5.4. HUMEDALES ARTIFICIALES

5.4. HUMEDALES ARTIFICIALES
5.4.1. Descripción del proceso
El tratamiento de las aguas residuales urbanas mediante la tecnología de humedales artificiales se
basa en la reproducción artificial de las condiciones propias de las zonas húmedas naturales,
conobjeto de aprovechar los procesos de eliminación de contaminantes que se dan en estas zonas.
Los humedales artificiales pueden ser considerarse como ecosistemas complejos, en los que los
principales actores son:



El material de relleno:que sirve de soporte a la vegetación y permite la fijación de la
población microbiana (en forma de biopelícula), que va a participar en la mayoría de los
procesos de eliminación de los contaminantes presentes en las aguas a tratar.
La vegetación: que contribuye a la oxigenación del sustrato, a la eliminación de nutrientes y
en la que también tiene lugar el desarrollo de biopelícula.
El agua residuala tratar: que circula a través del material de relleno y de la vegetación.
Figura 5.4.1. Canales de aireación de una planta (Fuente: Jesús Fernández, UPM)
La vegetación que se emplea en este tipo de humedales es la misma que coloniza los humedales
naturales, plantas acuáticas anfibias que se desarrollan en aguas poco profundas, arraigadas al
subsuelo. Este tipo de plantas toleran bien las condiciones de falta de oxígeno, que se producen en
suelos encharcados, al contar con canales o zonas de aireación dentro de su propia estructura
vegetativa (Figura 5.4.1), que facilitan el paso del oxígeno atmosférico hasta la zona radicular.
Figura 5.4.2. Mecanismos de depuración de los humedales artificiales
5.4.2. Tratamientos previos
Para conseguir una efectiva eliminación de los sólidos flotantes y en suspensión presentes en las
aguas residuales a tratar, y minimizar por tanto los riesgos de colmatación del material filtrante, se
recurre a la implantación de fosas sépticas o tanques Imhoff, como paso previo a la alimentación a
los humedales artificiales de flujo subsuperficial. El buen dimensionamiento y la correcta operación
del tratamiento primario son básicos para el buen funcionamiento de esta tecnología de
depuración.
5.4.3. Tipos de humedales artificiales
Los humedales artificialesse clasifican en dos tipos, en función de que la circulación del agua tratar
sea superficial o subterránea. En los humedales artificiales de flujo superficial, o flujo libre,el agua a
tratar circula por encima del material de relleno, mientras que en los humedales artificiales de flujo
subsuperficialel agua recorre el humedal de forma subterránea, a través de los espacios
intersticiales del lecho filtrante.
5.4.3.1.
Humedales artificiales de flujo superficial
En este tipo de humedales artificiales el agua discurre libremente por la superficie del relleno
donde se encuentran enraizadas las plantas, circulando alrededor de sus tallos y hojas,
encontrándose expuesta a la atmósfera. Estos humedales están constituidos por balsas con
vegetación acuática y niveles de agua poco profundos (inferiores a 0,4 m) (Figura 5.4.3).
Figura 5.4.3. Humedal artificial de flujo superficial
Generalmente son instalaciones de varias hectáreas que se emplean, principalmente, como
tratamiento de afino de efluentes procedentes de tratamientos secundarios, para una mejora de sus
características fisicoquímicas y microbiológicas.
La alimentacióna este tipo de humedales se realiza a través de diferentes puntos, con una
separación entre ellos de unos 30 m, al objeto de minimizar el riesgo de que se creen zonas
muertas.
5.4.3.2.
Humedales artificiales de flujo subsuperficial horizontal
En este tipo de humedales artificiales las aguas a tratar circulan horizontalmente, atravesando un
material filtrante de grava, sobre el que está fijada la vegetación, y que se dispone en un
espacioimpermeabilizado. En la zona de salida, una tubería de altura regulable permite controlar el
nivel de encharcamiento del sustrato filtrante, que debe mantenerse unos 5 cm por debajo de la
superficie, lo que impide que las aguas sean visibles.
