hu m e d al e s d e r e s i d u al es a p l i c a b l e e n … · autónoma de méxico (unam)....

H U M E D A L E S D E T R A T A M I E N T O : A L T E R N A T I V A D E S A N E A M I E N T O D E A G U A S

R E S I D U A L E S A P L I C A B L E E N A M R I C A L A T I N A

Humedales de Tratamiento: Alternativa de Saneamiento

2

PRLOGO

Los humedales de tratamiento se han consolidado en las ltimas dcadas como una tecnologa

confiable y eficiente para el tratamiento de diversos tipos de aguas residuales. Su uso est

ampliamente extendido en diversos pases europeos y de america del norte, principalmente, en

dnde se utiliza como tratamiento biolgico secundario o terciario. Mientras que, en la mayora

de pases en desarrollo de Amrica Latina, donde las condiciones climticas son altamente

favorables, su uso es limitado.

Esta tecnologa, en apariencia simple, requiere de un conocimiento profundo de los diferentes

componentes, as como de los criterios de diseo para que su construccin y funcionamiento sean

adecuados. Dicho conocimiento se ha generado principalmente en Europa y Estados Unidos, por

lo que existe una abundante literatura especializada, escrita en ingls. Adems, tales

conocimientos y criterios de diseo se han generado principalmente en climas fros y templados.

En los humedales utilizados para el tratamiento de vertidos y/o lodos, las condiciones climticas

influyen de manera importante en el diseo y operacin. Por lo tanto, existe un vaco con respecto

al conocimiento que se est generado en otras regiones del mundo, en particular en Amrica

Latina, en dnde el idioma principal es el espaol.

El presente libro pretende llenar ese vaco de informacin existente en espaol, sobre los

humedales de tratamiento como una tecnologa potencialmente aplicable en Amrica Latina. El

libro, adems muestra parte del conocimiento que se est generando en esta regin, en particular

en pases como Mxico, Chile, Argentina y Colombia, escrita por investigadores con trayectorias

ampliamente reconocidas en sus respectivos pases y a nivel internacional.

Mara Teresa Alarcn Herrera Florentina Zurita Martnez Jaime A. Lara-Borrero Gladys Vidal

Autores: Co-Autores

MA. TERESA ALARCN-HERRERA LILIANA REYNOSO CUEVAS

FLORENTINA ZURITA MARTNEZ ALLAN TEJEDA ORTEGA

HAVALEND STEINMULLER

JOHN R. WHITE

NGELES XITLALLI TORRES BOJORGES

HERNAN R. HADAD MA. DE LAS MERCEDES MUFARREGE

ALFREDO GARCA-PREZ

GLADYS VIDAL DANIELA LPEZ

CAROLINA REYES

MARIO SEPLVEDA

CATALINA PLAZA DE LOS REYES

NORMA PEREZ

GABRIELA MORALES

ALEX SCHWARZ

M.ALEJANDRA MAINE GISELA ALFONSINA DI LUCA

GABRIELA C. SNCHEZ

JAIME A. LARA-BORRERO

ARMANDO RIVAS

GABRIELA MOELLER

ISMAEL LEONARDO VERA PUERTO

Editores:

DRA. MARA TERESA ALARCN HERRERA

DRA. FLORENTINA ZURITA MARTNEZ

DR. JAIME A. LARA-BORRERO

DRA. GLADYS. VIDAL

ISBN: 978-958-781-235-0

Primera edicin: mayo 2018

La reproduccin total o parcial de esta obra, en cualquier forma que sea, idntica o modificada. Escrita

a mquina o por sistema , mimegrafo, impreso en fotocopia, fotoduplicacin o

cualquier otra no autorizada por los autores o editor, viola los derechos reservados. Cualquier utilizacin

debe ser previamente solicitada por escrito.

EDITORES

Dra. MA. TERESA ALARCN HERRERA. Es Profesora e Investigadora del Dpto. de Energas Renovables y Proteccin al Medio Ambiente. Realiz estudios de Ingeniera Qumica en el Instituto Tecnolgico de Durango. Maestra en Ingeniera en la Universidad Autnoma de Mxico y de Doctorado en Ingeniera Ambiental en la Universidad de Windsor, Canad (1994). Especialidad en Tratamiento de Agua en el Instituto de Ciencias Aplicadas de Toulouse, Francia (1979) y en la Universidad de Hannover en Alemania (1985). La Dra. Alarcn Herrera es Investigadora Nivel II, dentro del Sistema Nacional

de Investigadores en Mxico. Tiene experiencia profesional de trabajo en la Comisin de Seguridad Nuclear y Salvaguardias y el Instituto de Investigaciones Elctricas en Mxico. Como investigadora dentro del CIMAV, ha contribuido a la formacin de alumnos de Maestra y Doctorado en el programa de posgrado de Ciencia y Tecnologa Ambiental. Teniendo bajo su direccin diferentes proyectos de investigacin relacionados con la calidad y tratamiento de agua y la remediacin de sitios contaminados con metales y metaloides. Una de las lneas de investigacin es la remocin de flor y arsnico. Es evaluadora de proyectos de investigacin, nacionales e internacionales, y de publicaciones internacionales como: Ecological Engineering, Water, Air, & Soil Pollution, Water Science and Technology, Water Supply, Water Research, Journal of Hazardous Materials, entre otras. Dirige proyectos nacionales e internacionales de investigacin, financiados por diversas agencias, entre ellas la Agencia Espaola de Cooperacin Internacional para el Desarrollo (AECID). Public ms de 170 trabajos cientficos en revistas y congresos nacionales e internacionales.

Dra. FLORENTINA ZURITA MARTNEZ. Actualmente es Profesora Investigadora Titular C en el Departamento de Ciencias Tecnolgicas del Centro Universitario de la Cinega de la Universida de Guadalajara. Obtuvo el grado de Maestra en Ingeniera (opcin ambiental) en la Divisin de Estudios de Posgrado de la Facultad de Ingeniera de la Universidad Nacional Autnoma de Mxico (UNAM). Realiz su tesis de maestra en el Instituto

Mexicano de Tecnologa del Agua. Obtuvo el grado de Doctora en Ciencia y Tecnologa en el rea de ingeniera ambiental, en el Centro de Investigacin y Asistencia en Tecnologa y Diseo del Estado de Jalisco (CIATEJ). Es evaluadora de proyectos nacionales y rbitro de revistas internacionales como Journal of Ecological Engineering, Water Science and Technology, Environmental Technology, Water and Journal of Health, entre otras. Desde el ao 2004 se ha enfocado a la investigacin sobre humedales de tratamiento y fitorremediacin para la remocin de contaminantes convencionales, metales pesados y emergentes de aguas y aguas residuales. Sobre esta lnea de investigacin ha dirigido numerosas tesis de licenciatura, maestra y doctorado y generado diversas publicaciones cientficas. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel I. Pertenece a la International Water Association y a la Constructed Wetland Association (Reino Unido).

Dr. JAIME A. LARA-BORRERO. Actualmente es Profesor Investigador Titular en el Departamento de Ingeniera Civil de la Pontificia Universidad Javeriana de Bogot, Universidad donde realiz sus estudios de pregrado obteniendo el ttulo de Ingeniero Civi. Obtuvo el grado de Maestra en Ingeniera y Gestin Ambiental en la Universidad Politcnica de Catalua y de Doctorado en Ingeniera de Caminos, Canales y Puertos (Enfasis en Ingeniera Sanitaria y Ambiental) en la Universidad Politcnica de Madrid. El Dr. Lara-Borrero es actualmente Investigador Asociado

dentro del Sistema nacional de investigaodres de Colciencias en Colombia, donde es adems Par evaluador reconocido. Es evaluador de proyectos nacionales y rbitro de revistas nacionales e internacionales. Desde el ao 1999 ha venido trabajando con humedales construidos para tratamiento de distintos tipos de efleuntes, entre ellos, lixiviados de rellenos sanitarios, aguas residuales domsticas, aguas de escorrenta y recientmenete contaminantes emergentes. Trabajos estos de los que han salido numerosas tesis de pregrado, maestra y doctorado y diversas publicaciones cientficas. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel I. Pertenece a la International Water Association IWA y a la Asociacin Colombiana de Ingeniera Sanitaria y Ambiental ACODAL y en la actualidad es parte del grupo directivo de la Red Panamericana de Sistemas de Humedales. Public ms de 80 trabajos cientficos en revistas y congresos nacionales e internacionales.

DRA. GLADYS VIDAL. Es Ingeniera Civil Industrial con mencin en Agroindustria y Doctora en Ciencias Qumicas (Programa de Biotecnologa Ambiental) por la Universidad de Santiago de Compostela, Espaa (1995). Actualmente es Profesora Titular de la Facultad de Ciencias Ambientales y Centro EULA-Chile de la Universidad Concepcin y coordinadora del Grupo de Ingeniera y Biotecnologa Ambiental de la misma Facultad. Es gua de 15 tesis doctorales, 6 de magster y ms de 100 de pregrado y profesor responsable de 8 postdoctorados. Ha sido editora de 7 libros y

autora de 33 captulos de libros, ms de 110 artculos en revistas indexadas (ISI) y ms de 30, en otras revistas con Comit Editorial. La calidad de las publicaciones de la Dra. Vidal se pone de manifiesto a travs de su ndice de impacto (ndice h: 21, de acuerdo a la base ISI Web of Knowledge). Ha liderado y participado en proyectos internacionales con la Unin Europea, USA, Espaa, Alemania, Colombia y Panam, entre otros y en otros 33 proyectos nacionales de investigacin. Actualmente es investigadora principal de un Centro de Recursos Hdricos para la Agricultura y la Minera (CRHIAM) de CONICYT, en el rea de las tecnologas para la gestin del agua. La Dra. Vidal ha participado en diferentes comisiones regionales y nacionales relacionadas con polticas de formacin de capital humano, investigacin, innovacin y transferencia tecnolgica. Actualmente, a nivel internacional es Chair del Grupo de Especialistas de la Industria Forestal de la IWA (International Water Association).


