HUMEDALES ARTIFICIALES TRABAJO DE GRADO MODALIDAD: MONOGRAFA NGELA SOFA SILVA R. HERNN DARO ZAMORA Z. UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MANIZALES FACULTAD DE INGENIERA Y ARQUITECTURA DEPARTAMENTO DE INGENIERA QUMICA 2005 HUMEDALES ARTIFICIALES NGELA SOFA SILVA R. HERNN DARO ZAMORA Z. LNEA DE PROFUNDIZACIN: INGENIERA AMBIENTAL DIRECTORA ING. QUMICA ADELA LONDOO CARVAJAL UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MANIZALES FACULTAD DE INGENIERA Y ARQUITECTURA DEPARTAMENTO DE INGENIERA QUMICA 2005 INDICE INTRODUCCIN 10 11 11 14 14 15 15 15 15 16 16 17 17 20 22 23 23 23 24 25 25 26 26 26 31 1.HUMEDALES ARTIFICIALES 1.1. Descripcin del tratamiento 1.2. Evaluacin y seleccin de la zona para desarrollar elproyecto 1.2.1. Topografa 1.2.2. Suelo 1.2.3. Riesgo de Inundacin 1.2.4. Uso actual del terreno 1.2.5. Clima 1.2.6. Control de vectores 1.3. Consideraciones de construccin 1.3.1. Hidrologa 1.3.2. Seleccin de la especie vegetal 1.4. Mantenimiento y monitoreo 1.5. Consideraciones ambientales y de salud publica 1.6. Rendimiento esperado 1.6.1. Remocin de slidos suspendidos 1.6.2. Remocin de Nitrgeno 1.6.3. Modelo de remocin para Nitrgeno 1.6.4. Remocin de Fsforo 1.6.5. Remocin de Metales 2.MODELOS DE DISEO PARA UN HUMEDAL DE FLUJO LIBRE 2.1. EPA, Design manual; constructed wetlands and aquatic plant systems for municipal wastewater treatment. Septiembre 1988 2.1.1. Remocin de DBO5 2.2. Borrero Jaime, Depuracin de aguas residuales municipales con humedales artificiales. Mayo 1999 2.2.1. Diseo hidrulico 32 34 36 37 40 41 41 42 42 46 46 48 49 50 51 53 54 56 56 56 2.2.2. Modelo de remocin de DBO 2.2.3. Modelo de remocin para Slidos Suspendidos Totales 2.2.4. Modelo de remocin para Nitrgeno 2.2.5. Modelo de remocin para Fsforo 2.3. EPA, Free water surface wetlands for wastewater treatment a technology assessment. Junio 1999 2.3.1. Tiempo de retencin hidrulico 2.3.2. Carga hidrulica 2.3.3. Modelos de remocin 2.4. EPA, Manual; constructed wetlands treatment of municipalwaste waters. septiembre2000 2.4.1. Hidrulica 2.4.2. Modelo de remocin para Coliformes Fecales 2.4.3. Modelo de remocin para DBO2.5. Wallace Scott d. University curriculum development for decentralizedwastewater treatment; constructed wetlands: design approaches.Diciembre 2003 2.5.1. Small and Decentraliced Wastewater Management Systems.R. Crites & G. Tchobanoglous. 1998 2.5.2. Constructed Wetlands Treatment of Municipal Wastewaters. EPA. 2000 2.5.3. Treatment Wetlands. R. kadlec & R. Knight. 1996. Y ConstructedWetlands for Pollution Control. IWA 2000 3. MODELOS DE DISEO PARA UN HUMEDAL DE FLUJOSUBSUPERFICIAL 3.1. EPA, Design Manual; constructed wetlands and aquatic plant systems for municipal wastewater treatment. septiembre 1988. [17] 3.1.1. Remocin de DBO5 3.2. EPA, Subsurface flow constructed wetlands for wastewater 59 59 60 62 64 64 68 68 69 71 72 72 74 74 75 75 76 76 76 77 77 treatment; a technology assessment. Julio 1993 3.2.1. Diseo hidrulico 3.2.2. Modelo de remocin para la DBO5 3.2.3. Modelo de remocin para amoniaco 3.3. Borrero Jaime. Depuracin de aguas residuales municipales con humedales artificiales. mayo 1999 3.3.1. Diseo hidrulico 3.3.2. Modelo de remocin de DBO 3.3.3. Modelo de remocin para Slidos Suspendidos Totales 3.3.4. Modelo de remocin para Nitrgeno 3.3.5. Modelo de remocin para Fsforo 3.4. SQAE. Canad y otros, Estudios tcnicos de sustitucin aplicables al saneamiento de aguas servidas de pequeas comunidades noviembre 1999 3.4.1. Procedimiento de diseo de una unidad SFS 3.5. EPA, Manual; constructed wetlands treatment of municipal waste waters septiembre2000 3.5.1. Estimacin del nivel de agua 3.5.2. Determinacin del rea superficial 3.5.3. Determinacin del ancho 3.5.4. Determinacin de la longitud y prdida de cabeza de la zona de tratamiento inicial 3.5.5. Determinacin de la longitud y perdida de cabeza de la zona de tratamiento final (Lf) 3.5.6. Determinacin del punto de elevacin 3.5.7. Determinacin de la elevacin de la superficie del agua 3.5.8. Determinacin de la profundidad del agua 78 79 80 83 83 83 85 88 88 90 91 3.6. Wallace Scott d. University curriculum development for decentralized wastewater treatment; constructed wetlands: design approaches. Diciembre 2003 3.6.1. Small and Decentralized Wastewater Management Systems. R. Crites & G. Tchobanoglous. 1998 3.6.2. Treatment Wetlands. R. kadlec & R. Knight. 1996. Y Constructed Wetlands for Pollution Control. IWA 2000 4. DIMENSIONAMIENTO DE UN HUMEDAL PARA ESTABLECERLO EN UNA ESTRUCTURA TPICA. 4.1.BORRERO JAIME, DEPURACIN DE AGUAS RESIDUALESMUNICIPALES CON HUMEDALES ARTIFICIALES. Mayo 1999. 