Figura 5.4.4. Humedal artificial de flujosubsuperficial horizontal
Para la alimentación, que generalmente se efectúa de forma continua,se recurre tanto al empleo de
tuberías perforadas (Figura 5.4.5), que descargan sobre una zona de bolos gruesos (50-100 mm),
sin vegetación, dispuesta en cabecera del humedal, como al uso de vertederos ubicados en cabecera
(Figura 5.4.6).
Figura 5.4.5. Tuberías de alimentación apoyadas en la zona de cabecera
Figura 5.4.6. Empleo de vertederos para el reparto del agua a tratar
5.4.3.3.
Humedales artificiales de flujo subsuperficial vertical
En los humedales artificiales de flujo subsuperficialvertical las aguas a tratar circulan de arriba
abajo através de un material filtrante, en el que se fija la vegetación. En el fondo de los humedales
una red de drenaje permite la recogida de los efluentes depurados. A esta red de drenaje se
conectan chimeneas, que sobresalen de la capa de áridos, al objeto de incrementar la oxigenación
del sustrato filtrante por ventilación.
La alimentación se efectúa de forma intermitente, para lo que se recurreal empleo de bombeos
(comandados por temporizadores o boyas de nivel) y, cuando la topografía lo permite(desniveles
de al menos 1,5 m), al uso de sifones de descarga controlada (Figura 5.4.8).
Figura 5.4.7. Humedal artificial de flujo vertical
Figura 5.4.8. Sifón de descarga controlada (Fuente: RissyPlastics)
Para la distribución del agua sobre la superficie de filtración se emplean tanto tuberías perforadas,
que descansan sobre el lecho filtrante (Figura 5.4.9), como tuberías de mayor sección que se
apoyan en pivotes repartidos por toda la superficie del humedal (Figura 5.4.10).
Figura 5.4.9. Tuberías de alimentación apoyadas sobre el lecho
Figura 5.4.10. Tuberías de alimentación apoyadas en pivotes (Fuente: EpurNature)
La aportación de oxígeno por las raíces de las plantas, en este tipo de humedales, es pequeña en
comparación con los aportes a través de la alternancia de los periodos de inundación y secado y del
sistema de ventilación.
Las distintas modalidades de humedales artificiales pueden también combinarse entre sí, siendo las
combinaciones más frecuentes las que recurren a la implantación de un humedal de flujo superficial
a continuación de humedales subsuperficiales (para la mejora de las características fisicoquímicas
y microbiológicas de los efluentes tratados), y la implantación de humedales verticales seguidos de
horizontales, para nitrificar en la primera etapa y desnitrificar en la segunda, con lo que se logra la
eliminación biológica del nitrógeno.
5.4.4. Reactor biológico
5.4.4.1. Geometría
Generalmente, los humedales artificiales se construyen por excavación en el terreno y posterior
impermeabilización del recinto excavado, para lo que se recurre al empleo de de láminas plásticas
(PVC, PEAD, EPDM), o de arcilla compactada.
La forma geométrica más común es larectangular, recomendándoserelaciones Longitud/Anchura
del orden de 5/1 para los humedales superficiales, yde 1/1-2/1 para los subsuperficiales
horizontales. En el caso de los subsuperficiales verticalesla configuración geométrica se aproxima
más a la forma cuadrada.
Los taludes interiores presentan una inclinación del orden del 45º en los subsuperficiales y algo
menores en los superficiales, y en todos los casos se suele disponer una zona de resguardo de al
menos 0,5 m.
El fondo de los humedales de flujo subsuperficial presenta una pendiente del 1% hacia la salida,
para favorecer la circulación de las aguas a tratar.
Para evitar arrastres de los caminos circundantes a los humedales artificiales, es muy importante
que estos estén protegidos por un bordillo perimetral.
