“Comparación de tres modelos para el diseño de un humedal

“Comparación de tres modelos para el diseño de un humedal artificial
para el tratamiento de las aguas residuales de poblaciones rurales en
Los Altos de Jalisco”
Aldo Antonio Castañeda Villanueva¹, Hugo E. Flores López ² y Rene Sahagún Medina¹.
¹Centro Universitario de los Altos. Universidad de Guadalajara. E-mail: [email protected]
²Instituto Nacional de Investigaciones Forestales Agrícolas y Pecuarias, Campo Experimental Centro
Altos de Jalisco.
Resumen
La contaminación progresiva del agua, hace necesario que se realicen cada vez más y
mayores esfuerzos para su tratamiento, lo que involucra incorporar nuevas tecnologías,
así como mejorar las convencionales. Los humedales artificiales (HA) son sistemas
complejos e integrados en los que tienen lugar interacciones entre el agua, las plantas, los
microrganismos, la energía solar, el substrato y el aire, con la finalidad de mejorar la
calidad del agua residual y proveer un mejoramiento ambiental. Su funcionamiento se
fundamenta en tres principios básicos; la actividad bioquímica de los microorganismos,
el aporte de oxígeno a través de las plantas durante el día y el apoyo físico de un lecho
inerte que sirve como soporte para el enraizamiento de las plantas, además de funcionar
como material filtrante. (Ruiz Pascual, 2013). Existen varios tipos de HA, el más
apropiados para aguas residuales de origen domestico provenientes de poblaciones rurales
de tamaño medio (de 500 a 1000 habitantes), parece ser el de subsuperficial de flujo
horizontal, los cuales típicamente están construidos en forma de un lecho o canal
impermeable que evita la percolación del agua hacia el subsuelo, además contiene un
sustrato apropiado (grava, arena, u otro material) que soporta el crecimiento de las plantas
macrófitas principalmente. En nivel del agua está por debajo de la superficie del soporte
y fluye únicamente a través del medio que sirve por el crecimiento de la película
microbiana, que es responsable en gran parte del tratamiento que ocurre, las raíces
penetran hasta el fondo del lecho. Al usar este sistema, es necesario llevar a cabo un
tratamiento previo de las aguas residuales para remover sólidos gruesos que esta pueda
contener, con la finalidad de evitar problemas de obstrucción al medio de soporte granular
y la consecuente afectación que esto pueda tener sobre el funcionamiento del sistema. Los
HA son tecnologías naturales económicamente viables, de gran capacidad para la
remoción de contaminantes muy aptas para comunidades rurales pequeñas, ya que la
aguas tratadas pueden reutilizarse para riego. El Objetivo del presente trabajo es el de
comparar tres diferentes modelos para el diseño de un sistema de tratamiento de aguas
residuales domesticas mediante un HA tomado como referencia una población rural de
700 habitantes de los Altos de Jalisco para poblaciones rurales en Los Altos de Jalisco,
que a su vez servirá de prototipo para otras poblaciones similares de la región. Los
modelos utilizados fueron: a) Reed y colaboradores, b) Crites y Tchobanoglous, y c)
modelo de Kadlec & Knight.
Los resultado muestran una gran similitud entre los tres modelos para los datos
considerados de: volumen y caracterización del agua residual, condiciones
climatológicas, particularidades del terreno y condiciones de trabajo lo que asegura su
funcionalidad en su futura instalación y operación.
Introducción
El agua dulce cada día es más limitada, debido entre otros factores al crecimiento
demográfico, la urbanización y los cambios en el clima, lo que ha provocado el uso
creciente de aguas residuales para la agricultura, la acuicultura, la recarga de mantos
acuíferos subterráneos y en otras áreas. En algunos casos, las aguas residuales son el único
recurso hídrico de comunidades pobres que subsisten por medio de la agricultura. Si bien
el uso de aguas residuales en la agricultura puede aportar beneficios (incluidos los
beneficios de salud como una mejor nutrición y provisión de alimentos para muchas
viviendas), su uso no controlado generalmente está relacionado con impactos
significativos sobre la salud humana. Estos impactos en la salud se pueden minimizar
cuando se implementan buenas prácticas de manejo y tratamiento (OMS, 1989).
