manual de operación y mantenimiento del humedal artificial del

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE
MÉXICO
COLEGIO DE CIENCIAS Y HUMANIDADES PLANTEL SUR
Y
FACULTAD DE QUÍMICA
PRESENTAN
MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DEL
HUMEDAL ARTIFICIAL DEL COLEGIO DE
CIENCIAS Y HUMANIDADES PLANTEL SUR CON
ACTIVIDADES DIDÁCTICAS PARA EL
BACHILLERATO UNAM
Quím. Agustín Arreguín Rojas (Coordinador)
Dr. Salvador Alejandro Sánchez Tovar
Dra. María del Refugio González Sandoval
Dra. Marisela Bernal González
Dra. María del Carmen Durán Domínguez
Serie: Química Ambiental del Agua
Vol. 8
México D.F.
MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DEL
HUMEDAL ARTIFICIAL DEL COLEGIO DE CIENCIAS Y
HUMANIDADES PLANTEL SUR CON ACTIVIDADES
DIDÁCTICAS PARA EL BACHILLERATO UNAM
© AMCATH, Academia Mexicana de Ciencias Artes Tecnología y
Humanidades
ISBN 978-607-7807-12-4
Responsable de la edición
Profa. Dr.-Ing. María del Carmen Durán-Domínguez-de-Bazúa
Programa INFOCAB Proyectos aprobados PB201312 y SB201608
Serie: Química Ambiental del Agua. Volumen 8
Primera edición (2010)
Segunda edición (2013)
2
Índice
Presentación
Página
5
1. Los humedales naturales
7
2. Introducción a los humedales artificiales
11
2.1. Humedales de flujo superficial (SFW)
2.2. Humedales de flujo subsuperficial (SsF)
2.3. Humedales con plantas flotando sobre la superficie del agua
2.4. Tipos y funciones de las plantas usadas en los humedales artificiales superficiales
y subsuperficiales
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3. Sitio de construcción
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3.1. Características de la zona donde se localiza el humedal:
3.2. Topografía y clima
3.3. Elección y localización del sitio
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4. Bases de diseño, descripción y mantenimiento del sistema
21
4.1. Parámetros y ecuaciones de diseño
4.1.1. Factores de diseño de un humedal artificial
4.1.2. Ecuaciones de diseño de los humedales artificiales
4.2. Descripción general del proceso y diagrama de flujo y de proceso (DFP)
4.2.1. Fosa séptica (FS-101)
4.2.1.1. Mantenimiento
4.2.2. Bomba sumergible (BS1)
4.2.2.1. Mantenimiento
4.2.3. Tanque dosificador (TC-101)
4.2.4. Bomba centrífuga de alimentación al filtro percolador (BS3).
4.2.4.1. Mantenimiento:
4.2.5. Filtro percolador FP-101
4.2.5.1. Mantenimiento:
4.2.6. Distribuidor hidráulico (DH-101)
4.2.6.1. Mantenimiento:
4.2.7. Humedad artificial
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4.2.7.1. Lecho rocoso
4.2.7.2. Pendiente del humedal
4.2.7.3. Geomembrana
4.2.7.4. Vegetación del humedal
4.2.7.5. Cárcamo de salida
4.2.7.6. Mantenimiento
4.2.8. Fosa de Almacenaje y Desinfección TD-101
4.2.9. Bomba extractora de lodos (BS2)
4.2.9.1. Mantenimiento
Página
31
31
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33
Diagrama de flujo y proceso para el humedal artificial del SILADIN-CCH-Sur
34
Arreglo general para el humedal artificial del SILADIN-CCH-Sur
35
Anexo memorias de cálculo
37
Bibliografía
43
4
PRESENTACIÓN
Estimado lector:
Con la idea de mostrarte que en la Universidad los retos difíciles se pueden lograr, te
comentamos acerca del origen de nuestro humedal artificial, construido en el Plantel Sur del
CCH. Esto inicia en el año de 2002, cuando profesores del CCH Sur, asistimos a la Facultad
de Química – UNAM al evento “Reunión Internacional de Los Humedales”, organizada por
la Dra. María del Carmen Durán de Bazúa quien en esa fecha re-inauguraba un Humedal
piloto para depuración de aguas negras de una sección del Centro Cultural Universitario
(Av. Insurgentes Sur 3000). La experiencia adquirida en este evento nos llevó a proyectar un
humedal piloto (con actividades didácticas) en nuestro plantel, el cual, con una población
promedio de 14,000 personas, genera un enorme caudal de aguas negras, las cuales son
vertidas al manto freático porque nuestro Plantel está situado en el área volcánica “Pedregal
de San Ángel” y, al igual que en los fraccionamientos residenciales de esta zona, no es
factible económicamente instalar una red de drenaje y, por lo tanto, las aguas negras son
desechadas a través de grietas que se localizan entre la roca.
Es posible que existan muchos proyectos semejantes, dirigidos a resolver este problema del
manejo de las aguas negras y que éstos se deben haber encontrado muchos inconvenientes
para su realización. En nuestro caso fuimos favorecidos por varias instituciones y sus
directivos, quienes nos han apoyado en puntos importantes del desarrollo del proyecto:
1. En el diseño del proyecto contamos con la asesoría, experiencia y entusiasmo de la Dra.
María del Carmen Durán Domínguez de Bazúa, Profesora Titular “C” de la Facultad de
Química de la UNAM, miembro del Sistema Nacional de Investigadores desde su fundación
en 1984.
2. El apoyo técnico en todo momento del Dr. Salvador Alejandro Sánchez-Tovar, Doctorado
por la UNAM en Ciencias Químicas (Ingeniería Química) e investigador de la empresa
Tecnología Intercontinental S. A. de C. V., quien ha participado con la Ingeniería del
Proceso de este humedal, así como la supervisión de la construcción y del arranque,
realizando también la gestión de las donaciones mencionadas abajo.
5
3. El Programa INFOCAB1 por medio del cual se obtuvo presupuesto para la adquisición de
equipo de laboratorio, audiovisual y de cómputo, además de equipo auxiliar para el proceso
automático del humedal. Este programa con los dos proyectos aprobados, PB201312 y
SB201608, fue el punto de arranque y continuidad del proyecto.
4. La DGOE2 - UNAM, a través del Ing. Xavier Palomas Molina, Director General, quien
apoyó este proyecto con la construcción de la base piramidal en la que se instaló el humedal
y actualmente aceptó conectar los efluentes del Edificio de Idiomas para aumentar el
volumen de agua tratada.
5. Las empresas “Tecnología Intercontinental S.A. de C.V.”; “INVENTEC S.A. de C.V.” y
“CONDISMARQ S.A. de C.V.”, de las cuales hemos recibido apoyo en especie, como
servicio técnico y donativos de equipo y materiales, allanando el camino para la instalación
del humedal.
6. Desde luego, este proyecto ha contado desde el inicio con el apoyo del Lic. Jaime Flores
Suaste, Director del Plantel Sur, del Lic. Sergio Garita Hernández, Secretario Administrativo
y del Biol. Sabel René Reyes Gómez, Secretario Técnico del SILADIN3.
¿Cómo está organizado este Manual?
