EVALUACIÓN Y DISEÑO DE UN HUMEDAL ARTIFICIAL PARA EL
TRATAMIENTO DE AGUAS DOMESTICAS
ASESOR OSCAR ALVAREZ
DIEGO FELIPE AGUILERA PALENCIA COD 9812284
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA
BOGOTA, 2002/10/25
EVALUACIÓN Y DISEÑO DE UN HUMEDAL ARTIFICIAL PARA EL
TRATAMIENTO DE AGUAS DOMESTICAS
Proyecto de grado presentado como requisito parcial para optar al titulo de Ingeniero Quimico
POR:
DIEGO FELIPE AGUILERA PALENCIA COD 9812284
IQUI-2002-2-01
Cod 199812284
BOGOTA, 2003-01-29
TABLA DE CONTENIDO Pag 1. ANTECEDENTES 5 2. MARCO TEORICO 24 2.1. Funciones principales de los humedales 24 2.2 Clases de humedales 24 2.2.1 Humedales de flujo superficial (SF) 25 2.2.2 Humedales de flujo subsuperficial (SSF) 26 2.3 Los principales componentes de un humedal 27 2.3.1 El Agua 27 2.3.2 Los Substratos 27
2.3.3 La vegetación 28 2.3.4 Microorganismos 30 2.4 Aspectos de la construcción 30 2.4.1 Impermeabilización 30 2.4.2 Vegetación 31 2.5 Remoción de los contaminantes 32 2.5.1 Sólidos en suspensión 32 2.5.2 DBO 32 2.5.3 Nitrógeno 33 2.5.4 Fósforo 33 2.5.5 Coliformes fecales 34 2.6. Diseño del sistema de flujo subsuperficial 34 3.DISEÑO GENERAL DE UN HUMEDAL ARTIFICIAL 37 3.1 Metodología de diseño 40 3.1.1 Metodología General 40 3.1.2 DISEÑO HIDRAULICO 40 3.1.3 DISEÑO TERMICO DEL HUMEDAL 47 3.1.4 MODELO DE REMOCION DE DBO 53 3.1.5 MODELO DE REMOCION DE NITROGENO 56
4.DISEÑO DEL HUMEDAL 63 4.1 Remoción de DBO 65 4.2 Temperatura media del humedal 66 4.3 Calculo del área para la remoción de Nitrógeno 68
5.COSTOS 72
6. CONCLUSIONES 74
7. BIBLIOGRAFIA 75
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OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Evaluar y diseñar desde el punto de vista técnico y económico un humedal artificial
como alternativa para el tratamiento de Aguas residuales domesticas.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
- Caracterizar los vertimientos para identificar el grado de contaminación de
las aguas.
- Identificar las variables mas importantes para considerar dentro del diseño
del humedal.
- Evaluar los costos que implica desarrollar el tratamiento de aguas
residuales con un humedal.
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DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
Las zonas que en la actualidad no tienen el privilegio de contar con los servicios
domésticos entre estos el servicio de alcantarillado tienen problemas con las
aguas domesticas ya que estas al salir se acumulan creando malos olores y
condiciones inapropiadas de higiene, lo que genera problemas de salud a la
población que vive a sus alrededores. Un ejemplo de esto se encuentra en la zona
industrial de Fontibon en donde alrededor de las fabricas o dentro de ellas viven
una gran cantidad de personas en casas donde no cuentan con el servicio de
alcantarillado.
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JUSTIFICACION
Debido al carencia de alcantarillado en esta zona de Bogotá y de recursos para su
implementación, este proyecto pretende desarrollar una propuesta que evalué la
relación costo / beneficio del diseño de un humedal artificial, que funcione para el
tratamiento de aguas residuales domesticas provenientes de un hogar habitado
por 15 personas, se escogió el diseño de un humedal ya que se ha encontrado
que estos tienen una buena eficiencia en la depuración de desechos orgánicos,
los cuales se encuentran en gran abundancia en las aguas domesticas, y que son
opciones económicas y de fácil mantenimiento.
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INTRODUCCION
“Los sistemas de tratamiento de aguas servidas utilizando plantas, existen desde
hace mas de un siglo. Este tipo de método se popularizo a comienzos de los años
1980 cuando los especialistas de diferentes países trataron de aplicar el desarrollo
de métodos bien adaptados a pequeñas comunidades y a industrias aisladas.
Estos métodos debían estar de acuerdo con los siguientes criterios” (Centro
Nacional del Agua.(1999). Sistemas de tratamiento de Aguas Servidas por medio
de Humedales Artificiales. P.23)
- Costos menores en la operación y construcción de los sistemas
convencionales
- Requiere poco equipo mecanizado
- Bajo consumo de energía.
El uso de humedales artificiales o naturales permitirá satisfacer varios de estos
criterios y este tipo de método ha conocido un impulso considerable durante los
últimos años.
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1. ANTECEDENTES
Según Sherwood (1997) Los humedales son ecosistemas naturales saturados de
aguas superficiales o subterráneas, que tienen la propiedad de modificar las
propiedades de las aguas que pasan o permanecen dentro de estos, estas
propiedades han hecho que sea viable construir humedales artificiales con las
mismas características de los naturales para el tratamiento de aguas residuales a
un bajo costo, ya que la tecnología que se utiliza para la construcción de estos es
mínima; algunas de las características de estos humedales son: Fijar los
contaminantes en la superficie del suelo, utilizar y transformar los elementos por
intermedio de los microorganismos y lograr niveles de tratamiento a un bajo costo
de energía y mantenimiento. Para poder obtener los resultados deseados, es
necesario hacer un pretratamiento, para evitar obstrucciones y por ende
eficiencias bajas.
La primera vez que se utilizo el termino humedal fue en la Convention on Wetlands
of international importance Especially as waterflow habitat celebrada en Rasman
Irán en 1971 a partir de esta fecha se han desarrollado estudios sobre este tema
en Estados Unidos, Europa y América, también se han construido humedales
artificiales donde los resultados obtenidos han sido satisfactorios. En Alemania,
Dinamarca y Reino Unido se han construido humedales diferentes a los de
Norteamérica debido a que la movilidad del agua es diferente entre estos países y
esto cambia el diseño del humedal.
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Los humedales que han sido construidos se han utilizado para tratar aguas
domesticas de comunidades, se han hecho estudios para tratar aguas residuales
de la industria petrolera, y para la industria de alimentos.
A continuación presentare una serie de resúmenes de artículos relevantes con el
tema de los humedales artificiales donde se presentan varios aspectos
importantes a la hora de diseñar un humedal y también resultados obtenidos de
humedales construidos en diferentes partes del mundo.
ARTICULO N° 1
Autor: Dr. André Gerth
Titulo: Sistema para la purificación de aguas servidas en una laguna de flujo
vertical con vegetación.
! Lugar: Alemania
! Fecha: 18 Enero de 2001
! Definición: Capas de suelo/arena plantadas con vegetación típica de las
ciénagas, regadas con agua servida, se trata de sistemas de purificación de
aguas contaminadas de alto rendimiento los cuales se aprovechan de procesos
naturales, y funciona sin mayor intervención del hombre.
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! Componentes de la laguna:
- Una etapa anterior de prepurificacion
- Varias capas de grava en el lecho
- Sistemas de drenaje
! Resultados obtenidos:
Parámetro Descarga Valor limite %
Descontaminación
DBO 20 40 95
NITRATO AMONIO 1.0 - 97
ORTOFOSFATO 0.2 - 98
TURBIEDAD Claro - -
COLORACION Incoloro - -
OLOR Inoloro - -
! Costos:
Se destacan por costos de operación bajos, dentro de los principales gastos están
los siguientes:
- Dragado de capa superior de tierra
- Impermeabilización
- Capa filtro (grava)
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- Plantas
- Sistema de drenaje.
- Pocas de trabajo de personal por semana
- Remoción de lodos 1 vez por año
- Limpieza del sistema de drenaje.
! Duración Util:
Esta limitada por la vida de la vegetación que no tienen limite gracias a su
regeneración dentro del medio, las lagunas mas antiguas tienen 30 años y se
calcula que la vida media puede estar hasta los 40 años.
ARTICULO N° 2
Boletín PIPELINE
Titulo: Humedales artificiales: Un tratamiento natural alternativo
! Fecha: Verano de 1998
! Resumen:
Los humedales artificiales minimizan el tratamiento que tiene lugar en los
humedales naturales al colocar plantas y una combinación de procesos biológicos,
químicos y físicos que remueven los agentes contaminantes del agua, incluso
proveen de un hábitat natural adicional para aves, animales e insectos.
