Depuracion en Humedales

DEPURACION EN HUMEDALES ARTIFICIALES

Filtro de Macrofitas en Flotación (FMF)Filtro de Helófitas Semisumergidas (FHS)

José de Miguel MuñozEduardo Casado Fernández

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ZONAS DE UN HUMEDAL

Manto freático

zona fotica

Pleuston

Limnos

Bentos

zona profunda

Zona de transición

alta media baja

Zona Litoral Zona Pelágica(agua abierta)

Zona de transición

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CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS

• Según el tipo de planta acuática:– Especies flotantes.– Especies semisumergidas.– Especies sumergidas.

• Según el tipo de circulación del agua.– Flujo superficial.– Flujo subsuperficial.

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ESPECIES FLOTANTES

• Aquellas que están flotando sobre la superficie del agua y cuyas raíces no llegan a contactar con el fondo del humedal. Como ejemplo tenemos la lenteja de agua (género Lemna, Wolffia, Spirodella, etc.), el helecho (Azolla sp.), el jacinto de agua (Eirchornia crassipes), los nenúfares (Victoria regia), etc.

• Proliferan en condiciones de eutrofización

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ESPECIES FLOTANTESAzolla Wolfia y SpirodellaLemna

Potamogeton Victoria regiaNymphaena

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ESPECIES EMERGENTES

• Son aquellas que tienen sus raíces hundidas en el suelo del fondo del humedal, pero que sus tallos y hojas, tras atravesar la lámina de agua, emergen por encima de la superficie y desarrollan las funciones propias de los vegetales (fotosíntesis, floración, reproducción, fructificación y diseminación, entre otras) en contacto con el aire atmosférico.

• Son especies de este tipo los carrizos (Phragmitessp.), los esparganios (Sparganium sp.), las espadañas (Typha sp.), los juncos (varias especies de géneros tales como Juncus, Scirpus, Schoenus), el lirio de agua (Iris pseudoacorus), etc.

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ESPECIES EMERGENTES

• La mayoría de estas macrofitas recuperan nutrientes a partir de los sedimentos anaerobios profundos. Sirve como hábitats para innumerables invertebrados y peces proporcionando alimentación y refugio

Iris pseudoacorus

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ESPECIES EMERGENTESPhragmites ScirpusJuncus

Schoenus ZizaniaThypa

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ESPECIES SUMERGIDAS

• Son plantas cuyo tallo y hojas se encuentran completamente bañados por el agua, y sus raíces están arraigadas en el suelo del fondo del humedal.

• Plantas de este tipo normalmente se emplean como plantas de acuario. Normalmente no se utilizan para los procesos artificiales de depuración con macrofitas.

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ESPECIES SUMERGIDASChara UtriculariaCeratophyllum

Hydrilla

SISTEMAS DE DEPURACIÓN SEGÚN LAS PLANTAS

EMPLEADAS

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MECANISMOS DE DEPURACIÓN.

• Los procesos que tienen lugar para la depuración de contaminantes son a través de tres mecanismos primarios:– Sedimentación de sólidos– Incorporación de nutrientes en plantas y su posterior cosechado

– Degradación de la materia orgánica por un conjunto de microorganismos facultativos asociados a las raíces de las plantas y en los detritus del fondo de la laguna.

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SISTEMAS CON ESPECIES FLOTANTES

• Consisten en estanques o canales de profundidad variable (0,4 a 1,5 m.), alimentados con agua residual, más o menos pretratada, en los que se desarrolla una especie en flotación.

• Las plantas se recolectan periódicamente en cortos intervalos de tiempo.

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• La principal ventaja que ofrecen es la gran superficie de contacto que tienen sus raíces con el agua residual, la cual les cubre por completo, lo que permite una gran actividad depuradora por medio de los microorganismos adheridos a dicha superficie o por las propias raíces directamente.

