INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA SANITARIA

INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA SANITARIA
Tratamiento de efluentes mediante humedales construidos Coordinador: Ing. Magdalena Rezzano Docentes: Ing. Danilo Rios Ing. Julieta Lopez Ing. Nicolás Rezzano Ing. Mauro D’Angelo Ing. Nicolás Cunha

Humedales construidos
Introducción a los Humedales Construidos Sistema de depuración natural: Eliminación de contaminantes de las aguas residuales a través de procesos que ocurren naturalmente en el ambiente, no requieren energía externa ni aditivos químicos. Bajo costo inversión, sencilla operación y mantenimiento, bajo consumo energético. Adecuado para saneamiento de pequeñas comunidades suburbanas, rurales, o industrias. Aplicaciones en tratamiento relativamente reciente. - Aguas domésticas. - Aguas industriales, incluyendo fabricación de papel, productos químicos y farmacéuticos, cosméticos, alimentación y mataderos entre otros. - Aguas de drenaje de extracciones mineras. - Tratamiento de lodos de plantas de tratamiento convencionales

Clasificación de humedales construidos Flujo superficial Humedales construidos Flujo horizontal Flujo subsuperficial Flujo vertical

Humedales de flujo superficial El agua circula preferentemente a través de los tallos de las plantas y está expuesta directamente a la atmósfera. Es una modificación al sistema de lagunas convencionales. A diferencia de éstos, tienen menor profundidad (no más de 0,6 m) y tienen plantas.

Humedales de flujo superficial Comparación respecto a sistemas de lagunas Ventajas: · Los humedales artificiales de flujo superficial (HHAA FS) tienen superficies libres de agua, no se fomenta la cría de mosquitos. · Los HHAA FS producen agua clara, las lagunas tienen una alta producción de algas que influyen en la calidad de los efluentes y complican su reutilización. · Los humedales artificiales con buen funcionamiento no tienen problemas de olores, mientras que es común que en muchas lagunas se generen malos olores. · Las lagunas son mucho más difíciles de integrar en un barrio, en particular a uno urbano, por la superficie de aguas abiertas y la posibilidad de atraer mosquitos y mal olor. Desventajas: Las lagunas de tratamiento son más fáciles de diseñar y construir, no necesitan un sustrato (arena) y tienen menores costos de inversión, especialmente para plantas a gran escala.

Humedales de flujo subsuperficial Circulación del agua a través de un medio granular (subterráneo), con una profundidad de agua cercana a los 0,6 m. La vegetación se planta en este medio granular y el agua está en contacto con los rizomas y raíces de las plantas. Pueden ser de dos tipos en función de la forma de aplicación de agua al sistema: Humedales de flujo subsuperficial horizontal. Humedales de flujo subsuperficial vertical.

Humedales subsuperficiales de flujo horizontal Consiste en una cama, ya sea de arena o grava, plantada con macrófitas acuáticas, en la mayoría de los casos con la caña común o carrizo (Phragmites australis). Toda la cama es recubierta por una membrana impermeable para evitar filtraciones en el suelo. El agua ingresa en forma permanente. Es aplicada en la parte superior de un extremo y recogida por un tubo de drenaje en la parte opuesta inferior.

Humedales subsuperficiales de flujo horizontal Profundidad del lecho: 0,45 m a 1 m. Pendiente de fondo: 0,5 % a 1 %. Sistema de entrada: El agua residual no ingresa directamente al medio granular principal (cuerpo), existe una zona de amortiguación previa generalmente formada por grava de mayor tamaño. Sistema de recogida: Tubo de drenaje, rodeado con grava de igual tamaño que la utilizada al inicio. Diámetro de la grava de ingreso y salida: Entre 50 mm a 100 mm. Zona de plantación: Constituida generalmente por grava fina de un solo diámetro, entre 3mm a 32 mm. Nivel de agua inferior a la superficie de grava (5-10 cm por debajo)

Humedales subsuperficiales de flujo vertical Son cargados intermitentemente. De esta forma, las condiciones de saturación con agua en la cama matriz son seguidas por períodos de insaturación, estimulando el suministro de oxígeno. Sistema de entrada: Reciben las aguas residuales de arriba hacia abajo, a través de un sistema de tuberías de aplicación de agua. Infiltran verticalmente a través de un sustrato inerte (arenas, gravas). Sistema de recogida: Recogen en una red de drenaje situada en el fondo del humedal.