4.1.1. Dimensionamiento de un humedal FWS 4.1.2. Dimensionamiento de un humedal SFS 4.2. WALLACE SCOTT D. UNIVERSITY CURRICULUM DEVELOPMENT FOR DECENTRALIZED WASTEWATER TREATMENT; CONSTRUCTEDWETLANDS: DESIGN APPROACHES. Diciembre 2003. 4.2.1. Treatment Wetlands. R. kadlec & R. Knight. 1996. Y Constructed Wetlands for Pollution Control. IWA 2000. CONCLUSIONES BIBLIOGRAFIA INDICE DE TABLAS Tabla 1. Parmetros de diseo. FWS 47 50 52 59 59 70 74 84 85 86 87 89 89 Tabla 2. Caractersticas del material de soporte Tabla 3. Caractersticas del material de soporte en humedales SFS Tabla 4. Propiedades fsicas del agua Tabla 5. Caractersticas de los medios de soporte Tabla 6. Conductividad hidrulica de los diferentes medios Tabla 7. Parmetros de diseo SFS Tabla 8. rea superficial a diferentes % de remocin en un humedal FWS Tabla 9. Dimensiones del humedal FWS Tabla 10. rea superficial a diferentes % de remocin en un humedal SFS Tabla 11. Dimensiones del humedal SFS Tabla 12. Sistema FWS (Kadlec and Knight, 1996) Tabla13. Sistema SFS (Kadlec and Knight, 1996) INDICE DE FIGURAS Figura 1. Plantas acuticas comunes 11 12 13 24 30 30 Figura 2. Humedal de flujo libre Figura 3. Humedal de flujo subsuperficial Figura 4. Curva de regresin de NKT vs. Tiempo de retencin Figura 5. Sensibilidad de la relacin Ce/Co con AV Figura 6. Sensibilidad de la relacin Ce/Co con T RESUMEN En este trabajo se recopila informacin importante sobre los humedales artificiales delosdostipos:sistemasdeflujolibre(FWS)ysistemasdeflujosubsuperficial (SFS). Posee las recomendaciones necesarias para la seleccin de la zona y los factores queintervienenenlaremocincomoelclima,lavegetacin,laspropiedadesdel aguaresidualentreotras.Tambinsetienenlosrendimientosesperados,el mantenimiento de los humedales, y las consideraciones ambientales. SedesarrollatambinlosmodelosderemocindelaDBOyeldiseohidrulico delosdostiposdehumedales,finalmentesetieneeldimensionamientodeun humedaldeflujosubsuperficialalascondicionesdeManizalesquepuedeser implementado en los canales de las estructuras de control de erosin. ABSTRACT Inthisjobissuppliedimportantinformationabouttwokindsofconstructed wetlands: systems free water surface (FWS), y systems of subsurface flow (SFS). Ithasthenecessaryfindingsfortheselectionofthezoneandthefactorsthat interveneintheremovalliketheweather,thevegetation,thepropertiesofthe wastewaterandothers.AlsoIthastheexpectedperformance,thewetlands maintenance, and the environmental consideration. ItdevelopsthemodelofDBOremoveanddesignhydraulicofthetwokindsof wetlands,finallyIthasthemagnitudeofthesubsurfaceflowwetlandtothe conditionofManizalesItcouldbeimplementedinthecanalsofthestructureof control of erosion. INTRODUCCIN El manejo del agua residual generada por comunidades y municipios es una tarea compleja. En consecuencia cualquier programa asociado con esta actividad debe serplaneadoyejecutadoteniendoencuentaaspectossociales,tcnicos, econmicos y topogrficos. Cuandoelaguaresidualseacumula,ladescomposicindelamateriaorgnica creaundesequilibrioecolgicoqueperturbaalacomunidad,ademsdela presencia de numerosos microorganismos causantes de varias enfermedades que afectanlavida.Porestaraznsedebeacudiraltratamientoyevacuacindel agua que ha sido contaminada durante los diferentes usos para los cuales ha sido empleada antes de ser vertida a un cuerpo de agua. Elhumedalartificialesuntratamientoquepuedeserutilizadoparamejorarla calidaddelaguaresidual,enelcualmedianteprocesosbiolgicossepermitela degradacindelamateriaorgnica.Pormediodeestesepretendellegara solucioneseconmicasymodularesparaeltratamientodeaguaresidual domestica (ARD). Conestedocumentosepretendeexponerlosdiferentesmodelosdediseo, ventajas, desventajas, recomendaciones, sus validaciones y dems aspectos, que cada autor que haya escrito sobre este tipo de tratamiento. 10 1.HUMEDALES ARTIFICIALES 1.1. DESCRIPCIN DEL TRATAMIENTO [41] Loshumedalesartificialessonreasqueseencuentranllenasdeaguacon plantasemergentescomoespadaas,carrizos,juncosyeneas(Figura1)que aprovechanlasinteraccionesconlosmicroorganismosylaatmsferapara removerlamateriaorgnica.Lavegetacinproporcionasuperficiesparala formacindepelculasbacterianasypermitela transferencia de oxgeno. Existen dostiposdehumedalesartificialesdesarrolladosparaeltratamientodelagua residual. [41] Tomado: METCALF & EDDY [41] Figura 1. Plantas acuticas comunes 11 Sistemas de flujo libre (FWS), en el cual el nivel del agua esta sobre la superficie del medio de soporte, el flujo de agua pasa a travs de la grava y de la vegetacinqueincluyejuncos,caas,espadaasyeneas, que estn sembradas y fijas. Los tallos, hojas y races proporcionan el oxigeno al humedal (Figura 2). [7] Tomado: METCALF & EDDY [41] Figura 2. Humedal