• Como inconveniente principal está la capacidad limitada que tienen de acumular biomasa, ya que los cuerpos de las plantas no llegan a alcanzar una altura significativa, permaneciendo normalmente próximos a las superficie del agua. Debido a esto, la cantidad de biomasa de las plantas que se llega a acumular por unidad de superficie es relativamente pequeña, por lo que es necesario efectuar retiradas periódicas de la biomasa para que las plantas puedan seguir creciendo.

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• Estos sistemas son muy efectivos cuando hay reducidas concentraciones de DBO y de sólidos disueltos. El nitrógeno y el fósforo son absorbidos en grandes cantidades por las plantas.

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SISTEMAS CON ESPECIES EMERGENTES

• Las plantas tienen sus raíces ancladas en el substrato y sus tallos y hojas emergen fuera del agua.

• Son plantas vivaces cuyas hojas se secan en invierno y tienen la capacidad de rebrotar en primavera a partir de sus rizomas, que persisten durante el período frío.

• Pueden generar elevadas producciones de biomasa, tanto en la parte aérea como en la radicular.

• Normalmente los rizomas están cargados de almidón que actúa como sustancia de reserva que se moviliza en el crecimiento de los nuevos brotes en a primavera.

SISTEMAS DE DEPURACIÓN SEGÚN EL TIPO DE

CIRCULACIÓN DE AGUA

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SISTEMAS DE DEPURACIÓN SEGÚN EL FLUJO DE AGUA

• Estos sistemas de tratamiento de aguas pueden ser muy diferentes, ya que existen diferentes técnicas en cuanto al tipo de circulación del agua en las plantaciones, y también se pueden emplear diferentes substratos. Los tipos más básicos son:– Flujo superficial.– Flujo subsuperficial.

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FLUJO SUPERFICIAL

• En estos sistemas el suelo 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.

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FLUJO SUBSUPERFICIAL HORIZONTAL

• Los sistemas de humedales subsuperficiales utilizan una capa de suelo o grava como substrato para el crecimiento de las plantas. Los flujos de agua atraviesan por gravedad y horizontalmente el substrato y las raíces de las plantas.

• Durante el paso del agua residual a través del sistema radicular de las plantas, la materia orgánica se descompone biológicamente, el nitrógeno puede ser desnitrificado y el fósforo y los metales pesados son fijados en el suelo.

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FLUJO SUBSUPERFICIAL HORIZONTAL

• Las plantas tienen dos importantes funciones en este proceso: suministrar oxígeno a los microorganismos en la rizosfera e incrementar y estabilizar la conductividad hidráulica del suelo.

• El principal problema que pueden tener estos sistemas es el de la colmatación de las propias raíces o por los sólidos sedimentados. La eliminación de los contaminantes en este caso implica la destrucción del sistema para eliminar la materia orgánica sedimentada o de las propias plantas.

FILTRO DE MACRÓFITAS EN FLOTACIÓN (FMF)

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FILTRO DE MACROFITAS EN FLOTACION (FMF)

• El sistema FMF (Filtro de Macrofitas en Flotación) ha sido patentado en España con el número P9700706, fecha de antigüedad 4 de abril de 1997, y número de publicación internacional WO 98/45213.

• El sistema fue desarrollado por el Prof. D. Jesús Fernández González, responsable del Grupo de Agroenergética de la E.T.S.I. Agrónomos de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), habiendo cedido los derechos de patente a la UPM.

• La UPM tiene cedidos en exclusiva los derechos de utilización de la patente en aeropuertos a la empresa AENA y la comercialización para el resto de las aplicaciones a la empresa Macrofitas S.L.

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• Este sistema es capaz de lograr la depuración de las aguas residuales utilizando macrofitas de tipo emergente, transformadas en flotantes para la depuración de aguas que circulan a través de canales o que están remansadas en lagunas.

• Este sistema es un método novedoso que combina las ventajas de los sistemas flotantes y los de macrofitas emergentes, eliminando o reduciendo muy significativamente sus inconvenientes.