Para conseguir un buen reparto de las aguas a tratar sobre el relleno filtrante los humedales de
flujo subsuperficial vertical, cuando se alimentan por gravedad, no deben superar los 400 m 2 de
superficie, por lo que es necesario dividir la superficie de filtración calculada en varios módulos que
no superen este límite de superficie. En caso de bombear, se podría ampliar esta superficie de
módulo hasta los 700 m2.
En el caso de los humedales subsuperficiales de flujo horizontal, para un buen reparto de las aguas
a tratar, su anchura no debe superar los 30 m, por lo que la superficie total necesaria de divide en
varias unidades, que no superen dicho límite de anchura.
5.4.4.2.
Material de relleno
En los humedales de flujo superficial se dispone en su fondo una capa de tierra vegetal, o de áridos
(arena, gravilla), de 30-40 cm de espesor, que actúa de soporte para la vegetación.
En los humedales de flujo subsuperficialel material de relleno constituye la parte esencial del
sistema de tratamiento. De su rigurosa selección y adecuada colación dependerá el correcto
funcionamiento del humedal, dado que el principal riesgo de esta tipo de humedales es la posible
colmatación del este material.En el caso de los humedales artificiales de flujo horizontal se recurre
al empleo de gravas, de naturaleza silícea, con tamaños comprendidos entre 10-20 mm.El espesor
del material de relleno es de 0,6 m, medido en el punto medio de la longitud del humedal. En los
humedales de flujovertical se recurre al empleo de varias capas de material de relleno. En el fondo,
y recubriendo a las tuberías de drenaje-ventilación, se dispone una capa de 20 cm de espesor, de
grava de 20-40 mm. Sobre esta capa se extiende otra de 70cm de espesor, de gravilla de 3-8 mm.
Por último, en superficie, se coloca una capa de arena de 1-2 mm y de 10cm de espesor.
A la hora de la selección del sustrato filtrante para los humedales artificiales de flujo subsuperficial,es
imprescindible disponer de un material suficientemente homogéneo en forma, tamaño y limpio (sin
presencia de finos, lo que puede hacer necesario el lavado el material procedente de la cantera).
Además, el material de relleno que se use no debe fragmentarse, ni degradarse con el paso del
tiempo.
5.4.4.3.
Vegetación
Una vez colocado y nivelado el sustrato filtrante, y colocado el sistema de distribución de agua, se
procede a la plantación del humedal. Las especies a implantar serán aquellas que se desarrollan en
zonas húmedas (calas, platanillos, papiro, lirios). No se implantará ninguna vegetación que no sea
autóctona.
El establecimiento de la vegetación en el humedalpuede realizarse por multiplicación vegetativa a
partir de los rizomas, para lo que se procede al troceado de los mismos en fragmentos, que incluyan
como mínimo tres entrenudos, que se plantan en el sustrato. La densidad de plantación es de 4 a 6
unidades/m2, consiguiéndose la cobertura total del humedal en aproximadamente un año. También
pueden emplearse directamente plantas ya crecidas que se separarán entre sí 40-50 cm.
La densidad de plantación es de 4 a 6 unidades/m2, consiguiéndose la cobertura total del humedal
en aproximadamente un año.
Figura 5.4.11. Humedal artificial de flujo vertical antes de su plantación (Comunidad
Venezuela, Comasagua, El Salvador)
5.4.5. Líneas de tratamiento adoptadas
5.4.5.1 Descripción de las líneas
Para conseguir los rendimientos exigidos en la normativa vigente, se desarrollan dos líneas de
tratamiento, con humedales subsuperficiales de flujo vertical y horizontal, respectivamente. En
ambos casos, la línea de agua se compone de:pretratamiento con rejas de gruesos de 30 mm
seguida de una de finos de 10 mm (ambas de limpieza manual), tratamiento primario (tanque
Imhoff), humedal artificial y desinfección en su caso. En caso de tener que tratar aguas con
contenidos en arenas y/o grasas elevados, se dispondrá también un desengrasador y/o un
desarenador estáticos.