de Flujo libre Sistemas de flujo subsuperficial (SFS). Est construido tpicamente en forma de un lechoocanalquecontieneunmedioapropiado;lavegetacinemergenteesla misma del FWS. El nivel del agua esta por debajo de la superficie del soporte, el agua fluye nicamente a travs del lecho de grava que sirve para el crecimiento de lapelculamicrobiana,queeslaresponsableengranpartedeltratamientoque ocurre, las races penetran hasta el fondo del lecho (Figura 3). [7] 12 Tomado: METCALF & EDDY [41] Figura 3. Humedal de Flujo subsuperficial Lasaplicacionesparahumedalesartificialessonvariadaseincluyentratamiento deaguasresidualesmunicipales,industrialesyagrcolas;eltratamientocon humedalestambinhasidousadoenaguassubterrneascontaminadasyeldepartamentodedefensadelosEstadosUnidosparatrataraguasefluentesdel lavado del equipo militar [58]. 13 1.2. EVALUACIN Y SELECCIN DE LA ZONA PARA DESARROLLAR EL PROYECTO Loshumedalessonidealmentesituadosenlugaresdereasdisponibles relativamentelargasconfuentesdeaguascontaminadas,yconcentracinde contaminantesbaja,peroporsupuestoestossoncasosquesepresentancon poca frecuencia, y los factores deben ser evaluados separadamente y juntos. Este anlisis es usualmente culminado durante un estudio de factibilidad. [58] Elreadisponibleparaunhumedalartificialdependedelflujodevolumen, concentracindecontaminantes,ymetasdeltratamiento,unhumedalpodra requerirunreaconsiderableyunhumedalpequeopuedetenerdificultadesen el manejo de grandes flujos de agua en tormentas en zonas de alta lluvia. [58] Las principales caractersticas que se debe tener en cuenta para la localizacin y diseopreliminardelproyectodesistemasdehumedalesartificialesincluyenla topografa,elsuelo,elusoactualdelosterrenos,elriesgodeinundacinyel clima. [41] 1.2.1.Topografa.Elterrenoaptoparalainstalacindeunsistemadeterrenos pantanosos (humedal artificial) es uno de topografa uniforme horizontal o en ligera pendiente. Ello se debe a que los sistemas de flujo libre (FWS) se suelen disear condepsitosocanaleshorizontales,yquelossistemasdeflujosubsuperficial (SFS) se suelen disear y construir con pendientes del 1% o superiores. A pesar dequeesposibleconstruirdepsitosenterrenosdemspendienteycon topografamsirregular,elmovimientodetierrasnecesarioafectaralcosto constructivo del sistema. En consecuencia los sistemas de terrenos pantanosos se suelen construir con pendientes inferiores al 5% [41] [58]. 14 1.2.2 Suelo. El sistema debe poseer un forro que garantizara la permanencia del agua residual en el humedal, para as prevenir la infiltracin al terreno, el material desoporteenpodrsergrava,conparedesybasesdeconcretoque correspondenalasterrazasocanaleshorizontalesqueposeelaestructuracivil. [41] [58] 1.2.3RiesgodeInundacin.Loshumedalessedebenubicarlejosdelas comunidades,especialmentelasqueseencuentranpordebajodeeste.Adems sedebecontarconuncaudalconocidoparatratar,conelfindenosuperarla capacidad del canal horizontal. [41] 1.2.4Usoactualdelterreno.Eltipodeterrenopreferidoparalainstalacinde sistemas pantanosos son espacios abiertos o de uso agrario. [41] 1.2.5Clima.Esposibleutilizarsistemasde terrenos pantanosos en zonas de cli-mas fros. Sin embargo, la viabilidad del funcionamiento de los sistemas durante el inviernodependedelatemperaturadelaguaenelinteriordeldepsitoydelos objetivosdetratamiento.Elrendimientodelprocesodetratamientoesmuy sensiblealatemperatura,yaquelosprincipalesmecanismosdetratamientoson biolgicos.Enloscasosenlosquelasbajastemperaturasnopermitanalcanzar los objetivos de tratamiento preestablecidos, ser necesario almacenar el agua. [41] Los sistemas construidos en climas fros podran requerir grandes reas o especial operacinparaconseguirlasmetasesperadas.Losclimasclidospodran requerir fuentes de aguasuplentes para prevenir el secado del humedal. [58] 1.2.6Controldevectores.LossistemasFWSenparticular,proporcionanel hbitat ideal para la proliferacin de mosquitos. El aspecto del control de vectores puede ser el factor crtico a la hora de determinar la viabilidad del uso de sistemas pantanososartificiales.Eneldiseodeestetipodesistemassedebenincluir 15 medidasparaelcontrolbiolgicodelapresenciademosquitospormediode pecesydelaaplicacindeagentesqumicosdecontrol.Paramantenerla poblacindepecesesnecesarioqueelniveldeoxgenodisueltoseasuperiora 1mg/L. Tambin puede ser necesario reducir la densidad de la vegetacin. [41] 1.3.CONSIDERACIONES DE CONSTRUCCIN Losaspectosmsimportantesatenerencuentaparalaconstruccinde humedalessonbsicamente,laimpermeabilizacindelacapasuperficialdel terreno, la seleccin y colocacin del medio granular para el caso de los sistemas SFS, el establecimiento de la vegetacin, y por ultimo las estructuras de entrada y