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MEMORIA DE INVESTIGACIÓN

“CONSTRUCCIÓN DE UN HUMEDAL ARTIFICIAL PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS

RESIDUALES”

ALUMNAS: ANAYANCI ALVA QUIJADA

ARACELI LEOCADIO VICTORIA DIANA MALDONADO GONZÁLEZ

ASESOR:

ING. ISRAEL BECERRIL ROSALES

OCTUBRE 2009

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ÍNDICE Capítulo 1. Introducción

1.1. Antecedentes 3 1.2. Planteamiento del problema 3 1.3. Preguntas de Investigación 4 1.4. Hipótesis 4 1.5. Objetivos 4

1.5.1 Objetivos generales 4 1.5.2 Objetivos específicos 4

1.6. Justificación 4

Capítulo 2. Marco teórico

2.1 Problemática del agua en México 4 2.2 Humedales artificiales 5 2.3. Tipos de humedales artificiales 5

2.3.1. Humedal de agua superficial libre (SASL) 5 2.3.2. Humedal de flujo superficial (FS) 6 2.3.3. Humedal de flujo bajo la superficie (SFBS) 6 2.3.4. Humedales de flujo sub-superficial (SsF) 7

2.4. Características de los humedales artificiales 7 2.5. Tipos de plantas acuáticas utilizadas para los humedales artificiales 8 2.6. Materiales filtrantes para humedales 12

Capitulo 3. Materiales y métodos

3.1. Características generales del diseño de humedal artificial 14 3.1.1. Criterios de diseño 14 3.1.2. Operación y mantenimiento 16

Resultados 16 Discusión 17 Conclusiones 18 Reconocimientos 18 Referencias 19

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CAPITULO I. INTRODUCCION

Actualmente hay muchas razones de suma importancia para el desarrollo rentable y sostenible de tecnologías para el tratamiento de aguas residuales, en donde la creciente escasez de agua y el gran crecimiento de la población mundial ha provocado analizar y realizar una serie de estudios que comprendan los factores que afectan la eficacia de tratamientos del subsuelo y humedales construidos, que se usan para tratar las materias orgánicas y nutrientes en las aguas residuales urbanas. A medida que la población del mundo sigue creciendo, y los recursos de agua dulce siguen siendo utilizados y degradados, y si no se hace nada estos problemas se intensificarán. Según la UNESCO, para el año 2015, el abastecimiento de agua en todo el mundo será solo una tercera parte del tamaño necesario para una población del mundo. Debido a estas estimaciones desalentadoras, muchas ciudades y comunidades alrededor del mundo están optando por adoptar las tecnologías apropiadas y de esta manera promover con éxito la reutilización del agua a fin de preservar la calidad de agua potable, al mismo tiempo que se contribuye a satisfacer la demanda de agua que es cada vez mayor. El uso de sistemas de tratamiento de bajo costo que incorporan los procesos naturales, como la estabilización de estanques y humedales construidos, son solo dos ejemplos de los muchos tipos de “sistemas de tratamiento natural” que se encuentran en uso hoy en día. Los sistemas naturales pueden ser utilizados para alcanzar los objetivos del tratamiento de aguas residuales mediante el uso de componentes naturales y procesos que reduzcan significativamente el uso intensivo de energía. En general, el uso de los sistemas naturales puede reducir la complejidad técnica del sistema, la construcción y los costos de energía. Los humedales naturales han sido utilizados como descargas de aguas residuales durante siglos. Gran parte de la investigación en humedales construidos fue llevada a cabo por científicos europeos; otros estudios se llevaron acabo en los Estados Unidos (1984). En los años siguientes, una cantidad considerable de investigaciones se han llevado acabo para mejorar el diseño y criterios operativos de humedales. En general, los humedales artificiales se pueden clasificar en humedal de agua superficial libre (SASL), de flujo Superficial (FS), flujo bajo la superficie (SFBS) y flujo subsuperficial (SsF). Los FS son los sistemas de corrientes de aguas residuales a través de estanques someros, plantadas con macrófitas acuáticas en contacto directo con la atmósfera, se utilizan principalmente para el tratamiento secundario de efluentes de aguas residuales y en general son diseñadas con suficiente tiempo. De acuerdo con la dirección de flujo los sistemas SsF se pueden clasificar en la corriente horizontal o vertical de flujo. Los SsF son diseñados principalmente para el tratamiento primario de aguas residuales, aunque en algunos casos se puede utilizar para tratar los efluentes secundarios. En el flujo horizontal de los sistemas, las aguas residuales se mantienen constantes y las corrientes de fondo horizontalmente por debajo de la superficie. En el flujo vertical el sistema SsF, se distribuye en toda la superficie del humedal, y por los medios de comunicación granular y con las macrófitas acuáticas. SsF horizontal consiste relativamente en capas no alineadas con barro poroso o una síntesis de línea y copias de lleno con los medios de comunicación granular, como la grava, estos sistemas usan plantas que proporcionan una superficie que atribuye el crecimiento microbiano la absorción de nutrientes adicionales. Según lo indica la figura 1:

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Figura 1. Concepto de un esquema horizontal del subsuelo Corriente de los humedales construidos

