HUMEDALES CONSTRUIDOS
Compilador Juan Pablo Silva V. Profesor Universidad del Valle - Colombia Escuela de Ingeniería de Recursos Naturales y del Ambiente
1. INTRODUCCIÓN Los humedales construidos, son humedales que el hombre construye en áreas donde antes estos no existían y que tienen como función fundamental el tratamiento de las aguas residuales. De aquí que ellos se incluyan entre los llamados sistemas naturales de tratamiento. En estos sistemas los contaminantes presentes en las aguas residuales son removidos por una serie de procesos físicos, químicos y biológicos que se efectúan en el ambiente natural, entre estos procesos se encuentran la sedimentación, la adsorción a las partículas del suelo, la asimilación por las plantas y la transformación microbiana. (Watson et al, 1989; Brix H, 1993) En los humedales crecen plantas acuáticas emergentes entre las que se encuentran: juncos, eneas y espadañas, dichas plantas proporcionan superficie para el crecimiento de los microorganismos y permiten la filtración y adsorción de los contaminantes presentes en el agua residual, además de inhibir el crecimiento de las algas y favorecer la formación de zonas aerobias alrededor de las raíces debido a las características de estas plantas de trastocar el oxígeno desde las hojas hasta las raíces. Existen dos tipos de humedales construidos bien definidos: • Humedales con flujo libre o flujo superficial. (FL) • Humedales con flujo subsuperficial. (FSS) Los humedales con flujo libre son estanques o canales en los que la superficie del agua se encuentra expuesta a la atmósfera y las plantas emergentes están enraizadas sobre una capa de suelo generalmente impermeabilizado, para evitar la infiltración al manto freático. Las aguas residuales aplicadas a estos sistemas usualmente son pretratadas y la depuración de las mismas se logra al circular el agua a través de los tallos y raíces de las plantas. Los humedales con flujo subsuperficial son estanques o canales con el fondo generalmente impermeable sobre el cual se coloca un medio poroso que puede ser suelo, arena o grava en el que se siembra las plantas emergentes. Las aguas residuales aplicadas a estos sistemas son generalmente pretratadas. Este tipo de humedales puede ser construidos con flujo horizontal subsuperficial, en el que el medio poroso se
mantiene saturado por el agua, o con flujo vertical en el que el medio poroso no se encuentra saturado debido a que el agua se aplica usualmente sobre la superficie del lecho a intervalos de tiempo, lo que permite que el agua percole a través del medio, de forma similar a lo que sucede en un filtro de arena intermitente. El término de Humedales construidos es relativamente nuevo; sin embargo, el concepto es antiguo, pues se tiene conocimiento de que las antiguas culturas como son la China y la Egipcia utilizaban a los humedales naturales para la disposición de sus aguas residuales.(Brix H, 1994 a). El primer reporte científico en el que se señala las posibilidades que tienen las plantas emergentes para la remoción de los contaminantes presentes en las aguas residuales pertenece a la Dra. Kathe Seidel del Instituto Max Planck, de Alemania. En el informe de sus investigaciones ella plantea que mediante el empleo del junco común (Schoenoplectus lacustris) era posible la remoción de una serie de sustancias tanto orgánicas como inorgánicas, así como la desaparición de bacterias (coliformes, Salmonella y En terococos) presentes en las aguas residuales. (Seidel, 1964; Seidel, 1966; Seidel et al, 1978). Posteriormente, ya en los años setenta la Dra. Seidel llevó los resultados obtenidos a escala de laboratorio a sistemas experimentales de mayor escala en los que analizó el efecto de las plantas sobre una serie de tipos diferentes de aguas residuales, tanto domésticas como industriales. Los resultados de todos sus estudios les permitió a la Dra. Seidel desarrollar un sistema conocido como Proceso del Instituto Max Planck, el diseño del mismo consistió de varias etapas en las que se combinaba humedales con flujo vertical y humedales con flujo horizontal. (Seidel et al 1978) Por otra parte, tomando como base los trabajos desarrollados en Alemania por la Dra. Seidel, en Holanda en el año de 1967 se comienza a desarrollar un sistema a gran escala pero de flujo libre. (Jong, 1976). También en Alemania pero ya en la década de los años setenta la Dra. Kichuth desarrollo un sistema que llamo Método de Zona de Raíces, el método consistía en el diseño de estanques rectangulares con un lecho de suelo específico, en los que se sembraba Phragmites australis y el flujo de agua residual era subsuperficial horizontal, al suelo en ocasiones se le adicionaba calcio y hierro o aluminio para provocar la precipitación del fósforo. (Kickuth, 1970; Kickuth, 1980; Kickuth, 1982) En el caso de los Estados Unidos el desarrollo de los humedales construidos se baso en los resultados obtenidos en los humedales naturales y en los trabajos realizados en Europa. (Spangler et al, 1976; Wolverton, 1982). En un principio se utilizaron los humedales naturales como una vía para el tratamiento de las aguas residuales; sin embargo, se observó que ocurrían cambios en la composición de las especies comunes de estos sitios por lo que se decidió comenzar a diseñar humedales construidos para tratar las aguas residuales, los cuales demostraron su eficacia para estos fines. (Reed and Bastian, 1985) El desarrollo de esta tecnología fue también de interés para la NASA la cual desarrollo su propio sistema, el cual llamo Sistema de Tratamiento Híbrido pues utilizaba microorganismos anaerobios y plantas emergentes (Phagmites communis). (Wolverton
et al, 1976; Wolverton, 1982). Posteriormente estos estudios fueron continuados por Gersberg y sus colaboradores demostraron las altas eficiencias logradas en la remoción de sólidos suspendidos, DBO, nitrógeno y coniformes utilizando las plantas emergentes en humedales construidos. (Gersberg R. M. and Goldman C. R., 1983; Gersberg et al 1986; Gersberg et al, 1989 a; Grearheart et al 1989 b). Como resultado de todas esas investigaciones, tanto a nivel de planta piloto como a gran escala, en los Estados unidos de América se desarrollaron diferentes conceptos para el diseño de humedales construidos. (Gearheart et al., 1989; Herskowitz et al., 1987; Watson et al., 1990)
2. Ventajas y desventajas de los humedales con flujo libre y flujo subsuperficial La depuración de las aguas residuales en los humedales construidos se lleva a cabo, fundamentalmente, por la presencia de una población microbiana adherida a la superficie de las plantas en contacto con el agua residual y en el caso de los humedales con flujo subsuperficial se adiciona además los microorganismos adheridos al medio soporte. Debido a que el medio poroso brinda mayor área superficial para el crecimiento de los microorganismos la velocidad de remoción en los sistemas con flujo subsuperficial es mayor. Por otra parte, debido a que el agua en estos sistemas fluye por debajo de la superficie del medio, no se presentan problemas con el desarrollo de los mosquitos y otros vectores, además de proporcionar protección térmica, lo que hace que estos sistemas puedan ser utilizados en lugares donde ocurran grandes nevadas. (Reed et al., 1995; Wittgren and Maehlum, 1997) Sin embargo, a pesar de todas las ventajas antes expuestas hay que señalar que los humedales con flujo subsuperficial tienen como desventajas el costo del medio soporte utilizado, así como su traslado y colocación.