salida.Estacionesdebombeo,instalacindedesinfeccinytuberasde conduccinpuedensertambinnecesarias,comootrasquepuedenllegaraser indispensables.Puestoquelosnivelesdeoxgenodisueltopuedenllegaraser bajos,enalgunoscasospuedensernecesariastambinunasinstalacionesde pre-aireacin.Dondelatopografalopermita,unacadaencascadacubiertade cemento para protegerla puede ser suficiente para este propsito. Para el clculo de la profundidad del humedal este debe ser acorde al crecimiento que alcanzan las races de la especie vegetal. [7] LoshumedalesFWSsediseanyconstruyenconelfindeaprovecharlos procesosfsicos,qumicosybiolgicosqueocurrennaturalmenteparareducirla materiaorgnica,losslidossuspendidostotales,nutrientesyorganismos patgenos. [18] 16 Lostemasimportantesdeloshumedalessonlahidrologa,lahidrulica,la bioqumica, los efectos de la temperatura, las caractersticas de los componentes y la especie vegetal. [18] 1.3.1 Hidrologa. [18] sta a menudo es considerada el factor ms importante en el mantenimiento y funcionamiento del humedal (Trabajo desarrollado por Mitsch and Gosselink,1993;Hammer,1992;KusleranBrooks,1998).Lahidrologadel humedalinfluyeycontroladirectamentelosfactoresabiticos,comola disponibilidaddenutrientes,condicionesaerobiasyanaerobias,lascondiciones delsuelo,laprofundidadyvelocidaddelagua.Encambio,loscomponentes biticos de un humedal influyen directamente en la hidrologa del humedal a travs de procesos, como la transpiracin, la precipitacin y el desarrollo de cambios de temperatura en el interior del humedal. 1.3.2. Seleccin de la especie vegetal [7]. El mayor beneficio de las plantas es la transferenciafsicaenelsistema(lostallos,lasraces,yrizomas).Enlos humedalesFWSlasproporcionessumergidasdelashojasytallosmuertosse degradan y se convierten en lo que se llama restos de vegetacin. Lasplantasemergentesquefrecuentementeseencuentranenlamayoradelos humedales para aguas residuales incluyen: Typhas: La espadaa se ubica en distribucin robusta, capaz de crecer bajo diversas condiciones medioambientales, algunas tienen una relativa baja de penetracinengravade0.3m,porloqueesrecomendableparasistemas SFS. Scirpus:Sondelafamiliadelasciperceas,sonperennesycrecenen grupos.Losjuncossoncapacesdecrecerbienenaguadesde5cma3m 17 deprofundidad,puedencrecerengravahasta0.6mporloquesonmuy utilizadas en SFS, las temperaturas deseables son 16-27C, y un pH de 4-9 Phragmites:sonanualesyconaltosrizomasperennesextensos.Los sistemasqueutilizancarrizospuedensermseficacesenlatransferencia de oxigeno por los rizomas que penetran verticalmente mas profundamente quelasespadaasperomenosquelosjuncos0.4m,estaespecieposee pocovaloralimenticioporlocualnosonatacadasporanimalesootros tipos de plantas. [7] Enlaconstruccindelosdostiposdehumedales,esdevitalimportancia establecerlavegetacinconladensidadapropiada.Sestndisponibles,deben ser preferidas las plantas locales que estn adaptadas a las condiciones del sitio.Aunquelasiembrasepuedehacerapartirdesemillas,estemtodorequiere bastante tiempo y control estricto del agua. Adicionalmente, presenta el problema delposibleconsumodesemillasporpartedelospjaros,porloqueesms aconsejableplantarmediantetransplantederizomasallechopreviamente preparado. [7] EnlosEstadosUnidoslasespeciesvegetalesdominantesenloshumedales artificiales son juncos de laguna y las espadaas o una combinacin de estas dos especies. En Europa la especie dominante son los carrizos. [7] El jacinto de agua ha sido exitosamente desarrollado en Marruecos (Mandi, 1998) y en una pequea comunidad en Brasil (Roquetee et al., 1998), donde el sistema seutilizaparatrataraguaparaconsumohumanoyaguasresiduales domsticas[52]. 18 Si la especie vegetal a utilizar es la (Typha Angustifolia), se deben tener en cuenta las siguientes precauciones al momento del transplante: [28] No doblar las hojas ni el cuello de las plantas. Recortar ambos lados del rizoma con suficiente longitud (aproximadamente 15 cm a lado y lado). Lavarelrizomadelaplanta,paranollevartierraalagravadondese sembr posteriormente. El tiempo desde que la planta se extrajo hasta la siembra en el sistema no debe exceder las diez horas. Un estudio hecho a principios de 1997 donde se instal un sistema de tratamiento deaguaresidualparalafederacincolombianadecultivadoresdecaf (FEDERACAFE)enelcentrodecapacitacinManuelMeja,enlaciudadde Chinchina,dondesetrabajoconla(TyphaAngustifolia)muestranobservaciones importantes como que la planta puede soportar condiciones de poca humedad por periodos de tiempo de mas o menos dos meses, aunque se limita su reproduccin yaumentasususceptibilidadalataquedehongoseinsectos,encondicionesde baja exposicin directa a la luz solar el cultivo desmejora notablemente. [28] 19 