Humedales construidos representan un bajo impacto complemento al tratamiento convencional de aguas residuales, procesos de tratamiento, si la cantidad de agua residual es relativamente pequeña y las necesidades de energía son moderadas. Desde el punto de vista de la modelización, los humedales artificiales son definitivamente más complejos que los procesos de tratamiento convencional debido a la difusión y el flujo de grandes número de procesos que intervienen en la reducción de la contaminación. Por estas razones, muchos autores han señalado que la eficacia de eliminación de humedales artificiales no es fácilmente previsible, ya que interviene la hidráulica o condiciones ambientales. 1.1 Antecedentes La creciente urbanización es una realidad insoslayable en el mundo cambiante de hoy. Desafortunadamente, la infraestructura urbana, las instituciones y los recursos naturales disponibles han resultado a menudo insuficientes para responder al ritmo de expansión de los nuevos asentamientos. En todo el mundo se plantea una pregunta central: "¿cómo integrar los principios del desarrollo sostenido bajo circunstancias de esta naturaleza?". El agua es un recurso vital insustituible, su abastecimiento, localización y desecho presenta numerosos retos, los cuales deben ser enfrentados para satisfacer las crecientes demandas de estas nuevas áreas metropolitanas. Para los países en desarrollo, sobre todo aquellos con escasa disponibilidad de agua, es necesario aplicar tecnologías adecuadas y de bajo costo, o métodos con tecnologías sencillas que permitan obtener agua tratada de buena calidad y así liberar agua de primer uso. Debido al crecimiento continuo de la población, la demanda por el suministro de agua es cada día mayor. La distribución desigual del recurso agua, las fuentes de abastecimiento subterráneo sobreexplotadas, y las superficiales que van mermando cada vez más su calidad, son un problema cotidiano. Esta situación revalora la importancia del reuso de las aguas residuales al considerar a éstas, con el debido tratamiento, como una fuente de abastecimiento de agua para diversos usos. El tratamiento de aguas residuales en México, ha recibido en los últimos 10 años un fuerte impulso y es considerado como una de las principales estrategias adoptadas para preservar la calidad del agua, garantizar el desarrollo sustentable, mejorar la calidad de vida y proteger la salud pública. Sin embargo, pese a las inversiones realizadas, el deterioro de la calidad del agua en las fuentes naturales, receptoras directas o indirectas de las aguas residuales, se ha incrementado debido, por una parte al aumento de la población y por ende del caudal descargado y por otra, a la ineficiencia en la operación de la infraestructura de tratamiento. Ésta, la mayoría de las veces, no funciona como se previó en el diseño, o simplemente, está fuera de servicio. La tecnología de tratamiento para las aguas residuales ha evolucionando de tal manera que a partir de un agua residual y mediante varias combinaciones de procesos unitarios de tratamiento (físico, químico y biológico) se pueda obtener agua de calidad similar a la potable. Evidentemente, esto implica costos elevados y alto grado de capacitación de los operadores encargados de los sistemas de tratamiento, situaciones que en la mayoría de los casos no son compatibles con las condiciones imperantes en muchos países del orbe. 1.2 Planteamiento del problema El crecimiento progresivo de la población, el cultivo intensivo de la tierra para satisfacer sus necesidades y el desarrollo industrial son las causas principales de la aportación de residuos que contaminan las aguas subterráneas, los ríos, los lagos y mares, destruyendo o modificando la fauna y flora, rompiendo el equilibrio del ecosistema, así como el balance entre el hombre y su medio.

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1.3 Preguntas de investigación

1. ¿Qué tipo de método se utilizará para el tratamiento de aguas residuales? 2. ¿Cuáles son las herramientas con las cuales trabajaremos? 3. ¿Cómo tratar el agua residual con alteraciones a la calidad de manera barata y con

residuos fácilmente manejables? 1.4 Hipótesis

El incremento observado en los volúmenes de aguas residuales generados obliga a buscar el desarrollo autosostenido de los servicios de abasto y tratamiento del agua, lo cual significa utilizar criterios de eficiencia y equidad que sean acordes con las inversiones realizadas e incluye la imperiosa necesidad de hacer uso y reuso eficiente del agua, que significa preservar su calidad y crear plena conciencia en la sociedad.

1.5 Objetivos

1.5.1Objetivos Generales

1. Diseñar a nivel de Ingeniería un sistema de tratamiento superficial y avanzado de aguas residuales de casas habitación que combine altos niveles de remoción de sólidos suspendidos, materia orgánica biodegradable, organismos patógenos y metales pesados, de tal manera que el efluente pueda ser reutilizado para riego de áreas verdes y/o uso de WC.

2. Desarrollar una metodología de planeación estructurada para la realización de estudios de tratamiento y reuso de aguas residuales.

1.5.2 Objetivos Específicos

1. Efectuar los estudios de campo requeridos para la construcción del sistema propuesto. 2. Evaluar los resultados parciales de cada proceso del sistema y elaborar un informe final. 3. Obtener un agua de calidad adecuada para su reutilización. 4. Publicar los resultados mediante programas demostrativos. 5. Involucrar a la comunidad educativa en la planeación del sistema y en la operación del

mismo, con el fin de garantizar la continuidad del sistema.

1.6 Justificación El tratamiento de aguas residuales disminuye la presión sobre la calidad de las aguas naturales donde normalmente se vierten, ya que dependiendo del proceso aplicado es posible la remoción de materia orgánica, sólidos suspendidos, microorganismos patógenos, nutrimentos (fosfatos y nitratos) y metales pesados, entre otros contaminantes y esto se puede lograr con la construcción de humedales artificiales.