Durante el siglo XX la población mundial se triplico, mientras tanto el uso de agua
renovable se ha incrementado seis veces, en los próximos 50 años, la población crecerá
entre un 40 y 50 %. Actualmente más de 884 millones de personas en el mundo no tienen
acceso al agua potable, es decir casi una octava parte de la población mundial, de igual
forma 1.4 millones de niños mueren cada año a causa de enfermedades relacionadas con
el consumo de agua contaminada. En México, como en muchos lugares del mundo,
existen regiones donde la problemática del agua (disponibilidad y calidad) ha llegado a
un nivel crítico inaceptable para una vida normal, en muchos hogares mexicanos, el agua
llega a las casa de manera discontinua y en ocasiones con una calidad cuestionable, cada
vez es más difícil encontrar ríos o lagos con agua en cantidad suficiente y limpia (Geissler
y Arroyo, 2011).
Actualmente, más de la mitad de los países del mundo tiene una disponibilidad promedio
baja y prácticamente la tercera parte de ellos ya padece escasez. (Consejo Consultivo del
Agua, 2014). En general es la inducción de energía y sustancias al medio ambiente,
causada por el hombre, que amenazan a la salud humana, dañan recursos y sistemas
biológicos, así como y ecosistemas. Los contaminantes pueden diferenciarse en primarios
y secundarios; los primarios son aquellos que al llegar tanto al agua como al medio
ambiente en general, causan daños de manera directa. Los contaminantes secundarios son
aquellos que se forman en el agua (o en el medio ambiente) a partir de sustancias más o
menos inofensivas. Es determinante no sólo el tipo de una sustancia, sino también su
concentración, para considerarla contaminante.
La problemática actual del agua, hace necesario realizar más y mejores procesos de
tratamiento para los diversos tipos de efluentes, con el objetivo de evitar mayores
contaminaciones y afectaciones a los subsistemas ecológicos, reutilizando las aguas
tratadas en diferentes formas y usos. Los contaminantes pueden causar tanto efectos
cáusticos, tóxicos, mutágenicos (alteración de la información genética), teratógenos
(malformación de embriones) como cancerígenos.
La contaminación como deterioro ambiental, puede prevenirse al evitar la entrada de los
agentes contaminantes al ambiente, mediante alguno de los siguientes mecanismos:
los procesos industriales,
ologías para que los contaminantes no sean emitidos o descargados al
ambiente.
Por otra parte el amplio uso (directo o indirecto) del agua por el hombre, esta ocasionado
su gradual y ascendente contaminación, provocando una amenaza creciente para la
mayoría de las formas de vida en nuestro planeta, incluyendo al propio ser humano,
además siempre han existido fuentes naturales de contaminación del agua. Evidentemente
también en la naturaleza coexisten procesos naturales de auto purificación, que
generalmente logran equilibrios naturales, a los cuales los seres vivos van adaptaron a lo
largo de los tiempos. No obstante, el hombre contemporáneo ha creado y utiliza un gran
número de sustancias que nunca antes existieron en el mundo, las cuales se transforman
en grandes cantidades de desechos contaminantes. Hasta la fecha se han creado más de
seis millones de sustancias químicas, que no existían originalmente en la naturaleza. Cada
año esta cantidad aumenta en aproximadamente mil sustancias más. De 60,000 a 95,000
de estas sustancias se encuentran en el comercio común. Todo lo que producimos y
utilizando, algún día tarde o temprano, se transforma en desechos y basura, de la cual
gran parte llega intencional o casualmente a los subsistemas acuáticos del planeta. (Solís
y López, 2003). En nuestro país los usuarios del agua y demás actores involucrados en el
sector, siguen satisfaciendo sus necesidades sin tomar en cuenta el impacto sobre los
demás ecosistemas, contaminando los cuerpos de agua y el medioambiente, aunado a la
falta de tratamientos adecuado y el reúso de las aguas, conducen a la sobreexplotación
del recurso, la degradación de los suelos y por lo tanto a un impacto negativo sobre la
seguridad alimentaria. (De la Peña y Zamora, 2013).