El propósito de este manual es proporcionar al lector los conceptos básicos de un humedal
artificial y la información técnica necesaria para la comprensión del sistema, su arranque,
operación y mantenimiento.
Este manual está dirigido al personal de mantenimiento, profesores responsables de
proyectos relacionados con el humedal y cualquier miembro del colegio o visitantes que
estén interesados en el humedal.
Adelante y mucho éxito.
Los autores
1
2
3
INFOCAB: Iniciativa para Fortalecer la Carrera Académica en el Bachillerato de la UNAM.
DGOE: Dirección General de Obras Externas de la UNAM.
SILADIN: Sistema de Laboratorios de Investigación, UNAM.
6
CAPÍTULO 1
LOS HUMEDALES NATURALES
A estos terrenos se les conoce con
muchos y muy variados nombres:
ciénagas, pantanos, marismas, lagunas
costeras, rías, esteros, cenagales,
petenes, tintales, tulares, carrizales,
selvas bajas inundables, tasistales,
aguadas, sabanas y otros más. Pero
hay un término que los engloba a
todos: humedales.
Y a todos ellos —excepto quizá a los
tintales—Los humedales presentan
condiciones de saturación del suelo
que van de estacionales a permanentes.
Dicha saturación causa anoxia en el
suelo lo que altera sus características
químicas y biológicas y da como resultado que tanto su biota como la dinámica de muchos de sus
procesos y su papel en la dinámica de los ecosistemas sea especial.
Existen diferentes definiciones de los humedales y distintas clasificaciones para distinguirlas
dependiendo de la fuente de agua que los alimenta, de su posición en el paisaje y de otros
factores. Por la presencia de un período seco se reconocen dos tipos de humedales: estacionales y
permanentes (Horn y Goldman, 1994).
Los primeros se encuentran generalmente en depresiones del paisaje con suelos con drenaje pobre
lo que produce acumulación de agua durante la época de lluvias. En ellos la dinámica a que da
lugar la alternancia de períodos secos y húmedos produce la liberación de nutrientes lo que los
convierte en ecosistemas muy productivos (Durán-de-Bazúa y col., 1998).
También ocupan diferentes posiciones dentro de las cuencas hidrográficas. Algunos humedales se
encuentran en las partes bajas, como los asociados a lagos o las marismas que se localizan en
estuarios. En otros casos podemos hallarlos en las partes altas de las cuencas, asociados a ríos o
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aisladas, sin una conexión aparente con ríos, lagos o lagunas. Sin embargo, esta apariencia de
aislamiento puede ser engañosa, pues la mayoría de los humedales se encuentran relacionados
con los cuerpos de agua a través del flujo
sub-superficial de agua y los mantos
freáticos. En muchos casos los humedales
son comunidades transicionales entre los
sistemas terrestres y los sistemas
acuáticos. Las plantas que habitan en los
humedales han desarrollado una serie de
adaptaciones que les permiten tolerar las
condiciones especiales de este hábitat, en
particular las bajas concentraciones de
oxígeno en el suelo y en el caso de los
estuarios la tolerancia a las altas
concentraciones de sal. Entre las plantas
de los humedales destacan aquéllas que
emergen sobre la superficie del agua y que son el elemento dominante en muchos de ellos, como
los tules (Typha spp.) o diferentes especies de árboles. El exceso de agua es una limitante porque
reduce la disponibilidad de oxígeno para las raíces, debido a que la difusión del oxígeno en el
agua es alrededor de 10,000 veces más lenta en el agua que en el aire y porque existen muchos
compuestos químicos en el agua que al
oxidarse consumen su oxígeno (Whitlow y
Harris, 1979). Una de las adaptaciones a las
condiciones de anegación es el aerénquima,
tejido esponjoso que permite el intercambio
gaseoso entre las partes aéreas de las plantas
y las raíces. Una adaptación notable a las
condiciones de anaerobiosis de los suelos de
los humedales lo encontramos en los
manglares, que presentan raíces aéreas. Estos
ambientes
proporcionan
servicios
ecosistémicos de gran importancia (cuadro
1), entre los que destaca la capacidad de
retener nutrientes y pequeñas cantidades de
sedimento, lo que protege a los cuerpos y fuentes de agua. Esta capacidad de los humedales es
resultado de las condiciones que se dan en el suelo anegado. Los suelos de los humedales pueden
ser originariamente de naturaleza predominantemente mineral u orgánica, aunque con el tiempo
las condiciones de anegación y anaerobiosis ocasionan que la materia orgánica se acumule. Por lo
8
anterior estos suelos poseen una serie de características químicas especiales, entre las que
destacan una alta eficiencia para atrapar muchos compuestos químicos, en particular metales
pesados y fosfatos. Otra característica importante desde el punto de vista químico, es que
presentan muchos estados de oxidación lo
que favorece la transformación química de
muchos compuestos. Las poblaciones
microbianas tienen una gran influencia en
la química de dichos suelos, siendo de
particular importancia las transformaciones
de los compuestos de nitrógeno que, como
consecuencia de la actividad microbiana
bajo condiciones anóxicas, dan como
resultado la desnitrificación, es decir, la
transformación de nitrato en nitrógeno
molecular que es liberado a la atmósfera.
Estas propiedades químicas y biológicas del suelo de los humedales actúan como “filtros”,
reduciendo las concentraciones de nutrientes y otros compuestos químicos que son arrastrados de
las partes altas de las cuencas, purificando el agua y, en muchos casos, protegiendo a los cuerpos
de agua asociados de la eutrofización. Estas propiedades purificadoras se utilizan para el
tratamiento de aguas residuales cuando se construyen humedales para este fin (Cronk, 1996; Hey,
2002; Kadlec y Knight, 1996).
Sirven de área de reproducción para algunos moluscos (ej. ostras y caracoles), peces y crustáceos
(ej. camarones, langostas y cangrejos) de importancia económica, pues son fuentes de alimento
para el hombre. Otra función de gran importancia que brindan estas áreas es la de proveer refugio
y alimento a aves acuáticas residentes y migratorias tales como patos y gansos. También proveen
de áreas de anidación para varias especies amenazadas de tortuga marina, son hábitat de otras
como el manatí y el cocodrilo, y en sus sistemas habitan especies terrestres muy diversas, tales
como tapires, jaguares, monos, varias especies de rapaces, pelicanos y flamencos, entre otros
Se les ha considerado tradicionalmente sitios carentes en absoluto de valor, meros obstáculos
para la construcción de caminos, la agricultura o la urbanización. Sin embargo, constituyen uno
de nuestros más valiosos recursos naturales y hay que tomar medidas para protegerlos y
conservarlos, porque su destrucción puede tener serias consecuencias para la pesca, el turismo y
otras actividades. Algunos humedales en el interior del país, como las milenarias pozas de Cuatro
Ciénegas en el estado norteño de Coahuila, en México, son de gran importancia ecológica, por la
singularidad de su biodiversidad. Lo aislado y estable de estos humedales complejos, ha
ocasionado la evolución de especies únicas en el lugar, entre las que podemos mencionar peces,
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caracoles, algas y tortugas. En general, los humedales tienen una alta producción pesquera, son
refugio de flora y fauna silvestres y nos brindan una gran variedad de bienes, servicios y
funciones de gran valor. Son fuente de agua para uso humano, recargan los mantos acuíferos,
filtran el agua y mejoran su calidad, pueden ser utilizados como fuente de energía, barreras contra
huracanes, vías de comunicación, etc. Ayudan a controlar las inundaciones y erosiones, y
protegen las costas. Actualmente la importancia de estos ecosistemas es reconocida, y diferentes
organizaciones nacionales e internacionales trabajan para su protección y recuperación.