La línea de fangos estaría compuesta por eras de secado, a las que se enviarían los lodos purgados
periódicamente del tratamiento primario. Los lixiviados de las eras de secado sereconducen a
cabeceradel proceso, para su tratamiento.
En el caso del tratamiento de desinfección, la selección entre laguna de maduración, cloración u
humedales superficiales, dependerá de la superficie disponible y del grado necesario de eliminación
de coliformes fecales (ver capítulo de desinfección).
A continuación, se desarrollanlas dos líneas de tratamiento seleccionadas, Figuras 5.4.12 y 5.4.13.
Figura5.4.12. Ejemplo diagrama de flujo de un humedal artificial de flujo vertical
Figura 5.4.13. Ejemplo diagrama de flujo de un humedal artificial de flujo horizontal
5.4.5.2 Parámetros de diseño
En la Tabla 5.4.1 se muestran los valores recomendados de los principales parámetros de diseño
para humedales de flujo vertical y horizontal, para conseguir los rendimientos establecidos en la
Tabla 5.4.1.
Tabla 5.4.1. Parámetros de diseño de humedales artificiales
Parámetros filtro
Vertical
Horizontal
1
0,6
Carga orgánica (g BDO5/m2 .d)1
20-40
15-25
Carga hidráulica Qmed (l/m2.d)
70-140
50-90
6-12
-
Altura de relleno (m)
Número de dosificaciones (dosis/d)
1
La carga orgánica se calcula en función de la DBO5 del efluente del tratamiento primario
En el caso de los humedales de flujo horizontal el cálculo de su superficie viene condicionado por: el
caudal de aguas a tratar, las concentraciones de entrada y de salida, la porosidad del material de
relleno, la altura de la lámina de agua en el interior del relleno y una constante que tiene en cuenta
la temperatura de operación. Además, para determinar la relación Longitud/Anchura del humedal
se hace uso de la Ley de Darcy, que describe el movimiento de un líquido a través de un medio
poroso.
Por el contrario, el dimensionamiento de los humedales subsuperficiales de flujo vertical se realiza
empleando valores de cargas orgánicas superficiales determinadas experimentalmente.
Teniendo en cuenta las necesidades de superficie para la implantación de los humedales de flujo
subsuperficial(del orden de 1,5 m2/habitante para los verticales, y de 2,5 m2/habitante para los
horizontales, y la necesidad de dividirlos en subunidades para conseguir un buen reparto del agua a
tratar, lo que dificulta la explotación cuando se emplean un gran número de unidades, se ha
adoptado como valor máximo del rango de aplicación de los humedales artificiales de flujo
subsuperficial los 2.000 habitantes.
Si bien el texto se desarrollan tantos los humedales de flujo vertical como los horizontales, los
menores requisitos de superficie para su implantación, y la menor incidencia de fenómenos de
colmatación del material de relleno, conllevan a que los de flujo vertical se vayan imponiendo
paulatinamente.
5.4.5.3Características de las líneas
Rendimientos
En la Tabla 5.4.2 se recogen los rendimientos que se pueden obtener con las líneas de tratamiento
adoptadas,operando con temperaturas del agua por encima de los 20ºC.
Tabla 5.4.2. Rendimientos obtenidos enhumedales artificiales
T. primario
DBO5(%)
SS (%)
DQO (%)
CF (u. log)*
25-30
55-65
25-30
-
Humedal artificial
vertical/horizontal
85-90
80-85
75-80
1-2
Eliminación
global
90-95
90-95
80-90
1-2
*Unidades logarítmicas eliminadas
Influencia de las características del terreno
Al tratarse de una tecnología extensiva, con un importante requerimiento de superficie para su
implantación, las características del terreno juegan un papel importante a la hora de su selección.
Como los humedales artificiales se construyen generalmente por excavación en el terreno, siendo
necesaria la impermeabilización del recinto, los terrenos fáciles de excavar, con el nivel freático
bajo y de naturaleza impermeable, son los que se adaptan mejor para la implantación de esta
tecnología de tratamiento.