CAPITULO 2. MARCO TEÓRICO 2.1 Problemática del agua en México En México el crecimiento económico no ha tomado en cuenta plenamente las señales de escasez del agua, la concentración de la población y la actividad económica han creado zonas de alta escasez, no sólo en las regiones de baja precipitación pluvial sino también en zonas donde eso no se percibía como un problema al comenzar el crecimiento urbano o el establecimiento de

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agricultura de riego. Tan sólo para ilustrar la situación extrema en la que se encuentra el agua subterránea, podemos mencionar que, según cálculos de la Comisión Nacional del Agua (CNA), 101 acuíferos de un total de 600 están sobre explotados. El crecimiento poblacional y económico han ejercido mayor presión sobre las reservas de agua en México, al punto que el volúmen demandado es mayor que el suministrado en algunas regiones del país, lo que obliga al gobierno a decidir a quién dejar sin este recurso, lo que ocasiona problemas distributivos. La competencia por este recurso es ya causa de conflictos de diferente intensidad y escala, se presenta no sólo entre usuarios de la misma comunidad sino entre distintas comunidades, municipios, estados e incluso en todo el mundo. Las prácticas actuales han conducido a eficiencias muy bajas en el uso del agua que se extrae de cauces y acuíferos para consumo al año. La ineficiencia en su uso, se asocia directamente a la baja valoración del recurso, el mayor derroche se genera en el uso agrícola, donde prevalece la exención en el pago de derechos de aprovechamiento. La eficiencia en el uso doméstico es de alrededor del 60%, con muchos incentivos para hacer cambios substanciales en sus procesos o en la utilización de bienes ahorradores de agua, el uso del agua en la industria es también poco eficiente. En los próximos años se prevé un incremento en la demanda de agua para uso y consumo humano, en el medio rural los rezagos existentes hacen que 13 millones de habitantes carezcan del servicio, la cobertura en las localidades urbanas es 94%, (4 millones no cuentan con el servicio). 2.2 Humedales artificiales Un humedal artificial es un sistema de tratamiento de agua residual (estanque o cauce) poco profundo, construido por el hombre, en el que se han sembrado plantas acuáticas. Los humedales construidos tienen ventajas respecto de los sistemas de tratamiento alternativos, debido a que requieren poca o ninguna energía para operar. Si hay suficiente tierra barata disponible cerca de la instalación de los humedales de cultivo acuático, puede ser una alternativa de costo efectivo. Además proporcionan el hábitat para la vida silvestre y son estéticamente, agradables a la vista. Los humedales artificiales, en general, son cuerpos de agua de baja profundidad que retienen temporalmente el agua y que pueden ser diseñados con diferentes fines, por ejemplo el formar un hábitat para diversas especies vegetales y animales, generar jardines acuáticos decorativos, o bien funcionar como sistemas depuradores de aguas pluviales, entre otros. Los humedales pueden ser construidos de tal forma que el agua se ve en la superficie (superficiales) o bien cuya superficie de agua se encuentre por debajo de un lecho de piedras y prácticamente el agua no se ve (subsuperficiales). 2.3. Tipos de humedales artificiales 2.3.1. Humedal de agua superficial libre (SASL) Estos sistemas consisten típicamente de estanques o canales, con alguna clase de barrera subterránea para prevenir la filtración, suelo u otro medio conveniente a fin de soportar la vegetación emergente, y agua en una profundidad relativamente baja (0,1 a 0,6 m) que atraviesa la unidad. La profundidad baja del agua, la velocidad baja del flujo, y la presencia de tallos de planta y basura regulan el flujo del agua. Se aplica agua residual pretratada a estos sistemas, y el tratamiento ocurre cuando el flujo de agua atraviesa lentamente el tallo y la raíz de la vegetación emergente. Según lo indica la figura 2:

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Figura 2. Diseño de Humedal de Agua Superficial libre (SASL)

2.3.2. Humedal de flujo superficial (FS) En estos sistemas el flujo de agua es de tipo horizontal superficial. El agua se hace discurrir por la superficie 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. Los sistemas FS se configuran con una apariencia similar a los humedales naturales, se diseñan a modo de canales o estanques con paredes ataludadas, en donde éstas y el recubrimiento inferior son estancos (materiales impermeables), canalizaciones de entrada y salida del agua residual, estructuras o dispositivos de control del flujo, y alternancia de áreas con y sin vegetación acuática. Como ocurre en los humedales naturales, hay una combinación de espacios con la lámina de agua a la vista y otros con cobertura total por vegetación acuática (hidrofitos), generalmente con dominancia de macrofitas emergentes (helofitas) enraizadas en el sustrato que se haya dispuesto en el fondo del canal o estanque; también pueden incorporar especies acuáticas flotantes, y especies vegetales sumergidas. En estos sistemas el sustrato en que están enraizadas las plantas tiene una baja conductividad y no permite un flujo significativo a través de la zona radicular. La eliminación de contaminantes se produce a través de reacciones que tienen lugar en el agua y en la zona superior del sustrato, por lo que su potencial de eliminación se ve fuertemente restringido. Según lo indica la figura 3:

Figura 3. Diseño de Humedal de flujo superficial (FWS)

2.3.3. Humedal de flujo bajo la superficie (SFBS) Estos sistemas son similares a los filtros horizontales por goteo en las plantas de tratamiento convencionales, se caracterizan por el crecimiento de plantas emergentes usando el suelo, grava

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o piedras como sustrato de crecimiento en el lecho del canal. Dentro del lecho los microbios facultativos atacan al medio y las raíces de las plantas, contactando de este modo el agua residual que fluye horizontalmente a través del lecho; mientras que el sobrante baja a la superficie del medio. Estos sistemas de flujo bajo superficie son diseñados con el propósito de obtener niveles de tratamiento secundarios, son llamados «la zona de raíces» o «filtros de piedras de junco y caña». Véase Figura 4.