Antecedentes
La contaminación hídrica en la zona de los Altos de Jalisco se manifiesta principalmente
en ríos, bordos y presas de manera parcial, debido a una incompleta cobertura del servicio
de drenaje y la falta de una infraestructura adecuada y suficiente para el tratamiento de
aguas residuales. En las regiones rurales de los municipios alteños es donde se evidencia
más marcadamente estas deficiencias, ya que la mayoría de estas poblaciones descargan
sus efluentes sin tratamiento directamente a los cuerpos de agua, provocando entre otras
cosas, que importantes volúmenes de líquido queden descartados para su uso en el riego
agrícola, el suministro de agua para la actividad pecuaria y el consumo humano e
industrial (H. Ayuntamiento de Arandas, 2012). Además, la limitada situación para el
acceso de estas poblaciones a recursos económicos tanto para la instalación como para la
operación de sistemas convenciones de tratamiento de aguas residuales, ocasionan que se
busquen otras alternativas más económicas y sustentables.
El término de humedales artificiales o construidos (HA) es relativamente nuevo, sin
embargo, el concepto es antiguo, pues se tiene conocimiento de que algunas antiguas
culturas como la china y la egipcia utilizaban humedales naturales para la disposición de
sus aguas residuales. (Ruiz, 2013). Algunos de los primeros trabajos en la utilización de
humedales artificiales para el tratamiento de aguas residuales comenzó en el instituto Max
Planck en 1953. Los investigadores trataron mitigar algunos problemas de contaminación
utilizando el sistema de los humedales naturales. Su investigación comenzó con un
estudio de las plantas para determinar las características que son deseables para el
tratamiento de las aguas residuales, así como cuales plantas poseían estas características.
Se encontró que las especies de plantas más adecuadas para el tratamiento son las que
tienen raíces adventicias. A finales de los años noventa los humedales empezaron a ser
utilizados más formalmente para la disposición de aguas residuales, con la visión de que
las aguas residuales son una fuente de agua y sustancias nutritivas para recuperación de
suelos y formación de humedales. (Benefield y Randall, 1993). El primer reporte
científico en el que se señala las posibilidades que tienen las plantas emergentes para la
remoción de contaminantes presente 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 enterococos) presentes en las aguas
residuales (Osnaya, 2012).
Asimismo, el Dr. Reinhold Kickuth de la Universidad de Hessen (Alemania) desarrolló
un humedal para el tratamiento de aguas residuales dominado método de la zona de raíz.
Este sistema no se basa en la capacidad de la vegetación palustre para asimilar los
nutrientes, sino en el potencial inherente de tratamiento del suelo o sustrato, el cual se
complementa con la capacidad de las plantas para el transporte de oxígeno a través de los
tallos y las raíces; consiste un medio ambiente adecuado para la nitrificación y
desnitrificación. El crecimiento de las plantas también produce carbono que es una fuente
de energía para las bacterias que son responsables de las transformaciones del nitrógeno.
Para el año 2000, los países donde se estaba trabajando más en el campo del tratamiento
de las aguas residuales con HA fueron principalmente: Inglaterra, Estados Unidos de
América y Australia, lo cuales destinan importantes recursos económicos a la
investigación científica relacionada con el tratamiento de aguas residuales. El desarrollo
de humedales artificiales en la Unión Americana (USA) se dio a partir de los avances
dados en Europa y de experimentos llevados a cabo con humedales naturales. A partir de
1970 se realizaron estudios en varias universidades y agencias del gobierno (EPA,
Ejército, Nasa y departamento de Agricultura) con humedales artificiales como un
método de tratamiento alternativo a los sistemas convencionales existentes, como
resultado de estas investigaciones, tanto a nivel piloto como en pruebas a gran escala, se
desarrollaron en este país diferentes conceptos para el diseño de humedales artificiales.