La existencia de pendientes moderadas permite que la alimentación intermitente, necesaria en el
caso de los humedales artificiales de flujo vertical, pueda realizarse mediante el uso de sifones,
evitando bombeos.
Influencia de la temperatura
Como en cualquier tratamiento biológico, la temperatura influye notablemente en el
comportamiento de los humedales artificiales, disminuyendo la superficie necesaria para su
implantación a medida que la temperatura aumenta.Para trabajar con margen de seguridad, en el
dimensionamiento de los humedales artificiales, se toma como temperatura de diseño la
temperatura media del mes más frío. Si la temperatura del mes más frío se eleva a 20ºC, los
requisitos de superficie se reducen a 1 m2/habitante y 1,5 m2/habitante, respectivamente.
Flexibilidad ante variaciones de caudal y carga
Las variaciones diarias de caudal y carga en las aguas a tratar se amortiguan en la etapa de
tratamiento primario, dispuesta en cabecera de los humedales de flujo subsuperficial.
Antesituaciones prolongadas de sobrecargas hidráulica/orgánica, los humedales artificiales son
tratamientos poco flexibles, al no contarcon parámetros de operación regulables, que permitan
adaptarse a las nuevas condiciones, lo que puede dar lugar a una calidad del efluente peor a la
esperada. Por ello, es muy importante, para garantizar la fiabilidad del tratamiento, que la
instalación esté bien dimensionada, de acuerdo a las características del agua de alimentación y a su
posible evolución a corto plazo.
Producción y características de los lodos
La producción de lodos en la etapa de tratamiento primario (fosas sépticas/tanques Imhoff) se
estima en unos 150-250 l/habitante.año. Estos lodos, dado los elevados tiempos de permanencia en
los reactores, se estabilizan vía anaerobia.
Complejidad de explotación y mantenimiento
Las operaciones de explotación y mantenimiento de los humedales artificialesson muy simples, y se
limitan a: inspecciones rutinarias, limpieza de las rejas manuales de desbaste, comprobación del
correcto reparto de las aguas sobre la superficie filtrante, verificación del funcionamiento del
dispositivo que permite la alimentación intermitente en los humedales de flujo vertical, limpieza
del sistema de distribución, siega de la vegetación y gestión de los residuos (rechazos del desbaste,
fangos en exceso en el tratamiento primario y subproductos de la siega) y al mantenimiento de la
obra civil.
Impactos medioambientales
La generación de olores en las fosas sépticas o tanques Imhoff, que se ubican en la cabecera de los
humedalesartificiales de flujo subsuperficiales muy pequeña y queda localizada en las
inmediaciones de las chimeneas de ventilación. Este impacto puede reducirse colocando en estas
chimeneas cartuchos de un material adsorbente, como puede polvo de carbón vegetal.
Si la pendiente del terreno permite operar por gravedad, el impacto sonoro es nulo, al poder operar
los humedales artificiales sin equipos electromecánicos. Si fuese necesario recurrir a bombeo para
la necesaria alimentación a los humedales subsuperficiales de flujo vertical, la escasa potencia
necesaria, hace que el posible impacto sonoro sea mínimo.
En lo referente a los posibles impactos visuales, estos son positivos, dada la elevada integración
ambiental de este tipo de tecnología. Además, al emplearse en los humedales artificiales vegetación
propia de zonas húmedas aledañas, no existe riesgo de invasión por especies exóticas.
En el caso de deficiencias constructivas (impermeabilización del humedal), o por el deterioro de la
instalación, se pueden dar filtraciones, que pueden llegar a contaminar a las aguas subterráneas.
Estimación de superficie
Para la estimación de las necesidades de superficie de implantación de humedales artificiales de
flujo subsuperficial vertical y horizontal, se ha procedido al dimensionamiento básico de dos
ejemplos (uno por cada modalidad de humedal) basados en:
-
Los parámetros de diseño de la Tabla 5.4.1, adoptando en cada caso los valores medios.