Humedales en México
(https://www.google.com/search?hl=es&q=fotografia+de+un+humedal+en+mexico&lr=)
10
CAPÍTULO 2
INTRODUCCIÓN A LOS HUMEDALES ARTIFICIALES
Un humedal artificial (HA) se puede definir como un área que se encuentra saturada por aguas
superficiales o subterráneas con una frecuencia y duración tal, que sea suficiente para mantener
estas condiciones de saturación. Tienen tres funciones básicas que los hacen tener un atractivo
potencial para el tratamiento de aguas residuales:
Fijar físicamente los contaminantes en la superficie del suelo y la materia orgánica.
Utilizar y transformar los elementos por intermedio de los microorganismos.
Lograr niveles de tratamiento consistentes con un bajo consumo de energía y mínimo
mantenimiento.
Los humedales artificiales pueden emplearse
como un sistema complementario en una
planta de tratamiento de aguas existente para
mejorar la calidad del agua (pulimento) y
pueden usarse también como el principal
sistema de tratamiento en pequeñas
comunidades (Durán de Bazúa, 2004). Esta
tecnología constituye una opción técnica,
económica y ambientalmente viable ya que
requiere poca especialización del personal
para su manejo, posee bajo costo de
mantenimiento, crea nuevos hábitats para la vida silvestre y protege de manera indirecta la salud
de la población (Ruiz-López., 2009).
Como sistema de tratamiento de aguas residuales, un humedal artificial consta de un material de
soporte (grava, arena o escoria volcánica), plantas (plantas vasculares) y microorganismos
(bacterias, hongos principalmente) separados del entorno circundante (suelos adyacentes)
mediante una membrana impermeable. Estos elementos interactúan entre sí para remover los
contaminantes de un agua residual mediante complejos procesos, físicos, químicos y biológicos
(Guido-Zárate, 2006). Algunos de estos procesos se describen más adelante en este capítulo. Los
11
humedales artificiales pueden clasificarse dependiendo de su hidráulica, en humedales de flujo
superficial (en inglés Surface Flow Wetlands o Free Water Surface Wetlands, SFW), flujo subsuperficial (Submerged Bed o Subsurface Flow, SsF) y con plantas flotando sobre la superficie
del agua (Ruiz-López, 2009).
2.1. Humedales de flujo superficial (SFW, en inglés)
Tienen como característica principal que el agua se expone a la atmósfera, por lo que la
alimentación se realiza por la superficie de un canal o estanque que contiene una capa de agua no
muy profunda, generalmente de unos 30 cm, aunque puede llegar a ser más de 1 m (Figura 2.1).
Consisten normalmente de uno o más canales de poca profundidad que tienen un recubrimiento
de fondo para prevenir la percolación hacia el agua freática susceptible de contaminación y, una
capa sumergida de suelo para las raíces de la vegetación macrófita emergente seleccionada. Cada
sistema cuenta con estructuras adecuadas de entrada y descarga para asegurar una distribución
homogénea del agua residual (EPA, 2000a,b).
Figura 2.1. Humedal artificial de tipo superficial (Kadlec y Knight, 1996)
2.2. Humedales de flujo subsuperficial (SsF, en inglés)
En estos humedales, el agua se hace pasar por debajo de la superficie del sistema. La
característica principal de este tipo de sistemas es que no hay, como tal, una columna de agua
continua, sino que el influente circula a través de un medio inerte, que consiste en un lecho de
arena y/o grava de grosor variable, que sostiene la vegetación la cual puede ser del tipo hidrófito
o higrófito. Este lecho se diseña de modo que permita la circulación del agua residual tanto
horizontal como verticalmente a través del sistema radicular de las macrófitas acuáticas (Figura
2.2).
12
Figura 2.2. Humedal artificial de tipo subsuperficial (Kadlec y Knight, 1996)
Las ventajas que se presentan al utilizar este tipo de sistemas son: a) menos área requerida, ya
que las áreas superficiales para la absorción, filtración y los biofilmes son mucho más altos; y b)
se reducen los insectos y los problemas del olor, puesto que las aguas residuales permanecen
debajo de la superficie de grava (EPA, 2000a,b). La principal desventaja que pueden llegar a
presentar es la saturación de los espacios libres del lecho a causa del gran crecimiento de las
raíces y rizomas de las macrófitas, lo que puede derivar en la formación de caminos
preferenciales para el agua, con lo que se reduce el tiempo de residencia hidráulica y, por lo
tanto, la capacidad de depuración del humedal (Durán-de-Bazúa, 2004; Maul y Cooper, 2000).
2.3. Humedales con plantas flotando sobre la superficie del agua
Finalmente, los humedales con plantas flotando sobre la superficie del agua, consisten en canales
o estanques de profundidad variable (0.4 a 1.5 m) alimentados con agua residual pre-tratada, en
los que se desarrollan las plantas que flotan de modo natural (Figura 2.3). Se utilizan plantas del
tipo jacinto de agua (Eichomia crassipes) y lenteja de agua (Lemna spp.), conocida en la cuenca
de México como chichicaxtle.
Figura 2.3. Humedal artificial con plantas flotantes (IWA, 2000)
13
2.4 Tipos y funciones de las plantas usadas en los humedales artificiales superficiales y
subsuperficiales
La vegetación emergente más utilizada en los humedales artificiales superficiales y
subsuperficiales incluye a las espadañas o tule (Typha spp.), los juncos (Scirpus spp.) y los
carrizos (Phragmites spp.).
Las funciones más importantes de las plantas para el tratamiento de aguas residuales en un HA
son los efectos físicos y químicos que originan dichas plantas (ITRC, 2003). Las plantas
estabilizan el material de empaque, proporcionan un excelente medio para la filtración, impiden
que el material de empaque se azolve y proveen de una gran área superficial para la adhesión de
los microorganismos.
Las plantas también aportan oxígeno al humedal, generado por el proceso de la fotosíntesis. Los
tallos, las hojas y, principalmente, las raíces, liberan oxígeno a través de sus rizomas a la
rizósfera donde, se establece una relación simbiótica entre los microorganismos presentes y con
esto se favorece la degradación de la materia orgánica y, a su vez, intercambian gases como CO2
y CH4 desde la zona radicular hacia la atmósfera por los espacios gaseosos dentro de la planta.
Otro beneficio de las plantas es que cuando mueren, sirven como fuente de nutrientes para los
microorganismos saprofitos y forman una biopelícula fija que contribuye también a la
degradación de los contaminantes del agua residual. La Figura 2.4 detalla los efectos principales
de las partes de una planta.