Figura 4. Diseño de Humedal de flujo bajo la superficie (SFBS)

2.3.4. Humedales de flujo sub-superficial (SsF) En los sistemas SsF, el flujo del influente es de tipo horizontal sub-superficial, es decir, que el agua se hace discurrir por debajo de la superficie del sistema, se diseñan a modo de estanques con paredes y base estancas y las debidas canalizaciones y dispositivos de control de flujo. Sin embargo, más que el tipo de flujo, lo que realmente define al humedal SsF 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 (hidrófitos o higrófitos). Este lecho se diseña de modo que permita la circulación del agua residual a través del sistema radicular de las macrofitas acuáticas. El agua se puede mover tanto de forma horizontal como verticalmente a través de la zona radicular de las macrofitas. En definitiva, en los sistemas de flujo sub-superficial no existe lámina de agua a la vista del observador, y el conjunto sólo recuerda vagamente a los humedales naturales por el tipo de vegetación. Estos sistemas también se les denomina ‘lechos vegetados sumergidos’, o sistemas SsF. Según lo indica la figura 5 :

Figura 5. Diseño de Humedal Sub-superficial

2.4 Características de los humedales artificiales Los humedales son áreas que se encuentran saturadas por aguas superficiales o subterráneas con una frecuencia y duración tales, que sean suficientes para mantener condiciones saturadas. Suelen tener aguas con profundidades inferiores a 60cm con plantas emergentes como aspadazas, carrizos y juncos. (Véase Figura 7.). La vegetación proporciona superficies para la formación de películas bacterianas, facilita la filtración y la absorción de los constituyentes del

Limpiador

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agua residual, permite la transferencia de oxigeno a la columna de agua y controla el crecimiento de algas al limitar la penetración de luz solar.

El tamaño del humedal: La superficie necesaria se calcula en base a la cantidad de habitantes de la ciudad que produce los desechos, según la siguiente relación: 1 persona = alrededor de 5 m

2.

Figura 6. Plantas acuáticas comunes

Los humedales tienen tres funciones básicas que los hacen tener un atractivo potencial para el tratamiento de aguas residuales; son estas:

Fijar físicamente los contaminantes en las superficies 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 bajo mantenimiento.

2.5. Tipos de plantas acuáticas utilizadas para humedales artificiales Los humedales artificiales suelen consistir en estanques o canales de poca profundidad, normalmente de menos de un metro, donde se ubican las especies vegetales acuáticas encargadas de los procesos naturales de depuración. Estas instalaciones cuentan además con canalizaciones y sistemas de aislamiento del suelo para no contaminar los ecosistemas adyacentes, así como sistemas de control del efluente. Los expertos diferencian tres tipos básicos de humedales artificiales, según el tipo de planta y la localización de su sistema radicular (el conjunto de las raíces):

Enraizadas en el suelo del humedal (sistemas de flujo superficial) o en lechos de grava o arena por los que se hace circular el agua residual (sistema subsuperficial).

Flotantes sobre la superficie del agua, tales como el jacinto de agua o la lenteja de agua.

Con el sistema radicular libre, directamente bañado por el agua. Plantas acuáticas en el tratamiento de aguas residuales Los sistemas de plantas acuáticas están en los estanques poco profundos como plantas acuáticas flotantes o sumergidas. Los sistemas más completamente estudiados son aquellos que usan la lenteja de agua. Estos sistemas incluyen dos clases basados en tipos de plantas dominantes.

El primer tipo usa plantas flotantes y se distingue por la habilidad de estas plantas para derivar el dióxido carbono y las necesidades de oxígeno de la atmósfera directamente. Las plantas reciben sus nutrientes minerales desde el agua.

El segundo tipo de sistema consiste en plantas sumergidas, se distingue por la habilidad de estas plantas para absorber oxígeno, dióxido de carbono, y minerales de la columna de

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agua. Las plantas sumergidas se inhiben fácilmente por la turbiedad alta en el agua porque sus partes fotosintéticas están debajo del agua.

Ventajas:

Las plantas pueden ser utilizadas como bombas extractoras de bajo costo para depurar aguas contaminadas.

Algunos procesos degradativos ocurren en forma más rápida con plantas que con microorganismos.

Es un método apropiado para descontaminar superficies grandes o para finalizar la descontaminación de áreas restringidas en plazos largos.

Las plantas pueden incorporar las sustancias contaminantes mediante distintos procesos que se representan en la Figura 7 y se explican en la Tabla 1 que continúa:

Figura 7. Procesos utilizados por las plantas para asimilar contaminantes

Procesos utilizados por las plantas para asimilar contaminantes

Tipo Proceso Involucrado Contaminación Tratada

Fitoextracción Las plantas se usan para concentrar metales en las partes cosechables (hojas y raíces)

Cadmio, cobalto, cromo, níquel, mercurio, plomo, plomo selenio, zinc

Rizofiltración

Las raíces de las plantas se usan para absorber, precipitar y concentrar metales pesados a partir de efluentes líquidos contaminados y degradar compuestos orgánicos

Cadmio, cobalto, cromo, níquel, mercurio, plomo, plomo selenio, zinc isótopos radioactivos, compuestos fenólicos

Fitoestabilización

Las plantas tolerantes a metales se usan para reducir la movilidad de los mismos y evitar el pasaje a napas subterráneas o al aire.

Lagunas de deshecho de yacimientos mineros. Propuesto para fenólicos y compuestos clorados.

Fitoestimulación

Se usan los exudados radiculares para promover el desarrollo de microorganismos degradativos (bacterias y hongos)

Hidrocarburos derivados del petróleo y poli aromáticos, benceno, tolueno, atrazina, etc.

Fitovolatilización Las plantas captan y modifican metales pesados o compuestos orgánicos y los liberan a la atmósfera con la transpiración.

Mercurio, selenio y solventes clorados (tetraclorometano y triclorometano)

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Fitodegradación

Las plantas acuáticas y terrestres captan, almacenan y degradan compuestos orgánicos para dar subproductos menos tóxicos o no tóxicos.