En 1991 se desarrollaron más de 200 HA en USA, los cuales operaban para dar
tratamiento tanto a aguas residuales municipales, como industriales y agroalimentarias.
En México, también se han implementado los sistema de HA para el tratamiento de aguas
residuales, como por ejemplo en el municipio de Cucuchucho, Michoacán en la
comunidad ribereña de Santa Fe de la Laguna, donde Marín, Sánchez, Guzmán y Hurtado
(2005), diseñaron e instalaron un HA de flujo subsuperficial para el tratamiento de las
aguas residuales, con plantaciones de vegetales acuáticos de la región. Para la instalación
de este humedal se siguieron métodos establecidos a nivel mundial, con el fin de cumplir
con normas internacionales y nacionales. Este proyecto se dio dentro del Programa de
Restauración Ambiental de la Cuenca del Lago de Pátzcuaro (PRCACLP), auspiciado por
el Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA). En Oaxaca se estableció un
proyecto de optimización de lechos de raíces para el tratamiento de aguas residuales
municipales, se propuso con una duración de tres años y los objetivos fueron: conocer las
características actuales de los lechos de raíces, proponer una alternativa de diseño de
lecho de raíces optimizada, promover y asesorar la construcción del sistema y evaluar el
comportamiento del mismo; los resultados han demostrado la capacidad y eficiencia de
estos arreglos para la remoción de contaminantes como; DBO, sólidos suspendidos y
microorganismos (colifrmes y parásitos). En general la mayoría de los trabajos realizados
a nivel nacional, están enfocados a demostrar que los HA son una buena alternativa para
el tratamiento de aguas residuales (Osnaya, 2012).
Técnicamente los HA son sistemas Integrados y complejos donde se verifican
interacciones entre el agua, las plantas, los microorganismos, la energía solar, el sustrato
y el aire, con la finalidad de mejorar la calidad del agua residual y proveer la conservación
medioambiental. Su funcionamiento se apoya principalmente tres principios básicos: 1)
la actividad bioquímica de los microorganismos, 2) el aporte de oxígeno a través de las
plantas durante el día y, 3) el soporte físico de un lecho inerte para el desarrollo de los
rizomas de las plantas, además de operar como material filtrante (figura 1).
Figura 1: Proceso de depuración en los humedales artificiales (FUENTE: Osnaya, 2012).
Los HA al igual que los naturales pueden reducir una amplia gama de contaminantes del
agua tales como: sólidos en suspensión, DBO, nutrientes, metales, patógenos y otros
productos químicos. (Ruiz, 2013).En la figura 2 se puede apreciar el esquema de un
humedal artificial de flujo subsuperficial.
Figura 2: Humedal Artificial de flujo subsuperficial.
Materiales y métodos
Los diferentes sistemas de tratamiento para las aguas residuales, se enfocan en la
reducción de un o un grupo de paramentos contaminantes específicos, muchos de estos
basan sus diseños dando prioridad a la disminución de la Demanda Química de Oxigeno
(DQO), o bien a la Demanda Bioquímica de Oxigeno (DBO), otros se destina para
parámetros como; Nitrógeno total, fosforo total, solidos suspendidos totales, metales
pesados y/o coliformes y parásitos.
En general, todos los sistemas de HA pueden ser considerados como reactores biológicos
y su rendimiento se puede aproximar al descrito por la cinética de primer orden de un
reactor de flujo pistón, además los diseños basados en la remoción de DBO pueden
generar mejores rendimientos ya que tienen una área sumergida mucho mayor que
incrementa el potencial de crecimiento de la biomasa fija. Un m³ de lecho de humedal
que contiene grava de 25 mm, puede tener al menos 146 m² de área superficial además
de todas las raíces presen criterios de diseño.