3. Efecto de los distintos componentes que forman los humedales Los principales componentes del humedal que influyen sobre el proceso depurador que se lleva a efecto en los humedales construidos son los siguientes: 3.1. Plantas En los humedales construidos se han utilizado una variedad de plantas emergentes semejantes a las encontradas en los humedales naturales. Las plantas que con mas frecuencia se utilizan son: las espadañas o eneas (Typha sp.), la caña o junquillo (Phragmites communies), y los juncos (Juncos sp.), (Scirpus sp.) y (Carex sp.). Las plantas presentan varias propiedades que las hacen ser un componente indispensable en los humedales construidos. La función de mayor importancia de las macrofitas en relación con el proceso de tratamiento de las aguas residuales es el efecto físico que ellas producen. Las macrofitas estabilizan la superficie del lecho, proporcionando buenas condiciones para la filtración, y en el caso de los sistemas con flujo vertical previniendo las obstrucciones, además de proporcionar área superficial para el crecimiento de los microorganismos adheridos. Contrariamente a lo que al principio se creía, el crecimiento de las macrofitas en los sistemas con flujo subsuperficial, no incrementa la conductividad hidráulica del medio en los sistemas que utilizan suelo. (Brix H, 1994 b)
En los humedales el suelo se encuentra saturado, lo que hace que los poros del suelo estén llenos de agua. Como la velocidad de difusión del oxigeno en el agua es lenta los suelos se vuelven anaerobios, lo que hace que este ambiente no sea adecuado para el crecimiento de la mayoría de las especies vegetales. Sin embargo, las especies de plantas acuáticas emergentes tienen la capacidad de absorber de la atmósfera, a través de sus hojas y tallos que se encuentra por encima del agua, el oxigeno y otros gases que ellas necesitan. Las plantas de los humedales están morfológicamente adaptadas a crecer en los sedimentos saturados de agua en virtud de los espacios internos de aire que ellas presentan para el transporte del oxigeno desde las hojas hasta las raíces. El extenso sistema de lagunas internas, que ellas contienen normalmente, presentan constricciones a intervalos que le permiten mantener una estructura integra y resistir la invasión del agua. Este sistema de lagunas internas, dependiendo de la especie, puede ocupar más del 60% del volumen de tejido total. El movimiento interno del oxigeno hacía las raíces de las plantas no solamente sirve para la demanda de oxigeno que requieren las raíces para su respiración, sino que además permite la formación de una rizosfera oxidada alrededor de las raíces, pues a través de ellas fluye una cierta cantidad de oxigeno creando un ambiente aeróbico, mientras que a su alrededor las condiciones son anóxicas, permitiendo de esta forma la descomposición aerobia de la materia orgánica y el crecimiento de bacterias nitrificantes. Se ha estimado que estas plantas pueden transferir entre 0.02 y 12 gramos de oxigeno por día por cada m2 de área superficial del humedal, este rango de valores tan amplio puede deberse a las diferentes técnicas experimentales utilizadas y en cierto modo a las variaciones estacionales. (Brix H, 1994b) La velocidad de liberación del oxigeno desde las raíces depende de la concentración de oxigeno interno, de la demanda de oxigeno por el medio que las rodea y de la permeabilidad de la pared de las raíces. Por otra parte, cuando se va a valorar la posibilidad de utilizar las diferentes especies de plantas en los humedales construidos se debe tomar en cuenta además otros factores como son: profundidad de enraizamiento, tolerancia a las altas cargas de las aguas residuales, productividad de las plantas, etc. El oxigeno liberado por las raíces de las plantas es de gran importancia en el caso de los humedales con flujo subsuperficial donde el agua residual fluye a través del medio poroso poniéndose en contacto directo con las raíces y rizomas de las plantas, de aquí que en estos sistemas sea importante que las raíces penetren en toda la profundidad del medio. En el caso de los humedales con flujo libre el agua residual fluye por encima de la capa de suelo, no teniendo contacto directo con la fuente potencial de oxigeno de las plantas; en este tipo de humedal la fuente fundamental de oxigeno es a través de la re aireación atmosférica por la superficie del agua. Otra función importante de las plantas en los humedales es la toma de los nutrientes, así como otros constituyentes presentes en el agua residual; sin embargo, la cosecha de las plantas en los humedales no es usual debido, fundamentalmente, a los costos que esto provoca. Estudios realizados demuestran que la cosecha de las plantas no es la vía más eficiente para la remoción de los nutrientes de las aguas residuales y señalan que una cosecha al final de estación elimina menos del 10% del nitrógeno removido en el humedal. (Reed et al, 1995). No obstante, hay que señalar que la presencia de las plantas en los humedales es esencial, pues en el caso de los sistemas con flujo