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Uno de los usos más comunes es el proveer tratamiento avanzado o adicional a
las aguas residuales de hogares.
Los humedales artificiales se han utilizado como tratamiento de aguas residuales
desde la década de los 70’s lo que los convierte relativamente en una nueva
tecnología ambiental.
Una de las razones por la que la gente se siente atraída en la construcción de
estos sistemas es su bajo costo de operación debido a que su requerimiento de
energía es bajo o nulo.
! Ventajas:
- Bajo costo de construcción y mantenimiento
- Cumple con regulaciones ambientales
- Conservación de fuentes locales de agua
- Requiere poca o nula energía
- Proporcionan un tratamiento efectivo de aguas domesticas
! Desventajas:
- Requerimiento alto de Area
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- Pueden presentar problemas de mosquitos
- Pueden ser menos predecibles que otros sistemas convencionales
- El conocimiento de todos los procesos involucrados no esta definido.
ARTICULO N° 3
Cooperativa de Texas EXTENSIÓN
Titulo: Humedales Artificiales (sistemas para el tratamiento de aguas
residuales)
! Resumen
Un humedal artificial para el tratamiento domestico de aguas negras se diseña
para que imite los procesos naturales de los humedales que ocurren naturalmente.
Este sistema utiliza plantas y microbios para mejorar la calidad de las aguas
negras.
! Humedal Artificial
Es un lecho de piedra nivelada con agua por debajo de la superficie, donde crecen
plantas acuáticas.
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Elimina nutrientes, materia orgánica, sólidos en suspensión y patógenos.
El lecho en si es normalmente de grava pero puede ser de cualquier material
poroso que no se corroa o se disuelva con las aguas negras, el agua que va a
tratarse corre horizontalmente por el lecho, permaneciendo por debajo de la
superficie
! Tratamiento
Se cree que microbios que viven el las superficies de la grava y en las raíces de
las plantas eliminan los contaminantes que entran al humedal. Las plantas le
proporcionan oxigeno al lecho y eliminan algunos de los nutrientes. Otros
procesos como la filtración, la descomposición microbiana y la fijación a la
superficie de las partículas también ayudan a eliminar los contaminantes. Entre
mas tiempo permanezca el agua en el humedal mas contaminantes se eliminaran
y mejor será la calidad que sale del humedal.
! Generalidades de los humedales artificiales
- Relación area-caudal: 1 ft2 por cada galón de agua negra a tratar.
- Profundidad: 1-2 pies
- Area de corte transversal: Relación largo-ancho entre2y 3 mantiene el nivel
subsuperficial.
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ARTICULO N° 4
Autor: Manuel Ñique Alvarez
Titulo: Humedales construidos para el tratamiento de aguas residuales.
! Problema
Altos costos de energía y de mantenimiento en grandes instalaciones de concreto
y acero como son las diversas lagunas de tratamiento, las cuales tienen altos
consumos de energía, ha llegado a ser muy caro para las comunidades y
empresas operadoras que utilizan estos sistemas para el tratamiento de aguas
residuales, siendo insostenible su funcionamiento originando perdida de la
eficiencia en el tratamiento y en otros casos el abandono de las instalaciones.
Esto produce contaminación de fuentes de agua y por consiguiente el deterioro de
la calidad de la salud humana.
! Solución
Técnicas que utilizan sistemas acuáticos para el tratamiento de aguas servidas
como los humedales artificiales y los sistemas de plantas acuáticas, estos
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sistemas de tratamiento natural, reproducen los procesos que ocurren en la
naturaleza, dando como alternativa sistemas de bajo costo y amigables al
ambiente.
Se ha generado la técnica de humedales artificiales para tratar aguas servidas los
que cumplen funciones como: Fijar físicamente los contaminantes en la superficie
del suelo y la materia orgánica, utiliza y transforma los elementos por intermedio
de los microorganismos y logra niveles de tratamiento con un bajo consumo de
energía y bajo mantenimiento.
! Resultados obtenidos
PARAMETRO % REMOCION EFLUENTE
DBO 60-86% 2-7 mg/l
SST 73-93% 10mg/l
NITOGENO 80-97% -
FOSFORO 9-58% -
COLIFORMES 84-99% -
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! Conclusiones
- Condiciones ambientales como la temperatura intervienen de manera
significativa en el proceso.
- Bajos costos de operación, instalación y mantenimiento
- Facilita el reciclaje y reutilizacion del agua
- Relación de 4-10 veces mas de área frente a otros sistemas
- Componentes biológicos susceptibles a sustancias tóxicas como los
pesticidas o el amoniaco.
ARTICULO N°5
Autor: Agustín Lahora Cano
Titulo: Los humedales artificiales como tratamiento terciario de bajo costo
en la depuración de aguas residuales urbanas
! Problema
La comunidad Europea obligan, mediante la directiva 9172717CEE, a limitar el
contenido de nutrientes responsables de la eutrofizacion (nitrógeno y fósforo) en
los vertidos de aguas residuales urbanas depuradas, por lo que son necesarias
tecnologías para complementar los actuales sistemas de tratamiento.
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! Solución
Existen experiencia sobre humedales artificiales como eficaz tratamiento terciario
de bajo costo, aunque no se conocen con profundidad los procesos implicados en
este. GALASA en prevención con el cumplimiento de la directiva, ha construido un
humedal artificial experimental a pequeña escala, cuyos resultados iniciales
indican la viabilidad de esta tecnología bajo condiciones climáticas típicas de la
región usando especias vegetales autóctonas Phragmites australis (cañota,
carrizo) y Thypa dominguensis.
! Resultados
Parámetro Afluente Efluente Norma
DBO 420 2 25
SST 385 15 150
NT 84 6 15
Fosforo Total 8.9 1.6 2
Coliformes 8.3*106 0 -
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! Conclusiones
- Bajo costo de construcción y de energía
- Sistema flexible a cambios de caudal y carga del Efluente
- Intensa actividad microbiana durante todo el año
- Si el nivel del agua permanece subsuperficial se reducen los problemas de
mosquitos
- Los criterios de diseño no son totalmente conocidos
- Desconocimiento de los procesos biológicos involucrados
! Recomendaciones de diseño
- Profundidad de 60-80 cm
- Impermeabilizante (lamina sintética)
- Relleno (grava con alto contenido de Calcio y Hierro)
- Area (2-5 m2/habitante influentes muy cargados)
- Area (1-2m2/habitante para tratamiento terciario)
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ARTICULO N°6
Autor: Carmen Duran de Bazúa
Titulo: Humedales artificiales, una alternativa viable para el tratamiento de
aguas residuales en zonas rurales
! Problema
En México aproximadamente el 80% de las aguas residuales generadas son
descargadas al ambiente sin un tratamiento adecuado y la falta de recursos
obligan a la búsqueda de alternativas mas económicas.
! Solución
Los humedales artificiales son sistemas de tratamiento con gran potencial
especialmente por su sencillez de operación y su bondad con el ambiente y
representa desde el punto de vista económico y técnico una opción viable para
ser utilizados como sistemas de tratamiento de aguas residuales rurales que
cuenten con áreas amplias.
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! Desarrollo
El PIQAYQA de la UNAM en cooperación con diversas entidades construyo una
pequeña planta cuyo principal objetivo es la diseminación técnica del sistema.
Sus principales características son:
- Lugar: México
- Caudal: 5.3m3/dia
- Area: 75m2
- Tiempo de residencia: 1.8 días
- Plantas: Phragmites (carrizos)
- Soporte: Escoria volcánica
! Resultados
Parámetro Porcentaje de remoción
DBO 74-75%
Nitrógeno amoniacal Mas de 80%
Fósforo 20%
Coliformes fecales 99.5-99.997%
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! Generalidades de diseño
- Profundidad del lecho: 0.6-1.5 m por debajo del nivel del agua
- Impermeabilización: Arcilla, tierra- cemento, plástico sintético o asfalto
- Relleno: Grava de un solo tamaño, o combinando grava con arena
- Pendiente de 4-6%
! Conclusiones
- Opción con alta viabilidad para ser implementado en las comunidades
rurales
- Ventaja de uso de materiales típicos de la región
- Vida media (25-30 años)
- Eficiencia de 90%
ARTICULO N°7
Autor: R.L. Lavigne y J. Jankiewicz
Titulo: Tecnología del tratamiento de pantanos secos artificiales y su
aplicación en la Amazonia del Ecuador
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! Problema
La construcción de un sistema de tratamiento convencional es poco factible para
muchos países en desarrollo en los cuales materiales convencionales y recursos
financieros son escasos. En la Amazonia de América del Sur se ha presentado un
rápido crecimiento poblacional e industrial debido ala extracción de petróleo crudo
en esta región, agudizando los problemas de suministro de agua, manejo de
aguas residuales afectando a poblaciones que viven en zonas donde el agua que
se consume proviene de ríos a los cuales se les vierte aguas sin tratamiento.