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• El sistema puede servir para:– efectuar un tratamiento terciario (eliminación de elementos minerales eutrofizantes) en los efluentes secundarios de sistemas de depuración convencionales;

– efectuar un tratamiento secundario (descomposición de la materia orgánica disuelta) por medio de los microorganismos adheridos al sistema radicular y favorecer así el ataque de la materia orgánica de estos sólidos, por parte de los microorganismos fijos a las raíces de las plantas, que presentan una gran superficie específica.

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• El sistema es útil además para el tratamiento de efluentes eutrofizados agrarios o efluentes de industrias que produzcan vertidos ricos en nitrógeno y/o fósforo y/o potasio, así como de aguas de manantiales contaminados con estos elementos o alguno de ellos.

• Algunas especies de plantas emergentes tienen la facultad de descontaminar aguas cargadas con algunos compuestos tóxicos tales como fenoles y absorber cantidades importantes de metales pesados, por lo que este sistema valdría también para tratar vertidos que tengan este tipo de contaminantes, siempre que se elijan adecuadamente las especies de plantas.

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DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA FMF• El corazón del sistema está

constituido por un tapiz flotante de vegetación, formado sobre la superficie de un canal o laguna, cuyos elementos básicos son las plantas (especies seleccionadas entre las de tipo "emergente", adaptadas a la climatología del lugar) que van a tener sumergido en el agua su sistema radicular y una parte de la base del tallo.

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DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA FMF• La mayoría de las plantas

acuáticas tienen también rizomas (estructuras de reproducción vegetativa de las que salen nuevos brotes y que contienen abundante cantidad de hidratos de carbono como sustancia de reserva), que se encuentran sumergidos en el agua junto a las raíces y unidos a la base del tallo de procedencia.

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DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA FMF• Toda la zona sumergida de

la planta tiene una gran superficie específica, debido principalmente la gran número de raíces y raicillas, que actúan de soporte para la fijación de los microorganismos que degradan la materia orgánica, cuyo crecimiento se ve favorecido por el oxígeno que les llega a través de las raíces bombeado desde las hojas de las plantas (propiedad específica de las plantas emergentes).

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DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA FMF

• Las macrofitas emergentes en general tienen un cierto desarrollo en altura y una densidad menor que la unidad, por lo que para lograr la flotación y el desarrollo de este tipo de plantas hay que conseguir que la parte sumergida forme una base de suficiente consistencia y extensión en superficie, que permita el desarrollo de las hojas y los tallos por encima de la superficie del agua, según su altura natural, evitando la tendencia al vuelco que tendría una planta aislada.

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• La novedad del sistema consiste en conseguir que plantas que naturalmente se encuentran enraizadas en el suelo del fondo de los cursos de aguas o en sus orillas, se desarrollen y lleguen a completar su ciclo vital flotando sobre la parte superior del perfil de agua que fluye por un canal o que se encuentra remansada en una balsa o laguna, siempre que tenga profundidad suficiente (en general entre 25 y 50 cm.). En definitiva se trata de formar un tapiz flotante formado por órganos sumergidos de las plantas (base de tallos, rizomas y raíces) trabados entre sí naturalmente, como consecuencia de su crecimiento.

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• Para conseguir la formación del tapiz flotante de forma rápida es preciso partir de plantas jóvenes en fase de crecimiento o de rizomas.

• Las plantas o los rizomas deben fijarse a un soporte flotante separadas o separados entre sí una distancia conveniente (entre 10 y 30 cm. aproximadamente) para que permita el trabado de los sistemas radiculares de las plantas contiguas.

• La rapidez en la formación del tapiz dependerá, en gran manera, de la distancia de separación en que se coloquen las plantas o rizomas sobre el soporte flotante.