14
Figura 2.4. Efecto de las plantas en los HA (Guido-Zárate, 2006)
EL HUMEDAL DEL CCH SUR ES UN HUMEDAL DE FLUJO SUBSUPERFICIAL
15
Fotografía del área aprobada por las autoridades para instalar el humedal artificial
16
CAPÍTULO 3
SITIO DE CONSTRUCCIÓN
3.1. Características de la zona donde se localiza el humedal
El CCH Sur prácticamente forma parte de La Reserva Ecológica del Pedregal de San Ángel
(REPSA, 2007). Esta Reserva se encuentra al suroeste de la ciudad de México, en los terrenos de
Ciudad Universitaria, por lo que es custodiada y manejada por la Universidad Nacional
Autónoma de México. La REPSA tiene un alto valor biológico y cultural para la conservación de
la biodiversidad y representa un patrimonio importante del Distrito Federal. Esta área es uno de
los pocos ecosistemas naturales del sur de la Cuenca de México y destaca por sus características
físicas, químicas y biológicas muy particulares que ameritan ser conservadas (de la Fuente, 2005;
Rojo, 1994). Debido a la variabilidad del sustrato y altitud, la Reserva presenta diferentes
asociaciones vegetales, siendo ésta clasificada como matorral xerófilo, con dominancia de
arbustos (Senecio praecox) y hierbas. Algunos árboles exóticos, como el eucalipto (Eucalyptus
sp.) y el pirú (Schinus molle), son ahora abundantes (INE, 2005). Se han registrado 337 especies
de plantas vasculares, 148 de aves, 34 de mamíferos, 23 de reptiles y 7 de anfibios (SEREPSA,
2008). El ecosistema de la REPSA nombrado desde la Conquista como “malpaís” es considerado
uno de los espacios de mayor riqueza florística de toda la cuenca de México y un refugio de
diversidad de fauna que otrora se distribuía en lo que hoy es la Ciudad de México y sus
alrededores. No es aventurado decir que el ecosistema del Pedregal de San Ángel puede ser la
última reserva natural del área metropolitana de la segunda megaciudad del planeta (LotHelguera, 2008).
3.2. Topografía y clima
El área de la Reserva tiene 237 ha (una zona núcleo de 171 ha y una de amortiguamiento de 66
ha) y se encuentra en la Delegación Coyoacán, al suroeste del Distrito Federal (entre 19º 20’ 22’’
y 19° 13’ 25’’ N y 99° 8’ 26’’ y 99º 14’ 3’’ O, con una altitud sobre el nivel del mar, de 2,200 –
2,277 m). El sustrato de esta superficie es típicamente basáltico, producto de la erupción del
volcán Xitle hace aproximadamente 2,500 años y de la accidentada topografía (INE, 2005).
Su clima es templado subhúmedo con régimen de lluvias en verano [Cb(w 1 )w].
Topográficamente la reserva se localiza entre las isotermas de 15.3 °C y 15.6 °C y entre las
isoyetas de 814.7 mm y 952.7 mm, es decir, su temperatura media es de 15°C y la precipitación
17
media anual es de 870.2 mm al año. La época de lluvias es de mayo a octubre y la época de secas
de octubre a mayo (Portal REPSA, 2010). El CCH Sur cuenta con una estación meteorológica
como parte del Programa de Estaciones Meteorológicas de Bachillerato Universitario. Sus
registros en tiempo real, diario y mensuales se pueden consultar en la página del Programa:
http://pembu.atmosfcu.unam.mx/php/estaciones.php.
3.3. Elección y localización del sitio
El humedal artificial del Colegio de Ciencias y Humanidades Plantel Sur se localiza dentro del
espacio del Sistema de Laboratorios de Docencia e Investigación (SILADIN) (Figura 2.1).
Figura 3.1. Localización del SILADIN en el CCH-Sur
El sitio exacto de construcción elegido por el CCH-SUR, fue un jardín del mismo SILADIN,
dispuesto al lado de los laboratorios de biología, quedando al norte del plantel y al este y
noroeste el jardín botánico de la UNAM, tal como se indica en la figura 2.2. La razón de la
18
elección fue porque ya se encontraba al lado del mismo terreno una antigua fosa séptica de
sedimentación de sólidos, que concentra las aguas residuales de los dos edificios que conforman
el SILADIN. Además, por ser una zona propicia para que los estudiantes realicen prácticas de
campo e investigación, bajo la supervisión de sus profesores e investigadores.
Figura 3.2. Localización del humedal artificial en el espacio del SILADIN
19
Fotografía con montaje del humedal artificial antes de sembrar las hidrofitas
20
CAPÍTULO 4
BASES DE DISEÑO, DESCRIPCIÓN Y MANTENIMIENTO DEL
SISTEMA
4.1.
Parámetros y ecuaciones de diseño
4.1.1. Factores de diseño de un humedal artificial
La hidrología es el factor de diseño más importante en un humedal artificial ya que reúne todas
las funciones del humedal y es a menudo el factor primario en el éxito o fracaso del mismo.
Puede verse afectada por la densidad de la vegetación la cual provoca movimientos sinuosos del
agua a través de las raíces, rizomas, tallos y hojas. El que un humedal se encuentre saturado de
forma permanente permite la formación de una zona anaerobia en la cual pueden llevarse a cabo
ciertos procesos biogeoquímicos que ayudan a la remoción de contaminantes (Ruiz-López, 2009).
Los tipos de sustratos que se suelen utilizar
en la instalación de humedales artificiales
incluyen suelo, arena, grava, roca y
materiales orgánicos como el “compost”.
Algunos sedimentos y restos se pueden
acumular en el humedal debido a la baja
velocidad del agua y la alta productividad
típica de estos sistemas. Los factores por los
que el sustrato, sedimentos y los restos de
vegetación se consideran importantes son
los siguientes:
Funcionan como soporte de muchos de los organismos vivientes en el humedal.
Su permeabilidad puede afectar el movimiento del agua a través del humedal.
Pueden ocurrir muchas transformaciones químicas y biológicas (sobre todo del tipo
microbiano).
Proporciona almacenamiento para muchos contaminantes.
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La acumulación de restos de vegetación aumenta la cantidad de materia orgánica en el
humedal. La materia orgánica da lugar al intercambio de materia, fijación de
microorganismos y es una fuente de carbono, que es la fuente de energía para algunas de
las reacciones biológicas más importantes que se llevan a cabo.
Las características físicas y químicas del suelo y otros sustratos pueden ser alteradas por
inundaciones, ya que, el agua reemplaza los gases atmosféricos en los poros y el metabolismo
microbiano consume el oxígeno disponible, esto produce la formación de un sustrato anóxico, lo
cual será importante para la remoción de contaminantes como nitrógeno y metales.
La principal importancia del uso de vegetación en los humedales artificiales, radica en la
transferencia de oxígeno a la zona radicular. Como se mencionó en el Capítulo 1, las funciones
que desempeña la vegetación para el tratamiento del agua residual son las siguientes:
Estabiliza el sustrato y limita la canalización del flujo.
Da lugar a velocidades de agua bajas permitiendo que los materiales suspendidos se
sedimenten
Toma el carbono, nutrientes y elementos traza incorporándolos a sus tejidos.
Transfiere gases entre la atmósfera y los sedimentos.
La liberación de oxígeno desde las estructuras subsuperficiales de las plantas oxigena
otros espacios dentro del sustrato.