7

CAPTULOS

2 HUMEDALES DE TRATAMIENTO

2.1 Clasificacin de los humedales 2.2 Elementos constitutivos de un humedal (medio filtrante, plantas, ) 2.3 Ciclos biogeoqumico 2.4 Caractersticas hidrulicas

a M. Teresa Alarcn Herrera, b Liliana Reynoso Cuevas. a Centro de Investigacin en Materiales Avanzados (CIMAV) Durango. Victoria 147 Centro Histrico, 34000 Durango Dgo., Mxico. Autor de correspondencia: [email protected] Telfono: +52618 b CONACYT Ctedras, comisionada a Centro de Investigacin en Materiales Avanzados, S.C., CIMAV Unidad Durango. Victoria 147 Norte, Centro Histrico, C.P. 34000, Durango, Dgo., Mxico.

3 LA VEGETACION EN LOS HUMEDALES DE TRATAMIENTO.

3.1 Clasificacin de la vegetacin. Hernn Ricardo Hadad. Qumica Analtica, Facultad de Ingeniera Qumica, Universidad Nacional del Litoral, Santiago del Estero 2829, Santa Fe (3000), Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Cientficas y Tcnicas (CONICET). Autor de correspondencia: [email protected]

3.2 Mecanismos de adaptacin de las macrfitas a las condiciones de inundacin.

Florentina Zurita Martnez. Laboratorio de Calidad Ambiental. Centro Universitario de la Cinega. Universidad de Guadalajara. Av. Universidad # 1115. Ocotln, Jalisco Mxico. Autor de correspondencia: [email protected]

3.3 Funcin de las plantas Hernn Ricardo Hadad; Ma. de las Mercedes Mufarrege. Qumica Analtica, Facultad de Ingeniera Qumica, Universidad Nacional del Litoral, Santiago del Estero 2829, Santa Fe (3000). Autor de correspondencia: [email protected]

3.4 Plantas ornamentales Florentina Zurita Martnez, Allan Tejeda Ortega. Laboratorio de Calidad Ambiental. Centro Universitario de la Cinega. Universidad de Guadalajara. Av. Universidad # 1115. Ocotln, Jalisco Mxico. Autor de correspondencia: [email protected]
mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]

3.5 Plantas cosechables para consumo . Alfredo Garcia-Perez. LaGrange County Health Department. Environmental Health Office. LaGrange, IN 46761 Autor de correspondencia: [email protected]

4 PROCESOS DE TRANSFORMACIN Y REMOCIN DE CONTAMINANTES EN LOS

HUMEDALES DE TRATAMIENTO.

4.1 Materia orgnica y slidos suspendidos

a Daniela Lpez, a Carolina Reyes, a Mario Seplveda y a Gladys Vidal. a Grupo de Ingeniera y Biotecnologa Ambiental, Facultad de Ciencias Ambientales y Centro EULA-Chile, Universidad de Concepcin. Barrio Universitario s/n, Concepcin Chile. Autor de correspondencia: [email protected]

4.2 El Ciclo del Nitrgeno en los humedales

Havalend Steinmullera, John R. Whitea, Florentina Zurita Martnezb aWetland & Aquatic Biogeochemistry Laboratory, Department of Oceanography and Coastal Sciences, Louisiana State University, Baton Rouge, USA. b Laboratorio de Calidad Ambiental, Centro Universitario de la Cinega. Universidad de Guadalajara. Av. Universidad # 1115. Ocotln, Jalisco Mxico. Autor por correspondencia: [email protected]

4.3 Patgenos

Florentina Zurita Martnez, ngeles Xitlalli Torres Bojorges. Laboratorio de Calidad Ambiental, Centro Universitario de la Cinega. Universidad de Guadalajara. Av. Universidad # 1115. Ocotln, Jalisco Mxico. Autor por correspondencia: [email protected]

4.4 Metales y metaloides

Gisela Alfonsina Di Luca; Mara Alejandra Mainea Qumica Analtica, Facultad de Ingeniera Qumica, Universidad Nacional del Litoral, Santiago del Estero 2829, Santa Fe (3000), Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Cientficas y Tcnicas (CONICET). aAutor por correspondencia: [email protected]

5 DISEO Y CONSTRUCCIN DE HUMEDALES DE TRATAMIENTO

5.1 Diseo de Humedales de Tratamiento. Jaime A. Lara-Borrero. Departamento de Ingeniera Civil. Facultad de Ingeniera. Pontificia Universidad Javeriana. Calle 40 No. 5 -50. Bogot, Colombia. Email: [email protected]

5.2 Construccin de humedales de flujo sub-superficiales vertical /horizontal

Armando Rivas Hernndez. Instituto Mexicano de Tecnologa del Agua. Paseo Cuauhnhuac 8532, Col. Progreso. Jiutepec, Mor. E-mail: [email protected]

6 APLICACIONES ESPECFICAS

6.1 Tratamiento de aguas residuales

Catalina Plaza de los Reyes y Gladys Vidal* Centro de Ciencias Ambientales EULA-Chile. Universidad de Concepcin. Barrio Universitario s/n, Concepcin, Casilla 160-C, Chile. Telfono: 56-041-2204067, Fax: 56-041-2207076. *Autor por correspondencia: [email protected]

6.2 Tratamiento de efluentes mineros

Norma Pereza, Gabriela Moralesb, Alex Schwarza, Ma. Teresa Alarcn-Herrerad, Gladys Vidalb* aDepartamento de Ingeniera Civil, Facultad de Ingeniera, Universidad de Concepcin. Barrio Universitario s/n, Concepcin Chile. bGrupo de Ingeniera y Biotecnologa Ambiental, Facultad de Ciencias Ambientales y Centro EULA-Chile, Universidad de Concepcin. Barrio Universitario s/n, Concepcin Chile. dCentro de Investigacin en Materiales Avanzados, S.C., CIMAV Unidad Durango. Victoria 147 Norte, Centro Histrico, Durango, Dgo., Mxico. C.P. 34000. *Autor por correspondencia: [email protected]

6.3 Tratamiento de efluentes de la industria metalrgica

Mara Alejandra Mainea, b,*, Gabriela C. Sncheza aQumica Analtica, Facultad de Ingeniera Qumica, Universidad Nacional del Litoral, Santiago del Estero 2829, Santa Fe (3000), Argentina. bConsejo Nacional de Investigaciones Cientficas y Tcnicas (CONICET). *Autor por correspondencia: [email protected]

6.4 Estabilizacin de lodos residuales

Gabriela E. Moeller Chvez. Universidad Politcnica del Estado de Morelos. Boulevard Cuauhnhuac No. 566 Col. Lomas del Texcal, Jiutepec, Morelos. Mxico.

7 ESTRATEGIAS DE MEJORA

7. Estrategias para intensificar los procesos depurativos en los humedales construidos

Ismael Leonardo Vera Puerto a,b a Investigador asociado externo. Centro de Investigacin y Desarrollo en Recursos Hdricos (CIDERH) Universidad Arturo Prat Vivar 493, 3er Piso, Iquique (Chile). Tel. +56-57-2530800. a a b Profesor Auxiliar. Departamento de Obras Civiles, Facultad de Ciencias de la Ingeniera, Universidad Catlica del Maule Av. San Miguel 3605, Talca (Chile). Tel. +56-71-2203534. E-mail: [email protected], [email protected], [email protected]
mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]


11

NDICE

PRLOGO ............................................................................................................................................................... 2

EDITORES .............................................................................................................................................................. 5

CAPTULOS ............................................................................................................................................................ 7

NDICE .................................................................................................................................................................. 11

1 INTRODUCCION ........................................................................................................................................ 14

2 HUMEDALES DE TRATAMIENTO ......................................................................................................... 15

2.1 Clasificacin de los humedales .............................................................................................................................. 15 2.1.1 Humedales construidos ............................................................................................................................................ 19

2.2 Elementos constitutivos de un humedal ............................................................................................................... 21

2.3 Ciclos Biogeoqumicos ........................................................................................................................................... 22 2.3.1 Tipos de ciclos biogeoqumicos ................................................................................................................................ 23 2.3.2 Ciclo del Carbono ..................................................................................................................................................... 23 2.3.3 Ciclo del Nitrgeno ................................................................................................................................................... 24 2.3.4 Ciclo del Fsforo ....................................................................................................................................................... 26 2.3.5 Ciclo del Agua ........................................................................................................................................................... 27 2.3.6 Ciclo del Oxgeno ...................................................................................................................................................... 28 2.3.7 Ciclo del Azufre ......................................................................................................................................................... 29

2.4 Caractersticas hidrulicas ..................................................................................................................................... 30

3 LA VEGETACIN EN LOS HUMEDALES DE TRATAMIENTO ........................................................ 34

3.1 Clasificacin de la vegetacin en los humedales ................................................................................................... 34 3.1.1 Formas de vida de macrfitas .................................................................................................................................. 34 3.1.2 Seleccin de las plantas a utilizar en los humedales de tratamiento ....................................................................... 35