Humedales subsuperficiales de flujo vertical La vegetación emergente se planta también en este medio granular. Adicionalmente, para favorecer las condiciones aerobias del medio poroso, se suele colocar un sistema de aeración con chimeneas, que son tuberías con salidas al exterior. A diferencia del humedal subsuperficial de flujo horizontal, el sustrato está constituido por varias capas, generalmente las más finas en la parte superior aumentando el diámetro de la grava hacia abajo. Humedal recién sembrado de flujo vertical

Comparación humedales flujo subsuperficial horizontal y vertical: Componentes de humedales de flujo subsuperficial: Agua residual a tratar Sustrato Vegetación Microorganismos

Agua residual a tratar Los principales contaminantes de interés en el tratamiento de las aguas residuales son:

Sustrato (Medio granular) En los humedales, el sustrato está formado por: arena, grava, roca, sedimentos y restos de vegetación que se acumulan en el humedal. Importancia: - Sirve de material soporte para las plantas - Sirve de material soporte para los microorganismos que se encargan de la degradación de ciertos contaminantes - La permeabilidad del sustrato afecta el movimiento del agua a través del humedal. - Proporciona almacenamiento para muchos contaminantes.

Sustrato (Medio granular) Debe tener la permeabilidad suficiente para permitir el paso del agua a través de él. El tamaño del medio granular afecta directamente al flujo hidráulico del humedal incidiendo en el caudal de agua a tratar. Si el lecho granular está constituido por materiales finos, se consigue una mayor capacidad de adsorción y una mejor filtración. Pero también este medio presenta una elevada resistencia hidráulica y requiere velocidades de flujo muy bajas, limitando el caudal a tratar. Por el contrario, si el lecho granular está formado por gravas o arenas gruesas, disminuye la capacidad de adsorción y el poder filtrador del medio, pero aumenta la conductividad hidráulica.

Vegetación El papel de la vegetación en los humedales está determinado fundamentalmente por las raíces y rizomas enterrados Tienen la habilidad de transferir oxígeno desde la atmósfera a través de hojas y tallos hasta el medio donde se encuentran las raíces. Este oxígeno crea pequeñas regiones aerobias donde los microorganismos utilizan el oxígeno disponible para producir diversas reacciones de degradación aerobia de materia orgánica y nitrificación. Contribuyen al tratamiento del agua residual de la siguiente manera: Toman el carbono y nutrientes y los incorporan a los tejidos de la planta. (Absorben, retienen y degradan). Absorción de algunos metales y acumulación en tallos y hojas . Transfieren oxígeno entre la atmósfera y el sustrato. El tallo y las raíces dan lugar a sitios para la fijación de microorganismos. En invierno, la capa de tejido muerto que cubre la superficie protege del frío y de la disminución de la temperatura del agua presente en el humedal

Vegetación Características de las especies vegetales más utilizadas en humedales artificiales:

Vegetación Raíz y sistema de rizomas del Carrizo (Phragmites spp australis) Carrizo de dos años en HA de flujo vertical

Vegetación Totora (Scirpus spp) Junco (Thypa spp)

Microorganismos Los microorganismos se encargan de realizar el tratamiento biológico. En la zona superior del humedal, donde predomina el oxígeno liberado por las raíces de las plantas y el oxígeno proveniente de la atmósfera, se desarrollan colonias de microorganismos aerobios. En el resto del lecho granular predominarán los microorganismos anaerobios. Los principales procesos que llevan a cabo los microorganismos son la degradación de la materia orgánica y la eliminación de nutrientes debido al requerimiento para la actividad microbiana. Se encuentran mayoritariamente presentes en la biopelícula que se forma alrededor de las partículas del sustrato y las raíces y rizomas de las plantas