El tallo y los sistemas de la raíz dan lugar a sitios para la fijación de microorganismos.
La selección de la vegetación dependerá de las condiciones climáticas de la localidad, la
profundidad del agua, el diseño del humedal (ya sea que se trate de un humedal de tipo
superficial, subsuperficial o de plantas flotantes) y las características del agua residual a tratar. De
esta manera, se pueden utilizar plantas de tipo emergentes, sumergidas, flotantes y de raíces
flotantes (Figura 4.1). Las plantas emergentes que son frecuentemente utilizadas en la
construcción de humedales artificiales para tratamiento de aguas residuales son las espadañas o
tule, carrizos, juncos y juncos de laguna (Ruiz-López, 2009). En la Figura4.2 se esquematizan los
elementos principales que conforman un humedal artificial.
Las funciones de un humedal artificial se encuentran reguladas por los microorganismos y su
metabolismo. Estos incluyen bacterias, levaduras, hongos y protozoarios. La biomasa microbiana
transforma un gran número de sustancias orgánicas e inorgánicas en sustancias inocuas o
insolubles, altera las condiciones de potencial redox del sustrato y de esta forma incide en la
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capacidad de proceso del humedal y, recicla los nutrientes que se encuentran en humedal (RuizLópez, 2009).
Figura 4.1. Tipos de plantas utilizadas en un humedal artificial. De izquierda a derecha;
emergentes, de raíces flotantes, sumergidas, y de libre flotación (EPA, 2000a,b)
Las transformaciones microbianas pueden ser de tipo aerobio o anaerobio. Además, se pueden
presentar especies de tipo facultativo, o sea, con capacidad de funcionar bajo condiciones
aerobias y anaerobias en respuesta a los cambios en las condiciones medioambientales. Es
importante tener cuidado con la presencia de sustancias tóxicas, como por ejemplo plaguicidas y
metales pesados, ya que pueden dañar la comunidad microbiana presente en el humedal (Lara-B,
1999). El efecto que puedan tener dependerá de su concentración, combinación de elementos o
sustancias tóxicas y la resistencia del sistema.
Figura 4.2. Elementos principales que componen un humedal artificial
23
4.1.2. Ecuaciones de diseño de los humedales artificiales
Los humedales artificiales son considerados como reactores biológicos, que operan como
reactores tipo pistón perfectamente mezclados y bajo una cinética de primer orden, por lo que
siguen la siguiente ecuación:
Ce
Ci
= e-Kt
(4-1)
donde:
Ce = Concentración de contaminante en el efluente (mg/L)
Ci = Concentración de contaminante en el influente (mg/L)
K = KT = Constante de reacción de primer orden dependiente de la temperatura (d-1)
t = TRH= Tiempo de residencia hidráulica (d)
El tiempo de residencia hidráulica puede definirse también como:
TRH =
L*W*y*n
Q
(4-2)
donde:
L = Largo del humedal (m)
W = Ancho del humedal (m)
y = Profundidad (m)
n = Porosidad o espacio disponible para el flujo del agua a través del humedal (Porcentaje
expresado como decimal)
Q = Caudal promedio, (m3/d)
Si se combinan las ecuaciones 4-1 y 4-2, se puede calcular el área superficial, As (m2) estimada.
24
As =
Q*ln(Ce /Ci )
K*y*n
(4-3)
El valor de KT depende del contaminante que se quiere eliminar, en caso de no contarse con
valores de la literatura puede aplicarse la siguiente ecuación:
KT = K20(1.1)(T-20)
(4-4)
En la Tabla 4.1 se muestran los valores de K20 más utilizados en el cálculo de humedales en
función del material de soporte utilizado.
Tabla 4.1. Valores más usados en cálculo de humedales
Material
Diámetro
medio (mm)
Porosidad%
Arena mediana
Arena gruesa
Grava
Tezontle
3.2
5-7
8
20-30
36-40
28-32
30-55
40-50
Conductividad
hidráulica
ks(m3/m2*d)
10,000-50,000
1000-10000
500-5000
20000-25000
K20
1.84
1.35
0.6
2.1
La memoria de cálculo que permitió calcular el presente humedal se encuentran en el anexo al
final de este documento.
4.2. Descripción general del proceso y diagrama de flujo y de proceso (DFP)
Para poder describir el humedal artificial del SILADIN-CCH-Sur es necesario seguir cada paso
ayudándose de las Figuras 3.1. y 3.2. En la Figura 3.1 se presenta el Diagrama de Flujo de
Proceso (DFP), donde se esquematiza el proceso descrito así como las modificaciones que se
realizarán a futuro. En la Figura 3.2 se encuentra el Arreglo General del Humedal Artificial que
25
presenta las dimensiones del humedal y la distribución espacial de los equipos. En los siguientes
incisos se describe la función de cada uno de los equipos y tanques así como las recomendaciones
de mantenimiento.
4.2.1. Fosa séptica (FS-101)
LABORATORIOS SILADIN
El proceso de tratamiento del agua
residual proveniente de los
WC
WC
edificios del SILADIN y del
edificio de idiomas comienza
cuando esta se descarga por
gravedad a un registro anterior a
la fosa séptica (FS-101). Una vez
Grieta del subsuelo
que las aguas negras se vierten en
esta unidad de separación, el
material comienza a fluir bordeando las mamparas verticales y las mamparas invertidas, las
cuales provocan un flujo “serpenteante” mismo que facilita la sedimentación de los sólidos
“gruesos” en los primeros compartimentos y no permite el paso de los flotantes desde la primera
división. Al llegar al último compartimiento el agua clarificada es enviada a la siguiente parte del
proceso por medio de una bomba sumergible (BS1).
La fosa está construida en concreto armado con varilla de acero cuenta con tres registros en la
parte superior que permiten acceder a una bomba sumergible o a la manguera de un camión tipo
“vactor” para la purga de lodos.
4.2.1.1. Mantenimiento
El retiro de lodos para formar composta se realiza cada15 días mediante la bomba de achique
(BS2) especial para lodos, sin embargo; el retiro de lodos mediante un tanque de vacío (camión
tipo “vactor”) debe realizarse cada 6 meses. De no llevarse a cabo esta práctica, una mayor
cantidad de sólidos podría mantenerse suspendidos, viajar al humedal y azolvarlo poco a poco.
26
4.2.2. Bomba sumergible (BS1)
Localizada en el último compartimento de la fosa FS-101, la bomba sumergible BS1 bombea el
agua a un tanque dosificador TC-101. La bomba se encuentra suspendida con una cadena de
acero inoxidable-316 y apenas se sumerge 0.35 m en el agua residual del último compartimiento
de la fosa séptica para evitar la extracción de sólidos suspendidos. Las especificaciones de la
bomba BS1 son las siguientes: Es una bomba sumergible, marca Impel, modelo CV-M2-51-M, es
de tipo centrífuga, especial para alto contenido de sólidos suspendidos en aguas residuales. Está
construida en acero inoxidable 316, protegida electroquímicamente de la oxidación, su motor es
de 0.5 HP, 110 VAC-1F-60 Hz. Sus dimensiones y masa se indican en la Figura 4.3. Cuenta con
un flotador tipo “switch” –perilla- que una vez que queda completamente vertical (90°) y apenas
flotando sobre la superficie del agua, paralelo a la bomba, manda la señal de arranque al tablero
de control y éste al motor de la bomba. El bombeo sigue hasta que el flotador ha caído
completamente y no vuelve a activarse hasta que el flotador está de nuevo completamente
erguido.