! Solución
Construcción de un pantano seco para una población de 10000 habitantes de
1200 m2 para el tratamiento de esta agua que eran vertidas a los ríos sin tratar.
! Resultados
PARAMETRO ENTRADA(mg/l) SALIDA(mg/l)
DBO 288 3
DQO 301 11
NH4 27.7 9.43
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PO4 2.21 0
SST 377 14
COLIFORMES 121000 6000
! Conclusiones
- No hay proliferación de mosquitos
- Máxima eficiencia debido a la gran biomasa asociada con la rizofera
- Excelente retención de pequeñas partículas
- Efluente de alta calidad (cerca de los valores de consumo humano)
- Bajas exigencias técnicas, bajo costo, autosostenible.
ARTICULO N° 8
Titulos: Los humedales o pantanos artificiales: Una alternativa para el
tratamiento de aguas residuales
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! Problema
El tratamiento de las aguas residuales generadas por el consumo humano
industrial representa uno de los crecientes problemas ecológicos que el país
enfrenta (Solo 20 % de las aguas residuales reciben tratamiento en México). Los
sistemas basados en tecnologías convencionales no son rentables ni sustentables
para las necesidades urbanas contemporáneas.
! Solución
Ante la búsqueda de nuevas formas de atacar este problema la aplicación de los
sistemas de pantanos artificiales o humedales artificiales comienzan cada vez mas
a tomar fuerza como una tecnología alternativa muy útil para contrarrestar los
efectos contaminantes de los sistemas tradicionales. Esta técnica se viene
utilizando en Europa y en Estados Unidos desde los años70’s con grandes
resultados económicos y operativos incluso en una técnica viable para países en
vía de desarrollo.
! Aplicaciones
- Tratamiento de aguas domesticas
- Tratamiento de aguas ácidas
- Remoción de Fósforo y Nitrógeno
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- Descarga del drenaje de minas
! Ventajas
- Consumo de energía bajo
- Costo bajo de operación y mantenimiento
- Flexibilidad del sistema a cambios de clima
- Buena remoción de DBO, Nitrógeno y Fósforo
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2.MARCO TEORICO
2.1 Funciones principales de los humedales
Según Lara (1999) Los humedales son áreas que se encuentran saturadas por
aguas superficiales o subterráneas con una frecuencia y duración tales, que sean
suficientes para mantener condiciones saturadas. Suelen tener plantas
emergentes, esta vegetación proporciona superficies para la formación de
películas bacterianas facilitando la filtración y adsorción de los constituyentes del
agua residual.
Los humedales tienen tres funciones fundamentales:
- Fijar físicamente los contaminantes en la superficie del suelo y la materia
orgánica
- Utilizar y transformar los elementos por intermedio de los organismos
- Lograr niveles de tratamiento consistentes con un bajo consumo de energía
y bajo mantenimiento.
2.2 Clases de humedales
“Existe una multitud de variantes del procedimiento de tratamiento con ayuda de
humedeales de los cuales muchos son similares. Es posible subdividir
procedimientos en diversos componentes. Si se clasifican estos componentes a
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partir del flujo, es posible reagruparlos en dos categorías”. (Centro Nacional del
Agua.(1999). Sistemas de tratamiento de Aguas Servidas por medio de
Humedales Artificiales. P.38)
2.2.1 Humedales de flujo superficial (SF)
Según Alvarez (1994)Estos humedales consisten de una cubeta poco profunda,
suelo u otro medio para soportar raíces de la vegetación, y una estructura del
control del agua que mantiene el agua a un nivel poco profundo, estos se
asemejan mucho a un pantano natural puede proveer habitat para la vida silvestre
y beneficios estéticos como el tratamiento del agua. En los humedales SF la capa
mas superficial es aeróbica, mientras que la capa mas profunda es anaerobia.
Para lograr tratamiento secundario o avanzado, los humedales SF consisten en
balsas o canales paralelos con la superficie del agua expuesta a la atmósfera y el
suelo constituido por suelo relativamente impermeable o con una cubierta
impermeable, vegetación emergente, y niveles de agua poco profundos. El
tratamiento se produce durante la circulación del agua a través de los tallos y
raíces de la vegetación emergente. Esta clase de humedales se utilizan
principalmente para el tratamiento de agua de minas y escurrimiento agrícola.
Entre la ventaja de estos humedales esta: El capital requerido y los costos de
operación son bajos, su construcción y mantenimiento son simples, dentro de las
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desventajas se encuentra principalmente el requerimiento de una gran área en
comparación con otros sistemas.
2.2.2 Humedales de flujo subsuperficial (SSF)
Según Alvarez (1994)Consiste en canales o zanjas excavadas y rellenos con un
sustrato poroso de roca o grava.
El nivel de agua es diseñado para que se mantenga debajo del nivel del sustrato y
el agua a tratar no este expuesta al aire. Debido a la confinación hidráulica
impuesta por el sustrato, los humedales SSF están mejor preparados para tratar
aguas servidas con sólidos en concentraciones relativamente bajas y flujo
uniforme. Estos humedales son frecuentemente usados para reducir el DBO de las
aguas servidas domesticas.
Entre sus ventajas esta la tolerancia a los cambios de temperatura, minimizan las
plagas de mosquitos y malos olores, poseen un alto potencial de asimilación por
unidad de área en comparación a los sistemas SF debido a su mayor superficie de
contacto, requiriendo menor área.
Entre las ventajas esta su costo mas alto frente al SF y regular el flujo es mas
difícil
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6.3 Según Lara (1999) Los principales componentes de un humedal son: El
agua, los substratos, las plantas emergentes y los microorganismos.
2.3.1 El Agua
La hidrología es el factor de diseño mas importante en un humedal construido
porque reúne todas las funciones del humedal y porque es a menudo el factor
primario en el éxito o fracaso del humedal Las propiedades del agua son
afectadas por la lluvia, la temperatura, la evapotranspiración la cual puede obtener
un valor importante en las perdidas de agua del humedal, principalmente se dan
en climas áridos y en los meses de verano, estas perdidas hacen que el volumen
de agua disminuya y por lo tanto la remoción de los contaminantes decrece, y la
evaporación directa del agua también afecta las propiedades del agua, y
evidentemente por las plantas y microorganismos, que desarrollan el proceso de
tratamiento ya que la densidad de la vegetación en un humedal puede obstruir
caminos de flujo, afectando la movilidad del agua A través del humedal.
2.3.2 Los Substratos
Los substratos son los materiales que se utilicen para la creación del suelo por lo
general se utiliza grava, arena, roca y materiales orgánicos como el compost es
muy importante ya que dentro y sobre este permanecen los organismos vivos del
humedal, la permeabilidad del suelo depende directamente del sustrato que se
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utilice, y en general almacenan organismos y sustancias presentes en el humedal,
también el substrato es importante porque muchas transformaciones químicas y
biológicas tienen lugar dentro de este, la acumulación de restos de vegetación
aumenta la cantidad de materia orgánica en el humedal. La materia orgánica de
lugar al intercambio de materia, fijación de microorganismos, y es una fuente de
Carbono, que es la fuente de energía para algunas de las mas importantes
reacciones biológicas en el humedal, la granulometria de el substrato es un
parámetro importante en el diseño del humedal ya que de este depende la
movilidad del agua a través del humedal por entre los espacios vacíos los cuales
sirven como canales de flujo.
2.3.3 La vegetación
El mayor beneficio de las plantas es la transferencia de oxigeno a la zona de la
raíz, la continua inundación, los sólidos y el medio de los sistemas de flujo
subsuperficial proporcionan medio anaerobio que no es un buen ambiente para el
desarrollo de la mayor parte de la vegetación.