3.2 Mecanismos de adaptacin de las MACRFITAS A las condiciones de inundacin ................................................ 45 3.2.1 El agotamiento de oxgeno en suelos inundados y su efecto en las plantas............................................................ 45 3.2.2 Adaptaciones morfolgicas y fisiolgicas de las macrfitas para sobrevivir en condiciones saturadas de agua .... 46

3.3 Funcin de las plantas en los humedales de tratamiento ...................................................................................... 54 3.3.1 Acumulacin de contaminantes en los tejidos de las macrfitas ............................................................................ 56 3.3.2 Crecimiento y dispersin de macrfitas ................................................................................................................... 59 3.3.3 Dinmica ecolgica en humedales de tratamiento .................................................................................................. 61


12

3.4 Plantas ornamentales en los humedales de tratamiento ...................................................................................... 67 3.4.1 Seleccin de especies ornamentales ........................................................................................................................ 67 3.4.2 Especies ornamentales de valor comercial como flor de corte, evaluadas para su uso en humedales de tratamiento ................................................................................................................................................................................ 69

3.5 Plantas cosechables para consumo o produccin de materias primas ................................................................... 79 3.5.1 Antecedentes sobre el uso de aguas residuales....................................................................................................... 79 3.5.2 Importancia de los nutrientes en el reuso de aguas residuales ............................................................................... 80 3.5.3 Uso de humedales construidos en el Condado de LaGrange ................................................................................... 81 3.5.4 El futuro de los HC para producir materias primas .................................................................................................. 85

4 PROCESOS DE TRANSFORMACIN Y REMOCIN DE CONTAMINANTES EN LOS HUMEDALES DE TRATAMIENTO ................................................................................................................. 92

4.1 Materia orgnica y slidos suspendidos ................................................................................................................ 92 4.1.1 Caracterizacin de la materia orgnica .................................................................................................................... 92 4.1.2 Eliminacin de materia orgnica y slidos suspendidos mediante humedales construidos ................................... 94 4.1.3 Consideraciones sobre la sustentabilidad de los humedales construidos ............................................................... 99

4.2 El ciclo del nitrgeno en los humedales ............................................................................................................... 107 4.2.1 Mineralizacin del nitrgeno ................................................................................................................................. 109 4.2.2 Inmobilizacin del N Captacin por las plantas y microorganismos ................................................................... 110 4.2.3 La Nitrificacin ........................................................................................................................................................ 111 4.2.4 La volatilizacin de amonaco ................................................................................................................................ 112 4.2.5 Reduccin de Nitrato (Desnitrificacin desasimilatoria de nitrato, Reduccin Reduccin asimilatoria de Nitrato). 113 4.2.6 Oxidacin anaerbica de amonio (ANAMMOX) ..................................................................................................... 115 4.2.7 Fijacin biolgica del N ........................................................................................................................................... 115 4.2.8 Consideraciones en el manejo de humedales ........................................................................................................ 116

4.3 Patgenos ........................................................................................................................................................... 121 4.3.1 Organismos indicadores de la calidad del agua ..................................................................................................... 123 4.3.2 Eficiencias de remocin de patgenos en los humedales de tratamiento ............................................................ 124 4.3.3 Mecanismos de remocin de patgenos mediante humedales de tratamiento ................................................... 125

4.4 Metales y metaloides .......................................................................................................................................... 132 4.4.1 Acumulacin y especiacin de contaminantes en el sedimento............................................................................ 133 4.4.2 Adsorcin e intercambio catinico ......................................................................................................................... 135 4.4.3 Condiciones de Potencial RedoxpH del sedimento ............................................................................................. 136 4.4.4 Sedimentacin ........................................................................................................................................................ 138 4.4.5 Procesos mediados por microorganismos ............................................................................................................. 138 4.4.6 Rol de las macrfitas .............................................................................................................................................. 139

5 DISEO Y CONSTRUCCIN DE HUMEDALES DE TRATAMIENTO............................................ 146

5.1 DISEO DE Humedales de tratamiento ............................................................................................................... 146 5.1.1 Pretratamiento ....................................................................................................................................................... 146 5.1.2 Dimensionamiento, Humedales de Flujo libre HFS .............................................................................................. 146 5.1.3 Diseo hidrulico .................................................................................................................................................... 154 5.1.4 Flujo Subsuperficial Horizontal HFSS ................................................................................................................... 157 5.1.5 Humedales verticales HFV ................................................................................................................................... 161


13

5.1.6 Humedales Verticales Sistema francs................................................................................................................... 162 5.1.7 EJEMPLOS DE DISEO ............................................................................................................................................ 163 5.1.8 Humedal de flujo libre HFS ................................................................................................................................... 164 5.1.9 Humedal de flujo subsuperficial HFSS ................................................................................................................. 174

5.2 Construccin de humedales de tratamiento ....................................................................................................... 192 5.2.1 Acciones previas a la construccin. ........................................................................................................................ 193 5.2.2 Aspectos generales previos y durante la construccin. ......................................................................................... 194

6 APLICACIONES ESPECFICAS .............................................................................................................. 202

6.1 Tratamiento de aguas Residuales ........................................................................................................................ 202 6.1.1 CONCEPTOS BSICOS RELACIONADOS CON HUMEDALES CONSTRUIDOS ............................................................. 202 6.1.2 Principales configuraciones de humedales construidos ........................................................................................ 206 6.1.2.1 - Humedal de Flujo Superficial (HFS). ......................................................................................................... 207 6.1.3 Depuracin de aguas residuales ............................................................................................................................. 208 6.1.4 Depuracin de aguas residuales industriales ......................................................................................................... 209

6.2 Tratamiento de Efluentes Mineros ...................................................................................................................... 216 6.2.1 Efluentes mineros .................................................................................................................................................. 216 6.2.2 Origen del DAM ...................................................................................................................................................... 217 6.2.3 Aspectos ambientales producto de la actividad minera ........................................................................................ 218 6.2.4 Tecnologas para tratamiento de DAM .................................................................................................................. 218 6.2.5 Elementos para la toma de decisiones y seleccin de tecnologa de tratamiento ................................................ 224 6.2.6 Experiencias de la aplicacin de sistemas pasivos y casos de estudio ................................................................... 224 6.2.7 Consideraciones para la gestin de DAM desde la perspectiva del desarrollo sustentable .................................. 232

6.3 Tratamiento de efluentes de la industria metalrgica ......................................................................................... 238 6.3.1 Caso 1: Humedal para tratamiento de efluentes de una industria metalrgica para fabricacin de herramientas 238 6.3.2 Caso 2: Humedal para tratamiento de efluentes de una empresa metalrgica dedicada al cromado de piezas de gran tamao ........................................................................................................................................................................ 244

6.4 Estabilizacin de lodos residuales ....................................................................................................................... 250 6.4.1 Tipo de lodos residuales y su tratamiento ............................................................................................................. 250 6.4.2 Tratamiento de lodos mediante humedales .......................................................................................................... 251 6.4.3 Diseo de los lechos y aplicacin de los lodos ....................................................................................................... 253 6.4.4 Medio de empaque y plantas ................................................................................................................................. 255 6.4.5 Desempeo de los sistemas y eficiencia de tratamiento ....................................................................................... 256

7 ESTRATEGIAS PARA INTENSIFICAR LOS PROCESOS DEPURATIVOS EN LOS HUMEDALES CONSTRUIDOS ................................................................................................................................................. 259

7.1.1 Provisin de sustratos orgnicos externos en la fase lquida ................................................................................. 260 7.1.2 Modificacin de las condiciones de xido-reduccin ............................................................................................ 261 7.1.3 Mejoramiento de la interaccin con el medio de soporte ..................................................................................... 264 7.1.4 Integracin de nuevos micro/macro organismos y condiciones ambientales ....................................................... 266


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1 INTRODUCCION

Los humedales de tratamiento (HT), tambin conocidos como construidos o artificiales son sistemas de tratamiento de aguas residuales, diseados especficamente para separar los contaminantes del agua residual y llevar a cabo el manejo y disposicin de residuos de forma apropiada. En forma opuesta a los humedales naturales (pantanos, cinagas, marismas etc.) los cuales se consideran parte del ambiente receptor y no parte de un sistema de tratamiento. Los humedales naturales estn sujetos a las leyes y normatividad aplicable en lo referente a proteccin de descargas en el ambiente natural.

Desde hace aproximadamente ms de cuarenta aos, los sistemas de humedales construidos se han utilizado en determinadas zonas de Europa para tratar las aguas residuales de pequeos municipios. En la actualidad estos sistemas se estn aplicando de forma creciente en todo el mundo, en muchos pases, para tratar aguas residuales de diferentes tipos, entre ellas las aguas residuales domsticas, industriales, drenajes cidos de minas, desechos agrcolas y ganaderos, lixiviados de rellenos sanitarios, asi como la degradacin de compuestos orgnicos persistentes.

Por definicin los HT, son sistemas no-mecnicos que dependen de la naturaleza para llevar a cabo su trabajo, el cual en los sistemas mecnicos es mejorado a travs de la optimizacin de las reacciones cinticas. Son considerados obras de ingeniera. La proyeccin fsica del sistema es diseada para minimizar al mximo cortos circuitos y zonas muertas. Las plantas y los microorganismos tienen a su vez un papel muy importante dentro del sistema, que tendr una influencia muy alta en la eficiencia global del mismo.