Principales mecanismos de remoción de contaminantes

Diseño de humedales – Subsuperficial de flujo horizontal Cálculo del área superficial necesaria Se realiza en función al parámetro contaminante que se desea disminuir o remover. Generalmente los diseños se realizan para la disminución de la DBO5. Q = caudal medio [m3/d] k = Constante de primer orden [m/d] Centrada = concentración del contaminante a la entrada del sistema [mg/l] Csalida = concentración del contaminante a la salida del sistema [mg/l] C* = concentración del contaminante intrínseca del humedal [mg/l]

Diseño de humedales – Subsuperficial de flujo horizontal Cálculo del área superficial necesaria Contaminante valores típicos de C* DBO5 1-5 (mg/L) SST 2-5 (mg/L) N Total <1,5 (mg/L) P Total <0,02 (mg/L) Coliformes fecales <300 UFC Contaminante k20 (m/año) θ DBO5 180 1,00 SST 3000 N Total 27 1,05 P Total 12 Coliformes fecales 95 kT =Constante de primer orden a la temperatura T [m/a] k20 =Constante de primer orden a 20oC [m/a] q = Coeficiente de temperatura, adimensional T = Temperatura media del mes más frío [oC] Fuente: Kadlec & Wallace, 2009

Humedales construidos Conductividad hidráulica ks (m3/m2.d)
Diseño de humedales – Subsuperficial de flujo horizontal Cálculo del área transversal (perpendicular al flujo) Ley de Darcy: Q = Caudal a tratar, en m3/d. ks = Conductividad hidráulica del medio en una unidad de sección perpendicular a la dirección del flujo, en m3/m2.d. AT = Sección del humedal perpendicular a la dirección del flujo, en m2. i = Gradiente hidráulico o pendiente (dh/dL), en m/m. Valor usual 1 %. Tipo de sustrato Tamaño efectivo d10 (mm) Porosidad (%) Conductividad hidráulica ks (m3/m2.d) Arenas graduadas 2 28-32 Arenas gravosas 8 30-35 Gravas finas 16 35-38 Gravas medianas 32 36-40 Rocas pequeñas 128 35-45

Diseño de humedales – Subsuperficial de flujo horizontal Profundidad (altura) del humedal H = 0,45 m – 1,0 m (Valor usual 0,6 m) Ancho del humedal Largo del humedal

Diseño de humedales – Subsuperficial de flujo horizontal Sustrato: Para el diseño de humedal subsuperficial de flujo horizontal se recomienda grava con menos de 30 mm (3/4”) de diámetro. Si se utiliza grava con diámetros muy grandes, origina incremento en la velocidad del paso del agua, resultando en un flujo turbulento y que no se cumpla la ley de Darcy para el diseño. Caso contrario ocurre con grava de tamaño demasiado pequeño, reduce la velocidad del paso de agua originando zonas con presencia de agua en la superficie, pero tienen la ventaja de proporcionar una mayor área superficial para la actividad microbiana y la adsorción.

Diseño de humedales – Subsuperficial de flujo horizontal Estructura de entrada del efluente: La entrada del agua residual al humedal debe realizarse de modo de lograr una distribución homogénea del mismo en todo su ancho . Si el caudal no se reparte homogéneamente, se generarán zonas muertas, flujos preferenciales y un aumento del riesgo de colmatación en la zona que reciba mayor carga del agua residual. Para humedales de gran tamaño (W > 5,0 m) se recomienda que el sistema de distribución a la entrada esté constituido por una canaleta dispuesta a lo ancho del humedal con vertederos diseñados adecuadamente cada 0,2 m. Para W < 5,0 m, se puede disponer de una tubería de PVC de Ø110 mm transversal al lecho, con una línea de perforaciones laterales