subsuperficial sus raíces son una fuente fundamental de oxigeno y la presencia de sus hojas, tallos, raíces, rizomas y detritos regula el flujo de agua y proporciona superficie para el crecimiento microbiano. En el caso de los humedales con flujo libre de presencia de las plantas limitan, además, la penetración de la luz y evitan el crecimiento de las algas. 3.2. El suelo y el medio soporte En los humedales construidos el proceso de tratamiento de las aguas residuales es llevado a cabo, fundamentalmente, por un complejo grupo de microorganismos adherido a las raíces de las plantas, rizoma y sobre la superficie del medio. (Reed et al, 1995) En los sistemas con flujo libre el agua fluye por encima de la superficie del suelo en el cual ocurre la mayor actividad microbiana asociada a la capa de detritos depositada, además de los microorganismos adheridos a la superficie sumergida de las plantas. Los suelos con algún contenido de arcilla son muy efectivos en la remoción de fósforo, ocurriendo el proceso de remoción en la matriz del suelo; sin embargo, se considera que este proceso tiende a un equilibrio después del primer año de funcionamiento del humedal. Por otra parte, los suelos arcillosos tienen cierta capacidad de intercambio iónico lo que les permite remover, al menos temporalmente, el nitrógeno presente en las aguas residuales en forma de ion amonio (NH4 +); sin embargo, la mayoría de las veces esta capacidad se agota debido a que la superficie de contacto se encuentra bajo agua y las condiciones son anaerobias. En los sistemas con flujo subsuperficial el medio puede ser suelo, arena o grava y los espacios libres del medio sirven como canales para el flujo del agua. Sobre la superficie del medio crece la masa de microorganismos semejante a lo que ocurre en un filtro percolador, sin embargo, se considera que el crecimiento microbiano en estos sistemas no debe provocar obstrucciones como ocurre en los filtros percoladores. En el caso de los humedales con flujo subsuperficial horizontal que emplean suelo presentan un potencial de remoción de fósforo y amonio semejante al reportado en los sistemas con flujo libre. En los sistemas con flujo subsuperficial vertical debido a que el flujo es intermitente las condiciones aerobias se restauran periódicamente y el amonio adsorbido, por el suelo puede liberarse por la vía de la nitrificación bacteriana y los sitios de intercambio quedarían libres para futuras adsorciones. En los sistemas con flujo subsuperficial que emplean grava la capacidad de remoción de fósforo es muy limitada. 3.3. Microorganismos y demás organismos que se desarrollan en los humedales En los humedales se desarrollan una gran variedad de organismos que abarcan desde microorganismos como bacterias y protozoos hasta pequeños animales; siendo las bacterias el grupo fundamental en el proceso depurador de las aguas residuales. Como se ha explicado anteriormente, los humedales son sistemas de tratamiento biológico de las aguas residuales con biomasa adherida, presentando características semejantes a las de un filtro percolador. Como en todo sistema de tratamiento biológico, en los humedales se requiere de un sustrato para el desarrollo de los microorganismos responsables del proceso depurador y que el agua permanezca por un tiempo para que se desarrolle esta masa microbiana, además el funcionamiento del sistema depende de una
serie de factores ambientales, siendo los más importantes: la disponibilidad del oxigeno y la temperatura. 4. Mecanismos de remoción y transformación de los constituyentes de las aguas residuales. En los humedales construidos la remoción de los contaminantes presentes en las aguas residuales es llevado a cabo por una variedad de complejos procesos físicos, químicos y biológicos, que en la mayoría de las ocasiones ocurren simultáneamente. En la tabla 1 se presentan los principales mecanismos de remoción y transformación de los contaminantes de las aguas residuales en los humedales. Tabla 1. Principales mecanismos de remoción y transformación de los contaminantes en los humedales. (Brix H, 1993; Crites and Tchobanoglous, 1998) Constituyente del residual Sólidos suspendidos Materia orgánica biodegradable (DBO) Nitrógeno
Fósforo
Metales pesados Patógenos
agua Mecanismo de remoción Sedimentación / Filtración Degradación microbiana (aerobia, anaerobia y facultativa) Sedimentación/ Filtración Amonificación seguida por la nitrificacióndenitrificación bacteriana Volatilización del amonio Toma por la planta Porción en el suelo (reacciones de adsorción – precipitación con el aluminio, hierro, calcio y minerales de la arcilla en el suelo) Toma por la planta Sedimentación Adsorción sobre la superficie de la planta y los detritos Sedimentación/ Filtración Muerte natural Radiaciones ultravioleta Excreción de antibióticos por las raíces de las plantas.