En el espectro de la tecnologa de tratamiento de aguas residuales, los HC son sistemas de baja velocidad. Son sistemas simples y a la vez muy complejos porque incorporan diversos aspectos tales como: Procesos de precipitacin, adsorcin, absorcin, reacciones qumicas, crecimiento bacteriano que se presentan tanto en sistemas de de lodos activados, como de pelcula adherida, remocin de nutrientes, (nitrificacin y desnitrificacin) aspectos avanzados de mecnica de fluidos y biologa de plantas. Al igual que en los sistemas de tratamiento convencional de aguas residuales, las plantas de los humedales remueven nutrientes (nitrgeno y fsforo) para la produccin de biomasa a travs de absorcin y asimilacin. Estos sistemas tienen la habilidad nica de transportar oxgeno para permitir que las races crezcan en medios anaerobios. Adems de llevar el oxgeno a las races de las plantas, ste oxigeno es liberado en el medio del agua y suelo circundantes incrementando de esta forma la capacidad del sistema para la descomposicin aerobia de los contaminantes.

El uso de humedales de tratamiento para el saneamiento de aguas residuales es cada vez ms aceptado en diferentes partes del mundo. Hoy en da los humedales de flujo subsuperficial son comunes en diferentes pases europeos como Inglaterra, Francia, Dinamarca, Alemania e Italia entre otros, siendo tambin apropiados para los pases Latinoamericanos, solo que se requiere de una mayor difusin y comprencion del funcionamiento de estos sistemas de tratamiento para las condiciones ambientales propias.


15

2 HUMEDALES DE TRATAMIENTO

2.1 CLASIFICACIN DE LOS HUMEDALES

Debido a que los humedales representan un gradiente entre ambientes acuticos y terrestres, no hay una definicin universalmente reconocida sobre estos ecosistemas, generndose as, confusiones e inconsistencias en su clasificacin, inventario y manejo (Mitsch y Gosselink, 2000). Un elevado nmero de sistemas de clasificacin de humedales se han diseado alrededor del mundo siguiendo diversos criterios, que, en algunos casos, son aplicables a sistemas especficos, con carcter local o para aplicaciones o necesidades de manejo concretas. Cada sistema de clasificacin es un intento por integrar la vegetacin dominante del humedal e implcita o explcitamente, asociarla a diferentes escenarios de condiciones ambientales (Keddy, 2004).

La Convencin Relativa a los Humedales de Importancia Internacional, comnmente referida como La Convencin de Ramsar, por el nombre de la ciudad de Irn en que fue adoptada en 1971, se establece originalmente por la preocupacin que exista desde principios de la dcada de los aos 60, acerca de la disminucin de las poblaciones de aves acuticas y su hbitat. Sin embargo, a travs de los aos, la Convencin ha ampliado su inquietud a todos los aspectos referidos al uso racional y conservacin de los humedales. La Convencin en 1996 contaba con 96 pases como partes contratantes y 859 Sitios Ramsar (Berlanga-Robles, 2008). Para efectos de la Convencin, son humedales las extensiones de marismas, pantanos y turberas, o superficies cubiertas de aguas, sean stas de rgimen natural o artificial, permanentes o temporales, estancadas o corrientes, dulces, salobres o saladas, incluidas las extensiones de agua marina cuya profundidad en marea baja no exceda de seis metros. En la Tabla 1, se muestra el esquema general de la clasificacin de los humedales segn los criterios de la Convencin de Ramsar.

Tabla 1. Clasificacin de la Convencin sobre los Humedales de la Convencin de Ramsar.

Humedales Marinos Costeros

Marinos Submareal Aguas marinas someras permanentes Lechos marinos submareales Arrecifes de coral

Intermareal Costas marinas rocosas Playas de arena o guijarros

Estuarino Submareal Estuarios J. Lagunas costeras saladas K. Lagunas costeras de agua dulce

Intermareal Bajos intermareales Pantanos y esteros Humedales intermareales arbolados

Fluvial Permanente L. Deltas interiores M. Ros, arroyos permanentes Y. Manantiales de agua dulce

Estacionales/ intermitentes

N. Ros, arroyos estacionales/intermitentes

Lacustre Permanente O. Lagos permanentes de agua dulce (>8 ha) Tp. Pantanos/esteros/charcas permanentes de agua dulce (


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Humedales continentales

Q. Lagos permanentes salinos (>8 ha) Sp. Pantanos/esteros/charcas permanentes salobres (8 ha) Ts. Pantanos/esteros/charcas estacionales/intermitentes de agua dulce R. Lagos y zonas inundadas estacionales/intermitentes salobres Ss. Pantanos/esteros/charcas estacionales/intermitentes salobres

Palustres Permanente Tp. Pantanos/esteros/charcas permanentes de agua dulce (


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Tabla 2. Esquema de clasificacin de los humedales segn Cowardin et al. (1979).

Sistema Subsistema Clase

Marino

Submareal

Fondo rocoso Fondo no consolidado Lecho acutico Arrecife

Intermareal

Lecho acutico Arrecife Literal rocoso Literal no consolidado

Estuarino

Submareal

Fondo rocoso Fondo no consolidado Lecho acutico Arrecife

Intermareal

Lecho acutico Arrecife Lecho corriente Literal rocoso Literal no consolidado Humedal emergente Humedal arbustivo Humedal forestal

Fluvial

Mareal

Fondo rocoso Fondo no consolidado Lecho acutico Litoral rocoso Litoral no consolidado Humedal emergente

Perenne inferior


Perenne superior

Fondo rocoso Fondo no consolidado Lecho acutico Litoral rocoso Litoral no consolidado

Intermitente

Lecho corriente


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Sistema Subsistema Clase

Lacustre

Limntico Fondo rocoso Fondo no consolidado Lecho acutico

Litoral


Palustre

Fondo rocoso Fondo no consolidado Lecho acutico Literal no consolidado Humedal de musgos y lquenes Humedal emergente Humedal arbustivo Humedal forestal

Clasificaciones como las de Cowardin et al. (1979) y Ramsar estn inherentemente relacionadas a atributos biolgicos, lo que resulta en una complejidad que no necesariamente debe transferirse a las partes primarias de una clasificacin de ecosistemas. Una clasificacin alternativa a las clasificaciones inherentemente biolgicas es la propuesta geomorfolgica de Semeniuk y Semeniuk (1995), la cual resalta las caractersticas bsicas presentes en todos los humedales: la geoforma y el rgimen de agua (Tabla 3).

Tabla 3. Clasificacin geomorfolgica de los humedales segn Semeniuk y Semeniuk (1995).

Unidades primarias Forma terrestre

Rgimen de agua Cubeta Canal Planicie Pendiente Montaas

Permanentemente inundadoa Estacionalmente inundadoa Intermitentemente inundadoa Estacionalmente saturadob

Lago Charca Playa Depresin hmeda

Ro Riachuelo Canal de drenaje Zanja

Planicie de inundacin Llanos inundados Llanura hmeda

Pendiente hmeda

Colina hmeda

Observaciones: a Rgimen inundado. Suelos cubiertos con agua y el suelo; debajo de la superficie tambin est saturado. b Saturado. Suelos saturados con agua, aunque no inundados en la superficie.

Las diferencias fundamentales en la aproximacin geomorfolgica con la mayora de las otras clasificaciones son el reconocimiento de los sistemas acuticos y sus lneas litorales como un solo sistema, se dirige a las caractersticas fundamentales de todos los humedales, independientemente del clima, atributos biogeogrficos o fisiogrficos/geolgicos, tipos de agua, mecanismos de suministro de agua y origen. La gran desventaja de esta


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clasificacin con respecto a otros sistemas, es que, en su diseo nicamente se consideran humedales naturales e interiores y a diferencia de otros sistemas, requiere de mayor capacitacin para su implementacin.

2.1.1 Humedales construidos

Los humedales construidos consisten principalmente en estanques poco profundos en los que se implantan especies vegetales adaptadas a la vida acutica y en los que la depuracin se basa en procesos naturales de tipo microbiolgico, biolgico, fsico y qumico. Su diseo es muy variado, pero siempre incluye canalizaciones, aislamiento del suelo para evitar el paso de la contaminacin a los ecosistemas circundantes y el control del flujo del efluente en cuanto a su direccin, flujo, tiempo de retencin y nivel del agua (Curt, 2005).

Existe una variedad de terminologas que se emplean en la clasificacin de los humedales utilizando nombres intercambiables para un mismo sistema (Fonder y Headley, 2013). El Instituto Nacional de Ecologa, en el documento elaborado por Berlanga-Robles y Ruiz-Luna (2004), propone el uso de la clasificacin Ramsar para catalogar los humedales construidos, debido a que, es un sistema que resalta su origen antropognico. Por otro lado, Delgadillo et al. (2010) presenta una de las clasificaciones ms comunes para los humedales construidos, la cual se basa inicialmente en el tipo de vegetacin, y a partir de sta, se generan varias sub-clasificaciones (Figura 1). Sin embargo, tambin es frecuente encontrar una clasificacin ms general que abarca nicamente los sistemas a partir del tipo de flujo.

Figura 1. Esquema de clasificacin de los sistemas de depuracin con macrfitas. Elaborado a partir de Delgadillo et al., 2010.