Las plantes emergentes tienen la capacidad de tomar oxigeno y otros gases de la
atmósfera y transportarlos a través de largos vasos hasta la raíz la cual por medio
de los rizomas proporciona un ambiente aerobio al sistema.
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El Oxigeno es utilizado para el crecimiento de la raíz y para la actividad microbial,
esto produce micrositios en las raíces y risozomas que proporcionan ambiente
aeróbico, y en los cuales ocurren reacciones como la nitrificación, en los sistemas
de flujo subsuperficial se favorece esta actividad microbiana debido al contacto
directo entre las raíces y el agua.
La presencia física de la vegetación permite la penetración en la tierra o medio de
apoyo y por lo tanto el transporte del oxigeno, cuando estas plantas mueren se
denominan restos de vegetación que sirven como medio y fuente de nutrientes
para el crecimiento de otras plantas. Las plantas emergentes sirven como
hospedero de los microorganismos, le dan una baja velocidad al flujo por su alta
densidad, absorben carbono, nutrientes y minerales del agua, limitan la
canalización del flujo de agua, transfieren gases entre la atmósfera y los
sedimentos Dentro de esta vegetación se encuentran tres diferentes géneros:
Thypha, Phragmites y Scirpus.
Cada uno de estos géneros poseen características diferentes que las hacen
especiales dependiendo del lugar donde se construya el humedal y de la
utilización del humedal
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2.3.4 Microorganismos
Una característica fundamental de los humedales es que sus funciones son
principalmente reguladas por microorganismos y su metabolismo. Los
microorganismos incluyen bacteria, levaduras, hongos y protozoarios. La biomasa
microbiana consume gran parte del carbono orgánico y muchos nutrientes.
La actividad microbiana que ocurre en el humedal transforma un gran numero de
sustancias orgánicas e inorgánicas en sustancias insolubles, altera las
condiciones de potencial redox del sustrato y así afecta la capacidad de proceso
del humedal, algunas de estas actividades se presentan en presencia del oxigeno,
mientras que otras en ausencia de este, es por esto que los humedales son
sistemas aerobios y anaerobios para que se pueda dar todo tipo de actividad
microbiana.
2.4 Aspectos de la construcción
2.4.1 Impermeabilización
Segu CENAGUA (1999) En cualquier tipo de humedal se necesita colocar una
capa o barrera impermeable para evitar que el agua del humedal se mezcle con el
agua del suelo donde este se va a construir y por lo tanto se presente una
contaminación, se pueden utilizar materiales sintéticos como asfalto o algún tipo
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de membrana, pero también se pueden utilizar materiales que estén en el mismo
lugar, y que por medio de su compactación pueden llegar a tener las mismas
propiedades de impermeabilidad que los materiales sintéticos. El fondo del suelo
debe ser cuidadosamente alisado para evitar perforaciones en el
impermeabilizante, también se debe dejar una pendiente para asegurar la
movilidad del agua a través del suelo. Se debe dejar totalmente liso el fondo para
evitar flujos preferenciales del agua por medio de canales artificiales o
accidentales. La grava que se dispone sobre la superficie impermeabilizada no
debe romperla, la selección de este material es un punto critico en el diseño del
humedal por lo que es preferible la utilización de grava.
2.4.2 Vegetación
La elección del tipo de vegetación esta directamente ligada al ambiente ya que
cada una de las especias puede crecer en situaciones particulares y la elección
debe estar ligada a las condiciones de operación del sistema, cada una de las
especies mas utilizadas tienen características que las hace mas favorables para
cada tipo de humedal sea SSF o SF, un punto importante es que se deben
escoger si se tiene la oportunidad las especias nativas del sitio de construcción.
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2.5 Según Lara (1999) Remoción de los contaminantes
2.5.1 Sólidos en suspensión
Aunque algunos sistemas operan sin pretratamiento, se recomienda
especialmente instalar un elemento de tratamiento primario que permita retirar
elementos en suspensión. La puesta en marcha de un pozo séptico antes del
tratamiento permitirá retirar hasta el 60% de sólidos en suspensión y el 40% de
DBO, en los sistemas subsuperficiales la remoción de sólidos suspendidos se
presenta por medio del medio poroso por medio de filtración dando niveles de
remoción de 90-95 %.
2.5.2 DBO
La DBO se retira de manera física ya sea a nivel del pretratamiento o por filtración
y sedimentación en los lechos de plantas, las aguas servidas atraviesan en
principio zonas aeróbicas cerca de las raíces y rizomas y anaerobias en la zona
del medio filtrante, cuando las condiciones hidráulicas del medio filtrante se
mantienen, la digestión de la fracción carbonada es muy buena, la actividad
microbiana se reduce a bajas temperaturas es por esto que los rendimientos
disminuyen en épocas de invierno entre un 80y 70% mientras que en época
normal se pueden presentar rendimientos de 80-95%
IQUI-2002-2-01
33
2.5.3 Nitrógeno
El nitrógeno se consume básicamente mediante tres pasos:
Primero se presenta una absorción química del nitrógeno en el suelo, pero este
efecto no es normalmente dominante ya que necesita condiciones especiales en el
suelo y solo se presenta en Humedales de flujo superficial.
El segundo fenómeno implicado es de nitrificación seguida de la denitrificacion por
la actividad microbiana, en la primera parte el amoniaco es transformado a nitratos
y nitratos en presencia del oxigeno, y después estos nitratos y nitritos se
convierten en nitrógeno gaseoso por medio de la desnitrificaron en ausencia del
oxigeno, pero el seguimiento de estos pasos en sistemas subsuperficiales es muy
difícil de monitorear y los rendimientos tienen valores muy variados.
2.5.4 Fósforo
La remoción de fósforo en la mayoría de los sistemas de humedal artificial no es
muy eficaz debido a las pocas oportunidades de contacto entre el agua residual y
el terreno.
Algunos sistemas en Europa usan arena en vez de grava para aumentar la
capacidad de retención del fósforo pero este medio requiere áreas muy grandes
debido ala reducida conductividad hidráulica de la arena comparada con la de la
IQUI-2002-2-01
34
grava, para lograr una importante remoción de fósforo, se necesitaran grandes
áreas o tratamientos alternativos.
Datos experimentales que se pueden presentar valores de 30-50% de remoción
de fósforo.
2.5.5 Coliformes fecales
La reducción de microorganismos patógenos se hace posible en sistemas de
tratamiento bajo ciertas condiciones.
Para ello es importante crear una zona de pulimiento que no sea favorable al
crecimiento de microorganismos y evitar los cortocircuitos. Los sistemas bajo la
superficie permiten disminuir las concentraciones en microorganismos de 102 a
104 Coliformes por 100 ml y son menos sensibles a los cambios de caudal que los
de flujo superficial.
2.6. DISEÑO DEL SISTEMA DE FLUJO SUBSUPERFICIAL
Los humedales artificiales pueden ser tratados como rectores biológicos según
sus características, pueden ser modelados con diferentes ecuaciones para ver su
funcionamiento, estas ecuaciones se desarrollan para ver que tan efectiva puede
ser la depuración de sustancias contaminantes en el cuerpo de agua
IQUI-2002-2-01
35
Los humedales se pueden modelar como un reactor tipo pistón, ya que el agua
actúa como el flujo de entrada y va pasando a través del humedal donde las
plantas y los microorganismos actúan como el catalizador, en el cual la
concentración es uniforme en el tiempo pero varia en el espacio, el tiempo de
residencia depende del volumen del humedal y del flujo de agua o caudal medio
por medio de la siguiente ecuación:
QV=τ
τ = Tiempo de residencia
V = Volumen del humedal
Q = Caudal de agua( caudal medio)
Y la ecuación para un reactor tipo pistón es la siguiente: KtA er −=−
rA= Cinética de reacción
K= constante de reacción
T= tiempo
IQUI-2002-2-01
36
Para cada contaminante hay diferencia en el tratamiento de las ecuaciones, pero
no totalmente, lo que mas influye en el cambio es la constante de reacción que
varia según la temperatura para cada clase de contaminante
IQUI-2002-2-01
37
3.DISEÑO GENERAL DE UN HUMEDAL ARTIFICIAL
Todos o la gran mayoría de los Humedales Artificiales construidos han sido
considerados como un reactor biológico, con una constante cinética de primer
orden, y de flujo tipo pistón para la remoción de DBO, Nitrógeno, Sólidos
Suspendidos Totales y fósforo.