Las premisas recogidas en el apartado 5.4.5.3.
Las líneas de tratamiento establecidas en el apartado 5.4.5.1, que constan de: desbaste
manual, medidor de caudal, tratamiento primario mediante tanque Imhoff, sifón para la
dosificación en el caso de los verticales y los propios humedales artificiales.
No se ha tenido en cuenta la superficie relativa a los tratamientos de fangos y a la
desinfección, que se establece en sus capítulos correspondientes.
Con los datos obtenidos de este dimensionamiento se ha confeccionado unas curvas (Figuras5.4.14
y 5.4.15), que representa la superficie necesaria para la implantación de humedales artificiales de
flujo vertical,en función del tamaño de la población servida,dentro del rango de población
recomendado para la aplicación de este tipo de tecnología de tratamiento.
Figura 5.4.14. Requisitos de superficie para la implantación de humedales artificiales
de flujo subsuperficialvertical
Figura 5.4.15. Requisitos de superficie para la implantación de humedales artificiales
de flujo subsuperficial horizontal
Para una mejor comprensión de ambas figuras, la Tabla 5.4.3recoge los valores que se han
empleado para su trazado.
Tabla 5.4.3. Superficie necesaria
Habitantes
100
200
500
1.000
2.000
Superficie (m2/hab)
Humedal
Humedal
vertical
horizontal
Como puede verse, la superficie necesaria oscila entre y m2/habitante.
Costos de implantación
Partiendo de los dimensionamientos básicos comentados en el apartado anterior,se ha procedido a
la determinación de los costos de implantación de humedales artificiales de flujo subsuperficial
vertical y horizontal para los distintos tamaños de población servidos.En el cálculo de estos costes
se han asumido las premisas establecidas en el apartado 5.4.5.
Con los datos obtenidos se han confeccionado dos curvas(Figuras 5.4.16 y 5.4.17), que representan
los costos para la implantación de los humedales artificiales de flujo vertical y horizontal en función
del tamaño de la población servida, dentro del rango de población recomendado para la aplicación
de este tipo de tecnología de tratamiento.
Figura 5.4.16. Costos para la implantación de humedales artificiales de flujo vertical
Figura 5.4.17. Costos para la implantación de humedales artificiales de flujo horizontal
Para una mejor comprensión de estas figuras, la Tabla5.4.4 recoge los valores que se han empleado
para su trazado.
Tabla 5.4.4. Costos de implantación
Costo ($/hab)
Habitantes
Humedal
Humedal
vertical
horizontal
100
200
500
1.000
2.000
Como puede verse, los costes de implantación oscilan entre y €/habitante
Costos de explotación y mantenimiento
Partiendo de los dimensionamientos básicos comentados en el apartado anterior,se ha procedido a
la determinación de los costes anuales de explotación y mantenimiento de los humedales
artificiales de flujo Subsuperficialvertical y horizontal, para los distintos tamaños de población
servidos.En el cálculo de estos costes se han asumido las premisas recogidas en el apartado 5.4,5 de
este documento.
Con los datos obtenidos se han confeccionado unas curvas(Figuras 5.4.18 y 5.4.19), que
representan los costos de explotación y mantenimiento de ambos tipos de humedales artificiales,
en función del tamaño de la población servida, dentro del rango de población recomendado para la
aplicación de este tipo de tecnología de tratamiento.
Figura 5.4.18. Costos de explotación y mantenimiento de los humedales artificiales
de flujo vertical
Figura 5.4.19. Costos de explotación y mantenimiento de los humedales artificiales
de flujo horizontal
Para una mejor comprensión de estas figuras, la Tabla 5.4.6 recoge los valores que se han empleado
para su trazado.
Tabla 5.4.6. Costos de explotación y mantenimiento
Costo ($/hab.año)
Habitantes
Humedal
Humedal
vertical
horizontal
100
200
500
1.000
2.000