Los humedales enraizados son aqullos en los que la vegetacin, por ejemplo, Typha latifolia (espadaa o junco), se encuentra plantada o fija en el sustrato que se coloca en el fondo del humedal. Los flotantes, consisten en estanques o canales de poca profundidad y en ellos, las plantas que se emplean no tienen raz fija al sustrato, sino que se desarrolla una especie flotante, por ejemplo, jacintos (Hidalgo et al., 2005). Los enraizados pueden ser de tres tipos: emergentes, sumergidos y flotantes (Delgadillo et al., 2010).


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Los enraizados emergentes tienen una sub-clasificacin de acuerdo al flujo de agua: flujo superficial y flujo sub-superficial. Los de flujo superficial (Figura 2), son aqullos en los que, el agua circula sobre la superficie del suelo con vegetacin desde un punto de entrada hasta el punto de descarga. Mientras que, en los de flujo sub-superficial hay dos variantes, de flujo horizontal y de flujo vertical. La vegetacin se planta en el medio, que puede ser desde grava gruesa hasta arena. La profundidad del lecho va desde 0.45 a 1 m y tiene una pendiente caracterstica de 0 a 5 %.

Figura 2. Esquema de un humedal de flujo superficial.

En los humedales de flujo sub-superficial horizontal (Figura 3a), el agua circula horizontalmente a travs del sustrato de manera continua al ser aplicada en la parte superior de un extremo y recogida por un tubo de drenaje en la parte opuesta inferior, favoreciendo las condiciones anaerobias al mantenerse el nivel del agua por debajo del sustrato (Brix, 2003; Delgadillo et al., 2010). En los de flujo sub-superficial vertical (Figura 3b), el agua circula verticalmente a travs del sustrato de manera intermitente y en ellos se reciben las aguas residuales de arriba hacia abajo, a travs de un sistema de tuberas de conduccin de agua, favoreciendo la aireacin y condiciones aerobias (Delgadillo et al., 2010).

Figura 3. Esquema simplificado de un humedal artificial de flujo sub-superficial horizontal (a) y vertical (b).


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Los humedales construidos de flujo sub-superficial vertical tienen la ventaja de que nitrifican, es decir, pasan el nitrgeno amoniacal a nitritos y nitratos y en algunos pases este paso es requisito obligado en el tratamiento de aguas. Los humedales artificiales reproducen la dinmica de los humedales naturales, y como stos, constituyen delicados ecosistemas, que combinan procesos fsicos, qumicos y biolgicos en un medio diseado, construido y manejado por el hombre. Es de vital importancia la actuacin e interaccin de los componentes vivos del sistema (microorganismos, hongos, algas, vegetacin y fauna) y el agua residual a tratar (Curt, 2005). El papel de la vegetacin en la eficacia de los sistemas de tratamiento con macrfitas, ha sido ampliamente debatido en el mbito cientfico. Es indudable que la vegetacin en los humedales artificiales es un componente fundamental, ya que el sistema de tratamiento est estrechamente relacionado con un tipo determinado de vegetacin. Por ejemplo, no pueden desarrollarse sistemas acuticos si no se dispone de plantas flotantes.

Los sistemas basados en plantas enraizadas sumergidas, tienen el tejido fotosinttico completamente embebido en el agua, pero generalmente las flores estn expuestas a la atmsfera. Los dos tipos predominantes son elodea (Elodea, Myriophyllum, Ceratophyllum) e isoetceas (Isoetes, Littorella, Lobelia) (Brix, 2003). En los sistemas que utilizan plantas flotantes predominan el jacinto de agua (Eichornia crassipes) y la lenteja de agua (Lemna spp).

La seleccin del tipo del humedal a emplear para una aplicacin particular radica en la composicin de las aguas residuales y el tipo de contaminante que desea removerse. En muchas ocasiones, se utiliza una combinacin de diferentes tipos de humedales, sistemas conocidos como hbridos.

2.2 ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE UN HUMEDAL

Los humedales construidos estn constituidos bsicamente por cuatro elementos: influente, sustrato, vegetacin y microorganismos.

Influente es el agua residual que entra al humedal y que puede ser domstica, industrial, o una mezcla, e incluso drenajes procedentes de eventos de precipitacin pluvial.

Sustrato se refiere a los materiales o medio filtrante que se colocan en el lecho del humedal y que entre sus funciones tienen el servir como soporte para las plantas y el desarrollo del ecosistema, y puede incluir todos o algunos de los siguientes elementos: arena, grava, suelo, composta, etc. Generalmente, se incluyen varias capas de arena y grava de diferentes graduaciones, segn las caractersticas del influente a tratar. El uso de arena gruesa contribuye a la eficiencia de los procesos de tratamiento, proporcionando la superficie para el crecimiento microbiano y soportando la adsorcin y los procesos de filtracin (Hoffmann et al., 2011).

Vegetacin son las especies vegetales o plantas que llevarn a cabo algunas de las funciones de depuracin del agua residual a tratar mediante procesos de adsorcin, fijacin, etc.

Microrganismos son el consorcio formado por organismos vivos que intervienen en las reacciones biolgicas del proceso de tratamiento.

En la prctica, los humedales se pueden realizar mediante una serie de canales impermeabilizados con una lmina plstica, por los que fluye el agua residual. Una consideracin importante, antes del vertido del agua residual bruta, es implementar un pretratamiento para eliminar los elementos gruesos, las arenas sedimentables, las materias slidas en suspensin y las grasas/aceites. En el caso de aguas industriales con elevada carga orgnica se debe considerar un sistema fsico-qumico o un decantador para disminuir una parte de dicha carga. La instalacin debe contar con un by-pass para poder desviar el exceso de caudal. La superficie del humedal, as


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como el rea a plantar, se determina de acuerdo al terreno disponible y la poblacin que se va a atender. La profundidad mnima requerida es de 0.5 m y 0.2 m de resguardo (Fernndez, 2005).

En los humedales, el sustrato est formado por el suelo que puede ser de arena, grava, roca y/o sedimentos. La principal caracterstica del medio es que debe ser permeable para permitir el paso de agua a travs de l. Por lo tanto, se prefieren suelos de tipo granular, principalmente grava con un dimetro de 5 mm aproximadamente. La importancia del sustrato radica en que soporta a los organismos vivos, influye en el movimiento del agua a travs del sistema, adems de que las transformaciones microbianas tienen lugar principalmente dentro del sustrato y de que ste almacena muchos contaminantes y acumula los restos de la vegetacin (incrementando las fuentes de carbono); la resistencia hidrulica del medio se relaciona con la velocidad de flujo y el caudal a tratar (Arias, 2004).

Las plantas son organismos fotoauttrofos; tienen la habilidad de transferir oxgeno desde la atmsfera a travs de hojas y tallos hasta el medio donde se encuentran las races, creando regiones aerobias donde los microorganismos utilizan el oxgeno disponible para producir diversas reacciones de degradacin de la materia orgnica (Delgadillo et al., 2010). Existe un gran nmero de plantas de humedales como los juncos de agua, eneas o espadaas (Typha sp.), esparganios (Sparganium sp.), diversas especies de juncos (Cyperus sp., Scirpus, Juncus, entre otros) y los carrizos (Phragmites sp.); el nmero de plantas recomendado es de 10 plantas por metro cuadrado.

Los microorganismos se encargan de realizar el tratamiento biolgico; en la zona superior del humedal, donde predomina el oxgeno liberado por las races de las plantas y el oxgeno proveniente de la atmsfera, se desarrollan colonias de microorganismos aerobios, mientras que en el resto del lecho granular predominarn los microorganismos anaerobios. Los principales procesos que llevan a cabo los microorganismos son la degradacin de la materia orgnica, la eliminacin de nutrientes y elementos traza y la desinfeccin (Arias, 2004).

Los principales microorganismos presentes en la biopelcula de los humedales son: bacterias, levaduras, hongos y protozoarios. La biomasa microbiana consume gran parte del carbono y muchos nutrientes. La actividad microbiana tiene la funcin de transformar un gran nmero de sustancias orgnicas e inorgnicas en sustancias inocuas e insolubles y alterar las condiciones de potencial de reduccin y oxidacin del sustrato afectando as a la capacidad de proceso del humedal. Asimismo, gracias a la actividad biolgica, muchas de las sustancias contaminantes se convierten en gases que son liberados a la atmsfera (Lara-Borrero, 1999).

2.3 CICLOS BIOGEOQUMICOS

Los humedales naturales son sistemas de flujo que maximizan la sostenibilidad a largo plazo a expensas de la eficiencia. A su vez, los humedales construidos con control preciso de hidrologa, que prevenga los eventos raros de flujo estacional, son ms predecibles y ms eficientes (Roldn y Ramrez, 2008). Los humedales intervienen en funciones fsicas de regulacin del ciclo hdrico superficial y de acuferos, retencin de sedimentos, control de erosin y estabilizacin microclimtica. Intervienen tambin en funciones qumicas como las de regulacin de ciclos biogeoqumicos (retencin, filtracin y liberacin), y descomposicin de biomasa terrestre, as como en la retencin de dixido de carbono (CO2).

El trmino de ciclo biogeoqumico deriva del movimiento cclico de los elementos que forman los organismos biolgicos, el ambiente geolgico y donde interviene un cambio qumico. Mientras que el flujo de energa en un ecosistema es abierto, ya que al ser utilizada para el mantenimiento de las funciones vitales de los seres vivos se degrada y disipa en forma de calor, no sigue un ciclo y fluye en una sola direccin, el flujo de materia es cerrado, ya que los nutrientes se reciclan, adems de que existe un intercambio entre formas biticas y abiticas.