Figura 4.3. Dimensiones de la bomba sumergible (BS1) instalada en la fosa de separación (FS101)el humedal artificial del SILADIN- CCH-Sur
27
4.2.2.1. Mantenimiento
Junto con este manual se anexa el manual de la bomba donde el fabricante indica sobre su
mantenimiento y características de operación.
4.2.3. Tanque dosificador (TC-101)
Este tanque tiene la función de homogenizar las aguas
negras, funciona como punto de muestreo y para realizar
algunas otras pruebas para modificar la operación del
sistema. Está fabricado en polietileno de alta densidad
con una capacidad nominal de 800 galones o 3,024.L,
aproximadamente. En su parte inferior se localiza una
válvula de bola para drenar los lodos pesados que se van
sedimentando en caso de ser necesario e inclusive para
funcionar como punto de muestreo. El efluente de este
tanque se bombea al Filtro Percolador mediante la
bomba BS3.
4.2.4. Bomba centrífuga de alimentación al filtro percolador (BS3)
Este equipo envía el afluente ya homogeneizado a la parte
superior del Filtro Percolador FP-101. Esta bomba cuenta
con un flotador tipo “switch” de desplazamiento en el
Tanque TC-101. Cabe mencionar que la varilla es corta
intencionalmente, no más 70.cm por debajo de la
superficie del agua, con el objeto de que solo se bombeen
los sobrenadantes y no los sólidos sedimentados, ya que
estos últimos se retiran por purgado. Una vez que el agua
alcanza su máximo nivel el flotador activa el “switch”
hacia arriba y enciende la bomba, cuando desciende el
nivel del agua por debajo de la pera del flotador esta jala
por gravedad y apaga la bomba.
4.2.4.1. Mantenimiento
Este tipo de bomba (centrífuga de impulsores abiertos, de
28
0.5 HP y 110 volts), no requiere de mantenimiento especializado, y en algunos casos, puede ser
más económico su remplazo. Algunas medidas preventivas que pueden aplicarse son: El cambio
de carbones, el reembobinado del motor y el cambio de cables cada 3 meses.
4.2.5. Filtro percolador FP-101
Este filtro cuenta con un distribuidor de agua en forma de cruz para que el agua percole a través
de la cama de un empaque de polietileno que permite la formación de una biopelícula que
remueve parte de la materia orgánica presente en el agua. El efluente del filtro, descargado por
una tubería en la parte inferior del filtro, está conectado al Distribuidor Hidráulico (DH-101) que
alimenta al Humedal Artificial (HA-101) a todo lo ancho del mismo.
4.2.5.1. Mantenimiento
El filtro percolador cuenta con una purga de tubo de PVC de 2.0” en la parte inferior para purgar
los lodos (esta práctica deberá realizarse mensualmente; los lodos pueden compostearse o
enviarse al reactor anaerobio.
Las conexiones de salida pueden lavarse cada 6 meses con ácido muriático y escobillón, usando
guantes, mascarilla y lentes tipo “gogle” para retirar las bacterias que se forman y se producen en
forma gelatinosa tapando los tubos.
La tuerca unión que une al distribuidor hidráulico con la salida del filtro se puede separa y
permite desazolvar con alambre y escobillón los depósitos bacterianos que se forman en el
mismo.
Con respecto al medio de soporte al interior del filtro no se toca, ni se retrolava y se cambia cada
10 años.
La junta de neopreno que forma la unión
de la base con el tubo vertical, se cambia
cada 10 años
4.2.6. Distribuidor hidráulico (DH101)
Se trata de una T de tubo de plástico
semiflexible de polietileno de alta
29
densidad de 6” de diámetro interno. Con perforaciones paralelas al fondo de un solo diámetro
(1.0 a 3.0 cm, según el flujo), las cuales se espacian proporcionalmente (por ejemplo, 2 cada 25
cm, 2 cada 20 cm, 3 cada 15 cm, 3 cada 10 cm) para mantener un flujo uniforme a lo largo de
todo el humedal y permitir que se descargue agua en las orillas y así evitar los caminos
preferenciales. Un distribuidor hidráulico también puede construirse espaciando las perforaciones
uniformemente cada X distancia, por ejemplo cada 30 cm y aumentando progresivamente los
diámetros (3 de 1.0cm, 3 de 1.5 cm,…,3.0cm); arriba de 3 cm puede perderse presión y no mojar
todo el perímetro del orificio de descarga. Para el caso del humedal del CCH-Sur se aplicó la
primera opción. El distribuidor puede ir sobre la superficie pero se ha demostrado que es mejor
sumergirlo apenas 10 cm en una cama de piedra volcánica, como en el caso del humedal del
SILADIN, o de río, de 10.0 cm de diámetro promedio tal y como se muestra en la Figura 4.4.
Esta pedrería se cambia cada 5 años.
HUMEDAL ARTIFICIAL
Entrada influente
Bordo libre 0.50 m
Grava, 0.90 m
Nivel agua, 0.80 m
6.0 m
Salida efluente
Pendiente 1.0-5 %
13.0 m
1m
Distribuidor hidráulico
corte vertical
Corte vertical
Figura 4.4. Colocación del distribuidor hidráulico sumergido
Los distribuidores pueden construirse también con charolas o con vertederos “V-Notch”, siempre
y cuando la extensión del brazo no sea mayor a 5 metros.
30
4.2.6.1. Mantenimiento
Para limpiar el distribuidor DH-101, es necesario aflojar la tuerca unión al final del codo de
alimentación para separalo; luego se le quita la piedra y se lleva manualmente fuera del humedal.
Puede tallarse con cepillo recto por fuera y cepillo tubular para eliminar la “lama” de los orificios
y luego semi llenarse y mojarse con una solución de ácido muriático (HCl industrial al 35%),
dejarlo reposar una noche y al otro día lavarlo con manguera de agua a presión, para después
reacoplarlo en su sitio.
4.2.7. Humedad artificial
En este apartado se describe la función de
los diferentes elementos que conforman el
humedal así como los cuidados que deben
tenerse para su mantenimiento
4.2.7.1. Lecho rocoso
El agua residual pretratada en el filtro
percolador, fluye del distribuidor hidráulico
DH-101 a un lecho de piedra volcánica de
0.5 m de ancho x 0.30 m de altura, que los
distribuye uniformemente través del lecho
de humedal artificial que es de tezontle de
diferentes granulometrías (10.0 cm en el fondo, 0.3 cm en la parte media y 1.0-3.0 cm en la parte
superior. Es muy importante mantener la relación anterior, ya que la piedra es fuertemente
sujetada por las raíces y se trata de no permitir obstrucciones y eliminar caminos hidráulicos
preferenciales y mantener la uniformidad del flujo.
4.2.7.2. Pendiente del humedal
El valor típico de pendiente en los humedales es
de 1% para favorecer el flujo evitando así
estancamientos. En este caso, la pendiente de este
Humedal es de 5% por cuestiones constructivas.