Existen varios modelos matemáticos que permiten diseñar HA de flujo subsuperficial en
función a la remoción de DBO esperada. Sin embargo no existe un único modelo que
satisfaga todos los casos. Otro factor importante a tener en cuenta en el diseño, es la
determinación del nivel del agua subsuperficial en el humedal, el mismo que debe situarse
5-10 cm por debajo del nivel del material filtrante. Considerando los aspectos hidráulicos,
se debe presentar atención a las estructuras de ingreso y salida, con el objetivo de
garantizar una distribución uniforme del flujo. Para estimación las dimensiones del HA
(ancho, largo y profundidad) y perfil hidráulico, normalmente se utiliza la ecuación de
Darcy para valores de permeabilidad (capacidad de transmitir agua m³/m², “K” en medios
porosos. (Ministerio de Medio Ambiente y Agua, 2014).
El lecho de los HA de flujo subsuperficial tienen una profundidad típica de alrededor de
60 cm, del medio seleccionado con una capa de grava fina encima de 7.6 a 15 cm de
espesor que sirve para el enraizamiento inicial de la vegetación y se mantiene seca en
condiciones normales de operación. Dicha profundidad ayuda a la resistencia contra la
congelación. (Lara, 1999).
En el presente estudio se comparan los diseños de HA de flujo subsuperficial de; Reed
(R), Crites y Tchobanoglous (CT), y Kadleck y Knight (2K), desarrollados previamente
en base a los principios de Darcy a flujo laminar tipo tapón, considerando las condiciones
climáticas, operativas y la disponibilidad y tipos de terrenos en el área de estudio
(poblaciones rurales en Los Altos de Jalisco). El mayor beneficio de las plantas en los
HA, es la transferencia de oxígeno a la zona de la raíz. Su presencia física en el sistema
permite mayor y mejor penetración en el sustrato o medio de apoyo del oxígeno, asimismo
las porciones de vegetación sumergidas como hojas y tallos muertos se degradan y
convierten hábitats para el crecimiento de la película microbiana fija, la cual es
responsable de gran parte del tratamiento que ocurre (Lara, 1999). En estos HA las plantas
trabajan como filtros de macrófitas, los sistemas radiculares de estas plantas se entrelazan
tejiendo una “red de raíces”. Posteriormente el oxígeno es inyectado a través de sus hojas
hasta el sistema radicular gracias a la fisiología alveolar que actúa como membranas que
catalizan el oxígeno directamente en la raíz por la diferencia de presión isostática. El
oxígeno posibilita la creación de una abundante flora microbacteriana aerobia, que se
encarga de degradar la materia orgánica. Los nitratos y fosfatos son absorbidos
directamente por las plantas, constituyendo un excelente fertilizante para las mismas,
además se reduce el número de microorganismos patógenos (coliformes) debido a la
presencia de depredadores (protozoos y bacteriófagos) en la rizosfera de las plantas
(Huesca medioambiental, 2012). Así las plantas macrófitas emergentes contribuyen al
tratamiento del agua residual y escorrentía de varias maneras:
depositen.
mentos de traza para incorporarlos a los tejidos de
la planta.
espacios dentro del substrato.
En este caso se considera utilizar plantas macròfitas típicas de la propia región como: el
carrizo común (Phragmites autralis), el tule (Scirpus acutus), la espadaña (Typha latifolia)
y el gladiolo (Gladiolus).
Resultados
Para la obtención de los datos de diseño de los HA, se considera una comunidad rural
típica de la región de estudio, con una población de 700 habitantes, por lo que para el
cálculo del caudal promedio se utiliza el caudal demográfico (Qd) sugerida por Cueva y
Rivadeneira (2013);
𝑄𝑑 = (Nº de habitantes) (consumo diario por habitante)
Tomado como el consumo promedio por habitante equivalente a 181.5 lt/día, así;
𝑄𝑑 = (700) (181.5)
𝑄𝑑 = 127,050 lt/día (127 m³/día)
Asimismo, se toma la caracterización promedio de las aguas residuales en el área de
estudio, la composición básica de estas se puede apreciar en la tabla 1:
PARÁMETRO
DBO
DQO
Fósforo
Grasas y aceites
Huevos de Helmintos
Nitrógeno (Kjeldahl)
Sólidos sedimentables
Sólidos suspendidos
totales
Coliformes fecales
PROMEDIO
450
620
48
84
2.8
90
1.8
410
UNIDADES
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
h/l
mg/l
mg/l
mg/l
49320
Colonias por 100 ml
Tabla 1: Composición de las aguas residuales en poblaciones rurales de los Altos de Jalisco
Además, se selecciona grava gruesa tipo tezontle rojo como sustrato, el cual presenta una
porosidad del 40% (n=0.4), con una profundidad sugerida estándar de 60 cm (h=0.60).