Existen otras alternativas pero no existe un consenso universal que dicte algún
método como el mejor o como el método de diseño general. El siguiente diseño
esta basado en el diseño propuesto por Sherwood C. Reed en el Libro Natural
Systems for Waste and treatment.
Para la remoción de los contaminantes del agua podemos usar las siguientes
ecuaciones que son las que se usan en los reactores de tipo pistón con reacción
de primer orden.
ECUACION GENERAL DE UN REACTOR
Ce: Concentracion a la salida
Co: Concentracion a la entrada K: Constante cinetica de reaccion t: Tiempo de retencion
TIEMPO DE RETENCION HIDRAULICA
KteOCEC −=
QLWynt =
( )1
( )2
IQUI-2002-2-01
38
AREA SUPERFICIAL
L: Largo de la celda W: Ancho Y: Profundidad del agua N: Porosidad del medio Q: Caudal de agua Para poder realizar este diseño es necesario hacer un promedio del flujo de salida
y el de entrada, para poder tener en cuenta las perdidas y ganancias de agua
mediante la operación del humedal, por medio de efectos como la precipitación,
evapotranspiracion etc.
Para un diseño conservador se asume que no existen ganancias ni perdidas por lo
tanto el caudal es constante lo que quiere decir que el flujo de entrada es el mismo
que el de salida.
Constantes que se encuentran en las anteriores ecuaciones son de gran interés
para el buen desarrollo del sistema, una de estas constantes es Kt la cual es la
constante de reacción, y es de primer orden debido a que depende solo de la
temperatura, también depende de el tipo de contaminante pero como constante y
no como variable.
ynKC
CQLnLWA
T
e
o
S
== ( )3
IQUI-2002-2-01
39
Como la constante de reacción Kt depende solo de la temperatura es necesario
saber que temperatura tiene el agua dentro del humedal.
El diseño hidráulico es muy importante para el modelo y para poder predecir la
remoción de contaminantes en el cuerpo de agua, este modelo esta basado en
modelo de flujo tipo pistón, con variables como: flujo constante.
Muchos modelos que han sido desarrollados no han utilizado las variables
suficientes y el desarrollo de humedal no ha sido el esperado, presentando
inconvenientes por cortocircuito.
Un diseño valido requiere consideraciones hidráulicas y termales, para poder
llegar a algún resultado valido, el procedimiento tiene que ser iterativo y es
necesario asumir una profundidad y una temperatura para poder resolver la
ecuación cinética.
Dentro del diseño del humedal, el área es el parámetro de diseño limitante, ya que
para la remoción de cada contaminante se calcula un área y esta es la necesaria
para cumplir con los requerimientos de calidad del agua, el DBO y el Nitrógeno
son los contaminantes limitantes por lo tanto para el diseño se utilizaran estos dos
contaminantes para calcular el área del humedal.
IQUI-2002-2-01
40
3.1 Metodología de diseño
El método que se utiliza comprende los siguientes pasos:
3.1.1 Metodología General
- Asumir una temperatura y una profundidad.
- Calcular el área necesaria para remover la DBO y el nitrógeno del cuerpo de
agua.
- Con esta área calcular la temperatura promedio del humedal.
- Calcular la relación largo/ancho del sistema y comparar estos resultados con
los propuestos como valores apropiados.
3.1.2 DISEÑO HIDRAULICO
Todos los modelos de diseño que se usan actualmente asumen condiciones
uniformes de flujo a pistón y que además no existen restricciones para el contacto
entre los constituyentes del agua residual y los organismos responsables del
IQUI-2002-2-01
41
tratamiento, y todas las condiciones del sistema se mantienen durante el tiempo
de vida del humedal.
El flujo del agua presenta una resistencia dada por el medio y por la vegetación,
para poder vencer esta resistencia es necesario obtener de alguna manera una
energía capaz de superar esa resistencia, por lo tanto es necesario construir el
humedal, con una pendiente en el fondo, la cual crea una diferencia de altura en el
fondo y permite una libre circulación del flujo dando de esta manera una solución
al problema de esta resistencia, pero en algunos casos a medida que pasa el
tiempo la vegetación se va volviendo mas densa, y la resistencia se vuelve mayor
por lo que es necesario crear una pendiente mayor, que tenga capacidad de crear
la suficiente energía para vencer esa resistencia.
En algunos casos es necesario construir o contar con un sistema que puede
regular la altura del nivel de salida para poder controlar el flujo que se mantiene
dentro del sistema.
Un parámetro que tiene gran influencia en el diseño hidráulico es el de la relación
Largo/Ancho, la resistencia sobre el flujo para poder asegura un sistema de flujo
pistón debe ser grande lo cual se permite con valores de L/A grandes pero no tan
grandes porque afecta el sistema, ni tan pequeños porque el tiempo de residencia
será muy corto es por esto que se han dado valores estándares que puedan
IQUI-2002-2-01
42
cumplir con este aspecto, el cual da como valor típico para el buen funcionamiento
del humedal un valor de 3:1 como relación de L:A
Para poder describir el sistema como un sistema de flujo pistón se debe utilizar la
Ley de Darcy que describe el comportamiento de un flujo a través de un medio
poroso, lo cual es aceptado para un humedal, utilizando sólidos y grava como
medio.
Para poder utilizar esta ecuación es necesario asumir las siguientes condiciones.
- Flujo laminar
- Flujo constante y uniforme
- Asumir que no hay perdidas ni ganancias por parte del flujo.
Con estas consideraciones la ley de Darcy proporciona una buena aproximación a
las condiciones hidráulicas del sistema.
Ley de Darcy
El flujo de agua a través de medios porosos, de gran interés en la Mecánica de
Suelos, está gobernada por una ley descubierta experimentalmente por Henri
Darcy en 1856. Darcy investigó las características del flujo del agua a través de
filtros, formados precisamente por materiales térreos,.
IQUI-2002-2-01
43
Trabajando con dispositivos de diseño especial, Darcy encontró que para
velocidades suficientemente pequeñas, el gasto queda expresado por:
kAidtdVQ == /
A es el área total de la sección transversal del filtro e i el gradiente hidráulico del
flujo, medido con la expresión:
Lhhi /)21( −=
La ecuación de continuidad del gasto establece:
AcsKAvQ s==
Siendo A el área del conducto y v la velocidad del flujo. Llevando esta expresión a
la Ley de Darcy, se deduce que:
Kiv =
Es decir, que en el intervalo en que la ley de Darcy es aplicable, la velocidad del
flujo es directamente proporcional al gradiente hidráulico; esto indica que, dentro
del campo de aplicabilidad de la ley de Darcy, el flujo en el suelo es laminar.
En las ecuaciones anteriores, relacionadas con la ley de Darcy, aparece una
constante física de proporcionalidad, k, llamada el Coeficiente de Permeabilidad
IQUI-2002-2-01
44
del Suelo. En cualquiera de esas ecuaciones puede verse que sus unidades son
las correspondientes a una velocidad (téngase presente que i es un concepto
adimensional). Esto se ha utilizado para definir en términos simples el coeficiente
de permeabilidad de un suelo como la velocidad del agua a través del mismo,
cuando está sujeta a un gradiente hidráulico unitario. Es obvio que en el valor
numérico de k se reflejan propiedades físicas del suelo y en cierta medida ese
valor indica la mayor o menor facilidad con que el agua fluye a través del suelo,
estando sujeta a un gradiente hidráulico dado.
Esta facilidad a su vez depende de toda una serie de propiedades físicas del suelo
y, también de algunos factores, tales como temperatura y otros más.
Como vemos para modelar el paso de un fluido por un medio poroso como lo es el
paso del agua a través de un humedal, podemos utilizar la ley de Darcy para ver
su comportamiento a través de este.
Después de observar la ley de Darcy y su definición podemos utilizar las
siguientes ecuaciones para poder llegar al resultado buscado para hallar el ancho
de el humedal, consistente con la profundidad del agua en este.
DADO QUE
LymS ))((=W
AL S= ))(( yWAC =
IQUI-2002-2-01
45
Donde:
m(pendiente del medio esta ente 5-20%)
As(Area superficial)
y(profundidad del agua)
Reorganizando estas ecuaciones con la de la ley de Darcy podemos llegar a una
expresión
donde se obtenga el ancho mínimo aceptable para una celda acorde con su
gradiente hidráulico.
