optimización del humedal artificial subsuperficial para tratamiento

REVISTA DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA DE LA UNIVERSIDAD LIBRE

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OPTIMIZACIÓN DEL HUMEDAL ARTIFICIAL SUBSUPERFICIAL PARA TRATAMIENTO

DE AGUAS RESIDUALES

OPTIMIZATION OF ARTIFICIAL WETLAND TYPE SUBSURFACE WASTEWATER TREATMENT

Ernesto Torres1

Alexander Marín Sanabria2

Fecha de recepción del artículo: 13/07/2012 - Fecha de aceptación del artículo: 13/09/2012

1 Docente e investigador Ingeniería Ambiental –Universidad Libre2 Ingeniero, egresado del Programa de Especialización en Ambiental –Universidad Libre

RESUMEN

El presente documento tiene como objeto exponer los resultados de un trabajo de Investigación realizado en la Especialización de Gerencia Ambiental dentro del grupo de Investigación TECNOAMBIENTAL y de un proceso investigativo llevado a cabo en un centro de entrenamiento se ubica en Tolemaida en el municipio de Melgar. En este lugar se realizó la optimización de un humedal artificial de flujo subsuperficial, el cual es el sistema de tratamiento actual para las aguas residuales del área de entrenamiento Mesa Baja. PALABRAS CLAVE

Humedal artificial, Agua residual, Depuración, Variables fisicoquímicas.

ABSTRACT

This document is to present the results of research work conducted in the Environmental Management

specialization within the technoenvironmental Research Group and an investigative process carried out in a training center of Ptolemais in the town of Melgar. In the optimization was performed in a subsurface flow constructed wetland, which is the current treatment system for wastewater training area Lower Mesa.

KEYWORDS

Artificial wetlands, waste water, purification, physicochemical variables

MARCO TEÓRICO

Humedalesartificialesdeflujosubsuperficial.

Un humedal artificial de flujo subsuperficial (FS, subsurface flow wetlands) está diseñado específicamente para el tratamiento de algún tipo de agua residual, o su fase final de tratamiento, y está construido típicamente en forma de un lecho

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o canal que contiene un medio apropiado y el nivel del agua, por diseño, debe estar por debajo de la superficie del medio (EPA, 2000).

• La vegetación emergente se planta en el medio que puede ser grava o arena, aunque también se ha empleado roca triturada y otro tipo de materiales del suelo.

• La vegetación emergente que se planta es la misma de los humedales naturales.

• El propósito de la vegetación es proveer oxigeno a la zona radicular y aumentar el área superficial para el crecimiento biológico en la zona de las raíces.

• Profundidad del lecho de 45 cm a 1 m. y tienen una pendiente característica desde 0 a 0,5 %.

• Normalmente son canales de poca profundidad, que requieren que se coloque una barrera impermeable para impedir que se contamine con el agua residual la capa freática y el subsuelo.

En algunos casos la compactación del suelo es suficiente, sin embargo, dependiendo de las condiciones locales una capa de arcilla, tratamientos químicos o algún tipo de membrana puede ser la mejor solución.

Figura1. Esquema de un humedal artificial.

• Remueven en forma confiable la DBO (Demanda Bioquímica de oxígeno), La DQO (Demanda química de oxígeno), los SST (Sólidos Suspendidos Totales), los metales y en un orden de magnitud importante, los Coliformes Fecales. También pueden producir bajas concentraciones de nitrógeno y fósforo, aunque para esto se requieren tiempos de retención suficientemente largos.

Los mecanismos que utilizan estos humedales para mejorar la calidad del agua incluyen: sedimentación de material en suspensión, filtración y precipitación química, transformación química,

adsorción e intercambio iónico, desdoblamiento y transformación de contaminantes, toma y transformación de nutrientes, biodegradación por medio de microorganismos y predación y muerte natural de patógenos (Navarro, 2000).

FuncionamientodeloshumedalesArtificiales

Los humedales artificiales se fundamentan en tres principios básicos: La actividad bioquímica de microorganismos; el aporte de oxígeno a través de los vegetales durante el día y el apoyo físico de un lecho inerte que sirve como soporte para los vegetales, además de servir como material filtrante.


