos de diseño que se usan actualmente asumen condiciones uniformes de flujo pistón y además no presentan restricciones para el contacto entre los constituyentes del agua residual y los organismos responsables del tratamiento. La ley de Darcy, describe el régimen de flujo en un medio poroso que es lo generalmente aceptado para el diseño de humedales de flujo subsuperficial (FSS) usando suelo y arena como medio del lecho. El mayor nivel de turbulencia en el flujo ocurre en lechos que usan piedra muy gruesa. Este asume condiciones de flujo laminar, pero el flujo turbulento puede darse con gravas muy gruesas cuando el diseño usa un gradiente hidráulico alto. La ley de Darcy también asume que el flujo en el sistema es constante y uniforme, pero en la realidad puede variar por la precipitación, evaporación y filtración; así como por los cortocircuitos en el flujo que pueden llegar a presentarse por una desigual porosidad o mala construcción.
II. MATERIALES Y MÉTODOS II.1 Características constructivas: Los sistemas de flujo subsuperficial se diseñan con el objeto de proporcionar tratamiento secundario o avanzado, y requieren condiciones de flujo uniformes para alcanzar los rendimientos esperados. Esto se logra en sistemas de tamaño pequeño a moderado con tuberías de recolección perforadas que se extienden a lo ancho de todo el humedal, tanto para la entrada como para la salida. Para garantizar el flujo subsuperficial los sistemas se encuentran rellenos de material granular, generalmente grava, en donde el nivel de agua se mantiene debajo de la superficie de esta. La forma del sistema debe asegurar que el agua circule a baja velocidad y hacer efectivo el tiempo de residencia y maximizar la superficie de contacto de la lámina de agua y el aire para favorecer la entrada de oxígeno. Por ello, el humedal fue fabricado con material inerte consistente de resina poliéster M-70 y fibra de vidrio 2
tipo colchoneta de 1.5 onzas, con medidas superiores de 1.28 m de largo y 0.80 m de ancho, medidas inferiores de 0.80 m de largo y 0.50 m de ancho; con perforaciones a la entrada y salida y mamparas con altura de 0.40 m para la apropiada distribución del agua residual. La pendiente del fondo fue de 0.8 y 1.0%. (Giácoman Vallejos, 1998). Los sustratos utilizados en este estudio fueron los recomendados en la literatura (Kleinmann, 1986) para humedales: arena, grava, piedra pómez y compost orgánico. Asimismo, por la operación del humedal, se acumulan gradualmente sedimentos y restos de vegetación debido a la baja velocidad del agua y a la alta productividad típica de estos sistemas. El espesor del sustrato utilizado en los humedales construidos fue de 30 cm prácticamente el mínimo imprescindible para que las plantas puedan arraigarse. En la vegetación se trabajó con plantas de Gossypium herbaceum (algodón) debido a las características de la misma que permiten soportar la humedad y el tipo de suelo poroso, así como emplearlas para un uso comercial, además de ser de utilidad para tratar el agua residual . Estas plantas fueron germinadas en el invernadero del Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez, empleándose cuatro plantas para cada humedal. Para determinar la porosidad ( η) se llevó acabo el llenado de la probeta de 1,000 ml con piedra pómez y grava, después se agregó agua y se tomo la medida del volumen gastado; para determinar la porosidad dentro del humedal se deposito agua dentro del recipiente y se calculó el volumen gastado. Después este fue empacado y se llevó acabó el mismo procedimiento. (Kadlec y Knight, 1996). η =
V V T
(2)
II.2 Estudio de la fluido dinámica de un reactor continúo. El estudio de la fluido dinámica en recipientes se realiza mediante los modelos de flujo pistón con dispersión y flujo en mezcla perfecta. Para el análisis de la región de flujo pistón se debe de considerar si la dispersión ocurre en la entrada o salida de dicha región. Se realizaron experimentos para estudiar la fluido dinámica a la salida en función del tiempo, teniendo como entrada un pulso del trazador de KMnO 4, variando las velocidades de flujo en cada uno de los humedales, además de considerar el tipo de sustrato y la planta empleada. Se tomaron muestras del flujo de salida para intervalos de tiempo constantes y se determinó la concentración a la salida por métodos fotocolorimétricos para encontrar los valores de distribución del tiempo de retención (Ei). (Levenspiel. 1979)
3
En las siguientes figuras se representan los modelos de flujo ideales, ya que el comportamiento de las curvas de concentración es diferente en cada modelo, esto nos permite caracterizar flujos desconocidos, o detectar flujos irregulares en los reactores.
Figura 1 Flujo Pistón ideal
Fig. 2 Tanque Continuo Agitado ideal
La gráfica de la figura 1 representa el comportamiento del flujo pistón, cuya integral bajo la curva es igual a la unidad, pero el módulo de dispersión (D) es el que indica si se trata de flujo pistón o nó.