Diseño de humedales – Subsuperficial de flujo horizontal Estructura de entrada del efluente: La zona de entrada actúa como filtro y elimina una parte importante de los sólidos en suspensión. Si es incorrectamente diseñada (diámetros de partículas muy pequeños), se presentará anegamiento sobre superficie del lecho contra la entrada. (Por acumulación de sólidos en suspensión y/o biofilm). La cabecera del lecho deberá estar ocupada por un material granular más grueso que el lecho de tratamiento en sí (piedras de aproximadamente 50 mm de diámetro), extendidas a lo largo del primer metro del humedal. Este tramo del lecho no deberá presentar vegetación alguna ni debe ser considerado en los cálculos de dimensionamiento del lecho del humedal.

Diseño de humedales – Subsuperficial de flujo horizontal Estructura de entrada del efluente: Estructura de salida del efluente: Al igual que la cabecera, el último metro del humedal deberá presentar una franja de material granular grueso. En el extremo final del lecho deberá instalarse una tubería de PVC de Ø110 mm perforada y dispuesta transversalmente al eje del humedal, conectada en su punto medio mediante una “T” a la tubería de salida que descargará en una cámara

Construcción de humedales – Subsuperficial de flujo horizontal Selección del sitio: Zonas llanas o de baja pendiente. No se deben construir humedales en áreas inundables. Deben evitarse lugares sombreados o cercanos a estructuras que los priven de la luz solar directa, necesaria para el crecimiento de las plantas. Las plantas se desarrollan mejor si están resguardadas de los vientos predominantes, fundamentalmente en aquellos lugares cercanos a la costa.

Construcción de humedales – Subsuperficial de flujo horizontal Excavación de la celda: La inclinación de los taludes de excavación se deberá definir en la fase de proyecto, mediante el correspondiente estudio geotécnico. La parte exterior de los taludes deberá cubrirse con pasto para evitar su erosión. Se debe compactar el fondo de la celda, procurando que quede libre de elementos gruesos o punzantes en caso de colocación posterior de membranas.

Construcción de humedales – Subsuperficial de flujo horizontal Impermeabilización: Si el suelo es arcilloso (conductividad hidráulica <10-7 m/s), tanto en el fondo como en los taludes internos deberá ser compactado adecuadamente. Si el suelo no es arcilloso, se deberá impermeabilizar la celda con una membrana de caucho, EPDM (Etileno Propileno Dieno M), PVC (Cloruro de Polivinilo) o PEAD (polietileno de alta densidad) de al menos 1 mm de espesor.

Construcción de humedales – Subsuperficial de flujo horizontal Relleno: Una vez instalada la tubería de evacuación del efluente, se procederá al relleno de la celda con el medio granular. Primeramente se deberá colocar la franja de material de mayor tamaño en ambas cabeceras de la celda y a continuación se procederá a colocar el propio medio granular. Plantación: Antes de iniciar el proceso de plantado, el humedal se debe llenar de agua hasta inundar el lecho, de forma de comprobar la nivelación de su superficie y corregir desniveles si los hay. Posteriormente se reduce el nivel del agua al nivel de operación y se procede a plantar.

Construcción de humedales – Subsuperficial de flujo horizontal Plantación: Si las plantas a utilizar fueran tomadas de su ambiente natural (humedal natural), se deberán cortar trozos de rizomas con 2 a 5 hojas brotadas, las que se recomiendan sean cortadas. Se debe asegurar que los rizomas estén en buen estado (sin trozos putrefactos), siendo los mismos no inferiores a 15 cm de longitud.

Construcción de humedales – Subsuperficial de flujo horizontal Plantación: La siembra se debe realizar a fines del invierno o a comienzos de la primavera, insertando las plántulas o los rizomas en pequeños huecos de 0,10 m de profundidad. Las plantas deberán ser sembradas con una densidad de 9 plantas/m2, espaciadas 0,30 m entre sí. Se deberá mantener el nivel de operación con agua limpia hasta que se observe que las plantas del comienzan a brotar, momento a partir del cual se comenzará a cargar el sistema con el efluente a tratar.