Remoción de Sólidos Suspendidos La remoción de los sólidos suspendidos y sedimentables presentes en las aguas residuales son removidas fundamentalmente en las unidades de pretratamiento, las cuales usualmente se instalan delante de los humedales. Los sólidos suspendidos que permanecen en el agua residual después del pretratamiento son removidas por sedimentación y filtración. Estos procesos que son puramente físicos también eliminan una porción significativa de otros contaminantes presentes en las aguas residuales (DBO, nutrientes, patógenos). La remoción de los sólidos suspendidos es muy efectiva tanto en los humedales con flujo libre como con flujo subsuperficial. En el caso de los sistemas con flujo libre la remoción óptima de los sólidos suspendidos solo se logra cuando hay una gran cantidad de plantas, las cuales facilitan la filtración y la sedimentación y evitan el crecimiento de las algas. Se considera que en este tipo de
humedal la mayoría de los sólidos suspendidos presentes en las aguas residuales son removidos en los primeros 15 a 30 metros del humedal En los humedales con flujo subsuperficial los mecanismos de remoción son los mismos que en los sistemas con flujo libre, solo que al no tener zonas abiertas de agua, los problemas de resuspensión por el viento se evitan, por lo que la concentración de los sólidos suspendidos en el efluente son menores. En estos sistemas la mayoría de los sólidos son atrapados en los primeros metros (10 a 20% de la distancia total) en el lecho. Se ha observado en estos sistemas, que cuando ocurre obstrucciones en la zona de la entrada del lecho una porción del flujo se derrama por la superficie del humedal. Las obstrucciones en la zona de la entrada aparecen cuando son aplicadas altas cargas orgánicas y de sólidos, esto es común que suceda cuando se aplican aguas con alto contenido de algas como sucede con los efluentes de lagunas de estabilización. Remoción de DBO En los humedales construidos la remoción de la DBO soluble y suspendida se lleva a efecto por una serie de mecanismos diferentes. La DBO que se encuentra en forma soluble es removida mediante la degradación biológica realizada por los microorganismos adheridos a la superficie de las plantas y los detritos, así como por los microorganismos que se encuentran en la columna de agua, como sucede en los sistemas con flujo libre o los que se encuentran adheridos al medio soporte en los sistemas con flujo subsuperficial. Por otra parte, las bajas velocidades que se producen en el sistema, así como la presencia de las plantas y del medio soporte para el caso los sistemas con flujo subsuperficial, hacen que se favorezca la filtración, floculación y sedimentación de la materia orgánica que se encuentra en forma suspendida. Los sólidos orgánicos removidos por sedimentación y filtración, así como la vegetación muerta ejercerán una demanda de oxígeno. Como resultado de lo anteriormente explicado, la DBO afluente al humedal se remueve rápidamente a medida que el agua avanza en el sistema. Los compuestos orgánicos solubles son, en su mayoría, degradados de forma aerobia; sin embargo, en algunos casos la degradación anaerobia puede ser significativa. El oxigeno necesario para soportar los procesos aerobios puede ser suministrado, según el caso, directamente de la atmósfera por difusión, mediante la fotosíntesis de las plantas en el interior de la columna de agua y cedido desde las raíces de las plantas. Remoción de nitrógeno La remoción del nitrógeno puede ser muy efectiva en ambos tipos de humedales FL y FSS y los principales mecanismos de remoción son similares también. El mecanismo fundamental para la remoción del nitrógeno en los humedales es la nitrificacióndenitrificación; la toma por la planta es otra vía, pero se considera que mientras no haya cosecha de plantas no hay remoción, no obstante, hay autores que señalan que por esta vía solo se puede lograr alrededor del 10% de remoción. (Crites and Tchobanoglous, 1998; Kaclec and Knight, 1996; Reed et al, 1995) El nitrógeno que entra a un humedal puede encontrarse en el agua residual en una variedad de formas, desde nitrógeno orgánico, amoniacal, nitrito y nitrato. El nitrógeno orgánico que entra al humedal generalmente lo hace en forma de materia orgánica
sólida, dicha materia orgánica sufre un proceso de descomposición denominado amonificación, mediante el cual el nitrógeno orgánico es transformado a amonio por una amplia variedad de bacterias heterótrofas las cuales pueden encontrarse en condiciones aerobias o anaerobias, el proceso es más lento bajo condiciones anaerobias. Este amonio liberado, así como el que contiene las aguas residuales puede encontrarse en dos formas relacionadas: como ion amonio (NH~() o como gas amoniaco disuelto (NH3 ), el balance entre estas dos formas depende del pH y de la temperatura. La nitrificación es el proceso mediante el cual el amonio es oxidado a nitrato por bacterias nitrificantes. El proceso de nitrificación se efectúa en dos etapas y mediante dos grupos de bacterias. La primera etapa es la oxidación del amonio a nitrito, dicho proceso es llevado a cabo, fundamentalmente, por bacterias del género Nitrosomonas, la oxidación posterior de nitrito a nitrato la realiza las bacterias del género Nitrobacter. La nitrificación solo ocurre bajo condiciones aerobias, pudiendo ocurrir a concentraciones de oxígeno tan bajas como 0,3 mg/I (Reddy and Patrick, 1984). Otros factores que son esenciales para que ocurra la nitrificación es que: haya suficiente alcalinidad, una temperatura adecuada y una concentración de materia orgánica por debajo de 20 mg / l, esto último de debe a que es necesario que las bacterias heterótrofas no compitan con las bacterias nitrificantes por el oxigeno. En los humedales se ha comprobado que la nitrificación es limitada por la cantidad de oxígeno, teóricamente se requieren 4,6 g de oxígeno para oxidar 1 g de amonio. En el caso de los humedales construidos la cantidad de oxígeno utilizable está directamente relacionado con la re aireación atmosférica para los humedales con flujo libre, y con la extensión en la penetración y la eficiencia en la transferencia del oxígenos por las raíces de las plantas, para el caso de los humedales con flujo subsuperficial. En los humedales, la remoción del nitrato por la vía de la denitrificación biológica requiere de condiciones anóxicas, fuente de carbono y condiciones adecuadas de temperatura. La denitrificación es un proceso de descomposición anaerobia en el que la materia orgánica es degradada por bacterias que