II.3 Selección del trazador. La vía mas sencilla y directa de hallar la curva del módulo de dispersión es mediante el proceso experimental denominado método de estímulo-respuesta. En este método se introduce instantáneamente al flujo de caudal conocido que ingresa al humedal una cantidad específica de un trazador químico no reactivo. Luego se registra la concentración del trazador en la corriente de flujo a la salida del reactor en función del tiempo. El trazador que se inyecta al caudal de entrada genera una concentración del flujo a la salida en forma de una señal de tipo pulso. Como trazador puede emplearse cualquier sustancia que se pueda detectar y que no perturbe el tipo de flujo en el reactor, es decir que no sea capaz de alterar la densidad del fluido, que no se absorba en las paredes del humedal, o cambie de fase. Se hicieron pruebas con diferentes trazadores KMnO 4, azul de metileno, bromocresol y anilina. El colorante utilizado en los experimentos fue el KMnO 4 debido a que la lectura se facilito más en el espectrofotómetro con una longitud de onda de 560nm. A partir de estos datos se calculan C (1) y E θ = t E (2) E = i
i
∑ C Δt i
i
i
i
Los valores para tmedia, varianza y varianza adimensional, se obtienen según:
4
σ ∑ t C Δt − (t ) (4) y ∑ t C Δt (3) (5) σ = σ ≡ t ≡ Δ C t C t t Δ ( ) ∑ ∑ A partir de la varianza adimensional se puede calcular el Modulo de Dispersión para recipientes abiertos: 2
i
i
2
i
2
i
i
i
2
2
2
i
i
i
⎛ D ⎞ + 8⎜ ⎟ σ θ = 2 υ L ⎝ υ L ⎠ 2
D
2
i
Recipientes abiertos (6)
III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN III.1 Construcción del Humedal Las medidas y la forma establecidas en el humedal fueron de acuerdo a las reportadas bibliográficamente, escalándolas para su apropiada operación hidráulica en el laboratorio. Asimismo, los materiales empleados se consideró que fuesen resistentes y de no provocaran reacción alguna al momento de interactuar con el trazador. El humedal consta de un vertedero a la entrada y otro a la salida, una mirilla en la parte de en medio con el fin de observar la dispersión del colorante después de haberlo inyectado a la entrada. Se le hicieron modificaciones como mamparas a los vertederos de forma cuadrangular, además de los orificios puestos a la entrada y salida para una mejor circulación del agua con la finalidad de evitar inundaciones. El lecho fue empacado con 10 cm. de arena y 20 cm. de piedra pómez de ½”. A la entrada y salida se coloco grava de una pulgada mayor para tener una mejor distribución del agua y evitar que el material sufriera alguna ruptura por el peso de la grava. Además de que fue equipado con mangueras y una bomba peristáltica para la elevación del agua hacia el humedal.
Fig. 3 Transplante del humedal
Después de empacar cada uno de los humedales se le agregó una capa de compost orgánico y se transplantó el algodón que tuvo un desarrollo normal, no viéndose afectado durante los cuatro meses que duraron las pruebas con el trazador. Uno de los problemas que al principio se enfrentó fue la inundación del humedal debido a que en los orificios que se pusieron para el paso del agua a la salida y la que circulaba por las mangueras arrastraba partículas de biomasa y 5
provocaba un taponamiento en las tuberías, pero una vez habiéndose liberado de este arrastre inicial, el flujo del líquido ocurrió sin ningún problema.
III.2. Dispersión del trazador dentro del humedal con plantas GRAVA
POMEZ
0.0272
0.027
0.027
0.0268
/ g ( C
/ g ( C
0.0266 0.0264 0.0262
0.0268 0.0266 0.0264 0.0262
0.026
0.026 0
200
400
600
800
0
200
t (min)
400
600
800
t (min)
Fig. 4. Dispersión del KMnO4 con una señal de entrada al azar Vm= 0.066028 m/h
Fig. 5. Dispersión del KmnO4 con una señal de entrada al azar Vm=0.113383 m/h
La dispersión del trazador en el humedal con platas presentó cortos circuitos, ya que el tiempo de dispersión es menor en comparación con el ocurrido en el humedal sin plantas. El colorante presentó una mayor retención dentro del humedal con plantas, generando una gráfica no uniforme. La sección del humedal con piedra pómez presentó una distribución más regular que la sección con grava.