1.4. MANTENIMIENTO Y MONITOREO [58] Es necesario para una actividad de mantenimiento identificar el periodo vegetativo, monitorear,orealizarrutinasdeobservacindeelsitio,ciertasaccionessern necesarias para asegurarla eficiencia de los humedales artificiales. Un plan de operacin y mantenimiento debe ser preparado durante el proceso de planeacinyastenerunbosquejodelasactividadesquesernusadasenel mantenimiento del humedal. Actividades de mantenimiento potencial (especificadas por la EPA 2000), incluyen: uniformidad del agua de flujo (entrada y salida de la estructura), administracin de lavegetacin,controldeolor,controldeanimalesmolestoseinsectos,y mantenimiento de reboses, diques y otras estructuras de control del agua. Independientemente de la corriente de agua residual o el tratamiento de objetivo, losrequisitossonmuysimilares.Elcontroldelniveldelaguaeselparmetro operacionalmascrtico,estactividadaseguralafuncindelsistemacomoun humedal. Los rebordes deben ser peridicamente inspeccionados para garantizar suintegridad.Loscambiossignificativosenelniveldelaguadebenser investigadosinmediatamenteparaquenosepresentenfisurasenlosrebordeso diquesdelsistemaquecontieneelhumedalynohayadaoscomoresultadode tormentasotaponamientodelastuberas.Unmantenimientoadecuadodelas conexiones de entrada y salida de las tuberas asegurar que estas estructuras no seobstruyan,asgarantizamoselnivelyelflujodelagua.Asociadoalasactividadesdemantenimientodeobstruccinseincluyenremocinfsicade basuras o desechos de la sedimentacin, lavado de las tuberas y tubo colector, y el uso de alta presin del agua para limpiezas peridicas. [58] 20 Otraactividaddemantenimientoeselcontroldeanimalesmolestosloscuales incluyen:mosquitosyotrospequeosinsectos.Acausadequeloshumedales mantienenelaguaporextensosperiodosdetiempo,estossonperfectosparala proliferacinycrecimientodemosquitos.Unacantidadaltademosquitospuede sermolestaparaloshumanosypodrantransmitirenfermedadesalgunasveces fatales, para humanos, ganado y otros animales grandes. Laliteraturasugierequeelmayorproblemadelosmosquitosenhumedales artificialessonlosasociadosconcargasorgnicasexcesivasenelsistema. Control de la poblacin de mosquitos puede ser destinada a travs de la reduccin decargaorgnica,conservandonivelesdeoxigenodisueltoalto,ymantener depredadores como murcilagos y pjaros que pueden ser favorables in control de la poblacin de mosquitos, otra forma podra ser incrementar el flujo de agua en le sistema, tambin el uso de pesticidas pero bajo seguras circunstancias (no es muy preferible esta opcin). Es recomendado para la vigilancia del humedal que todos los puntos de entrada y salidaenelsistemaseanmonitoreadosportemperatura,oxigenodisuelto,pH,y conductividad semanalmente. Para los humedales artificiales municipales, la DQO, SST, cloruros y sulfatos deben ser monitoreados mensualmente. Para humedales artificialesquetratanaguasindustriales,elmonitoreodeDQOySSTdebeser mensualmente, para aguas lluvias los SST deben ser monitoreados en un evento de tormenta por mes, y el flujo de agua una vez al mes. Las plantas de la especie dominante se pueden revisar anualmente, la caracterizacin de los contaminantes orgnicos e inorgnicos es bueno un chequeo trimestral.

Tambinserecomiendarealizarunplanmnimoderevisionesenelsueloy tcnicasanalticasenelaguaparaquesemuestrequeelhumedalesta funcionando. [58] 21 1.5.CONSIDERACIONES AMBIENTALES Y DE SALUD PBLICA [7] Laproteccindelasaludpblicaeselpropsitofundamentaldeltratamientode residuos y le sigue en importancia la proteccin del medio ambiente. Por tanto, es responsabledelosingenierosproyectistas,investigadorescientficosygestores pblicos involucrados, asegurar que los sistemas de tratamiento logren esta meta. Elcontroldelefluenteescomplicadoporquelosindicadoresdeorganismos (coliformestotales)nomuestrandramticamentelamagnituddetratamientodel aguaresidual(porejemploremocindeorganismospatgenos).Cualquier aplicacinfuturadeaguaresidualahumedalesartificialesdebeestarlibrede riesgosirrazonablesparalasaludpblica.Puedecontrolarseelaccesopblicoa estossistemascercado,demodoqueenloreferenteasaludpblicasolosea necesario monitorear el efluente y tener un adecuado cuidado con los operarios de las instalaciones. Losprincipalescontaminantesenelaguaresidualentranenlassiguientes categoras:nitrgeno,fsforo,organismospatgenos,metalespesadosytrazas orgnicas.Lospatgenosincluyenbacterias,virus,protozoariosyhelmintos.Los metalespesadosincluyencadmio,cobre,cromo,plomo,mercurio,selenioyzinc. Lastrazasorgnicasincluyencompuestossintticosmuyestables(sobretodo hidrocarburos clorados) [7]. 