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El ingreso de los diversos elementos a los ecosistemas ocurre principalmente a travs de la atmsfera, ya sea que se depositen en forma seca o hmeda o mediante la fijacin biolgica activa (CO2 y nitrgeno). Los aportes de nutrientes de origen geolgico al sistema provienen de la meteorizacin de minerales, los cuales ejercen un rol importante sobre la fertilidad del suelo y procesos biticos en los ecosistemas. En las regiones templado-hmedas, el flujo de nutrientes est ntimamente relacionado con el ciclo hidrolgico. Sin embargo, estos ciclos han sido alterados por las actividades antropognicas, como son la agricultura, ganadera, industria y la prdida de espacios forestales.

Los seres vivos estamos formados por elementos qumicos, fundamentalmente oxgeno, hidrgeno, carbono y nitrgeno, que en su conjunto suponen ms del 95 % del peso. El resto de los elementos, como fsforo, azufre, calcio, fierro y potasio, se encuentran presentes en cantidades muy pequeas. Algunos seres vivos son capaces de captar los elementos y compuestos de los depsitos yacentes en los que se acumulan, los cuales se van transfiriendo en las cadenas trficas de unos seres vivos a otros, y son sometidos a procesos qumicos que los van situando en distintas molculas. Es importante mencionar que los ciclos de los elementos mantienen una estrecha relacin con el flujo de energa en el ecosistema (Universidad de Navarra, 2000).

2.3.1 Tipos de ciclos biogeoqumicos

1.- Sedimentarios: los nutrientes circulan principalmente en la corteza terrestre (suelo, rocas, sedimentos, etc.), la hidrsfera y los organismos vivos. Los elementos en estos ciclos son generalmente reciclados mucho ms lentamente que en el ciclo gaseoso; adems, el elemento se transforma de modo qumico y con aportacin biolgica en un mismo lugar geogrfico. Los elementos son retenidos en las rocas sedimentarias durante largos periodos de tiempo, con frecuencias de miles a millones de aos. Ejemplos de este tipo de ciclos son el fsforo y el azufre.

2.- Gaseoso: los nutrientes circulan principalmente entre la atmsfera y los organismos vivos. En la mayora de estos ciclos, los elementos son reciclados rpidamente, con frecuencia de horas o das. Este tipo de ciclo, se refiere a que la transformacin de la sustancia involucrada cambia de ubicacin geogrfica y que se fija a partir de una materia prima gaseosa. Ejemplos de ciclos gaseosos son: el carbono, el nitrgeno y oxgeno.

3.- Mixtos: El ciclo hidrolgico, es un ejemplo de la combinacin de ciclos sedimentario y gaseoso, donde el agua circula entre el ocano, la atmsfera, la tierra y los organismos vivos; este ciclo adems distribuye el calor solar sobre la superficie del planeta.

2.3.2 Ciclo del Carbono

El carbono es un elemento bsico en la formacin de las molculas de carbohidratos, lpidos, protenas y cidos nucleicos, pues todas las molculas orgnicas estn formadas por cadenas de carbonos enlazados entre s; un 18 % de la materia orgnica viva est constituida por carbono.

El ciclo del carbono comienza cuando las plantas, a travs de la fotosntesis y utilizando la clorofila como catalizador, emplean el dixido de carbono (CO2) presente en la atmsfera, el cual al descomponerse pasa a formar parte del tejido vegetal, en forma de hidratos de carbono, grasas y protenas. As, el carbono pasa a los herbvoros que consumen plantas y una parte de los compuestos de carbono se almacena en los tejidos de los animales; posteriormente, pasa a los carnvoros y una parte es eliminada en forma de gas. La Figura 4, es un esquema general del ciclo del carbono.

Aunque la mayor parte del carbono se encuentra inmovilizado en la corteza terrestre en forma de rocas (sobre todo, rocas calizas). Otra porcin se encuentra en los combustibles fsiles, principalmente carbn y petrleo,


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formados hace millones de aos y es devuelto a la atmsfera a travs de la combustin que se realiza por medio de la oxidacin de molculas de carbono, o sea, la combinacin del carbono con molculas de oxgeno formando dixido de carbono y agua, liberando luz y energa trmica.

Figura 4. Ciclo del Carbono.

A lo largo de la historia del planeta, ha existido una acumulacin de dixido de carbono que no se ha podido incorporar al ciclo. Esto se observa a travs de la formacin de rocas carbonadas llamadas calizas o de combustibles fsiles tales como el carbn, el gas natural y el petrleo. Sin embargo, la actividad del hombre ha determinado la vuelta de importantes cantidades de ese carbono, que durante tanto tiempo haban permanecido separado, lo cual, segn parece, est ocasionando severos problemas a la biosfera (Arana, 2001).

La vuelta de CO2 a la atmsfera se hace cuando en la respiracin los seres vivos oxidan los alimentos, produciendo CO2. En el conjunto de la biosfera, la mayor parte de la respiracin la hacen las races de las plantas y los organismos del suelo y no, como podra parecer, los animales ms visibles; los seres vivos acuticos toman el CO2 del agua.

La solubilidad de este gas en el agua, es muy superior a la de otros gases, como el oxgeno o el nitrgeno, porque reacciona con el agua formando cido carbnico. En los ecosistemas marinos, algunos organismos convierten parte del CO2 que toman el carbonato clcico (CaCO3) que necesitan para formar sus conchas, caparazones o masas rocosas en el caso de los arrecifes. Cuando estos organismos mueren, sus caparazones se depositan en el fondo formando rocas sedimentarias calizas en donde el carbono queda retirado del ciclo durante miles y millones de aos. Este carbono volver lentamente al ciclo cuando se van disolviendo las rocas.

2.3.3 Ciclo del Nitrgeno

El nitrgeno (N2) est considerado como el elemento ms abundante en la atmsfera; dada su estabilidad, es difcil que reaccione con otros elementos y por lo tanto, tiene bajo aprovechamiento. El nitrgeno est presente en las aguas residuales en forma de nitrato (NO3-), nitrito (NO2-), amonio (NH4+) y nitrgeno orgnico. Todas estas formas, incluido el nitrgeno gaseoso (N2, NOx), forman parte del ciclo del nitrgeno porque estn interrelacionadas bioqumicamente (Curt, 2005).


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Gracias al proceso biolgico de algunas bacterias y cianobacterias, el nitrgeno que se encuentra en la atmsfera puede ser asimilado; estas bacterias y algas cianofceas pueden usar el N2 del aire y lo convierten en otras formas qumicas (N03- y NH4+), asimilables por las plantas. Los organismos emplean el nitrgeno en la sntesis de protenas, cidos nucleicos (ADN y ARN) y otras molculas fundamentales del metabolismo.

En el metabolismo de los compuestos nitrogenados en los animales acaba formndose el ion amonio, que es muy txico y debe ser eliminado. Esta eliminacin se hace en forma de amoniaco (algunos peces y organismos acuticos), en forma de urea (el hombre y otros mamferos), o en forma de cido rico (aves y otros animales de zonas secas). Estos compuestos van a la tierra o al agua, de donde pueden tomarlos de nuevo las plantas o ser usados por algunas bacterias.

El ciclo del nitrgeno (Figura 5) se divide en las siguientes etapas: fijacin, nitrificacin o mineralizacin, asimilacin, amonificacin, inmovilizacin y desnitrificacin (Hayatsu, et al., 2008), procesos mediados principalmente por los microorganismos presentes en el suelo.

Figura 5. Ciclo del nitrgeno, los cuadros negros representan las entradas al sistema, los grises las fracciones disponibles y sin recuadro estn los procesos y factores que influyen en la disponibilidad de nitrgeno (MO: materia orgnica).

A pesar de que la mayor parte del nitrgeno se encuentra en la atmsfera, la reserva realmente activa de este elemento se encuentra en el suelo, ya que aqu van a parar los desechos orgnicos de los organismos vivos y los restos de stos. Y es as, como las bacterias fijadoras de nitrgeno concluyen el proceso de descomposicin de estos materiales, convirtiendo el nitrgeno orgnico en inorgnico (nitratos). Los nitratos son la nica forma en la cual, las plantas pueden absorber este elemento para poder sintetizar sus propias protenas, por medio de la fotosntesis.

Para los sistemas agrcolas, la incorporacin de nitrgeno es esencial para la fertilidad del suelo y por tanto para la productividad vegetal. Tradicionalmente, se han abonado los suelos con nitratos para mejorar los rendimientos agrcolas y desde que se consigui la sntesis artificial de amoniaco por el proceso Haber fue posible fabricar


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abonos nitrogenados que se emplean actualmente en grandes cantidades en la agricultura. Sin embargo, su mal uso produce un gran problema de contaminacin en las aguas: la eutrofizacin.

Recientemente, se ha propuesto que para interpretar los mecanismos y proponer modelos de la dinmica del nitrgeno, es necesario tener en cuenta las diferentes fracciones orgnicas o compartimentos, considerando que la temperatura, el tamao de partcula de los residuos, la agregacin, el tipo de suelo, la humedad, el secado y molido, el anegamiento y la anaerobiosis y los efectos vegetales, tambin tienen efectos sobre su dinmica (Cern y Aristizbal, 2012).