Municiones (TNT, DNT, RDX, nitrobenceno, nitrotolueno), atrazina, solventes clorados, DDT, pesticidas fosfatados, fenoles y nitrilos, etc.

Tabla 1. Procesos utilizados por las plantas para asimilar contaminantes

Los principales mecanismos de depuración que actúan en un humedal son los siguientes:

• Eliminación de sólidos en suspensión: Los sólidos se eliminan por sedimentación, decantación, filtración y degradación a través del conjunto que forma el sustrato del humedal con las raíces y rizomas de las plantas.

• Eliminación de materia orgánica: La eliminación de la materia orgánica del agua es realizada por los microorganismos que viven adheridos al sistema radicular de las plantas y que reciben el oxígeno a través del sistema de aireación muy especializado. Una parte de la aireación del agua también se realiza por difusión del oxígeno del aire a través de la superficie del agua. También se elimina una parte de la materia orgánica por sedimentación.

• Eliminación de nitrógeno: El nitrógeno se elimina por diversos procesos: absorción directa por las plantas y, en menor medida, por fenómenos de nitrificación-desnitrificación y amonificación, realizados por bacterias.

• Eliminación de fósforo: El fósforo se elimina por absorción por las plantas, adsorción sobre las partículas de arcilla y precipitación de fosfatos insolubles, principalmente con Al y Fe, en suelos ácidos y con calcio en suelos básicos.

• Eliminación de microorganismos patógenos: Por filtración y adsorción en partículas de arcilla, acción predatoria de otros organismos (bacteriófagos y protozoos), toxicidad por antibióticos producidos por las raíces y por la radicación UV contenida en las radiaciones solares.

• Metales traza: Tienen una alta afinidad por adsorción y complejación con materia orgánica y pueden ser acumulados en los humedales. También existen transformaciones microbianas y asimilación por las plantas.

La reducción o eliminación de contaminantes de las aguas residuales, por medio de ecosistemas acuáticos, con la participación activa de plantas superiores (macrofitas) adaptadas al medio acuático (hidrofitos), se conoce tradicionalmente como fitodepuración. La fitodepuración de las aguas residuales puede efectuarse por humedales naturales, en los que el hombre no interviene en su construcción o mediante humedales artificiales especialmente diseñados y construidos para la optimización de su función depuradora.

Plantas más comunes Carrizo gigante Identificación del carrizo gigante, Arundo donax: Gramínea perenne, con un tallo delgado, resistente, que puede medir de 2 hasta 6 m de altura, semejante al bambú, rizomas gruesos, nudosos, las plantas forman densas colonias. Hojas alargadas uniformemente esparcidas en dos hileras a lo largo del tallo, sin vellosidades. Laminas gruesas, planas, alongados, ásperos en los márgenes, las hojas más grandes pueden tener una anchura de 4 a 7 cm. La inflorescencia es densa, constricta, panícula de 25 a 60 cm de largo, con muchas flores. Espiguil las sobre todo con dos a cuatro flores, 10 - 15 milímetros de longitud, cortos, los empalmes sin vellosidades del eje central. Glumas delgadas, casi iguales, irregularmente con tres o más nervios. Lemma delgadas, con 3 a 5 nervios largos, vellosidades cortas sobre las venas. Las plantas producen semillas inviables de septiembre a noviembre, pero esto puede variar según la condición climática, ya que pueden empezar a florear en mayo. Véase Figura 8.

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Figura 8. Carrizo gigante

Lentejilla Pertenece a la familia Hidrocaritáceas. Es una especie muy frecuente en los humedales, estanques y canales de tierra fría. Sus hojas se asemejan a una cuchara, de ahí su nombre vulgar, están provistas de un tejido esponjoso que funciona como un perfecto flotador. Se propaga de dos formas, por semillas y por estolones. En el extremo de cada estolón se desarrolla una nueva planta y así en breve tiempo logran la cobertura de extensas áreas de la superficie del agua. Esta planta se halla distribuida en el continente desde México hasta el Perú. Su utilidad radica en que vitaliza las aguas de suerte que donde ella crece se desarrollan muy bien los pececillos nativos de los ríos y quebradas del altiplano tales como las aguapuchas y los capitanes. Sirve de alimento a las aves acuáticas especialmente a la tingua moteada. El ganado se acostumbra a comer buchón cuando escasea el pasto. De las lagunas se puede recoger el buchón en grandes cantidades para hacer abonos orgánicos de muy buena calidad. Según lo indica la figura 9.

Figura 9.Lentejilla

Carretón de agua (Marsilia quadrifolia) Originaria de Norteamérica, pertenece a las Marsiliaceas, una familia de helechos acuáticos de los humedales. Arraigadas en el fondo o en el suelo saturado de agua, con el tallo horizontal y dorsiventral, que desarrolla en la parte superior dos hileras de hojas de largos peciolos, y en la cara inferior raíces. En las hojas se encuentran estructuras portadoras de soros, en cuyo interior están las esporas, estos se abren al madurar. El resto de la hoja, de forma redondeada, presenta de 2 a 4 lóbulos. Este helecho se usa mucho en estanques y acuarios. Son muy abundantes en los humedales de Bogotá. En el humedal de la Conejera forma extensas manchas de verde claro sobre los espejos de agua. Véase Figura 10.