Todos los modelos asumen condiciones uniformes de flujo laminar tipo pistón y que
además no existen restricciones para el contacto entre los constituyentes del agua residual
y los organismos responsables del tratamiento.
Para los valores de salida del agua tratada del HA (efluente), se consideran los parámetros
de las normas oficiales vigentes; 1) NOM-001-SEMARTAN-1996, que establece los
límites máximos permisibles en las descargas a los cuerpos de agua y al suelo y 2) NOM003-SEMARNAT-1997, que establece los límites máximos permisibles para el agua
tratada que se reutiliza para el riego de áreas verdes, así los datos básicos para los diseños
de los HA según los modelos seleccionados son (tabla 2):
PARÁMETRO (UNIDAD)
Caudal promedio (Q)
UNIDAD
VALOR
m³/día
127
Concentración de DBO afluente (Co)
mg/lt
450
Concentración de DBO efluente (Ce)
Mg/lt
20
Porosidad sustrato (n)
%
40
Profundidad sustrato (h)
m
0.60
Temperatura promedio (T)
C
19
Tabla 2: Datos para el diseño de los HA
1) Modelo de Reed
Determinado el valor de la constante de velocidad de la reacción (Kt), de acuerdo a la
temperatura promedio de 19°C, tenemos según Reed:
𝐾𝑡 = 𝐾20(1.06)exp⁡(𝑇 − 20)
Donde Reed sugiere;
K20 = 1.104/día
Así;
𝐾𝑡 = 1.104(1.06) exp(19 − 20)
K𝑡 = 1.041/día
Con este valor (Kt) es posible determinar el área superficial mediante la siguiente
ecuación:
𝐴𝑠 =
𝑄(𝑙𝑛𝐶𝑜 − 𝑙𝑛𝐶𝑒)
𝐾𝑡⁡𝑛⁡ℎ
Donde:
As: Área superficial del humedal (m²)
Q: Caudal promedio (m³/día)
Co: Concentración de la DBO en el afluente (a la entrada del humedal) (ppm)
Ce: Concentración de la DBO en el efluente (a la salida del humedal) (ppm)
Kt: Constante de primer orden (velocidad de reacción) dependiente de la temperatura
(1/día)
n: porosidad del material que forma el sustrato (fracción decimal).
h: profundidad del sustrato (m).
Se sustituyen los valores:
𝐴𝑠 =
127(𝑙𝑛450 − 𝑙𝑛20)
(1.041)(0.40)(0.60)
𝐴𝑠 = 1580.91𝑚²
Para determinar el tiempo de retención hidráulica (TRH), utilizamos la ecuación;
𝑇𝑅𝐻 =
(𝐴𝑠)(ℎ)(𝑛)
𝑄
Se sustituyen valores:
TRH = (1580.91) (0.60) (0.40)/ (127)
Por tanto para este modelo:
TRH = 2.9875 días
Con estos datos, se procede a estimar las dimensiones del humedal; ancho (W) y largo
(L), mediante la siguiente expresión:
𝑊=
1 𝑄⁡𝐴𝑠
(
) exp⁡(0.5)
ℎ 𝑚⁡𝐾𝑠
Donde; Ks= conductividad hidráulica del medio en una unidad de sección perpendicular
a la dirección del flujo (m³/m²d) (tabla 3).