22 1.6. RENDIMIENTO ESPERADO 1.6.1.RemocindeSlidossuspendidos [17].Esmuyefectivaenlosdostipos dehumedales.Lagranpartedelaremocinocurreenlosprimerosmetrosala entrada, debido a las condiciones tranquilas y a la poca profundidad del agua en el sistema.Ladispersindelflujoenlaentradapuedecontrolarseconundifusor para mantener bajas velocidades incluso para evitar condiciones anxicas. Si elagua en el humedal no se protege de la luz solar con la vegetacin, las algas causan grandes fluctuaciones en los niveles de oxgeno en la columna de agua. 1.6.2.RemocindeNitrgeno [17].Lanitrificacin/desnitrificacineslaprincipal va para remover nitrgeno. Remociones desde 60 a 86 por ciento. Los humedales artificialesalimentanelprocesodedesnitrificacinusandofuentesdecarbn derivadasdelabiomasaproducidadentrodelhumedal.Lasremocionesde nitrgeno (NKT) que han sido reportadas para tiempos de retencin de 5 a 7 das generalmente producen un efluente con NKT menor a 10 mg/L. Tpicos resultados a escala piloto se muestran en la figura 4 junto con la curva de regresin. La curva esta en forma logartmica y tiene un coeficiente de correlacin de 0.70. 23 Tomado: EPA Septiembre 1988 [17] Figura 4. Curva de regresin de NKT vs. Tiempo de retencin en el efluente de un sistema alterno gravilla/Typha. 1.6.3.ModeloderemocinparaNitrgeno [7].Paracualquieradelosdos sistemas el diseo para esta remocin es un procedimiento complicado, ya que el nitrgenopuedeestarpresenteenunavariedaddeformas.Laremocinde nitrgenoesusualmenteelparmetrodediseolimitantecuandosetiene restriccionesenelvertido,tantodenitrgenoamoniacalcomototal.Es aconsejableasumirquetodoelnitrgenoKjeldah(NKT)queentraalsistemase convierte en amoniaco. 24 1.6.4.RemocindeFsforo [17].Enmuchoshumedaleslaremocinnoesmuy efectivaporqueelcontactoentreelaguaresidualyelsuelo(cuandoelsistema estaencontactoconlatierra)eslimitada.Porlotantosepuededisearlechos sumergidosquesirvandematerialdesoporte.Lapresenciadearcilla,hierroy aluminioaumentaelpotencialpararemoverfsforo.Elusodetalmedio,sin embargo,reducelacapacidadhidrulicayrequiereunreamsgrandeparael tratamiento. 1.6.5. Remocin de Metales [17]. Hay pocos datos disponibles sobre la capacidad de remocin de los humedales FWS; porque el mecanismo de remocin es similar al descrito anteriormente para el fsforo, la respuesta no es muy efectiva. En sistemas SFS la remocin de metales puede ser muy efectiva porque hay ms oportunidad de contacto y absorcin. El mecanismo de remocin predominante en elhumedalartificialesatribuidoalfenmenodeprecipitacin-absorcin.La precipitacinaumentaconelmetabolismodelhumedalelcualincrementaelpH delaguacidaafluenteparaalcanzarlaneutralizacin.LaremocindeCu,Zny Cdsondel99,97y99porcientorespectivamente,parauntiempodedetencin de 5.5 das en humedales en Santee, California. 25 2. MODELOS DE DISEO PARA UN HUMEDAL DE FLUJO LIBRE 2.1. EPA, DESIGN MANUAL; CONSTRUCTED WETLANDS AND AQUATIC PLANT SYSTEMS FOR MUNICIPAL WASTEWATER TREATMENT. Septiembre 1988. [17] Loshumedalespuedenreducirsignificativamentelademandabiolgicade oxigeno(DBO5),losslidossuspendidos(SS),elnitrgeno,losmetalesy patgenos.Losmecanismosbsicosdeltratamientosonlasedimentacin,la precipitacin qumica, la adsorcin, las interacciones microbianas y la ayuda de la vegetacin. 2.1.1.RemocindeDBO5.Enestetipodehumedal,laremocindelaDBO5 solublesedebealcrecimientomicrobianoadheridoalasracesdelasplantas, tallos y hojas pequeas que han cado al agua. Las fuentes de oxgeno para esta reaccinestnenlaaireacindelasuperficiedelaguaylatransferenciade oxgeno a travs de las plantas desde la atmsfera. Elcriteriopresentadoacontinuacinestadesarrolladoparacargasorgnicas bajasymoderadas.Lacargaorgnicadebeserdistribuidasobreunaporcinde reaynoaplicadaaunsolopunto.Laprofundidad del agua debe ser de 0.6m o menor para asegurar la adecuada distribucin de oxgeno, en los meses de verano podra recircularse parte del efluente para evitar las prdidas por evaporacin con el fin de mantener los niveles de oxigeno y los flujos de diseo. 26 LaremocindeDBO5enunhumedalhasidodescritaporunmodelodeprimer orden como se enuncia a continuacin: ( ) t KCCToe exp = (1) donde Ce:DBO5 efluente, mg/L Co:DBO5 afluente, mg/L KT:constante de reaccin de primer orden dependiente de la temperatura, d-1 t:tiempo de residencia hidrulico, d El tiempo de residencia hidrulico puede expresarse as: Qd W Lt =(2) donde L:longitud del sistema W:ancho del sistema d:profundidad Q:caudal promedio (entrada y salida) EnunhumedalFWS,unaporcindelvolumendisponibleestarocupadoporla vegetacin,porlotantoeltiempodedetencinrealserunafuncindela porosidad, la cual puede ser definida como el rea de seccin transversal restante disponible para el flujo. VVnV= (3) 27 donde n:porosidad VV:volumen de espacios V:volumen total Combinando las ecuaciones (2) y (3) con la ecuacin (1) resulta: ||.|