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En Conjunto, estos elementos eliminan materiales disueltos y suspendidos en el agua residual (Reed, 1992) y biodegradan materia orgánica hasta mineralizarla y formar nuevos organismos (Hu, 1991). Este filtro biológico de grava o arena, sembrado con plantas de pantano, con flujo horizontal, alimentado con aguas residuales pre-tratadas, basa su principio de funcionamiento en la formación bacterias que degradan la materia orgánica. Estas utilizan la superficie del lecho filtrante para su adherencia y crecimiento, formando una película bacteriana, garantizando así una población bastante estable que no pueda ser arrastrada hacia la salida (Sucher y Holzer, 1999). El funcionamiento del sistema se basa en que un lecho de raíces (macrófitas), aporta una vía o ruta hidráulica por donde fluye el agua a tratar. Esta zona, llamada rizósfera, es el espacio entre los rizomas, las raíces y el suelo circundante. El movimiento de la trama radicular en crecimiento (raíces y rizomas) abriéndose espacio en el suelo, previene la obstrucción del flujo de agua. Las macrófitas aportan oxígeno a la rizósfera a través de las hojas, tallos y rizomas de los vegetales (Conley, 1991; citado por Durán et al, 1999). Al inicio es posible regar el humedal con agua corriente, pero a medida que las raíces de los vegetales crecen y maduran, se procede a la irrigación con agua residual únicamente (Durán et al, 1999).

GeneralidadesdelhumedalartificialdeMesaBaja

Mesa Baja es un área de entrenamiento se realizan campañas dos veces por año y por espacio de 22 días cada campaña. Allí se concentran aproximadamente 1000 personas durante todos los ejercicios tácticos, y realizan el uso de 03 baterías sanitarias de 10 unidades cada una. No se cuenta con sistema de alcantarillado y las descargas son conducidas al humedal artificial.

Mesa Baja se encuentra a una altura de 400 m.s.n.m. y se ubica con las siguientes coordenadas geográficas; N 04º13’35.3” W 074º40’57.2”

El humedal artificial de flujo subsuperficial fue construido en octubre de 2007 por la Dirección de Ingenieros del Ejército, siguiendo los diseños y el presupuesto del Capitán Ingeniero Ambiental Rafael Hernández Oyola.

La falta de mantenimiento a este sistema ocasionó el deterioro completo y conllevó a la inutilización de la estructura.

El diseño del humedal artificial de flujo subsuperficial fue elaborado en concreto de alta resistencia y las áreas de circulación para el personal están cubiertas en grava.

Figura2-3. Vista general del humedal en enero de 2009, Tapa del tanque séptico.

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Este sistema de tratamiento de aguas residuales está compuesto de las siguientes etapas:

1)Cámaradeinicioodeingreso.Es la acometida principal al humedal artificial y por allí ingresan las aguas residuales de las baterías sanitarias de Mesa Baja.

AFLUENTE HACIA LOS CANALES

3,0 m

1,15 m 0,85 m

3,4 m

0,41 m

0,41 m

0,85 m

5,0 m

5,0 m

0,47 m

1,15 m

Profundidad de la estructura: 0,75 m

En la imagen se aprecian las rejillas que retienen los sólidos gruesos.

Figura4. Cámara de ingreso.

2) Canalesdeaquietamiento.Está compuesto por dos unidades: canal de retención y cono de retención

Figura5. Canales de aquietamiento.

Aquí se realiza una primera sedimentación de los sólidos contenidos en el agua residual y se realiza el reposo del agua.


3,0 m

1,15 m 0,85 m

3,4 m

0,41 m

0,41 m

0,85 m

5,0 m

5,0 m

0,47 m

1,15 m

El espesor de los muros de contención es de 10 cms y la profundidad de los canales es de 41 centímetros.

3) Cono de retención. En esta sección del sistema de tratamiento se realiza la retención de los materiales gruesos a través de las rejillas.