III.3. Distribución del Tiempo de Residencia GRAVA
POMEZ 0.12
0.12
0.1
0.1
0.08
0.08
i E0.06
i E 0.06
0.04
0.04 0.02
0.02
0
0
0
0
200
400
t(min)
600
800
200
400
600
800
t(min)
Fig. 6. Curva E(t) vs tiempo Q= 6.5887 L/h Fig. 7. Curva E(t) vs. tiempo Q= 6.5887 L/h
Los resultados de la gráfica nos indican que a menor velocidad de flujo se presenta una combinación de flujo pistón y tanque agitado. Esto se explica en términos de que el tiempo de residencia del trazador fue alto y permitió una mayor dispersión del colorante sobre la zona de tratamiento del humedal. Asimismo, en estas condiciones se presentó mayor coloración en la sección de la piedra pómez debido a la saturación, evitando así que se absorbiera el trazador en la sección de piedras, aunado a que el tiempo de dilución del trazador es alto. 6
III. 4 MODULO DE DISPERSION PARA RECIPIENTES ABIERTOS. De acuerdo con los modelos ideales presentados, cuando el modulo de dispersión tiende a cero, el modelo de flujo se acerca al pistón, mientras que para valores grandes, mayores de 0.2 se aproximan a una mezcla completa. Se observa que en las gráficas hay una mezcla entre flujo pistón y mezcla completa, pero de acuerdo a los resultados obtenidos de la dispersión el flujo que más predomina en la velocidad más baja es el flujo pistón. Esta situación es la que se presentará con mayor frecuencia, ya que el objetivo de un sistema de tratamiento es lograr un determinado tiempo de retención que permita eliminar la contaminación. En las demás velocidades el valor de la dispersión se esta alejando de cero y la mas efectiva es la piedra pómez; se puede concluir que se debe a que es un material mas absorbente, y el uso de plantas hace más eficiente el rendimiento del humedal
Tabla 1. Dispersión del KMnO4 con planta y pómez VELOCIDAD 1.5 4 6
(m/h) 0.066028 0.2188285 0.37637
2
υm
Ө (m/h)
L (m) 0.8 0.8 0.8
0.3224609 0.31600996 0.30385445
D 0.00615522 0.0192201009 0.03207619
Tabla 2. Dispersión del KMnO4 con plantas y grava VELOCIDAD 1.5 4 6
υm
(m/h) 0.113383 0.36524 0.626378
2 Ө (m/h)
0.32199125 0.31724336 0.30385445
L (m) 0.8 0.8 0.8
D 0.01010256956 0.032175565 0.03207619
CONCLUSIONES De acuerdo con los resultados obtenidos en las graficas de distribución de tiempo de retención, el comportamiento presentado en ambos sustratos fue una combinación de flujo pistón (FPI) y tanque agitado continuo (TAC). En base a este resultado se calculó la dispersión para determinar el comportamiento general del humedal, mismo que resulto ser de flujo pistón (FPI) en velocidades bajas sin presencia de zonas muertas. A medida que aumentó el caudal hubo presencia de zonas muertas y el comportamiento cambió a la de un TAC. El uso de las plantas disminuye las zonas muertas y el humedad tiende a ser de flujo pistón (FPI).
AGRADECIMIENTOS Al Sistema de investigación Interno del Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez, mismo que brindó los recursos para el desarrollo de esta investigación.
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IV. BIBLIOGRAFÍA J, Collado L. R, La lenteja de agua como sistema blando de depuración de aguas residuales de bajo coste, en Tecnología del Agua No. 174, pg 18-25. Bavor H, J.,D. J. Roser, P. J. Fisher y J. C. Smalls, (1998) ( Joint Study on Sewage Treatment Using Shallow Lagoon-Aquiatic Plant Systems , Water Research Laboratory Agricultural College, Richmond, NSW, Australia Cano A. Bona, A. 2000. Monitoreo de un reactor para tratamiento de aguas residuales domésticas, tipo USBA bicompartimentado informe de pasantía PUC-PrUNIBOYACA. Botany, , 31 , 307 .320. Brenzy, O.; Mehta, I.; Sharma, R. K. (1973) Studies on Evapotranspiration of Some Aquatic Weeds., Weed Science, ,21 ,197 .204. Díaz, J. et al 1995. Estudio para el tratamiento de aguas residuales domésticas por medio de un reactor anaerobio de flujo ascendente y manto de lodos UASB. Proyecto UNIBOYACA –COLCIENCIAS. Tunja. Francia P.,D. 2000. Tratamiento Natural de Aguas Residuales Domésticas Mediante Humedales Artificiales de Flujo Subsuperficial. Tesis Doctorado. Universidad Politécnica de Valencia, España. García, J. (2004). Humedales construidos para controlar la contaminación: perspectivas sobre una tecnología en expansión. Nuevos criterios para el diseño y operación de humedales construidos. Ed. CPET. Barcelona. Giácoman Vallejos, G (1998). Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente (CEPIS). Teoría, Diseño y Control deProcesos de Clarificación de Aguas. Lima, Perú. Kadlec, R. H. and R. Knight. 1996. Treatment Wetlands. CRC Press. Lewis Publishers, Boca Raton, F1. USA Levenspiel, O. 1962. Chemical reaction engineering: An Introduction to the design of chemical reactors. John Wiley and Sons Eds. New York. Metcalf & Eddy, Ingeniería de aguas residuales: Tratamiento, vertido y reutilización, 3ª Ed, McGraw-Hill, 1995. Viñas, M. et al 1992. Modelado Hidrodinámico de un reactor de manto de lodos para el tratamiento de efluentes, En: Memorías del II taller regional: Tratamiento anaerobio de aguas residuales en América LATINA. Centro Nacional de Investigaciones Científicas. La Habana.
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