El valor que se obtuvo en la ecuación numero 4 muestra el resultado al que se
quería llegar en el cual esta relacionado el ancho mínimo del humedal, acorde con
la profundidad del agua, la conductividad hidráulica y la pendiente del sistema.
El valor de m es la pendiente del medio acorde con la profundidad del agua en el
medio, este valor esta dado en porcentaje y esta ente un 5% a un 20 %.
5.0
))(())((1
=
S
S
KmAQ
yW ( )4
IQUI-2002-2-01
46
El valor de Ks pertenece a la conductividad hidráulica, para un buen diseño es
conveniente usar valores de Ks/3 como factor de seguridad, debido a que este
valor de Ks varia con la temperatura y el medio y estas condiciones pueden variar
durante el periodo de vida del sistema es necesario utilizar este valor como
constante de seguridad.
La conductividad hidráulica también varia de acuerdo al medio y al numero de
espacios vacíos en este, algunos valores usados en humedales ya construidos y
que son típicos se encuentran en la tablea tal que se muestra a continuación.
Como se menciono anteriormente la temperatura del agua en el humedal es de
gran importancia par poder predecir el comportamiento de este ya que la
constante cinética de reacción depende únicamente de la temperatura, es por esto
que es muy importante desarrollar un procedimiento que logre dar un valor
promedio del agua en el humedal teniendo en cuenta todos los factores que
afectan a la temperatura, a continuación se desarrolla un procedimiento que tiene
en cuenta todos los factores y que proporciona un valor muy aproximado al valor
promedio del agua en el humedal.
IQUI-2002-2-01
47
3.1.3 DISEÑO TERMICO DEL HUMEDAL
La temperatura en el sistema afecta directamente las actividades físicas y
biológicas del sistema.
Reacciones biológicas responsables de la remoción de DBO, nitrificación y
denitrificacion dependen de la temperatura.
Se ha demostrado que en humedales ubicados en Estados Unidos y Canadá la
capacidad de remoción de Nitrógeno durante los meses de invierno decrece de
manera significativa, debido a la influencia que tiene la temperatura en las
reacciones biológicas responsables de la capacidad de remoción del Nitrógeno.
Debido a los dos efectos anteriormente nombrados y a todos los efectos que tiene
la temperatura sobre el sistema y sus componentes es necesario desarrollar un
modelo que pueda calcular la temperatura media del agua en el sistema.
Como el humedal es una zona abierta la cual esta expuesta al aire el agua puede
ganar y perder calor de muchas maneras es de nuestro interés poder calcular ese
calor para saber de que manera cambiara la temperatura del agua y así poder
sacar un promedio entre la temperatura del agua de salida y del agua de entrada.
IQUI-2002-2-01
48
Algunos de los elementos presentes en el humedal presentan mayor o menor
sisgnificancia a la hora de tenerlos en cuenta debido a su función en la perdida o
ganancia de calor en el sistema, estas perdidas o ganancias se presentan
básicamente debido a tres fenómenos de transferencia de calor:
- Conducción: A través del agua, la vegetación, el medio etc..
- Convección: A través del aire con el medio.
- Radiación: Por medio del sol.
Para poder desarrollar un diseño conservador solo se tendrán en cuenta las
perdidas de calor debido a la conducción.
El sistema cuenta con su propia energía, en forma de calor, debido ala presencia
del agua, esta energía esta gobernada por el calor especifico del agua que
depende de la presión, que en este caso en especial será la presión atmosférica
que tiene un valor de 4215(J/Kg) o 1.007(Btu/Lb°F).
La ecuación que relaciona este calor especifico y la energía en forma de calor
dentro del sistema es la ecuación 5
IQUI-2002-2-01
49
Energía del sistema:
))()()()(( nyACq SPG ρ=
qG= Energía del sistema
p= Densidad del agua(1000 Kg/m3 o 62.4Lb/ft3)
y= Profundidad del agua en el sistema
n= Porosidad del medio
As= Area superficial
Para poder calcular la perdida de energía a través de calor por conducción
utilizamos la siguiente relación dada por la ecuación 6:
To(Temperatura de entrada del agua)
Te(Temperatura de salida del agua)
U(Coeficiente total de transferencia de calor)
σ (Constante de conversión 86400s/d o 24h/d)
( )5
( )6))()()()(( 0 σtAUTTq SaL −=
IQUI-2002-2-01
50
Para poder calcular la temperatura
a del aire es necesario remitirse a los datos que se tengan sobre la temperatura
del aire en la región donde se vaya a construir el humedal y con todos los datos
que se tengan en el ultimo año se hace un promedio y este es el valor que se
utilizara.
Para calcular el coeficiente de transferencia utilizamos la ecuación 7 que relaciona
este valor con las conductividades de cada capa que hace parte del sistema y su
respectivo grosor de cada capa. (relación de resistencias)
y(Espesor del material)
k(Conductividad de la capa)
Básicamente son tres elementos diferentes por los que tiene que pasar el calor: La
capa de agua, la capa de piedra o material granulado y la capa de vegetación,
para cada capa de estos materiales existe un espesor determinado y una
conductividad determinada, con estos valores y la anterior ecuación podemos
( )7
+
+
+
=
4
4
3
3
2
2
1
1
1
Ky
Ky
Ky
Ky
U
IQUI-2002-2-01
51
calcular la resistencia de estas capas a la transferencia de calor. Estos valores se
encuentran en la tabla 1.
Tabla 1 Conductividad térmica de los componentes de un humedal
Tabla 6.4 tomada de Natural systems de Sherwood C. Reed
Material Conductividad (W/m°C)
Aire 0.024
Nieve 0.08
Nieve 0.23
Hielo 2.21
Agua 0.58
Capa de resto de vegetación 0.05
Grava seca 1.5
Grava saturada 2.0
Suelo seco 0.8
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52
El cambio de la temperatura en el humedal se calcula mediante una relación entre
la energía ganada y la energía perdida por el sistema, mediante la ecuación 8:
Después de haber calculado el cambio de esta temperatura se la restamos a la
temperatura de entrada y podemos obtener la temperatura de salida del agua,
promediamos estas dos temperaturas y obtenemos la temperatura promedio del
agua en el sistema, este procedimiento se realiza con las ecuaciones 9 y 10.
centradasalida TTT −= (9)
Esta temperatura promedio es la temperatura que se maneja en todo el diseño del
humedal.
( )8
( )10
G
LC q
qT =
TTs Te
prom =+2
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53
3.1.4 MODELO DE REMOCION DE DBO
Para poder realizar un modelo de diseño para ver el comportamiento de la
remoción de DBO se pueden considerar todos los humedales construidos como
reactores biológicos tipo pistón con una constante de reacción de primer orden.
Las ecuaciones que describen un reactor biológico tipo pistón y que se utilizan
para el diseño del humedal son las ecuaciones 11, 12, 13, y 14
La constante de reacción que rige esta ecuación esta dada por la siguiente
relación la cual es una modificación de la constante de reacción a 20°C.
)20(20 )06.1( −= T
T KK
La constante de reacción a 20°C tiene el siguiente valor el cual es constante para
cualquier tipo de clima.
104.120 =K
KteOCEC −= ( )11
( )12
( )13
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54
La diferencia de remoción en humedales de flujo superficial y subsuperficial esta
en la porosidad que depende del medio usado en el sistema el cual tiene valores
típicos para tamaño y para cada tipo de medio estos valores se encuentran en la
tabla 2:
Tabla 2 Características del los medios típicos
Tipo de medio Tamaño efectivo Porosidad Conductividad
hidráulica(m3/m2/d
Arena 2 28-32 100-1000
Arena y grava 8 30-35 500-5000
Grava fina 16 35-38 1000-10000
Grava Media 32 36-40 10000-50000
Roca 128 38-45 50000-250000
Tabla 6.3 tomado de Sherwood C. Reed
IQUI-2002-2-01
55
Otro aspecto importante que difiere en el funcionamiento de las dos clases de
humedales es la constante de reacción que depende de la temperatura.
Los humedales cuentan con una carga orgánica impuesta en el sistema, esta
constante de reacción es un arreglo de la constante de reacción a 20°C la cual
esta relacionada linealmente con esta carga orgánica, esta relación se realizo
mediante datos de humedales construidos que se encuentran operando en
Estados Unidos.