Figura 10. Carretón de agua (Marsilia quadrifolia)

Junco (Scirpus californicus) No es propiamente un junco, pertenece a la familia Cyperáceas. Común en los ambientes saturados de agua. Dominan en el paisaje del humedal de la conejera, de otros humedales y de las riberas fangosas del río Bogotá. Son plantas perennes. Tienen un rizoma o tallo subterráneo muy robusto con el que se anclan firmemente al suelo blando del pantano y desarrollan allí una red de la que brotan los largos tallos aéreos cilíndricos y erguidos de verde intenso que se arquean. En el extremo de los tallos producen una pequeña espiga de color café con granos que sirven de alimento a varias especies de pájaros, entre ellos el toche de laguna o monjita. Las cañas del junco se usaban para la fabricación de esteras. Al desaparecer estos juncos, los restos vegetales con el tiempo (millones de años) contribuyen a la formación de las llamadas turberas, una especie de suelo negro con alto contenido de materia orgánica que se cree es precursor del carbón mineral o carbón de piedra. Según lo indica la siguiente figura 11.

Figura 11. Junco (Scirpus californicus)

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Acuático de agua dulce representada por desembocaduras de ríos, lagos y charcas con vegetación flotante e inundadas. Algunos representantes muy conocidos son Cyperus giganteus (junco de cienaga) y Eichhornia crassipes (Jacinto de agua) y Nymphaea (lirio de agua). Véase Figura 12.

Figura 12. Eichhornia Crassipes

Ciénaga de agua dulce esta inundada ocasionalmente por agua dulce. Dominada por plantas leñosas y herbáceas tales como, Eriochloa polystachia (malojilla) Hibiscus tiliaceus (emajagua) y Typha domingensis (eneas). Según lo indica la siguiente figura 13.

Figura 13. Eriochloa

2.6. Materiales filtrantes para humedales Humedal artificial inundado Es un sistema de flujo subterráneo (estanques con grava, especies vegetales enraizadas y agua), los cuales pueden diseñarse con flujo subterráneo horizontal o con flujo subterráneo vertical. Véase Figura 14.

Figura 26. Humedal artificial inundado

Figura 14. Diseño de Humedal artificial inundado

Grava En geología y en construcción se denomina grava a las partículas rocosas de tamaño comprendido entre 2 y 64 mm, aunque no existe unicidad de criterio para el límite superior. Pueden ser producidas por el hombre, en cuyo caso suelen denominarse «piedra partida» o «chancada», y naturales. En este caso, además, suele suceder que el desgaste natural producido por el movimiento en los lechos de ríos haya generado formas redondeadas y se denominan canto rodado. Existen también casos de gravas naturales que no son cantos rodados. Según lo indica la siguiente figura 15.

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Figura 15. Grava

Gravilla Grava de diámetro reducido, generalmente entre 6,4 y 9,5 mm (1/4 y 1/3 de pulgada) que ha sido cribada en condiciones determinadas. Véase Figura 16, 17, 18, 19, 20.

Figura 16. Arena de miga lavada de berrocal

Figura 17. Zahorra natural

Figura 18. Gravilla de tercera

Figura 19. Gravilla de primera

Figura 20. Gravilla de segunda

Turba negra Turba negra y rubia: Es materia vegetal en ausencia de oxígeno descompuesta, pertenece a la era cuaternaria. y se obtiene en las turberas. Es blanda, fibrosa. Turba: Materia orgánica descompuesta, ingrediente para el suelo o sustrato que contribuye a la conservación de la humedad, se forma de la descomposición natural de la vegetación de pantano, turberas o cenégales. Según lo indica la figura 21.

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Figura 21. Turba negra

CAPITULO 3. MATERIALES Y MÉTODOS 3.1. Características generales de diseño de humedal artificial 3.1.1. Criterios de diseño

Los modelos publicados sobre el diseño de la remoción de contaminantes en humedales SASL han estado disponibles desde finales de la década de 1980, trabajos más recientes han sido compilados en tres libros de texto que presentan modelos de diseño de humedales SASL (Reed, et al 1995, Kadlec & Knight 1996, Crites & Tchobanoglous, 1998). Los tres modelos se basan en reacciones cinéticas de primer orden para flujo en pistón pero dan resultados diferentes debido a que diferentes bases de datos fueron utilizadas. La organización Water Environment Federation (WEF) presenta una comparación de las tres metodologías en el libro Manual de Práctica para Sistemas Naturales (WEF, 2000). Otra comparación puede encontrase en el manual de diseño de sistemas de humedales de la U.S. EPA (U.S. EPA, 2000). Este manual también incluye los modelos de diseño desarrollados por Gearheart y Finney. El diseñador de sistemas de humedales SASL debe consultar esas referencias para seleccionar el método que mejor se ajuste al proyecto en consideración. Una estimación preliminar de los requerimientos de terreno para humedales SASL puede obtenerse de los valores en la Tabla 2 para las tasas típicas de carga superficial presentadas a continuación. Estos valores también pueden ser utilizados para revisar los resultados de otras referencias. El contaminante que requiere la mayor área para su remoción determina el tamaño del área de tratamiento del humedal, la cual corresponde a la superficie del fondo de las celdas del humedal. La distribución del flujo de agua residual en toda la superficie debe ser uniforme para que esta área sea efectiva en un 100 por ciento. Esto se hace posible en humedales artificiales mediante un gradiente del fondo cuidadosamente seleccionado y el uso de estructuras apropiadas de entrada y descarga.

La distribución uniforme del flujo es más difícil en los humedales naturales que se utilizan para tratamiento o pulimiento del efluente porque estos normalmente retienen su configuración y topografía existentes; esto puede dar como resultado un flujo en corto circuito. Estudios con rastreadores de tinta en este tipo de humedales han mostrado que el área efectiva de tratamiento puede ser tan reducida como el 10 por ciento del área total del humedal. El área total del humedal debe ser dividida por lo menos en dos celdas, con excepción de los sistemas de menor tamaño.