m = Pendiente del lecho del HA
Tipo de material
Tamaño
efectivo
(mm)
Porosidad, n
(%)
Conductividad
hidráulica (Ks)
(m³/m².d)
Arena gruesa
2
20-32
100-1000
Arena gravosa
8
30-35
500-5000
Grava fina
16
35-38
1000-10000
Grava media
32
36-40
10000-50000
Grava gruesa
128
38-45
50000-250000
Tabla 3: Valores a de porosidad y conductividad hidráulica de sustratos
Según Lara (1999), La conductividad hidráulica del sustrato varía en función de los
espacios vacíos del propio material, por lo que se debe tomar en cuenta tanto el tamaño
como la porosidad del material a utilizar como soporte para las plantas en el HA.
Sustituyendo los valores para estimar el ancho mediante grava gruesa con porosidad
promedio del 40% y Ks de 100000 m³/m².d
𝑊=10.60 [(127)(1580.91)(0.01)(100000)]exp 0.5
𝑊=1.666(14.169)
𝑊=23.62𝑚
Para el largo (L) del HA:
𝐿=𝐴𝑠 /W
Se sustituyen los valores:
𝐿= (1580.891) / (23.62)
𝐿=66.97𝑚
Conociendo el ancho y largo del HA, podemos deducir la relación que existe entre
estos:
𝐿
66.97
=
= 2.837
𝑊 23.605
Cabe señalar que en este modelo no es posible elegir la relación largo/ancho.
2) Modelo de Crites y Tchobanoglous (CT)
En este modelo se calcula la constante de velocidad (Kt) con la siguiente expresión:
𝐾𝑡 = 𝐾20(1.06) exp(𝑇 − 20)
Para una temperatura promedio de 19Ccon la ecuación, el valor de K20 será el promedio
de:
𝐾20 =
1.1+1.35
2
= 1.225/día
Sustituyendo los valores:
𝐾𝑇=1.225(1.06)exp (19−20)
𝐾𝑇=1.155/día
Para estimar el tiempo de retención hidráulico se procede con la siguiente ecuación:
𝐶𝑒
ln (𝐶𝑜)
𝑇𝑅𝐻 = ⁡ −
𝐾𝑡
Se sustituyen los valores:
20
)
450
𝑇𝑅𝐻 = ⁡ −
1.155
ln (
TRH= 2.71 días
Para el área superficial del humedal se aplica la ecuación:
𝐴𝑠 =
(𝑄)(𝑇𝑅𝐻)
(⁡ℎ)(⁡𝑛)
𝐴𝑠 = (127)(2.71)/(0.60)(0.4)
𝐴𝑠=1430.833m²
Con este modelo es posible adaptar las dimensiones de largo y ancho, fijando una
relación (R) adecuada como 1:3, es decir uno de ancho por 3 de longitud
𝑊 = 2√𝐴𝑠/𝑅
2
𝑊⁡√(1430.833)/(3)
W=21.83 𝑚
Para obtener el largo del humedal se aplica la siguiente ecuación (28).
𝐿=
𝐴𝑠
𝑊
Así:
𝐿=
1430.883
21.83
L= 65.51 m
3) Modelo de Kadlec y Knight (2K)
El siguiente diseño se realizó según el manual de procedimiento propuesto por R. H.
Kadlec y R. L. Knight (1996):
Para determinar el área superficial del HA, primero se procede a estimar el valor de la
constante cinética de reacción de primer orden (KA), para una temperatura media de
19°C.