Operación y mantenimiento de humedales – Subsuperficial de flujo horizontal Semanal Control del nivel del agua dentro del lecho. Observación del estado de las plantas. Inspección las tuberías de distribución de ingreso del agua residual. De ser necesario, su limpieza. Mensual Verificación del estado de los taludes. Inspección de la fosa séptica previa o sistema de retención de sólidos previo. Reparación del humedal en caso de obstrucciones. Lavado de tuberías de distribución y recogida de aguas. En caso de taponamientos, lavado a presión de las tuberías de entrada y salida (spooling). Control de malezas (retiro manual, no químico). Toma de muestra del efluente para el análisis de los principales parámetros de calidad.

Operación y mantenimiento de humedales – Subsuperficial de flujo horizontal Regeneración de un sistema obturado En caso de colmatación debido a la sobrecarga de materia orgánica, puede ser de ayuda vaciarlo totalmente y suspender su operación durante un periodo de 3 a 4 semanas. Si este tratamiento no soluciona el problema se puede intentar de nuevo. Si después de esto aún no se mejora la operación, entonces se debe proceder a remover totalmente el material de relleno de los lechos y remplazarlo por material nuevo, así como también revisar el mantenimiento y funcionamiento de la fosa séptica o sistema de tratamiento previo.

Diseño de humedales – Subsuperficial de flujo vertical Cálculo del área superficial necesaria Se realiza mediante el método de Población equivalente. Considerando una generación unitaria de 60 gDBO5/hab.día: Fuente M Cooper et al. (1996) 1 Weedon (2003) 5,4 Boutin y Linéard (2004) 2,5 Fehr et al. (2003) 4 Brix y Johansen (2004) 3 Molle et al. (2005) 2 ONORM (2005) DWA (2006) Langergraber et al. (2006) Generalmente se considera 3 a 4 m²/hab. para climas fríos y 1 a 2 m²/hab. en climas más cálidos

Diseño de humedales – Subsuperficial de flujo vertical Profundidad del humedal H = 0,6 m – 1,0 m Sustrato: Recomendaciones:

Diseño de humedales – Subsuperficial de flujo vertical Dispositivo de dosificación: En los humedales de flujo vertical, las aguas residuales son dosificadas de forma intermitente de 4 a 6 veces al día. La oxigenación se garantiza cuando el tiempo de llenado y vaciado es corto, en comparación con el tiempo de reposo. Necesitarán de un tanque de acumulación previo, desde el cual se realizará la descarga del agua residual por pulsos.

Diseño de humedales – Subsuperficial de flujo vertical Estructura de entrada del efluente: Las tuberías de distribución deben ser diseñadas de tal manera, que se produzca una distribución uniforme del agua residual que ingresa en toda la superficie del humedal. Se recomienda utilizar tubos paralelos de Ø 55 mm o menor con perforaciones espaciadas.

Construcción de humedales – Subsuperficial de flujo vertical Las etapas de construcción son equivalentes a las descritas para los humedales subsuperficiales de flujo horizontal: Elección de un área soleada Excavación Impermeabilización Tendido de las tuberías Relleno cuidadoso del lecho con el material granular Plantación

Operación y mantenimiento de humedales – Subsuperficial de flujo vertical La etapa de operación es mas compleja que la de los humedales horizontales debido a su alimentación intermitente. Se deben respetar las tasas de llenado y descanso. Además, la granulometría más fina del material del lecho en la parte superior del humedal, si bien hace que el sistema sea más eficiente, también lo hace más delicado a obstrucciones. Las obstrucciones o colmataciones temporales son parte del proceso y se producen regularmente. La obstrucción temporal se revierte con el reposo frecuente de la superficie afectada. Las tareas de mantenimiento son las mismas que las de los humedales subsuperficiales de flujo horizontal, agregándole el control del sistema de dosificación.

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