utilizan como aceptor final de electrones al nitrato, en lugar de oxígeno (respiración anaerobia). El proceso de denitrificación ocurre en dos etapas: primero el nitrato es reducido a óxido nitroso (N 2 0) el cual es subsecuentemente reducido a gas nitrógeno (N 2 ). Ambos productos el óxido nitroso y el nitrógeno son gases que son emitidos a la atmósfera, sin embargo, el óxido nitroso es un gas que produce efecto invernadero. A pH bajos el segundo paso de la denitrificación se inhibe y todo el nitrógeno liberado lo hará en forma de óxido nitroso, de aquí que el pH del agua residual en los humedales debe mantenerse por encima de 6 para que el mayor porciento de nitrógeno liberado sea en forma de gas di nitrógeno. Debido a que en las aguas residuales la mayor parte del nitrógeno se encuentra en estado reducido, para que ocurra remoción del nitrógeno en forma de compuestos gaseosos es necesario que ocurra la nitrificación primero y luego la denitrificación. Esto significa que para que ocurra la nitrificación-denitrificación se necesitan condiciones aerobias y anaerobias. Por otra parte, como se explicó anteriormente para que ocurra la nitrificación se requiere que se haya removido la mayor parte de la DBO (a menos de 20 mg/l); sin embargo, para la denítrificación se requiere que haya una cierta cantidad de materia orgánica, se estima que se requieren entre 5-9 mg/l de DBO para denitrificar lg de N-NOÇ, de aquí que un agua residual que contenga 15 mg/l de N03 requiera aproximadamente 135 mg/l de DBO. La mayor fuente de materia orgánica utilizada en los humedales para la denitrificación son los detritos de plantas y otras fuentes naturales
presentes en la capa bental, es por esto que generalmente los sistemas con flujo libre son más eficientes que los sistemas con flujo subsuperficial en la remoción de nitrógeno. Remoción de fósforo Los mecanismos principales para la remoción del fósforo son: la adsorción, la formación de complejos, la precipitación y la toma por las plantas. La remoción de fósforo inorgánico a través de la asimilación por la planta es una vía rápida; sin embargo, debido a que la cosecha de las plantas o no se realiza o se hace cada cierto tiempo, ocurre que gran cantidad de plantas mueren lo que hace que gran parte del fósforo sea devuelto al agua por lo que la remoción real es baja. Por otra parte, la adsorción del fósforo a las partículas del suelo es un proceso de remoción importante. La capacidad de adsorción depende de la presencia de hierro, aluminio o calcio en el suelo, así como de la presencia de minerales de arcilla o materia orgánica. Bajo condiciones aerobias y pH entre neutro y ácido el Fe+3 se une al fosfato para formar un complejo estable; sin embargo, si el suelo se vuelve anaerobio como resultado de estar inundado, el Fe+3 se reducirá a Fe+2 lo cual conduce a que la adsorción sea menos fuerte y se libere fosfato. La adsorción del fosfato con el calcio ocurre solamente bajo condiciones entre neutras y básicas; mientras que con el aluminio la adsorción solo ocurre a pH neutros y ácidos. Además del carácter reversible del proceso de adsorción del fósforo, el cual depende de las condiciones redox, hay que señalar que la adsorción está también sujeta a la saturación, considerándose que cada suelo tiene una capacidad de adsorción limitada y luego de que estos sitios estén ocupados no ocurrirán nuevas adsorciones. Además del proceso de adsorción-desorción, el fosfato también puede ser precipitado con hierro, aluminio y ciertos compuestos del suelo. Este proceso el cual incluye la fijación del fosfato a la matriz de minerales de arcilla y la formación de complejos con metales, tiene una velocidad mucho más lenta que el proceso de adsorción, pero no está sujeto a una saturación tan rápida. Otra forma de remoción del fósforo es mediante la acumulación y almacenamiento en la materia orgánica. Remoción de metales Se considera que la remoción de metales es semejante a la remoción del fósforo; sin embargo, poco se conoce acerca de los mecanismos que ocurren. Entre los mecanismos propuestas se incluyen la adsorción, sedimentación, precipitación química y toma por las plantas. Al igual que lo que se plantea para el caso del fósforo, los metales pueden liberarse durante cierto periodo, los cuales se han asociado a cambios en los potenciales redox dentro del sistema. Remoción de patógenos. Las bacterias patógenas y los virus son removidos, fundamentalmente, por adsorción, sedimentación, filtración y predación, así como debido a que las condiciones ambientales, las cuales no son favorables para el patógeno lo que trae como consecuencia su muerte. En el caso de los humedales con flujo libre, las radiaciones ultravioletas también pueden provocar la muerte de los patógenos.
5. Utilización de los humedales construidos. 5.1.Flujo libre Los humedales con flujo libre son quizás los más antiguos desde el punto de vista conceptual. Este tipo de sistema ha sido utilizado como tratamiento secundario, así como tratamiento de pulimento a sistemas secundario. Generalmente estos sistemas son diseñados con cargas superficiales bajas. La profundidad de las aguas en estos sistemas varía entre 5 y 90 cm., sin embargo el valor más común se encuentra entre 30 y 40 cm. (Reed and Brown, 1991) En Norte América los humedales con flujo libre son el tipo más usado para el tratamiento de las aguas residuales y según Knight et al, 1993, el número de humedales con flujo libre en Norte América representan dos tercios del total de los humedales construidos que se encuentran en funcionamiento. En el caso de Europa, este tipo de sistema se ha desarrollado más lentamente. Los sistemas más antiguos se encuentran en Holanda donde han sido utilizados por más de 30 años, dichos sistemas están formados por zanjas de 3 m de ancho y 100 m de largo, con una profundidad de entre 0,30 y 0,40m y las plantas sembradas son Scirpus iacustris. El agua residual entra por un extremo de la zanja y se descarga por el extremo opuesto. En estos humedales se emplea un área de 20 m2 por persona equivalente (PE) y las remociones obtenidas para los distintos contaminantes son elevadas (96% SST; 96% DBO; 87% DQO; 40% NTK y 30% PT). (Brix 1-1, 1994c) Por otra parte, en el año 1993 se desarrollo en la región de Escandinavia el primer sistema, a gran escala, de un humedal con flujo libre, el sistema tiene un área superficial de 21 ha y tiene como objetivo la remoción del 50% del nitrógeno presente en las aguas residuales tratadas en una planta de tratamiento las cuales eran vertidas al mar Báltico. 