HUMEDALES CONSTRUIDOS Compilador Juan Pablo

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)