Los sistemas de mayor tamaño deben tener al menos dos trenes de celdas paralelos para tener flexibilidad de manejo y mantenimiento.

Constituyente Concentración

típica del afluente (mg/L)

Meta de tratamiento del efluente

(mg/L)

Tasa de carga contaminante

(libra/acre/ día)

Carga hidráulica (pulgadas por día)

0.4 a 4**

DBO 5 a 100 5 a 30 9 a 89

SST 5 a 100 5 a 30 9 a 100

15

Nitrógeno como NH3/NH4

2 a 20 1 a 10 1 a 4

Nitrógeno como NO3 2 a 10 1 a 10 2 a 9

Nitrógeno total 2 a 20 1 a 10 2 a 9

Fósforo total 1 a 10 0.5 a 3 1 a 4

Tabla 2. Tasas típicas de carga superficial

Los sistemas de humedales son ecosistemas vivos en los cuales los ciclos de vida y muerte de la biota producen residuos que pueden ser medidos en función de DBO, SST, nitrógeno, fósforo y coliformes fecales. Como resultado, y en forma independiente del tamaño del humedal o las características del afluente, en estos sistemas siempre existen concentraciones naturales de esos materiales. La Tabla 3 resume esas concentraciones naturales.

Constituyente Rango de concentración

DBO (mg/L) 1 a 10

SST (mg/L) 1 a 6

Nitrógeno total (mg/L) 1 a 3

Nitrógeno como NH3/NH4 (mg/L) menos de 0.1

Nitrógeno como NO3 (mg/L) menos de 0.1

Fósforo total (mg/L) menos de 0.2

Coliformes fecales (NMP/100 mL) 50 a 500

Tabla 3. Concentraciones naturales en humedales SASL

Debido a que las plantas vivas y los detritos representan una resistencia significativa al flujo por la fricción a lo largo del humedal, se deben considerar los aspectos hidráulicos en el diseño del sistema. La ecuación de Manning es aceptada en general como el modelo del flujo de agua en los humedales SASL.

Desempeño Un humedal SASL con una carga moderada puede lograr los niveles de efluente “naturales” que se presentan en la Tabla 3. En general, los humedales artificiales SASL se diseñan para producir una calidad dada de efluente. La Tabla 2 puede utilizarse para calcular en forma preliminar el tamaño requerido del humedal para producir una calidad de efluente deseada.

Los modelos de diseño en las publicaciones referenciadas proporcionan una estimación más precisa del área de tratamiento requerida. La Tabla 4 resume el desempeño real de 27 sistemas de humedales SASL incluidos en una Evaluación de Tecnología recientemente publicada (U.S. EPA, 2000).

Constituyente Promedio en el afluente (mg/L)

Promedio en el efluente (mg/L)

DBO5 70 15

SST 69 15

Nitrógeno como NTK 18 11

Nitrógeno como NH3/NH4

9 7

Nitrógeno como NO3 3 1

Nitrógeno total 12 4

Fósforo total 4 2

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Fósforo disuelto 3 2

Coliformes fecales (#/100 mL)

73,000 1,320

Tabla 4. Resumen del desempeño de 27 sistemas de humedales SASL

En teoría el desempeño de un sistema de humedales puede estar influenciado por factores hidrológicos. Tasas elevadas de evapotranspiración (ET) pueden aumentar las concentraciones en el efluente pero también aumentar el HRT del humedal. Tasas altas de precipitación pluvial pueden diluir la concentración de contaminantes pero también reducir el HRT del humedal. En la mayoría de las zonas templadas con un clima moderado estos efectos no son críticos para el desempeño adecuado. Estos aspectos hidráulicos sólo deben ser considerados para valores extremos de ET y precipitación.

3.1.2. Operación y mantenimiento

Los requisitos de operación y mantenimiento (O/M) rutinarios de los humedales SASL son similares a los de las lagunas facultativas. Estos incluyen el control hidráulico y de profundidad del agua, la limpieza de las estructuras de entrada y descarga, el corte de la hierba en bermas, la inspección de la integridad de las mismas, el manejo de la vegetación del humedal, el control de mosquitos y vectores de enfermedades (de ser necesario), y el monitoreo rutinario.

La profundidad del agua en el humedal puede requerir ajuste periódico según sea la estación o en respuesta al aumento a largo plazo de la resistencia por la acumulación de detritos en el canal del humedal. Los mosquitos pueden requerir control dependiendo de las condiciones y requisitos locales. Las poblaciones de mosquitos en el humedal de tratamiento no debe exceder el de los humedales naturales cercanos.

El manejo de la vegetación en estos humedales SASL no incluye el corte rutinario y la disposición del material podado. La remoción de contaminantes por parte de la vegetación es un mecanismo relativamente insignificante de manera que el corte y la remoción rutinaria no proporcionan un beneficio significativo en cuanto al tratamiento. La remoción de detritos acumulados puede ser necesaria si se presentan restricciones severas del flujo. En general, esto no ocurre si los canales del humedal han sido construidos con un cociente alto entre la longitud y el ancho (mayor de 10 a 1). El manejo de la vegetación puede incluir también el control de la vida silvestre, dependiendo del tipo de vegetación seleccionada para el sistema. Se sabe de casos en los cuales animales tales como las nutrias y el ratón almizclero (muskrat) han consumido toda la vegetación emergente de humedales artificiales SASL.