5.2. Flujo subsuperficial horizontal. Estos sistemas se diseñan con el objetivo de lograr tratamiento secundario y tratamiento avanzado a las aguas residuales. A estos sistemas se les ha llamado también de “root zone” o “rock-reed filters” generalmente son estanques o canales con el fondo relativamente impermeable rellenos con un medio poroso, el cual es sembrado con plantas emergentes. Se ha utilizado diferentes métodos de pretratamiento de las aguas residuales, así como diferentes dispositivos de entrada y salida. El medio poroso suele ser suelo o grava y el agua residual pretratada entra al lecho por un extremo del sistema y sale por el extremo opuesto. En Europa se han construido varios cientos de humedales con flujo subsuperficial empleando suelo o grava y se considera que en este continente esta tecnología se esta diseminando rápidamente. La mayoría de los sistemas construidos emplean como planta acuática emergente al Phragmites auslra/is pero se debe señalar que en algunos sistemas se emplean otras especies de plantas comunes de estos sitios. En la mayoría de los sistemas que se encuentran en operación en Dinamarca y Alemania se ha utilizado suelo, como medio poroso; mientras que en el caso de Norte América y el Reino Unido la mayoría de los sistemas emplean grava. (Brix H, 1 99,.4c)
En Australia y Sudáfrica los humedales con flujo subsuperficial han sido aplicados para el tratamiento de una amplia variedad de aguas residuales. (Bavor et al 1987; Davies and Hart, 1990) El diseño actual de estos sistemas varía en los diferentes lugares donde son utilizados, la mayoría de los sistemas se construyen como sistema único de forma rectangular con una relación largo:ancho de 0,3-3. Algunos se construyen con una estructura semejante a un tejado con dos aguas, con inclinación a ambos lados y el agua residual se añade en la zona media para tratar de maximizar el área de la sección transversal de esos sistemas. Otros sistemas consisten de dos o más lechos colocados en serie, pero con la posibilidad es entonces utilizado principalmente para reducir esos compuestos de fósforos precipitados. Uno de los problemas que presentan los humedales con flujo subsuperficial horizontal, que emplean suelo, es su baja conductividad hidráulica, lo cual hace que se puedan producir flujos del agua residual por la superficie del lecho, reduciéndose así los tiempos de retención; este problema se ha podido resolver mediante el empleo de grava como medio poroso, no obstante, en ocasiones se ha observado problemas de obstrucciones en este tipo de sistema lo cual se ha asociado a mal funcionamiento en el pretratamiento de las aguas residuales. Los sistemas que emplean grava tienen poca capacidad de adsorción de fósforo, de aquí que su remoción sea menor. En Alemania para tratar de mejorar este problema se ha empleado arenas enriquecidas con hierro, este tipo de medio tiene una conductividad hidráulica mayor que la del suelo y además permite fijar el fósforo. (Netter and Bischofsberger, 1990) Otro problema es la transferencia de oxígeno por las raíces de las plantas, teóricamente se ha considerado que la concentración de oxigeno trasladado a las raíces es suficiente para satisfacer la demanda de oxígeno para la degradación aerobia de los contaminantes presentes en las aguas residuales incluyendo la oxidación del amonio a nitrato, sin embargo, estudios realizados demuestran que el oxígeno desprendido por las raíces son mucho menores que las cantidades necesarias para la degradación aerobia de los distintos contaminantes. (Brix H, 1 994b) Los humedales con flujo subsuperficial horizontal son sistemas eficientes en la remoción de DBO y SST, sin embargo, no son eficientes en la remoción de nutrientes. En Inglaterra y Dinamarca se utilizan áreas de aproximadamente 10 m2 por PE y la calidad de los efluentes depende de la calidad del agua residual afluente, aunque se plantea que las eficiencias medias logradas son de: 91% para los 551; 89% para la DBO; 33% NT y 32% PI. (Brix H, 1994c) 5.3. Flujo vertical y sistemas combinados En los humedales con flujo vertical el agua residual es aplicada uniformemente sobre la superficie del lecho y el efluente tratado sale por unos tubos perforados que se encuentran en el fondo del lecho, colocados paralelamente al eje longitudinal de éste. El criterio conceptual empleado para estos sistemas se basa en los trabajos de la Dra. Seidel y en la actualidad este tipo de sistema es muy utilizado en varias partes de Europa.
Un sistema típico consiste de dos grupos o etapas, de celdas con flujo vertical en serie seguido por una o más celdas con flujo horizontal, estas últimas con el objetivo de lograr el pulimento de los efluentes. Cada grupo de celdas con flujo vertical consisten a su vez de varias celdas en paralelo, donde el agua es aplicada intermitentemente y rotando entre las celdas, los sistemas que se encuentran en operación en Europa utilizan efluentes primarios y en algunos casos emplean directamente aguas residuales crudas. En estos sistemas las aguas residuales son dosificadas por 2 días y luego las celdas se mantienen secas por 4 a 8 días. El número de celdas en paralelo estará en dependencia de los ciclos de aplicación que se vayan a utilizar. (Reed et al, 1995) La principal ventaja de este tipo de sistema radica en la restauración de las condiciones aerobias durante el periodo seco. Esto permite que la remoción de la DBO y de nitrógeno amoniacal se realice a mayor velocidad que la que se presenta en los sistemas con flujo subsuperficial horizontal, pues al estar estos últimos constantemente inundados las condiciones son más bien anaerobias. Como resultado de lo anteriormente explicado, para una calidad de efluente determinado, los lechos con flujo vertical pueden ser algo menores en área que los sistemas con flujo horizontal. La carga hidráulica aplicada durante el periodo de dosificación de las aguas residuales sobre los lechos de la etapa 1 es típicamente de 0,3 m/d para efluentes primarios y el doble para las celdas de la etapa II. En los sistemas con dos etapas pueden lograrse eficiencias en remoción de más del 90% para la DBO y los SST. En los últimos años en Alemania se ha desarrollado un nuevo sistema con flujo vertical conocido como PHYTOPILT. El sistema consiste de un lecho multicapa al cual se le adiciona mediante un pulso automático, por un sistema de sifones, las aguas residuales sobre la superficie del lecho. El lecho consiste de cuatro capas, una capa superior de suelo con un espesor de 0,3 m donde son sembradas las plantas, una