• Algunas plantas emergentes como por ejemplo los carrizos, tienen un tallo fistuloso (caña) que puede flotar horizontalmente en el agua sin necesidad de soporte y emitir brotes a partir de yemas situadas en los nudos y raíces

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SISTEMAS DE PLANTACIÓN

• Sistema de D. Jesús Fernández (1)

• Consiste en amarrar la planta a un tubo de polietileno, que flota. Tiene el inconveniente que cuando las plantas crecen vuelcan con facilidad.

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SISTEMAS DE PLANTACIÓN

• Sistema Torres (2)• Consistente en sujetar

un tiesto sin fondo mediante dos tubos a los que se ata. Tiene el inconveniente que en cuanto crecen un poco las plantas, vuelcan si hay algo de viento.

FILTRO DE HELÓFITAS SEMISUMERGIDAS (FHS)

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FILTRO DE HELOFITAS SEMISUMERGIDAS (FHS)

• El sistema FHS (Filtro de Helófitas semisumergidas) ha sido patentado en España, con la referencia P200900811, con fecha de concesión de 14/04/2010 .

• El sistema ha sido desarrollado por el Prof. D. Jesús Fernández González, responsable del Grupo de Agroenergética de la E.T.S.I. Agrónomos de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), habiendo cedido los derechos de patente a la UPM.

• La UPM tiene cedidos en exclusiva los derechos de utilización de la patente en España a la empresa Alvartis.

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• Este sistema es capaz de lograr la depuración de las aguas residuales utilizando helófitas de tipo emergente de forma que queden entre dos aguas, para la depuración de aguas que circulan a través de canales o que están remansadas en lagunas.

• Este sistema es totalmente novedoso y combina las ventajas de los sistemas de macrofitas emergentes y del sistema FMF, eliminando o reduciendo muy significativamente sus inconvenientes.

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• El sistema puede servir para efectuar:– un tratamiento terciario (eliminación de elementos minerales

eutrofizantes) en los efluentes secundarios de sistemas de depuración convencionales;

– un tratamiento secundario (descomposición de la materia orgánica disuelta) por medio de los microorganismos adheridos al sistema radicular y favorecer así el ataque de la materia orgánica de estos sólidos, por parte de los microorganismos fijos a las raíces de las plantas, que presentan una gran superficie específica.

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• El sistema es útil además para el tratamiento de efluentes eutrofizados agrarios o efluentes de industrias que produzcan vertidos ricos en nitrógeno y/o fósforo y/o potasio, así como de aguas de manantiales contaminados con estos elementos o alguno de ellos.

• Algunas especies de plantas emergentes tienen la facultad de descontaminar aguas cargadas con algunos compuestos tóxicos tales como fenoles y absorber cantidades importantes de metales pesados, por lo que este sistema valdría también para tratar vertidos que tengan este tipo de contaminantes, siempre que se elijan adecuadamente las especies de plantas.

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• El corazón del sistema está constituido por un tapiz de vegetación, formado entre dos aguas en un canal o laguna, cuyos elementos básicos son las plantas (especies seleccionadas entre las de tipo "emergente", adaptadas a la climatología del lugar).

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• Las plantas van a tener sumergido en el agua su sistema radicular, y la base del tallo hasta el principio de las hojas.

• La mayoría de las plantas acuáticas tienen también rizomas (estructuras de reproducción vegetativa de las que salen nuevos brotes y que contienen abundante cantidad de hidratos de carbono como sustancia de reserva) que se encuentran sumergidos en el agua junto a las raíces y unidos a la base del tallo de procedencia.

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• Toda la zona sumergida de la planta tiene una gran superficie específica, debido principalmente la gran número de raíces y raicillas, que actúan de soporte para la fijación de los microorganismos que degradan la materia orgánica, cuyo crecimiento se ve favorecido por el oxígeno que les llega a través de las raíces bombeado desde las hojas de las plantas (propiedad específica de las plantas emergentes).

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• En este caso el agua está por encima de la manta que forman las raíces, de forma que existe una capa sobre ellas de unos 20 cm.