2.3.4 Ciclo del Fsforo

El ciclo del fsforo es un ejemplo de un ciclo sedimentario cuya principal rea de almacenamiento del elemento se encuentra en la corteza terrestre. Por meteorizacin de las rocas o sacado por las cenizas volcnicas, queda disponible para que lo puedan tomar las plantas y con facilidad es arrastrado por las aguas y llega al mar. Parte del que es arrastrado, sedimenta al fondo del mar y forma rocas que tardarn millones de aos en volver a emerger y liberar de nuevo las sales de fsforo.

El fsforo se encuentra en las aguas residuales en forma de fosfatos, ya sea disueltos o en partculas. Los fosfatos se clasifican en ortofosfatos, fosfatos condensados (piro- meta- y poli-fosfatos) y fosfatos en compuestos orgnicos (fsforo orgnico). El fsforo, junto con el nitrgeno, es uno de los elementos ms importantes en los ecosistemas (Curt, 2005).

El fsforo es un componente esencial de los organismos; forma parte de los cidos nucleicos (ADN y ARN); del ATP y de otras molculas que tienen PO43- y que almacenan la energa qumica; de los fosfolpidos que forman las membranas celulares; y de los huesos y dientes de los animales. Est en pequeas cantidades en las plantas, en proporciones de un 0.2%, aproximadamente; en los animales, hasta el 1% de su masa puede ser fsforo.

Las plantas absorben el fsforo y otras sales minerales, a travs de sus races (Figura 6). De las plantas, el fsforo pasa por varias cadenas alimentarias y vuelve generalmente al suelo o al agua, a travs de la accin de los desintegradores. Los animales obtienen fsforo al alimentarse de las plantas o de otros animales que hayan ingerido. En la descomposicin bacteriana de los cadveres, el fsforo se libera en forma de ortofosfatos (H3PO4) que pueden ser utilizados directamente por los vegetales verdes, formando fosfato orgnico (biomasa vegetal); la lluvia puede transportar este fosfato a los mantos acuferos o a los ocanos.

Las fuentes de fsforo y su distribucin son crticas para la sostenibilidad de las prcticas agrcolas, ya que dicho elemento, se requiere para favorecer la formacin de semillas, el desarrollo radicular, la fuerza de las pajas en los cereales y la maduracin de los cultivos. La principal contribucin a la dinmica del fsforo en los suelos est dada por el recambio de los procesos de mineralizacin-inmovilizacin microbianos (Richardson y Simpson, 2011), que poseen un papel esencial en la rizsfera. Estos procesos estn influenciados por una combinacin de factores como las especies vegetales, el tipo de suelos y los factores ambientales. Con los compuestos de fsforo que se recogen directamente de los grandes depsitos acumulados en algunos lugares de la tierra se abonan los terrenos de cultivo, a veces en cantidades desmesuradas, originndose problemas de eutrofizacin.


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Figura 6. Ciclo del fsforo. Los cuadros negros son las entradas al sistema, los grises son las fracciones disponibles, sin color las fracciones minerales y sin recuadro los procesos y factores que intervienen en la disponibilidad del fsforo (MO: materia orgnica).

2.3.5 Ciclo del Agua

El ciclo hidrolgico es un modelo conceptual que describe el almacenamiento y movimiento del agua entre la bisfera, atmsfera, litsfera e hidrsfera. Se puede admitir que la cantidad total de agua que existe en la Tierra, en sus tres fases: slida, lquida y gaseosa, se ha mantenido constante desde la aparicin de la humanidad. El agua de la Tierra - que constituye la hidrsfera - se distribuye en tres reservorios principales: los ocanos, los continentes y la atmsfera, entre los cuales existe una circulacin continua. El movimiento del agua en el ciclo hidrolgico es mantenido por la energa radiante del sol y por la fuerza de gravedad (Ordoez, 2011).

El ciclo hidrolgico se define como la secuencia de fenmenos por medio de los cuales el agua pasa de la superficie terrestre, en la fase de vapor, a la atmsfera y regresa en sus fases lquida y slida. La transferencia de agua desde la superficie de la Tierra hacia la atmsfera, en forma de vapor de agua, se debe a la evaporacin directa, a la transpiracin por las plantas y animales y por sublimacin (paso directo del agua slida a vapor de agua).

La cantidad de agua movida, dentro del ciclo hidrolgico, por el fenmeno de sublimacin es insignificante en relacin a las cantidades movidas por evaporacin y por transpiracin, cuyo proceso conjunto se denomina evapotranspiracin. El vapor de agua es transportado por la circulacin atmosfrica y se condensa despus de haber recorrido grandes distancias. El agua condensada da lugar a la formacin de nieblas y nubes y, posteriormente, a precipitacin.

La precipitacin tambin incluye el agua que pasa de la atmsfera a la superficie terrestre por condensacin del vapor de agua (roco) o por congelacin del vapor (helada) y por intercepcin de las gotas de agua de las nieblas (nubes que tocan el suelo o el mar).


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El agua que precipita en tierra puede tener varios destinos. Una parte es devuelta directamente a la atmsfera por evaporacin; otra parte escurre por la superficie del terreno, escorrenta superficial, que se concentra en surcos y va a originar las lneas de agua. El agua restante se infiltra, esto es, penetra en el interior del suelo; esta agua infiltrada puede volver a la atmsfera por evapotranspiracin o profundizarse hasta alcanzar las capas freticas. Tanto el escurrimiento superficial como el subterrneo van a alimentar los cursos de agua que desaguan en lagos y en ocanos.

La escorrenta superficial se presenta siempre que hay precipitacin y termina poco despus de haber terminado la precipitacin. Por otro lado, el escurrimiento subterrneo, especialmente cuando se da a travs de medios porosos, ocurre con gran lentitud y sigue alimentando los cursos de agua mucho despus de haber terminado la precipitacin que le dio origen.

El agua que precipita sobre los suelos va a repartirse, a su vez, en tres grupos: uno, que es devuelta a la atmsfera por evapotranspiracin, y dos, que producen escurrimiento superficial y subterrneo. Esta divisin est condicionada por varios factores, unos de orden climtico y otros, dependientes de las caractersticas fsicas del lugar donde ocurre la precipitacin. La precipitacin constituye la entrada principal al sistema hidrolgico continental (Hingray et al., 2009).

As, la precipitacin, al encontrar una zona impermeable, origina escurrimiento superficial y la evaporacin directa del agua que se acumula, queda en la superficie. Si ocurre en un suelo permeable, poco espeso y localizado sobre una formacin geolgica impermeable, se produce entonces escurrimiento superficial, evaporacin del agua que permanece en la superficie y an evapotranspiracin del agua, que fue retenida por la cubierta vegetal. En ambos casos, no hay escurrimiento subterrneo; ste ocurre en el caso de una formacin geolgica subyacente permeable y espesa.

La energa solar, es la fuente de energa trmica necesaria para el paso del agua desde las fases lquida y slida a la fase de vapor, y tambin es el origen de las circulaciones atmosfricas que transportan el vapor de agua y mueven las nubes.

El ciclo hidrolgico (Figura 7), puede ser visto, en una escala planetaria, como un gigantesco sistema de destilacin, extendido por todo el planeta. El calentamiento de las regiones tropicales, debido a la radiacin solar, provoca la evaporacin continua del agua de los ocanos, la cual es transportada bajo forma de vapor de agua por la circulacin general de la atmsfera, a otras regiones. Durante la transferencia, parte del vapor de agua, se condensa debido al enfriamiento y forma nubes que originan la precipitacin. El regreso a las regiones de origen resulta de la accin combinada del escurrimiento proveniente de los ros y de las corrientes marinas.

2.3.6 Ciclo del Oxgeno

El oxgeno (O2) es el elemento qumico ms abundante en los seres vivos y forma parte del agua y de todo tipo de molculas orgnicas. Como molcula, en forma de O2, su presencia en la atmsfera se debe a la actividad fotosinttica de organismos primitivos. Al principio, debi ser una sustancia txica para la vida, por su gran poder oxidante. Todava ahora, una atmsfera de oxgeno puro produce daos irreparables en las clulas. Pero el metabolismo celular se adapt a usar la molcula de oxgeno como agente oxidante de los alimentos abriendo as una nueva va de obtencin de energa mucho ms eficiente que la anaerbica.


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Figura 7. Representacin del Ciclo Hidrolgico

El ciclo del oxgeno es la cadena de reacciones y procesos que describen la circulacin del oxgeno en la bisfera terrestre (Figura 8). El oxgeno molecular presente en la atmsfera y el disuelto en el agua interviene en muchas reacciones de los seres vivos. En la respiracin celular, se reduce oxgeno para la produccin de energas y generndose dixido de carbono, y en el proceso de fotosntesis se origina oxgeno y glucosa a partir de agua, CO2 y radiacin solar. La reserva fundamental de oxgeno utilizable por los seres vivos est en la atmsfera. Su ciclo est estrechamente vinculado al del carbono, pues el proceso por el que el carbono es asimilado por las plantas (fotosntesis), supone tambin devolucin del oxgeno a la atmsfera, mientras que el proceso de respiracin ocasiona el efecto contrario.

Otra parte del ciclo natural del oxgeno que tiene un notable inters indirecto para los seres vivos de la superficie de la Tierra es su conversin en ozono (O3). Las molculas de O2, activadas por las radiaciones muy energticas de onda corta, se rompen en tomos libres de oxgeno que reaccionan con otras molculas de O2, formando O3. Esta reaccin es reversible, de forma que el ozono, absorbiendo radiaciones ultravioletas vuelve a convertirse en O2.