capa filtrante superior con un espesor de 0,4 m consistente en arena o grava con alta conductividad hidráulica, una capa filtrante intermedia con un espesor de 0,7 con una conductividad hidráulica relativamente baja pero una alta capacidad de adsorción de fósforo y la capa filtrante más baja con un espesor de 0,4 m constituida por arena y grava. La diferencia en la conductividad hidráulica entre la capa intermedia del filtro y la capa de filtro que se encuentra más abajo se utiliza para la aereación automática de la capa más baja de filtro mediante un sifón que se encuentra conectado a la salida del sistema. Cuando el agua, que se encuentra en la capa de filtro más baja, es arrastrada por el sifón, el aire es chupado desde la atmósfera a través del sistema de drenaje y los tubos de aereación. Precisamente estas condiciones aerobias en la capa más baja hace se mejore la nitrificación, la combinación con sistemas con flujo horizontal permitiría la denitrificación y así podría lograrse una mayor eficiencia en la remoción de los nutrientes. El área considerada para este tipo de sistema es de aproximadamente 5 m2 por PE. (Brix H. 1994c) 6. Procedimiento general utilizado para el diseño de los humedales. Los humedales construidos pueden ser considerados como reactores biológicos de biomasa adherida y su funcionamiento para la remoción de la DBO y el nitrógeno puede ser estimado de acuerdo con una cinética de primer orden para un reactor con flujo pistón. Las relaciones básicas para los reactores con flujo pistón son las siguientes: (Reed et al, 1995)
C = C o exp( −Kt )
(1)
Donde: C: Concentración del contaminante efluente. (mg/l) Co: Concentración del contaminante afluente. (mg/l) K: Constante de velocidad de reacción de primer orden, dependiente de la temperatura. (d-1) t: Tiempo de retención hidráulica. (d) El tiempo de retención hidráulica en los humedales puede ser calculado usando la siguiente ecuación: t=
L *W * d * n Q
(2)
donde: L: Longitud del estanque. (m) W: Ancho del estanque. (m) d: profundidad del agua en el estanque. (m) n: porosidad, o espacio utilizado por el agua para fluir a través del humedal. En los humedales con flujo libre (FL) la vegetación y las plantas secas ocupan un espacio, mientras que en los humedales con flujo subsuperficial (FSS) el medio, las raíces y otros sólidos hacen lo mismo. La porosidad es un por ciento y se expresa en forma decimal. Q: Flujo promedio a través del humedal. (m3 /d) Para determinar el flujo promedio se aplica la siguiente ecuación: Q=
Qa + Qe 2
(3)
donde: Qa: Flujo afluente; Qe: Flujo efluente Para hacer un diseño preliminar usualmente se asume que Qa y Qe son iguales. Combinando las ecuaciones (1) y (2) se puede determinar el área superficial del humedal. As = LW =
Q ln( Co
donde As Área superficial del humedal (rn2 )
Kdn
Ce
) (4)
El valor de K usado tanto en la ecuación (1) como en la (4) dependen del tipo de contaminante removido y de la temperatura. 7. Modelo de diseño para la remoción de la DBO Todos los humedales construidos pueden ser considerados como reactores biológicos con biomasa adherida y su funcionamiento puede ser descrito, aproximadamente, por una cinética de primer orden para un reactor con flujo pistón. Estudios realizados con trazadores demuestran que realmente el patrón de flujo no se ajusta totalmente a un flujo pistón ideal pero se acerca más a un flujo pistón que a mezcla completa. En la práctica las condiciones de flujo no ideal pueden ser modelados por una cinética de primer orden con dispersión axial o mediante el uso de un número de reactores en serie, completamente mezclados(Kadlec et al, 1993) 7.1.Humedales construidos con flujo libre A partir de datos obtenidos en sistemas que se encuentran en operación Reed et al, 1995 plantean que la ecuación (1) puede ser aplicada para el diseño de estos sistemas: Ce = exp( − KT * t ) Co Siendo (T − 20 )
K T = K 20 (1.06)
(6)
El área superficial del humedal puede determinarse usando la ecuación (4)
As =
Q ln( Co C ) e
K T dn
(7)
Kt : Constante de velocidad de reacción de las ecuaciones (5) y (6) (d-1 ) d: profundidad de diseño del agua en el sistema (m) n: porosidad del humedal (0,65-0,75) La profundidad en estos humedales puede estar en un rango que va desde unos pocos centímetros hasta un metro. El rango de profundidad típica de diseño para estos sistemas se encuentra entre 0,1 m a 0,46 m en dependencia de la época del año y de la calidad del agua esperada en el sistema. El uso de estas ecuaciones debe hacerse con reserva debido a que se requiere tener mayor información sobre ellas. Knight et al, 1993 propuso la siguiente ecuación basándose en un análisis de regresión aplicando los datos obtenidos en distintos sistemas en operación en Norte América. Ce = (0,192)(Co) + (0,097)(CH)
(7)
Donde : Ce: DBO efluente (mgII) Co: DBO afluente (mgll) CH: Velocidad de carga hidráulica (cm!d). Esta ecuación puede ser utilizada para predecir calidades de efluentes en humedales con configuraciones típicas y condiciones de temperatura ambiente semejante a las de los lugares donde fueron obtenidas. Sin embargo, tiene como inconveniente que no incluye un factor de corrección para la temperatura. Por otra parte, Crites and Tchobanoglous, 1998, plantean los siguientes criterios para el diseño de este tipo de sistema. (Tabla 2) Tabla 2.Criterios de diseño típico de los humedales con flujo libre y la calidad de los efluentes esperados Parámetro de diseño Tiempo de retención Velocidad de carga orgánica Profundidad del agua Tamaño mínimo Relación L:W Control de mosquitos Intervalo de cosecha
Unidad
Valor d
K ha. d m
2-5 DBO 7-14(N) <110 0,06-0,45
m2 /m3 . d
5.3.-10.7
año
2:1 a4.l Requerido 3-5/año
Calidad esperada del efluente DBO5 SST NT PT
mg/l mg/l mg/L mg/L
<20 <20 <10 <5
7.2. Humedales construidos con flujo subsuperficial. En los humedales con flujo subsuperficial los mecanismos básicos de remoción son los mismos que para un sistema con flujo libre, sin embargo, en el sistema con flujo subsuperficial la velocidad de remoción puede ser mayor debido a en este tipo de sistema hay una mayor área superficial sumergida y por tanto presentará un potencial mayor para el crecimiento de los microorganismos adheridos. Según Reed et al, 1995 un metro cúbico de un lecho de un humedal conteniendo grava con tamaño de 25 mm presenta un área superficial de al menos 146 m2 , además de la superficie que proporcionan las raíces; mientras que en un sistema con flujo libre con un volumen semejante pudiera contener entre 15 y 50 m2 de área superficial utilizable.