• Asimismo entre las raíces hay arcilla, asícomo en el fondo del canal (una de las principales diferencias con macrofitas)

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Sistemas de plantación

• Las plántulas se siembran directamente sobre el suelo. Esto representa un gran ahorro frete al sistema de macrofitas.

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• Sistema de D. Jesús Fernández (2)

• Sistema TTF

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MECANISMOS DE DEPURACIÓN

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ELIMINACIÓN DE SÓLIDOS EN SUSPENSIÓN

• Los sólidos se separan en Humedales (HUM), Helofitas (FHS) y Macrofitas (FMF) por:– Sedimentación.– Decantación.– Filtración.– Degradación a través del conjunto que forma el sustrato con las raíces y rizomas.

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ELIMINACIÓN DE MATERIA ORGÁNICA

• La eliminación de la M.O. del agua es realizada por los microorganismos que se fijan al sistema radicular de las plantas y por sedimentación (HUM, FHS Y FMF).

• Además de los anteriores, por efecto lagunajeen la capa de agua sobre el manto radicular (FHS).

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ELIMINACIÓN DE NITRÓGENO.

• Se elimina por diversos procesos:– absorción directa de las plantas (HUM, FHS Y FMF);

– fenómenos de nitrificación‐desnitrificación, realizados por bacterias (HUM, FHS Y FMF (< que las anteriores));

– amonificación (en menor medida) (HUM, FHS Y FMF (< que las anteriores));

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ELIMINACIÓN DE FÓSFORO

• Se elimina por:– Absorción por las plantas (HUM, FHS y FMF)– Adsorción sobre partículas de arcilla (HUM y FHS).

– Precipitación de fosfatos insolubles, principalmente con Al y Fe, en suelos ácidos y con calcio en suelos básicos (HUM y FHS).

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ELIMINACIÓN DE MICROORGANISMOS PATÓGENOS• Se realiza mediante:

– Por filtración y adsorción en partículas de arcilla (HUM y FHS).

– Acción predatoria de otros organismos (bacteriófagos y protozoos) (HUM, FHS y FMF).

– Toxicidad por antibióticos producidos por las raíces (HUM, FHS y FMF),

– Por la radicación UV (HUM y FHS).

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ELIMINACIÓN DE 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 (HUM, FHS Y FMF).

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PARÁMETROSDE REFERENCIA

(*) Real Decreto 849/1986, de 11 de abril, por el que se aprueba el Reglamento del Dominio Público Hidráulico

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PARÁMETROS DE REFERENCIA

Valores obtenidos para una lámina de depuración de 1.500 m2, con una caudal medio de agua residual bruta de 200 m3/día para una población estimada de 700 habitantes – equivalentes, para una instalación localizada en la zona centro de España.

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APLICACIÓN A LA DEPURACIÓN DE PURINES

• Se realiza colocando en serie un sistema físico – químico, y a continuación un FHS.

• Será necesario realizar una dilución después del sistema físico – químico y antes de llevar el agua a los canales.

• Se utilizará el agua depurada.

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SISTEMA FÍSICO‐QUÍMICO PARA LA DEPURACIÓN DE PURINES.

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Fases de la construcción de un humedal artificial en canales

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INSTALACIONES EN FUNCIONAMIENTO

• FMF– Aeropuerto de Reus – Aeropuerto de Gerona– Aviles– Punto Limpio de Vitoria– Coy– Casa rural en Villagordo del Cabriel

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INSTALACIONES EN FUNCIONAMIENTO

• FHS– Fabara– Yeguada Militar de Écija– Yeguada Militar de Vicos (Jerez)– Yeguada Militar de Garrapilos (Jerez) (Gédula)– Restaurante en Paracuellos de La Vega– Polígono Industrial UCOTA (T.M. en Cazalegas)– Fábrica de Patatas Fritas en Añavieja (Soria)

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