K𝐴 = 𝐾20 𝜃𝑇 exp (𝑇−20)
Donde:
KA: Constante superficial cinética de reacción de primer orden dependiente de la
temperatura
K20: Constante superficial de velocidad de reacción a 20 ºC
ΘT: Factor de corrección por temperatura (tabla 4)
T: Temperatura del agua en el humedal (ºC)
K20
ѲT
Temperatura (°C)
0
1
0
1.0
1.15
0-1
0.1367
1.15
1-10
0.2187
1.048
Más de 10
Tabla 4: Parámetros para estimación de la constante KA según la temperatura
𝐾𝐴 = (0.2187) (1.048) exp (19−20)
𝐾𝐴= 0.2087/día
El área superficial será:
𝐴𝑠 =
𝑄
⁡ln(𝐶𝑜 /𝐶𝑒)
𝐾𝐴
Sustituyendo los valores correspondientes:
𝐴𝑠 =
127
455
𝑙𝑛(
)
0.2087
20
As = 1894.661 𝑚²
Para determinan el tiempo de retención hidráulico (TRH), se utiliza la siguiente ecuación:
𝑇𝑅𝐻 =
𝑛𝐴𝑠ℎ
𝑄
Sustituyendo los valores correspondientes:
𝑇𝑅𝐻 =
(0.40)(1894.661)(0.60)
127
TRH=3.58 días
Ahora se procede a calcular el área de sección trasversal del HA (At) mediante:
𝐴𝑡 =
𝑄
(𝐾𝑠/𝑄)(𝑚)
Donde;
Ks = Conductividad hidráulica (tabla 3)
m = Pendiente del lecho = 1% (0.01).
Sustituyendo:
𝐴𝑡 = 127/(
100000
)(0.01)
127
At = 16.13 m²
Con esta área transversal se calcula las dimensiones generales del HA;
𝑊=
𝐴𝑡
ℎ
Así:
W= (16.13)/(0.60) = 27.1 m.
Con una longitud de:
𝐿=
𝐴𝑠
𝑊
L= 1894.661/27.126.46
L= 69.91 m
Por tanto la relación L/W será:
69.91/27.1 = 2.58
Resultados
Las dimensiones generales, así como el tiempo de retención hidráulica de los tres modelos
estudiados se pueden comparar en la tabla 5:
Modelo
Área superficial
Ancho
Largo
Tiempo Retención
(m²)
(m)
(m)
(días)
R
1580.89
23.62
66.97
2.98
CT
1430.83
21.83
65.51
2.71
2K
1894.66
27.10
69.91
3.58
Tabla 5 Comparativo de los 3 modelos
La relación largo entre ancho del HA, en los tres modelos considerados se aproxima a 3,
lo que asegura un flujo horizontal tipo tapón en régimen laminar y garantiza una óptima
depuración de las aguas residuales, evitando obstáculos hidráulicos y cortos circuitos que
afecten el tiempo de retención hidráulica, el cual oscila de 2.6 a 3.5 días en los tres
modelos, para una temperatura promedio de operación de 19°C. En el cálculo de las
dimensiones, las formulas y ecuaciones son similares, destacándose el modelo de Reed
que involucra una cantidad mayor de parámetros. Asimismo el área superficial en los tres
modelos es muy similar, por lo que sus dimensiones generales de largo y ancho también
son muy parecidas. Las plantas autóctonas seleccionadas para el presente diseño
(Castañeda y Flores, 2013) contribuyen a la remoción de los contaminantes presentes en
el agua residual; los compuestos orgánicos, nitrogenados y fosforados son transformados
a formas más simples. Cabe hacer notar que estos sistemas generan lo mayores beneficios
de saneamiento, en las estaciones del año más calurosas con tiempos de retención
hidráulico menores, aumentando su capacidad de tratamiento.
Conclusiones
El establecimiento de sistemas para el tratamiento de aguas residuales en poblaciones
rurales en Los Altos de Jalisco, mediante humedales artificiales de flujo subsuperficial es
factible, ya que son diseños económicos y de bajo costo de operación y mantenimiento,
además es posible utilizar plantas macrófitas de la propia región, generando así una
solución sustentable para la problemática que representa la descarga de aguas residuales
domesticas sin tratamiento.
En general los resultado muestran una gran similitud entre los tres modelos para los datos
considerados de: volumen y caracterización del agua residual, condiciones
climatológicas, particularidades del terreno y condiciones de trabajo lo que asegura su
funcionalidad en su futura instalación y operación.
Imágenes de instalación de humedal artificial en Los Altos de Jalisco en base al
presente estudio
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