3,0 m

1,15 m 0,85 m

3,4 m

0,41 m

0,41 m

0,85 m

5,0 m

5,0 m

0,47 m

1,15 m

Figura6. Cono de retención del sistema

Profundidad de la estructura: 0,50 m

4) Tanque Séptico. Construido en concreto de alta resistencia, cuenta con tapa metálica y sus respectivos respiradores para la evacuación de los gases orgánicos producidos por la descomposición de la materia orgánica presente en el agua residual.


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Figura7. Cono de retención.


3,0 m

1,15 m 0,85 m

3,4 m

0,41 m

0,41 m

0,85 m

5,0 m

5,0 m

0,47 m

1,15 m

Figura8. Tanque Séptico

Profundidad de la estructura: 5,0 mLa compuerta mide 1 m² y los ductos de ventilación tienen un diámetro de 2”.

5) Descargadel agua tratada.El efluente del sistema de tratamiento es conducido por la tubería subterránea hasta dos cajas de inspección; una caja para cada celda de filtrado, y de ahí es vertida a una quebrada innominada localizada a 20 metros.

Figura9-10. Caja de inspección en la descarga, Efluente

del humedal artificial.

El humedal artificial fue construido con recursos propios del CENAE, siguiendo los diseños de la Dirección de Ingenieros del ejército en 2007.

Los recursos para el desarrollo del presente proyecto fueron asignados por la oficina B-4 de la Escuela Militar de Cadetes “General José María Córdova”.

Todas las actividades que se ejecutan en el humedal artificial están a cargo de la ESMIC, y son informadas a la Oficina de Medio Ambiente del CENAE a cargo del Capitán Ingeniero Ambiental Rafael Hernández Oyola.

El presupuesto original con el cual fue construido el humedal artificial de flujo subsuperficial en Mesa Baja fue de aproximadamente $134 millones de pesos.

DiseñoMetodológico

La metodología empleada durante del desarrollo de este trabajo y con ello cumplir con los objetivos propuestos, fue la siguiente:

1. Recopilación y análisis de la información existente: Revisión bibliográfica a cerca del funcionamiento de estos sistemas de tratamiento de aguas residuales y revisión de la documentación existente del humedal artificial de Mesa Baja.

2. Evaluación del estado físico y operacional de las estructuras que conforman el sistema de tratamiento.

3. Elaboración del presupuesto correspondiente a las actividades que conforman el programa de recuperación y optimización.

4. Ejecución de las actividades contempladas en el programa de recuperación y optimización del humedal.

5. Caracterización físico-química del agua de salida del humedal artificial, para verificar que los valores del efluente se encuentren dentro de los límites máximos permisibles.

6. Recomendaciones y conclusiones. A partir de los resultados obtenidos, se establecieron las recomendaciones pertinentes para garantizar

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el óptimo funcionamiento de este sistema de tratamiento de aguas residuales.

DesarrollodelProyecto

El programa de recuperación y optimización del humedal artificial de flujo subsuperficial fue contratado por la Escuela Militar de Cadetes con la empresa Ingeniería del Ambiente “INAMBIENTE” NIT 74186055-2, para desarrollar las actividades a todo costo en Mesa Baja.

La participación de los autores del presente documento en el desarrollo de este proyecto consistió en la supervisión de cada tarea ejecutada por la empresa, ya que uno de los autores labora como Coordinador de Saneamiento Ambiental en esta Unidad Militar.

Los ítems ejecutados y el costo de cada uno se presentan a continuación:

Tabla1. Presupuesto del programa de optimización del humedal.

ÍTEM DESCRIPCIÓN UNIDAD CANTIDAD VR. UNITARIO VR. TOTAL

1Limpieza y remoción del ma-terial existente

GLB 1 $4’000.000,oo $4’000.000,oo

2 Levantamiento de campo GLB 2 $2’500.000,oo $5’000.000,oo3 Reevaluación del sistema GLB 1 $2’000.000,oo $2’000.000,oo

4Optimización general del sis-tema

GLB 1 $10’000.000,oo $10’000.000,oo

5 Siembra de especies vegetales GLB 100 $45’000,oo $4’500.000,oo

6Mantenimiento anual (una vez por trimestre)

GLB 4 $2’000.000,oo $8’000.000,oo

Valor Total $33’500.000.oo

La mano de obra empleada durante el desarrollo de todo el proyecto fue dispuesta por el Centro Nacional de Entrenamiento CENAE a través de un personal de soldados del Batallón de Mantenimiento.