Existen datos para humedales de flujo superficial y subsuperficial en los cuales la
relación de la carga orgánica con la constante de reacción a 20°C se comportan
de una manera lineal y que para los sistema de flujo subsuperficial se encuentra
una pendiente mayor debido a que el área superficial de este sistema es mayor, y
en donde se desarrolla la actividad microbiana lo que da una mayor oportunidad
de que ocurra este tipo de actividad biológica.
Basado en sistemas construidos en Estados Unidos y otras partes del mundo el
diseño de los humedales se hace para obtener cargas orgánicas altas como valor
optimo de 100 Kg/ha para el cual según la relación el valor de la constante de
reacción obtiene un valor de 1.104.
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56
Ya teniendo los valores de reacción podemos sacar la relación para hallar el Area
que se necesitara para la remoción de DBO
n(porosidad del humedal)
y(profundidad del agua en el sistema su valor típico es 0.6)
3.1.5 MODELO DE REMOCION DE NITROGENO
El diseño de remoción de Nitrógeno en ambos tipos de humedales es un proceso
complejo debido a que el Nitrógeno puede estar en gran variedad de formas en
donde para cada tipo de forma se requieren consideraciones diferentes para su
remoción.
La remoción de nitrógeno es usualmente el parámetro de diseño limitante cuando
se tienen limites estrictos de vertido, tanto de nitrógeno amoniacal como de total,
para poder realizar el modelo como un reactor de pistón con cinética de primer
ynKC
CQLnLWA
T
e
o
S
==( )14
IQUI-2002-2-01
57
orden es necesario asumir que todo el nitrógeno que entra es nitrógeno
amoniacal.
El rendimiento esperado durante los primeros años es mayor al calculado debido a
que las plantas absorben el Nitrógeno para su crecimiento, al transcurrir el tiempo
el sistema se estabiliza y los rendimientos obtienen los valores esperados.
Las raíces y los rizomas de las plantas presentes en el sistema tienen micrositios
aeróbicos en su superficie y alrededor de ellas, lo que permite condiciones
optimas para que ocurra la nitrificación, es por estos que la penetración de las
raíces debe ser máxima para que el agua que entra al sistema pueda tener
contacto en toda la superficie del sistema y la remoción del Nitrógeno Amoniacal
sea la mas alta posible.
La nitrificación es un proceso mediante el cual el Nitrógeno Amoniacal es
convertido a Nitratos en presencia del Oxigeno, lo que ayuda a remover parte del
Nitrógeno del sistema. Este proceso al igual que los mencionados anteriormente
tiene una constante de reacción que esta relacionada principalmente por el
porcentaje de penetración de las raíces, esta constante se calcula mediante la
ecuación 15:
Para poder dar una relación entre el porcentaje de penetración de las plantas y la
calidad de nitrificación tenemos la siguiente ecuación que esta basada en
IQUI-2002-2-01
58
resultados vistos en humedales con diferentes plantas, los cuales podemos
observar en la tabla 3:
Donde:
rz(porcentaje de penetración de la planta)
Tabla 3 Oxigeno potencial de Vegetación Emergente en Humedales
Tipo de Planta Profundidad (m) Oxigeno
Disponible(g/m3d)
Scirpus (Bulrush) 0.76 7.5
Phragmites (Reeds) 0.6 8.0
Typha (Cattails) 0.3 7.0
( )15K rzNH = +0 01854 0 39 2 6077. . ( ) .
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59
Promedio
Tomada de Sherwood C. Reed
Una vez que tenemos el valor de la constante de nitrificación podemos calcular los
valores de las constantes de reacción a la temperatura del sistema mediante las
ecuaciones 16, 17 y 18:
La primera relación cuando la temperatura es 0°C no tiene sentido ya que a esta
temperatura es necesario utilizar otros modelos donde se tiene en cuenta la
formación de hielo, la segunda relación se utiliza cuando la temperatura esta entre
los 1- 10°C, y la tercera relación cuando la temperatura excede los 10°C
( )18
( )16
( )17
K0 0=
K KTT= −
1010115( . )( )
K KT NHT= −( . )( )1048 10
IQUI-2002-2-01
60
Ya con este valor de la constante de reacción podemos calcular el área que se
necesita para la remoción de el amoniaco, con la ecuación general 19
En la anterior ecuación las concentraciones que se evalúan son de nitrógeno
como nitrógeno amoniacal, esto es porque esta área es la que se necesitaría para
realizar la nitrificación.
Después que se realiza la nitrificación viene otra acción microbiana y es la
desnitrificacion que es la reacción en la cual los nitratos que quedaron de la
nitrificación son convertidos a nitrógeno el cual se desprende a la atmósfera, para
poder realizar esta reacción el sistema tiene que ser anaerobio y los
requerimientos de carbono son necesarios, los cuales son proporcionados por
medio de las plantas muertas o como comúnmente se denomina restos de
vegetación.
Al igual que la nitrificación se utiliza un modelo para el calculo del área necesaria
para remover el resto de Nitrógeno en forma de Nitratos, basado en un rector tipo
pistón para el cual se utilizan las mismas ecuaciones generales, en donde lo único
ynKC
CQLnLWA
T
e
o
S
==( )19
IQUI-2002-2-01
61
que cambia es la constante de reacción que se calcula mediante la ecuación 20,
que tiene el siguiente valor para temperaturas mayores a 1°C:
Después de calcular este valor usamos las ecuaciones 21, y 22 para obtener el
área necesaria para desarrollar la denitrificacion
Para poder determinar el área requerida para la denitrificacion es necesario poner
como concentración inicial de nitratos el valor que se produjo en la nitrificación es
decir la concentración inicial menos la concentración final de amoniaco, y con este
valor si hallar el área para la desnitrificaron.
ynKC
CQLnLWA
T
e
o
S
==
KteOCEC −=
( )20
( )21
( )22
KTT= −10 115 20. ( . )( )
IQUI-2002-2-01
62
Pero la suma de las áreas obtenidas en el proceso de nitrificación y denitrificacion
no es el área total que se necesita para la remoción de Nitrógeno Total del
sistema.
Para poder hallar esta área total se tiene que seguir el siguiente procedimiento:
- Asumir un valor para la concentración final de Nitrógeno en forma Amoniacal.
- Se calcula el valor inicial de los nitratos asumiendo que el Nitrógeno Amoniacal
que se removió es el valor de entrada para los nitratos.
- Con la ecuación general se halla la concentración final de Nitratos.
- La concentración final de Nitrógeno es la suma de los efluentes de la
nitrificación y la denitrificacion, si este valor es mayor al que se busca es
necesario hacer iteraciones hasta obtener el valor deseado.
IQUI-2002-2-01
63
4.DISEÑO DEL HUMEDAL.
De acuerdo al procedimiento anteriormente descrito, se puede diseñar un
Humedal Artificial de flujo subsuperficial para cualquier tipo de condiciones,
teniendo en cuanta básicamente la temperatura, el tipo de vegetación, y el medio
que se va a utilizar, si ya se cuenta con estas condiciones se puede empezar a
desarrollar el diseño teniendo en cuenta que los factores limitantes a la hora de
diseñar son la remoción de DBO y de Nitrógeno, por lo tanto se hará a
continuación el diseño a partir de la remoción de estos dos contaminantes.
Es necesario para empezar con el diseño conocer las concentraciones de los
contaminantes a la entrada del humedal, y hasta que concentración se desea
llegar, cabe notar que esta concentración tiene que estar dentro de la capacidad
de remoción del humedal, es decir que no seria prudente manejar una remoción
de 100% cuando el humedal no tiene la capacidad de manejarla.
A continuación se muestra en la tabla 4 las concentraciones de DBO y de
Nitrógeno a la entrada y a la salida del humedal, la concentración de la salida se
tomo, asumiendo un 80% de remoción que es lo que exige el ministerio de Salud
para vertimientos de aguas residuales.
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Tabla 4 Caracterización del agua
COMPUESTO AFLUENTE EFLUENTE
DBO 290 58
NITROGENO 55 11
Par Poder desarrollar el diseño se tuvieron en cuenta las siguientes condiciones:
- Caudal = 2.25 m3/d
- Temperatura = 15°C
- Como medio se utilizo Grava fina (n= 0.4, K= 800m3/m2*d)
- La vegetación que se utiliza es Junco
- La pendiente del piso del humedal es del 3%
- Profundidad del agua (y) = 0.6
De acuerdo con el desarrollo del diseño del humedal, y con las ecuaciones
desarrolladas obtenemos los siguientes resultados, de diseño:
IQUI-2002-2-01
65
4.1 Remoción de DBO:
Inicialmente tenemos que calcular el Area requerida para obtener la remoción de
DBO que se desea, este calculo se describe a continuación.