\| =Qn d W LA K 7 0 ACC75 1V Toe . exp .(4) donde A:fraccindeDBO5noremovidacomoslidossedimentablescercadela entrada del sistema, fraccin decimal AV:rea superficial especfica para actividad microbiana, m2/m3 La constante de velocidad dependiente de la temperatura es calculada a partir de laconstantedevelocidadpara20CK20yelfactordecorreccinde1.1.La constantedevelocidadKT(end-1)alatemperaturadelaguaT(enC)esta definida por la siguiente ecuacin. ( ) 20 T20 T1 1 K K= . (5) Los dems coeficientes de la ecuacin (4) han sido estimados. A:0.52 K20:0.0057 d-1 AV:15.7 m2/m3 n:0.75 28 Laecuacin(4)esunaexpresinmatemticanecesariaparapropsitosde diseo.Seexaminlasensibilidaddelaecuacin(Ce/Co)conelreaespecifica superficial para actividad microbiana (AV), y con la temperatura del agua (T). Lafigura5muestralasensibilidaddelarelacinCe/CoconAV;estaindicaque, para valores de AV entre 12 y 16 m2/m3, con un dimetro de tallo promedio para el junco de 12 a 16 mm, la relacin Ce/Co puede tomar valores desde 0.18 a 0.098 en uncanalde335m.Paraundimetrodetallode12mmyunvolumende vegetacin del 5%, se estimo que el rea especifica superficial es de 15.7 m2/m3. Este es un parmetro que no puede ser medido directamente en unhumedal real. Este representa el rea superficial de todas las plantas que se caen en la columna deaguaqueincluyeademslostallos,hojasyraces.Lasensibilidaddela ecuacinconelcoeficientedelreaespecficanoesalta.Silaecuacin(4) resultasersensibleconelreaespecfica,estosignificaqueelcoeficienteAV tendraqueconocerseconexactitud,locualnoesposible,ylaecuacintendra que ser de valor limitado. La sensibilidad de la ecuacin (4) con la temperatura fue calculada para el rango de5a25C.Comosemuestraenlafigura6,elgradodetratamientoa5Cse reduce comparado con uno a 25C. Esto indica que la ecuacin es sensible con la temperaturaporlotantolatemperaturadebesersupuestaparausarlaenla ecuacin.Eninviernolaprofundidaddelhumedaldebeincrementarseporla formacin de hielo. 29 Tomado: EPA Septiembre 1988 [17]. Figura 5. Sensibilidad de la relacin Ce/Co con AV Tomado: EPA Septiembre 1988 [17]. Figura 6. Sensibilidad de la relacin Ce/Co con T 30 2.2. BORRERO JAIME, DEPURACIN DE AGUAS RESIDUALES MUNICIPALES CON HUMEDALES ARTIFICIALES. Mayo 1999. [7] Lossistemasdehumedalesartificialespuedenserconsideradoscomoreactores biolgicos,ysurendimientopuedeserestimadomedianteunacinticadeprimer orden de flujo a pistn para la remocin de DBO y nitrgeno. Los modelos de diseo presentados aqu son los sugeridos por Sherwood C. Reed en su libro Natural Systems for Waste Management and tratment. Es crtico para el xito del rendimiento del humedal. Todos los modelos de diseo queseusanactualmenteasumencondicionesuniformesdeflujoapistnyque adems no existen restricciones para el contacto entre los constituyentes del agua residual y los organismos responsables del tratamiento. EnunhumedalSFSesteconceptoesnecesarioparaasegurarquelas condicionesdeflujosubsuperficialsemantienenencircunstanciasnormales durante el periodo de funcionamiento del sistema. Esto solo es posible a travs de un cuidadoso diseo hidrulico y unos mtodos constructivos apropiados. Elflujoatravsdelhumedaldebesuperarlaresistenciaporfriccindelmismo sistema.Estaresistenciaesimpuestaporlavegetacinylacapadesedimentos en los FWS, y el medio, las races de las plantas y los slidos acumulados en los SFS. La energa necesaria para superar esta resistencia viene dada por la prdida de carga entre la entrada y la salida del sistema. La mejor solucin en lo referente a la construccin, es proveer al humedal de un fondo con una inclinacin que sea suficiente para permitir un drenaje completo cuando sea necesario y una salida de altura variable con el nivel del agua. 31 Larelacinlargo:anchotienegraninfluenciaenelrgimenhidrulicoyenla resistenciaalflujo.Enteoragrandesrelacioneslargo:ancho10:1omayores aseguraranunflujoapistn,perotieneelinconvenientedequeenlapartealta delsistemasedesbordaelaguadebidoalincrementoenlaresistenciaalflujo causado por la acumulacin de residuos de vegetacin principalmente en sistemas FWS. Por tanto relaciones de 1:1 hasta aproximadamente 4:1 son aceptables. Los cortocircuitospuedenserminimizadosconunacuidadosaconstrucciny mantenimientodelhumedal,conelusodemltiplesceldasyconlaintercalacin de zonas abiertas (sin vegetacin) para la redistribucin del flujo. 