4.2.7.3. Geomembrana
El humedal, construido en concreto y acabado
arquitectónico piramidal en basalto, está
31
recubierto de una geomembrana de polietileno de alta densidad de 1.5 mm de espesor para dar la
resistencia adecuada. Sobre la geomembrana se colocó una cama de gravilla o tezontle fino de 1.0
cm de diámetro promedio y altura no mayor a 15.0 cm. Nunca se debe colocar sobre o
directamente la piedra grande para evitar perforaciones.
A la geomembrana solamente pueden soldarse tubería y accesorios de polietileno de alta densidad
ya que no es compatible con otros materiales. Las uniones mecánicas deberán asegurar el sello
completo.
Nunca debe perforarse una membrana con tornillos o clavos, ya que estos iniciarán un punto de
ruptura. Los silicones, pegamentos y resinas epóxicas son incompatibles con la misma y por lo
tanto no produce sello.
En caso de que la geomembrana llegara a requerir reparación, deberá ser realizada por un técnico
especializado, porque si no se aplica el calor de fusión correctamente, esta puede rasgarse o
perforarse.
4.2.7.4. Vegetación
humedal
del
Está conformada por tule,
carrizo, zacatul, algunos
papiros y alcatraces; el
predominio
de
estas
especies dependerá de su
adaptabilidad
a
las
condiciones
ambientales
del humedal. La proporción
de plantas por metro
cuadrado de humedal es de 8 a 10
4.2.7.5. Cárcamo de salida
El efluente del humedal se descarga por gravedad desde el Cárcamo de Salida, CS-101, hasta la
Fosa de Almacenaje y Desinfección TD-101, desde donde podrá descargarse al subsuelo o bien
utilizarse para riego.
4.2.7.6. Mantenimiento
Aunque pareciera que el humedal trabaja por sí mismo, requiere un mínimo de mantenimiento
empezando por la recolección periódica de los restos vegetales como varas y hojas muertas,
32
operación que debe practicarse cada quince días en el verano, cada semana en el otoño y una vez
al mes en el invierno. De no hacerse lo anterior los sólidos en pudrición podrían contribuir al
azolvamiento del mismo. Con lo que respecta a la densidad de las plantas esta será según la
especie; para el caso de carrizos (Phragmites spp.), se deberán mantener de 8 a 10 plantas /m2,
para las espadañas o tule (Typha spp.), de 10 a 12 plantas, y para los juncos de 8 a 10 plantas /m2.
La sobrepoblación de plantas puede llevar a que las raíces aprieten el medio y tapen los poros de
las piedras. Por lo que concierne a las tuberías de desfogue para evitar inundaciones deben
limpiarse en verano cada semana y en invierno cada quince días de hojas y varas, para evitar que
el humedal pudiera inundarse y derramarse.
4.2.8. Fosa de almacenaje y desinfección TD-101
La fosa de almacenaje y desinfección TD-101, desde donde podrá descargarse al subsuelo o bien
utilizarse para riego es muy importante. Se pueden usar pastillas de cloro o lámparas ultravioleta
para llevar a cabo la desinfección. La concentración de cloro no deberá ser mayor a 1 ppm (1
pastilla de ”Cloralex” de 100g por cisterna cada semana).
4.2.9. Bomba extractora de lodos (BS2)
Esta bomba se usa para las purgas periódicas de lodo de la fosa, ya sea para elaborar composta
(aunque el diccionario de la lengua española use la palabra compost, en español no puede
pronunciarse bien, por lo que se usa composta en este manual) o para su digestión o degradación
anaerobia (DOF, 2005). Este tipo de bombas están diseñadas exclusivamente para la purga de
lodo.
4.2.9.1. Mantenimiento
Debe ser realizado cada año por un especialista (Ver Manuales editados por el Programa de
Ingeniería Química Ambiental y de Química Ambiental de la Facultad de Química de la UNAM
en 1998, 2003 y 2009).
Nota: Por falta de recursos económicos esta bomba no ha sido adquirida todavía y los lodos son
extraídos por parte del personal de la UNAM de la DGOC, de la Secretaría Administrativa.
33
FP-101
Quemador o coogenerador
RF-101
Nivel de piso=0
(Construido por tesistas)
Lodos a reactor RALFA
Bomba BS3
Agua residual de
los registros
(A nivel de piso con tanque dosificador)
PC-101
1,5m
TC-101
Tablero
1
1.5 m
1.25 m
Tanque doificador
Al humedal
1.6 m
1.0m
Bomba BS1
sumergible para agua
0.5 m
Bomba sumergible para lodos BS2
FS-101
Fosa de sedimentación
HA-101
DH-101
Fosa de almacenaje y desinfección
CS-101
TCD-101
1.0 m
2
2.0 m
2.0 m
0.5 m
11.0 m
HA-101
BS3 Bom ba F. pe rcol.
PC-101
Humedal artif icial
Bomba centrif uga
Panel de control
D IA G R A M A D E F L U J O Y PR O C ESO
RF-101 Re actor RAFA
FS-01
FP-101
Reactor anaerobio
Fosa de sedimentación
Filtro Percolador
d e l h u m e d a l a r t ific ia l d e l
C C H _ SU R
BS1 Bom ba de agua
TCD-101 Cis te rna
DH-101 Dis tribuidor
Bomba sumergible
Tanque de desinf ección
Hidráulica
BS2 Bom ba de lodos
CS-101
Bomba sumergible
Cárcamo de salida
(4-junio -2009)
Dr. Salvador Sánche z Tovar
Diagrama de flujo de proceso para el humedal artificial del SILADIN-CCH-Sur
34
5.0m
6.0m
BS3
TC-101
FP-101
A gua tratada
1.5m
0.5m
0.5m
TDC-101
0.5m 0.5m
0.5m
0.5m
Distribuidor
0.5m
Hidráulico DH-101
0.5m
Piedra volcánica
HA-101
100 mm
Pared de piedra
13.0 m
V olcánica
Piramidal
Gravas
11.0m
A gua tratada
CS-101
0.5m
A gua
0.5m
0.5m
0.5m
0.5m
Residual
E
Entrada hombre -Toma (FS-101)
BS2
Recirculación
P C - 10 1
BS1
2.0 m
AGUA CRUDA
4.04 m
RALFFA
RF-101
HA-101
TC-101
PC-101
Humedal artif icial
Tanque cisterna
Panel de control
RF-101
FS-01
FP-101
Reactor anaerobio
Fosa de sedimentación
Filtro Percolador
A r r e g lo g e n e r a l d e l
BS1 Bom ba de agua
TCD-101
BS3 Bom ba F. pe rcol.