La constante de reacción que rige esta ecuación esta dada por la siguiente
relación la cual es una modificación de la constante de reacción a 20°C.
1)2015()20(20 61.0)06.1(104.1)06.1( −−− === dKK T
T
La constante de reacción a 20°C tiene el siguiente valor el cual es constante para
cualquier tipo de clima.
120 104.1 −= dK
Teniendo ya la constante de reacción calculamos el área con la ecuación 14:
ALn Ln
ms =−
=( . )( )
( . )( . )( . ).
2 25 290 580 61 0 6 0 4
1506
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Con el calculo del área podemos calcular el tiempo de retención del agua en el
sistema.
4.2 Temperatura media del humedal:
Energía del sistema:
Ahora calculamos el coeficiente de transferencia global, con la ecuación 7
teniendo en cuenta los valores de conductividad de la tabla1 para cada
componente.
U =
+
+
=1
0150 05
0 0815
0 62
0 3..
..
. .
qG = =( )( )( . )( . )4215 1000 0 4 0 6 1011600
THR d= =( . )( . )( . )
..
1506 0 6 0 42 25
2 6
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Ahora calculamos la perdida de calor a través del medio
σ (Constante de conversión 86400s/d o 24h/d)
El cambio de la temperatura en el humedal se calcula mediante la ecuación 8:
Después de haber calculado el cambio de esta temperatura se la restamos a la
temperatura de entrada y podemos obtener la temperatura de salida del agua,
promediamos estas dos temperaturas y obtenemos la temperatura promedio del
agua en el sistema, este procedimiento se realiza con las ecuaciones 9 y 10.
8.1414.015 =−=−= centradasalida TTT
qL = − =( )( . )(86400)( . ) .15 12 0 3 2 6 1550016
TC = =15500161011600
015.
.
TP =+
=15 14 85
214 92
..
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Esta temperatura promedio es la temperatura que se maneja en todo el diseño del
humedal.
4.3 Calculo del área para la remoción de Nitrógeno.
Como lo indica el diseño tomamos todo el Nitrógeno como Amoniacal, y
calculamos el área requerida para esta remoción.
Primero calculamos la constante de Nitrificación con la ecuación 15
Teniendo esta constante podemos calcular la constante de reacción con la
KNH = + =0 01854 0 39 0 412 607. . ..
KT = =−0 41 1048 0 3215 10. ( . ) .( )
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ecuación 18
Mediante la ecuación 19 calculamos el área necesaria para la nitrificación:
Calculamos el tiempo de retención y nos da:
Ahora calculamos el nitrato de entrada a la denitrificacion asumiendo que la
remoción de Nitrógeno Amoniacal se convirtió en Nitratos:
Ahora calculamos el afluente de Nitratos con la siguiente ecuación teniendo en
cuenta el tiempo de retención de la nitrificación, y la constante de reacción de la
denitrificación calculada con la ecuación 20 .
ALn Ln
mS =−
=( . )( )
( . )( . )( . ).
2 25 55 110 32 0 6 0 4
46 4 2
THR d= =( . )( . )( . )
.46 4 0 6 0 4
2 255
C mg lo = − =55 11 44 /
C mg le = − =( )(exp)( . * ) . /44 0 49 5 117
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La suma del efluente de la Nitrificación y la Denitrificacion es el efluente del
Nitrógeno total esta suma da:
11+1.17=12.7mg/l
Como este valor es cercano al efluente que necesitamos lo dejamos y el Area
necesaria para la remoción del Nitrógeno seria la de la Nitrificación que tiene un
valor de 46 m2.
Utilizamos esta área porque frente a la necesaria para la remoción de DBO es
mayor y sirve para la remoción completa de los dos contaminantes.
Ahora tenemos que calcular el ancho y el largo del humedal para corroborar que si
esta dentro de los parámetros mencionados en los aspectos de diseño.
Para calcular el ancho del humedal utilizamos la ecuación 4
Con el ancho del humedal calculamos el largo.
L= 46/3.46= 13.3m
W m=
=1
0 62 25 46 40 03 800
346.
. * .. *
.
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Relación = 13.3/3.46=3.8 Que es el valor típico de un humedal lo que corrobora su
adecuado diseño.
Por lo tanto las dimensiones del humedal son:
- Largo: 13.3 m
- Ancho: 3.46 m
- Profundidad: 0.6 m
- Area superficial: 46 m
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5.COSTOS
Par poder desarrollar la valoración económica se tuvo en cuenta todos los
aspectos que se necesitan para la construcción de un humedal.
Dentro de los pasos y materiales que se necesitan para la construcción del
Humedal están:
- Adecuación del terreno (Excavación y taludes)
- Impermeabilización
- Grava
- Tuberías
- Vegetación
El costo para cada material y para la adecuación del terreno es el siguiente:
Adecuación del terreno:
La excavación y transporte del material excavado cuesta $10000 por m3 si
necesitamos excavar 36.8 m3 el costo de esta excavación daría un total de
$368000
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Impermeabilización:
La impermeabilización se hará con geotextil que tiene un costo de $8000 por m2
necesitamos aplicar este geotextil a el área inferior del humedal, que tiene una
extensión de 46 m2 lo que daría un costo de $368000
Grava:
Para rellenar el humedal Utilizamos grava media la cual tiene un costo de $20000
por m3 si necesitamos 27.6 m3 de grava tendría un costo de $552000 la grava
Vegetación: Cada planta tiene un valor de $100 para el humedal es necesario
plantar 128 plantas lo que nos da un total de $12800 y es necesario contratar
mano de obra la cual tiene un valor de $15000 la hora para lo que es necesario 6
horas lo que da un total de $90000
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6. CONCLUSIONES
1. Los Humedales Artificiales son una tecnología para el tratamiento de aguas
domesticas que a pesar que lleva mucho tiempo en desarrollo todavía no se ha
generalizado, un método estándar para su diseño y construcción.
2. El desconocimiento de algunos procesos que ocurren dentro del sistema hacen
que los cálculos en su diseño no sean 100% confiables, el proceso que mas se
desconoce es el de la acción biológica y microbiología
3. Los Humedales Artificiales frente a otras tecnologías de tratamiento de aguas
son mas económicos y resultan atractivos cuando se cuenta con un bajo
presupuesto, y un mantenimiento y operación mínimo.
4. Los Humedales Artificiales tienen mejores rendimientos de remoción que los
exigidos por la legislación Colombiana por parte del Ministerio de Salud.
5. La aplicación de los Humedales Artificiales se puede desarrollar en cualquier
tipo de clima ya que son muy flexibles a la temperatura, factor critico a la hora
de diseñar esta tecnología.
6. El diseño de un Humedal Artificial es un desarrollo teórico con poca parte
experimental, lo que hace que el resultado del diseño final sea confiable, pero
con un riesgo de cambios en el momento de su desarrollo.
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7. BIBLIOGRAFIA
! Reed. Sherwood C. “Natural Systems for waste management and treatment”
2da edición Mc Graw Hill 1995 ! Agustin Lahora Cano “Humedales artificiales como tratamiento de bajo costo
en la depuración de aguas residuales urbanas”. Consultado en Agosto 8, 2002, en http://www.gem.es/materiales/document/documen/g01/d1203.htm
! André Gerth. “Sistema para la purificación de aguas servidas en una laguna de
flujo vertical con vegetación. 2001 ! Bruce Lesikar, Encizo Juan. “Humedales Artificiales (Sistemas para el
tratamiento de aguas residuales)”. Consultado en Agosto 12, 2002, en http://agpublications/tamu.edu/pubs/eng/l5230.pdf
! Humedales Artificiales: Un tratamiento natural alternativo. Información
traducida del boletin PIPELINE (1980). Consultado en Agosto 20, 2002 en http://www.itc.mx/paginaverde/TECNOLOG/tratam.htm
! Duran de Bazua Carmen. “Humedales artificiales, una alternativa viable para el
tratamiento de aguas residuales en zonas rurales, suburbanas y urbanas que tengan área disponible”. Consultado en Agosto 5, 2002, en http://itc.mx/paginaverde/TECNILOG/humartcoy.htm
! CENAGUA. “Sistemas de tratamiento de aguas residuales por medio de
Humedales Artificiales, Santa fe de Bogotá 1999.
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