2.3.7 Ciclo del Azufre

El azufre est incorporado prcticamente en todas las protenas y de esta manera es un elemento absolutamente esencial para todos los seres vivos. Se desplaza a travs de la biosfera en dos ciclos, uno interior y otro exterior. El ciclo interior comprende el paso desde el suelo (o desde el agua en los ambientes acuticos) a las plantas, a los animales, y de regreso nuevamente al suelo o al agua. Sin embargo, existen vacos en este ciclo interno. Algunos de los compuestos sulfricos presentes en la tierra (por ejemplo, el suelo) son llevados al mar por los ros. Este azufre se perdera y escapara del ciclo terrestre si no fuera por un mecanismo que lo devuelve a la tierra. Tal mecanismo consiste en convertirlo en compuestos gaseosos tales como el cido sulfhdrico (H2S) y el dixido de azufre (SO2). stos, penetran en la atmsfera y generalmente son lavados por las lluvias, aunque parte del dixido de azufre puede ser directamente absorbido por las plantas desde la atmsfera (Figura 9).


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Figura 8. Ciclo del oxgeno.

Las bacterias desempean un papel crucial en el ciclo del azufre. Cuando est presente en el aire, la descomposicin de los compuestos del azufre (incluyendo la descomposicin de las protenas) produce sulfato (SO4=). Bajo condiciones anaerbicas, el cido sulfhdrico (gas de olor a huevos podridos) y el sulfuro de dimetilo (CH3SCH3) son los productos principales. Cuando estos dos ltimos gases llegan a la atmsfera, son oxidados y se convierten en dixido de azufre. La oxidacin posterior del dixido de azufre y su disolucin en el agua de lluvia produce cido sulfhdrico y sulfatos, formas principales bajo las cuales regresa el azufre a los ecosistemas terrestres. El carbn mineral y el petrleo contienen tambin azufre y su combustin por la actividad industrial del hombre, est provocando exceso de emisiones de gases sulfurosos a la atmsfera y ocasionando problemas como la lluvia cida.

El humedal representa un complejo sistema que conecta procesos biolgicos, geolgicos, qumicos y fsicos, constituyendo un sistema natural complejo en el que se interrelacionan los seres vivos (plantas, peces, microorganismos) con los componentes inertes que se pueden encontrar en los sedimentos o en el agua; gracias a los ciclos biogeoqumicos, los elementos se encuentran disponibles para ser usados una y otra vez por los organismos. Sin estos ciclos, los seres vivos se extinguiran. Los ciclos biogeoqumicos sirven como modelo para ilustrar las interacciones entre bisfera, atmsfera, gesfera e hidrsfera, todo ello mediado por una combinacin de fenmenos cclicos en algunos casos, lineales en otros, reversibles e irreversibles. El equilibrio que rige este proceso se ha de encontrar perfectamente ajustado a los mecanismos y necesidades que tiene el humedal, tanto a lo largo del tiempo como en un momento determinado, ya que los elevados tiempos de retencin del agua en los humedales contribuyen a una mayor tasa de transformacin de los nutrientes.

2.4 CARACTERSTICAS HIDRULICAS

El diseo hidrulico de un humedal es crtico para obtener buenos rendimientos en la eficiencia de depuracin del influente. En trminos hidrulicos, los humedales ms utilizados se clasifican en dos categoras (Zhang et al., 2009): 1) Flujo superficial (libre) y 2) Flujo sub-superficial, que pueden a la vez, ser de flujo horizontal o vertical.


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Figura 9. Ciclo del azufre.

Humedales de Flujo Superficial: son similares a los humedales naturales y consisten bsicamente, en una laguna o canales de poca profundidad a travs de los cuales se desplaza el agua a baja velocidad sobre o por debajo del sustrato.

Humedales de Flujo Sub-superficial: el agua fluye horizontal o verticalmente a travs del sustrato. La eficiencia de cualquier tipo de humedal construido depende del sistema hidrulico, as como de otros factores, entre los que se incluyen: precipitacin pluvial, infiltracin, evapo-transpiracin, carga hidrulica y profundidad del agua. Todos estos factores pueden tener un efecto en la remocin de contaminantes orgnicos, nutrientes y elementos traza, no slo por la alteracin en el tiempo de detencin, sino por el efecto de concentracin o dilucin de contaminantes, por lo cual, se recomienda llevar a cabo un balance hidrulico para disear adecuadamente el sistema (USEPA, 1988). Otros factores que deben tenerse en cuenta durante el diseo y la operacin de los sistemas de humedales, independientemente del tipo que se trate, es el evitar que el agua siga una ruta preferencial que d origen a la formacin de cortos circuitos y de zonas muertas.

REFLEXIONES

Los humedales sustentan generalmente una rica biodiversidad, y en muchos casos constituyen hbitats para especies amenazadas. Su importancia radica tanto en sus peculiaridades biolgicas vegetacin y fauna especializada como en las funciones que desempean en el ciclo del agua y de la materia orgnica, reciclado de nutrientes, mantenimiento de redes trficas y estabilizacin de sedimentos. Los humedales construidos tienen un importante papel como depuradoras, son considerados sistemas blandos de depuracin en los que se imita la dinmica de los humedales naturales, pero con mayor velocidad y control en diversas variables.


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Desde un punto de vista econmico tienen un reducido costo de instalacin y mantenimiento. Entre los procesos hidrolgicos que se desarrollan en ellos est la recarga de acuferos, cuando sus aguas descienden hasta las capas subterrneas. Las funciones ecolgicas que desarrollan favorecen la mitigacin de las inundaciones y de la erosin costera. Adems, a travs de la retencin, transformacin y remocin de sedimentos, nutrientes y contaminantes, cumplen un papel fundamental en los ciclos de la materia y en la calidad del agua.

REFERENCIAS

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3 LA VEGETACIN EN LOS HUMEDALES DE TRATAMIENTO

3.1 CLASIFICACIN DE LA VEGETACIN EN LOS HUMEDALES

3.1.1 Formas de vida de macrfitas

El valle aluvial de los grandes ros de llanura presenta numerosos humedales naturales donde se desarrolla una abundante y variada vegetacin acutica. En su hbitat natural las macrfitas se encuentran formando asociaciones en el margen e interior de los lagos. Estas asociaciones se corresponden con zonas de colonizacin relacionadas ntimamente con el nivel de agua y la topografa, por lo que, de acuerdo a su morfologa, las macrfitas pueden clasificarse como emergentes, flotantes libres, sumergidas o arraigadas con hojas flotantes (Fig. 1). As, se reconoce una zona litoral caracterizada por vegetacin emergente, una segunda zona ms profunda, con asociaciones de macrfitas con hojas flotantes y una zona ms interna habitada por plantas sumergidas. Las especies emergentes, son plantas arraigadas que se desarrollan en los bordes de los cuerpos de agua y son capaces de soportar perodos de inundacin y sequa. Las especies de hojas flotantes se desarrollan en zonas ms profundas que las anteriores, se encuentran arraigadas al fondo y sus lminas foliares se encuentran flotando sobre la superficie del agua. Las macrfitas flotantes libres habitan en cualquier parte del cuerpo de agua segn la corriente y el viento y en los ros pueden desplazarse a la deriva empujadas por la corriente. Las macrfitas sumergidas pueden mostrar partes areas sobre la superficie del agua, como las flores o porciones de tallos, pero la mayor proporcin se encuentra bajo el agua pudiendo arraigarse o no al fondo, segn las especies. Las diferentes formas de vida vegetal coexisten y algunas hasta crean condiciones favorables para el establecimiento de otras (Sculthorpe, 1967; Hutchinson, 1975).

Una de las caractersticas que distinguen a los humedales de tratamiento de otros tipos de tratamiento final de efluentes, es la presencia de macrfitas. Las diferentes formas de vida de las plantas acuticas adquieren gran importancia con respecto a su funcin en los humedales de tratamiento. En un cuerpo de agua natural, puede encontrarse una secuencia de formas de crecimiento a lo largo de un gradiente de profundidad que se extiende desde la costa hasta las partes ms profundas. En los humedales de tratamiento se intenta representar este gradiente plantando los diferentes tipos de macrfitas en las reas correspondientes a su forma de crecimiento. Por ejemplo, en los bordes de un humedal de flujo libre superficial sera conveniente plantar especies emergentes, mientras que en las zonas centrales de mayor profundidad, se desarrollaran las especies flotantes libres. A fin de lograr una mayor dispersin de las plantas emergentes, una estrategia a aplicar en los humedales de flujo libre podra ser la construccin de taludes de tierra para disminuir la profundidad del agua. La Fig. 2, muestra un humedal de flujo libre donde se construyeron taludes y se plantaron ejemplares de Typha domingensis para favorecer el aumento de su cobertura (Maine et al., 2009, 2013).

Por otro lado, en los humedales de flujo sub-superficial siempre se usan especies emergentes que sean capaces de desarrollarse en el sustrato utilizado, ya sea ste roca, leca, arena, etc. Un ejemplo son las especies emergentes T. domingensis y Arundo donax, las cuales son utilizadas en distintos humedales de flujo sub-superficial que se encuentran en operacin en Mjico (Fig. 3), donde se utiliza como sustrato al tezontle, el cual es una roca de origen volcnico abundante en la regin.


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Las especies emergentes se desarrollan en los bordes de los cuerpos de agua. Las especies arraigadas con hojas flotantes se desarrollan en zonas ms profundas que las anteriores

hu m e d al e s d e r e s i d u al es a p l i c a b l e e n … · autónoma de méxico (unam)....

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