Reactor anaerobio de fluijo
Bomba sumergible
Tanque de desinf ección
Bomba centrif uga
ascendente a futuro
BS2 Bom ba de lodos
CS-101
DH-101 Dis tribuidor
(4-junio -2009)
Bomba sumergible
Cárcamo de salida
hidráulico
Dr. Salvador Sánche z Tovar
Arreglo general para el humedal artificial del SILADIN-CCH-Sur
35
36
ANEXO
MEMORIAS DE CÁLCULO
37
DIMENSIONAMIENTO DE
HUMEDALES
CON PLANTA HIDROFILAS
SALIENDO DEL REACT OR RAFA (OPCIÓN 1)
PARÁMETROS DE ENTRADA
(INFLUENTE)
DATOS AGUA DE EFLUENTE DEL REACTOR ANAEROBIO
% de REMOCIÓN
70%
pH
7.7
So (DQO Entrada)=
220
So (DBO5 Entrada)=
70
SST=
120
SSV=
90
AGV (ácido acético mg/L)
9
Alcalinidad CaCO 3
32
Grasa y aceite
5
Nitrógeno (Kjeldahl)
12
Nitratos
3
mg/L
mg /L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
DATOS .
GASTOS DE DISEÑO:
Población=
1,000 Habitantes
Q= Gasto total(población)=
100 m³/d-población
Gasto (por habitante)=
100 L / d-habitante
100,000 L /d-población
Gasto total (L/d-población)=
69.44 L / min-población
Gas to total (L/m in-población)=
Conversiones de flujo
Qmed =
1.16
L/s
=
100.00
m³/d =
4.17
m³/h =
0.0694
m³/min
Q max inst =
1.74
L/s
=
150.00
m³/d =
6.25
m³/h =
0.1042
m³/min
Q max inst =
0.0017
m³/s
C e= Concentración de DBO en el efluente, mg/L
C o= Concentración de DBO en el afluente, mg/L
A= Fracción de la DBO no removida como sólidos sedimentables a la entrada del sistema,
es una variable que depende de la calidad del agua (se recomienda 0.80)
L= longitud del sistema (paralelo al flujo), m
W= ancho del sistema, m
y= profundidad promedio del sistema, m
n= porosidad del sistema (espacio disponible para el paso del agua) como fracción decimal
Q= Caudal promedio en el sistema
Tc, Cambio de temperatura en el humedal
Te, Temperatura del efluente
Tw, Temperatura promedio del agua en el humedal.
Temperatura del agua a la entrada =
As= área superficial
K T= Constante de primer orden dependiente de la temperatura, d -1
TRH, Tiempo de residencia hidrahulica
U, Coeficiente de transferencia de calor
38
PARÁMETROS DE SALIDA
DATOS AGUA DE
(EFLUENTE)
EFLUENTE
% de REMOCIÓN
85%
pH
S (DQO Salida)=
S (DBO5Salida)=
7.7
33.0
10.5
SST=
SSV=
AGV (ácido acético mg/L)
Alcalinidad CaCO3
Grasa y aceite
Nitrógeno (Kjeldalh)
Nitratos
18.0
13.5
1.4
4.9
0.8
1.8
0.4
mg/L
mg /L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
RESUMEN DE DIMENSIONAMIENTO
DIMENSIÓN
Área superficial (m2)
Número de unidades
Ancho (m)
Longitud (m)
Longitud (m) Carcamo descarga
TRH
días
CALCULADA
87
1.0000
3.70
23.7
1.0
0.6
DISEÑO
SUGERIDO
400
VARIABLE DE PROCESO
Profundidad del agua (m)
2 de 200 m2
5.00
13.00
1.0
1.0
Pendiente del humedal (%)
Profundidad de grava (m)
Temperatura (ºC)
VALOR
DE
DISEÑO
0.8
1
0.9
25
Las referencias para esta parte son múltiples pero solamente se citaron algunas (EPA, 1988;
ITRC, 2003; Johnston, 1993; Manahan, 1999).
39
Dimensionamiento:
SALIENDO DEL REACTOR RAFA
Datos de partida:
DBO entrada =
DBO salida =
70
21
mg/l
SST entrada =
50
mg/l
mg/l
Caudal Q =
50.00
m³/día
Población =
1,000
habts.
Medio =
=
m3/hr
2.08
=
1.74
lps
grava media de 25mm
0.4
25000 m3/m2*d
sat
2
n=
ks=
k=
Vegetación =
Carrizos (Phragmites Australis)
Profundidad del humedal =
0.8
Pendiente del humedal =
1%
m
Temperatura critica en invierno =
Temperatura agua entrada =
10
°C
25
°C
ECUACIONES A UTILIZAR
KT = K20*(106)(T-20)
K20 = 1.104 * d - 1
KT = 1.104 * (1.06)(T - 20)
As =
Q (Ln Co - Ln Ce)
KT * y * n
As * y * n
Q
TRH =
U=
Tc=
y1
K1
+
qL
qG
=
1
y2
K2
(To -Ta) * U * α * As * t
Cp * δ * As * y * n
Te = To - Tc
Tw =
To + Te
2
CH =
Q
As
Ce(SST) =
+
* 100
Co(SST)(0.1058 + 0.0014(CH))
40
yn
Kn
Cálculos
1. Asumiendo la temperatura de diseño
1.104 * (1.06)T-20
KT =
25
ºC
=
2.1500
d-1
=
87
m2
=
0.6
dias
+
0.6
2
2.- Determinar As
As
Q * (ln Co - ln Ce)
KT * ( y ) * ( n )
=
Se proponen 100 m2
3.- Determinación de TRH
TRH
As * y * n
Q
=
4-. Determinando U
Se asume
Una capa de residuos de vegetación de
Una capa de tezontle seca de
Una capa de tezontle media saturada de
U
=
15
80
60
cm
mm
cm
1
0.08
1.5
0.15
0.05
+
(To -Ta) * U * α * As * t
Cp * δ * As * y * n
=
0.2
=
0.30
5.- Determinando Tc
Tc =
Te =
To - Tc
=
24.8
˚C
Tw =
To - Te
2
=
24.9
˚C
≈
T DISENO
T asumida
°C
6.- Determinando largo y ancho
L:W
3:1
87.29717 m2 cada una
Se diseña para una unidades
As =
87 m2
As 1 = As 2 =
2
87 m
96
1
y
Q * As
m * Ks
L=
87
3.7
=
L:W
3:1
W=
0.5
3.7
=
23.7
Se proponen
1 Reactores
Ancho =
5m
Largo =
13 m
Profundidad máxima de grava 0.9 m
Profundida máxima del agua 0.8 m
Pendiente 1-2% según topógrafo
m
11.1 m2
7. Determinación de la concentración de SST a la salida.
50.00
87
CH =
Ce(SST) =
* 100
=
Co (0.1058 + 0.0014 (CH)) =
57.1
9
cm / d
mg/L
8. Determinacion de la carga hidraulica para eliminación de fósforo
P entrada =
23
mg/L
50.00
87
* 100
=
57.1
Ce(p) =
Co* exp
- 2.74 cm/d
CH
=
Co* exp
Ce(p) =
22
CH =
m
cm / d
- 2.74 cm/d
57.1
mg /L
41
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© AMCATH, Academia Mexicana de Ciencias Artes Tecnología
y Humanidades
ISBN 978-607-7807-12-4
Responsable de la edición
Profa. Dr.-Ing. María del Carmen Durán-Domínguez-de-Bazúa
Programa INFOCAB Proyectos aprobados PB201312 y
SB201608
Serie: Química Ambiental del Agua. Volumen 8
Primera edición (2010)
Segunda edición (2013)
Se terminó de imprimir en noviembre de 2013
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