La limpieza y remoción del material existente se llevó a cabo para eliminar las especies maltratadas y muertas, se retiró la cobertura vegetal del humedal, se realizó el desmonte de maleza y el retiro de la capa de suelo que soporta las especies.

Figura11-12. Remoción de cobertura vegetal, Retiro de especies vegetales.


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Las actividades de levantamiento de campo, reevaluación y optimización del sistema, incluyeron las labores de sondeo en la red de conducción, cambio de tuberías y accesorios , y reparaciones en las estructuras de concreto.

A continuación se presentan algunas imágenes de estas etapas del programa de optimización del humedal artificial.

Figura13. Mosaico de imágenes mantenimiento del humedal.

Figura14. Mosaico de imágenes de la optimización del humedal.

Figura15. Siembra de plántulas en las unidades filtrantes.

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Las especies vegetales que se plantaron para realizar la filtración en el humedal artificial fueron los Juncos, los Papiros las Veraneras y el platanillo, por presentar una gran adaptabilidad a condiciones de clima y de resistencia en ausencia de nutrientes. Particularmente los Juncos y los Papiros por la longitud de sus raíces presentan mayor eficiencia en la remoción de DBO, SST, entre otros.

El agua que ingresa al humedal artificial de flujo subsuperficial es netamente residual doméstica, y la

eficiencia de estas especies vegetales en lo referente a la remoción de materia orgánica es alta.

4.1 Caracterización del agua residual delhumedal artificial. El efluente o salida del HumedalArtificialMesaBajafue caracterizado el día 14 de mayo de 2009. La muestra fue tomada y refrigerada para su traslado de Melgar a Bogotá y luego fue llevada a un laboratorio de microbiología para su procesamiento. Los resultados que arrojó fueron los siguientes:

Tabla2. Caracterización Fisicoquímica del Humedal Artificial Mesa baja.

PARAMETRO RESULTADORANGOS DE CONCENTRACION PARA

HUMEDALESARTIFICIALESpH 6.21 5-9DBODBO5 5mg/L 1 A 10 mg/LSST 3mg/L 1 a 6 mg/LNitrógeno total 2mg/L 1 a 3 mg/LNitrógeno como NH3/NH4 0mg/L Menos de 0.1mg/LNitrógeno como NO3 0mg/L Menos de 0.1 mg/LFósforo Total 0mg/L Menos de 0.2mg/LColiformes Fecales 70NPM/100 ml 50 a 500 NMP/100ml

4.2 Caracterizacióndelaguaresidualde laPETARD de laEscuelaJoséMaríaCórdova.De igual manera, se tomó la muestra de agua de la

PETAR de la escuela “José María Córdova” el día 16 de abril de 2.009 cuyos resultados fueron los siguientes (Ver Anexo):

Tabla3. Caracterización físico-química de la PTARD Escuela Militar José María Córdova.

ANÁLISIS RESULTADO LÍMITEpH 6.88 5-9DQO 630mg/L Máx. 2000 mg/LDQO5 240mg/L Máx. 1000mg/LSólidos Suspendidos Totales (SST) 240mg/L Máx. 800mg/LGrasas y Aceites 24mg/L Máx. 100mg/LSólidos Sedimentables 0mg/L Máx. 10mg/LTensoactivos( SAAM) 0,2mg/L Máx. 20mg/L

CAUDAL DE ENTRADA AL SISTEMA

Se calculó mediante el método volumétrico Q= V/TDonde:

Q= Caudal de entradaV= Volumen recolectado.T= tiempo de llenado del recipienteQ= 2 litros/12 segundosQ= 0,16 l/s


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CAUDAL DE SALIDA DEL SISTEMA

Q= 2 litros/164 segundos; Q=0.012 l/s

El caudal de salida nos indica que el proceso de filtrado por las unidades vegetales se está consumiendo o reduciendo el 92,5% del, caudal de entrada.