Se requiere un monitoreo rutinario de la calidad del agua en todos los humedales SASL que tengan permisos de descarga del NPDES, en los cuales se especifican los contaminantes y la frecuencia de monitoreo. El muestreo para los permisos de NPDES normalmente está limitado a agua residual no tratada y al efluente final del sistema. Dado que el componente de humedales normalmente está precedido por alguna forma de pretratamiento, el programa de monitoreo del NPDES no documenta las características del afluente a los humedales. Se deben recolectar y analizar periódicamente muestras del afluente en todos los sistemas, excepto los de menor tamaño, para proporcionar al operador un mejor entendimiento del desempeño del humedal y una base para hacer ajustes de ser necesarios.

RESULTADOS

Para la construcción del humedal artificial se utilizaron:

Tres tinas con dimensiones de 1.30 m de largo por 1.10 m ancho y 0.9 m de profundidad.

El área superficial de cada tina es de 1.132 m2.

En las tinas se colocaron 0.2 m3 de piedra de 5,0 cm de diámetro, en los extremos,

esto para evitar canalizaciones de flujo y facilitar la salida del agua tratada, en el área

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restante se colocó grava de 1.9 cm de diámetro con una profundidad de 0.35 m y con una pendiente de 1%. (Fig. 22, 23, 24 y 25)

Los constituyentes principales son un lecho de grava, plantas emergentes y agua residual que circula a través de la grava. Su funcionamiento consiste en la formación de una biopelícula adherida a la grava que degrada los contaminantes del agua residual.

Fig. 22 Humedal construido de carrizo Fig. 23 Humedal construido de tule

Fig. 24 Humedal construido de junco Fig. 25 Humedal construido de lentejilla

El nivel de eficiencia en la remoción de coliformes fecales en los sistemas de tratamiento fue significativo de acuerdo a la coloración (Fig. 26).

Fig. 26 Comparación del afluente y efluente del humedal

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DISCUSIÓN

Con la realización de este proyecto nos pudimos percatar que la naturaleza nos proporciona suministros que podemos utilizar para mejorar el tratamiento de aguas residuales de una forma natural sin contaminar, con la variedad de plantas acuáticas que utilizamos de acuerdo a las que se dan en la región de Jocotitlán nos percatamos que no con todas se tenía el mismo resultado, que había con algunas que el proceso de descontaminación era lento como los juncos, el tule y el carrizo a comparación de otra como la lentejilla.

También comentábamos que el avance y el resultado que esperábamos no fue tan satisfactorio, ya que únicamente el resultado lo observamos en cuanto al cambio de coloración y no pudimos realizar pruebas como DBO, DBQ, Ph, sólidos en suspensión, coliformes totales, alcalinidad, entre otros ya que no tuvimos apoyo de nuestra institución ni de COMECYT; ya que le hubieran dado más soporte a nuestro proyecto.

CONCLUSIONES

En conclusión y a la luz de los antecedentes estudiados, se puede afirmar que la técnica del tratamiento de aguas residuales es una excelente alternativa frente a los tradicionales métodos desarrollados por el hombre en los últimos años, presentando claras ventajas desde el punto de vista ambiental y económico, especialmente si se trata de remover metales pesados.

A lo anterior hay que agregar que la factibilidad de utilizar plantas acuáticas depende muchas veces de la temperatura ambiental, pues ellas presentan actividad estacional que pueden afectar seriamente su rendimiento de sistema de tratamiento del agua. Incluso no crece cuando la temperatura alcanza los 0 grados centígrados o menos, situación que ocurre frecuentemente.

RECONOCIMIENTO

Gracias a las personas que colaboraron para la realización del proyecto, por dedicar su tiempo para que se pudiera lograr el objetivo del proyecto de acuerdo a como no lo permitieron las circunstancias:

M.C. Raymundo Sánchez Orozco

Ing. Jorge Ubaldo Jacobo Sánchez

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REFERENCIAS

1. Reed, S.C.; R.W. Crites; and E.J. Middlebrooks, Natural Systems for Waste Management and Treatment – Second Edition, McGraw Hill Co, New York, NY, 1995.

2. U.S. EPA, Free Water Surface Wetlands for Wastewater Treatment: A Technology Assessment, U.S. EPA, OWM, Washington, D.C, 2000.

3. U.S. EPA, Design Manual Constructed Wetlands for Municipal Wastewater Treatment, U.S. EPA, CERI, Cincinnati, OH, 2000.

4. Water Environment Federation, Natural Systems for Wastewater Treatment, MOP FD-16, WEF, Alexandria, VA, 2000.

5. Benefield,L.D. & C.W. Randall, Biological process desing for wastewater treatment. Prentice - Hall,Inc. Englewood Cliffs, N.J, 1980.

6. EPA, Environmental protection agency wetlands and aquatic plants systems for municipal wastewater treatment. US EPA, 1983.

7. Hammer, D.A. & R. K. Bastian, Wetlands ecosystems: natural water purifiers», Chapter 2 in Constructed wetland for wastewater treatment, ed by D.A. Hammer, Lewis Publishers, Chelsea, MI, 1989.

8. Kadlec, R. H. W. Bastiacens, & D. T. Urban, Hidrological design of free water surface,1993.

9. Benefield,L.D. & C.W. Randall (1980). Biological process desing for wastewater treatment. Pretice - Hall,Inc. Englewood Cliffs, N.J.

10. EPA (1983). Environmental Protection Agency wetlands and aquatic plants systems for municipal wastewater treatment. 625/1-88/022.US EPA.

11. Hammer, D.A. & R. K. Bastian (1989). «Wetlands ecosystems: natural water purifiers», Chapter 2 in Constructed wetland for wastewater treatment, ed by D.A. Hammer, Lewis Publishers, Chelsea, MI.

12. Kadlec, R. H. W. Bastiacens, & D. T. Urban (1993). «Hidrological design of free water surface