Las ecuaciones planteadas (1-4) pueden ser aplicadas para un sistema con flujo subsuperficial y las únicas diferencias son la magnitud de la porosidad (n) y la constante de velocidad de reacción. Para los sistemas con flujo subsuperficial la porosidad varía con el tipo de medio usada en el sistema, en la tabla 3 se indican las características de los medios normalmente empleados en sistemas con flujo subsuperficial. Tabla 3.Características de los medios empleados en los sistemas con flujo subsuperficial (Reed et al, 1995) Tipo de medio
Arena gruesa Arena gravosa Grava fina Grava media Roca gruesa
Tamaño efectivo D10 (mm)
Porosidad n
2 8 16 32 128
28-32 30-3 5 35-38 36-40 38-45
Conductividad hidráulica (ks) m3 / m2 . d 100-1000 500-5000 1000-10000 10 000-50 000 50 000-250 000
La ley de Darcy describe el régimen de flujo en un medio poroso y es aceptada para ser utilizada en el diseño de los humedales con flujo subsuperficial que utilizan como medio en el lecho, suelo o grava. Dicha ecuación es la siguiente: Q = k s * Ac * S
(8)
donde: Q: flujo promedio a través del humedal(m3 /d) Ks. Conductividad hidráulica de un área unidad del humedal perpendicular a la dirección del flujo (m3 /m2 . d). Ac: Area de la sección transversal perpendicular al flujo (m2 ) S: Gradiente hidráulico o pendiente del lecho (como una fracción decimal). El área de la sección transversal del lecho en el humedal puede ser calculado por sustitución en la ecuación de Darcy: Ac =
Q ks * S
(9)
Según Metcalf y Eddy, 1995 los humedales con flujo subsuperficial horizontal deben ser diseñados para que la velocidad del flujo definida por el producto (ks*S5) no debe ser mayor de 6,8 m/d para minimizar el arrastre de la película biológica. El ancho del lecho se calcula en función del área superficial y de la profundidad del lecho empleando la siguiente ecuación: W=
Ac (10) d
La profundidad del medio en los sistemas con flujo subsuperficial está directamente relacionada con la profundidad de penetración de las raíces y rizomas de las plantas, pues éstas son las que suministran el oxígeno al sistema. La penetración de las raíces de las principales plantas utilizadas en los humedales construidos son las siguientes: (Reed et al, 1995) Tabla 4. Penetración de las raíces de las plantas emergentes más utilizadas en los humedales con flujo subsuperficial
Plantas emergentes Scirpus Phragmites Typha
Penetración de las raíces en el medio 76 >60 30
El área de la sección transversal del lecho así como el ancho del mismo son independientes de la temperatura y de la carga orgánica ya que ellos son controlados por las características hidráulicas del medio. Para el caso del valor de la K20 en los sistemas con flujo subsuperficial según Reed et al, 1995 esta constante presenta un valor de 1,104 d-1, mientras que según Metcalf y Eddy, 1995 el valor de K20 depende del valor de la porosidad del medio, variando desde 1.84 para arena gruesa, hasta un valor de 0,86 para arena gravosa. Los criterios de diseño propuestos por Crites and Tchobanoglous, 1998 aparecen en la tabla 5 Tabla 5. Criterios típicos para el diseño de los humedales con flujo subsuperficial y la calidad de los efluentes esperados Parámetro de diseño Tiempo de retención
Unidad d
Velocidad de carga orgánica
Kg/ha. d
Velocidad de carga de SST Que entran Profundidad del agua Profundidad del medio Control de los mosquitos Esquema de cosecha
Kg/m2 .d m m
Valor 3-4 6-10 N) <110
0,04 0,3 — 0,61 0,46 — 0,76 No se requiere No se requiere
Calidad esperada para los efluentes DBO5 SST NT PT
mg/l mg/l mg/l mg/l
<20 <20 <10 <5
8. Bibliografía BRIX H. Use of constructed wetland in water pollution control: Historical deveploment, present status, and future perspectives. Water Sciences Technology vol. 40 # 3 IAWQ 1999. CADELLI et. al. Constructed Wetlands for Waste Water treatment in Europe. Paises Bajos: Backhuys Publishers, 1998 GOPAL, Brij. Natural and constructed wetland for wastewater treatment. Potencials and problems. Water Sciences Technology Vol 40 # 3 IAWQ. 1999. HABERL, R. Constructed wetlands: A chance to solve wastewater problems in developing country. Water Science Technology vol 40, # 3 IAWQ. 1999. KICKUTH R. (1983) A low cost process for purification of municipal and industrial waste water. Der tropenlandwirt 83, 141-154. MEFTCALF and EDDY. Ingeniería de aguas residuals Tratamiento vertido y reutilización. Mcgraw Hill/ Interamericana de España 1995 REED S.C., Natural Systems for Mcgraw Hill, New York 1995.
waste management and treatment. 2da edición
SEIDEL K. Reinigung von Gewassern durch hohere Pflanzen. Naturwii, 53, 289-297 1966. WATSON J.T., Perfomance espectations and loadings rates for constructed wetlands (1989)