Tabla4. Cuadro comparativo de parámetros caracterizados.

PARÁMETROS PTARD HUMEDAL

PH 6.88 6.21DQO 630mg/L 205mg/LDBO5 240mg/L 5mg/LSólidos Suspendidos Totales (SST) 240 mg/L 3mg/LGrasas y aceites 24 mg/L 0,3mg/LSólidos sedimentables 0 mg/L 0mg/LTensoactivos (SAAM) 0,2 mg/L 0mg/L

Según la tabla 4, se evidencia que los parámetros analizados para el humedal artificial son menores, permitiendo concluir que el nivel de eficiencia de este tipo de sistema.

El análisis Físico químico del agua residual de la PETAR de “La Escuela José María Córdoba” cumple con los parámetros establecidos en la Norma de vertimientos Resolución1074de1997.

El análisis Físico químico del agua residual del Humedal Artificial Mesa Baja cumple con los parámetros establecidos en la norma, pero los valores son óptimos, están muy por debajo de lo establecido en la Resolución1074de1.997. Esto muestra la eficiencia de los humedales artificiales de Flujo Subsuperficial en la remoción de DBO, SST, etc.

La operación y mantenimiento de los humedales artificiales de flujo subsuperficial se basa en el control de las estructuras que lo conforman, limpieza de las estructuras de entrada y descarga, manejo de la vegetación y un monitoreo rutinario.No son necesarias las podas periódicas de la vegetación, ya que la parte aérea de las plantas no contribuye a la remoción de contaminantes.

Es necesario el monitoreo periódico de la calidad del agua que permitan comprobar la calidad del agua de salida corresponda al diseño.

Los costos de la operación y mantenimiento del humedal artificial, corresponden a jornales del ayudante, pruebas de laboratorio que se realizan al efluente para verificar la calidad del agua, dependen de la periodicidad con que se ejecuten éstas.

Conclusiones

Los humedales artificiales de flujo subsuperficial muestran gran eficiencia en el tratamiento secundario de las aguas residuales domésticas. Un Humedal artificial de Flujo Subsuperficial en buenas condiciones de operación y mantenimiento adecuado resulta ser en sí un tratamiento biológico de alta eficiencia en términos de remoción de materia orgánica.

Si a un humedal artificial de flujo subsuperficial no se le hace mantenimiento, se generan muchos problemas que hacen que se desmejore la calidad del vertimiento.

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Los sistemas convencionales requieren en su operación y mantenimiento mayor tecnología porque se utilizan equipos mecánicos, se consume energía, por lo tanto se generan mayores costos.

Los Humedales artificiales de flujo subsuperficial son sistemas de fácil operación y mantenimiento; allí se consume energía renovable, por lo tanto éstos costos son bien bajos.

Las plantas de tratamiento convencionales no necesariamente generan un vertimiento que cumpla los parámetros exigidos por la norma, esto depende mantenimiento y manejo de ésta.

A mayor temperatura, los procesos biológicos ocurren más rápido y se requiere un menor tamaño del humedal.

Los Juncos, Papiros y heliconias como vegetación propia de humedales naturales, desempeñan un papel fundamental en el mejoramiento de la calidad del vertimiento en un humedal artificial de flujo subsuperficial. Las plantas se deben cosechar cada 6 meses, porque las plantas en estado de crecimiento consumen mucho más fósforo y nitrógeno que las plantas adultas.

La calidad del agua efluente del humedal permite que ésta pueda ser reutilizada en el riego de pastos o en cultivos agrícolas.

Los humedales artificiales son eficientes en la eliminación de organismos patógenos de las aguas residuales.

Los humedales artificiales de flujo subsuperficial una vez instalados y operados adecuadamente, tienen un ciclo de vida renovable.

Bibliografía

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Infografía

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Saneamiento ambiental-Boletín de salud Ocupacional. No.6.2009 www.disanejercito.mil.co/?idcategoria=3135 @download=y

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