2.2.1Diseohidrulico.ElflujodeaguaenunhumedalFWSesdescritoporla ecuacin de Manning, que define el flujo en canales abiertos. La velocidad del flujo en el humedal es descrita en la ecuacin (6), depende de la profundidad del agua, de la pendiente de la superficie del agua y de la densidad de la vegetacin. Otras aplicacionesdelaecuacindeManningparacanalesabiertossuponenquela resistenciaporfriccinsolamenteocurreenelfondoyenlasparedesdelcanal. EnloshumedalesFWSlaresistenciaestadistribuidasobrelatotalidaddela columna de agua, ya que las plantas emergentes y los restos de vegetacin estn presentesentodoelespacio.LaecuacindeManningtambinasumeflujo turbulento,loquenoescompletamentevlidoperoesunaaproximacin aceptable. 2132s yn1v = (6) donde v:velocidad de flujo, m/s n:coeficiente de Manning, m/s y:profundidad del agua en el humedal, m s:gradiente hidrulico o pendiente de la superficie del agua, m/m 32 Paraloshumedales,elnmerodeManning(n)esfuncindelaprofundidaddel agua debido a la resistencia impuesta por la vegetacin emergente. La resistencia tambindependedeladensidaddelavegetacinydelacapaderesiduosque puede variar segn la localizacin o la estacin. La relacin esta definida por: 21yan = (7) donde: a:factor de resistencia, sm1/6 0.4 para vegetacin escasa y y > 0.4 m 1.6 para vegetacin moderadamente densa con y 0.3 m 6.4 para vegetacin muy densa con y 0.3m Enmuchassituaciones,convegetacinemergentetpica,esaceptableasumir para propsitos de diseo valores de a entre 1 y 4. Sustituyendo la ecuacin (7) en la ecuacin (6) tenemos. 2167s ya1v = (8) Paradeterminarlalongituddelhumedalsedebetenerencuentalassiguientes definiciones: TAQy WQV = = LAWS=L y mS=Qn y AtS =(9a, b, c, d) 33 donde Q:caudal, m3/d m:pendiente del humedal, % expresado como decimal W:ancho del humedal, m AT:rea transversal del humedal, m2 AS:rea superficial del humedal, m2 L:longitud del humedal, m Reemplazando las anteriores relaciones se obtiene: 322138S86400Q am y AL((((

= (10) Elreasuperficialdelhumedalsedeterminaprimeromedianteelmodelode diseo de remocin del contaminante limitante. La ecuacin (10) permite el clculo directo de la longitud mxima aceptable de una celda del humedal. 2.2.2.ModeloderemocindeDBO.Todoslossistemasdehumedales artificialespuedenserconsideradoscomoreactoresbiolgicosysurendimiento puedeaproximarsealdescritoporlacinticadeprimerordendeunreactorde flujo pistn. Elmodelosebasaenlaexperienciaconsistemasaplicadossobresueloyfiltros percoladores. 275 1V ToeQn y w L A K 7 0ACC(((

= .exp .(11) 34 donde Ce:concentracin de DBO5 en el efluente, mg/L Co:concentracin de DBO5 en el afluente, mg/L A:fraccindeDBO5noremovidacomoslidossedimentablescercadela entrada del sistema, fraccin decimal KT:constante de reaccin de primer orden dependiente de la temperatura, d-1 AV:rea superficial especfica para actividad microbiana, m2/m3 L:longitud del sistema, m W:ancho del sistema, m y:profundidad promedio del sistema, m n:porosidad del sistema, fraccin decimal Q:caudal promedio en el sistema, m3/d La ecuacin (11) se considera tericamente correcta, pero tiene el problema para evaluar los factores A y AV. El valor de AV recomendado por algunas publicaciones esde15.7m2/m3,yaqueesdifcilmedirloenunhumedalfuncionando. DependiendodelniveldetratamientoquesedeseeelfactorApuedetomar diferentesvalores,paraefluentesprimarios0.52,parasecundarios0.75y0.90 para efluentes terciarios. Reorganizandolostrminosdelaecuacin(11)seobtieneunaexpresinpara estimar el rea superficial requerida para el humedal en metros cuadrados (AS). ( )n y KA C C QATe oS ln ln ln = (12) ( 20 T20 T06 1 K K= . )(13) 35 El valor de K20 es de 0.2779 d-1 y el rango de porosidad, n,es de 0.65 a 0.75. DebidoalasdificultadesparaevaluarAyAV,seharealizadounasegunda aproximacin a partir del anlisis de los datos de rendimiento de sistemas de este tipo en operacin. ( ) t KCCToe exp = (14) ParacalcularelcoeficienteKTseutilizalaecuacin(13).ElvalordeK20esde 0.678 d-1. El rea superficial del humedal se determina as: ( )n y KC C QATe oS ln ln = (15) 2.2.3. Modelo de remocin para Slidos Suspendidos Totales. En este sistema laremocindeslidossedebeaprocesosfsicos.Debidoaquelaremocinde SSTesrpidaencomparacinconladeDBO,noseloconsideracomoun parmetro de diseo. UnaregresinlinealdedatosobtenidosenhumedalesenEstadosUnidos proporcionalasecuacionesquepuedenservirparaestimarlaconcentracinde SST a la salida del humedal. Estas ecuaciones son vlidas para cargas hidrulicas entre0.4y0.75cm/d,paravaloresquenoestnenesterangosepuedentener resultados incorrectos. 36 ( ) CH 00213 0 1139 0 C Co e . . + = (16) SAQCH = (17) donde Ce:concentracin de SST en el efluente, mg/L Co:concentracin de SST en el afluente, mg/L CH:carga hidrulica, cm/d Q:caudal promedio en el sistema, m3/d AS:rea superficial del humedal, m2 2.2.4. Modelo de remocin para Nitrgeno. La principal fuente de oxgeno para lanitrificacinenestoshumedaleseslaaireacinatmosfricaenlapartems cercana a la superficie del agua y la fuente de carbono para la desnitrificacin es la capa de restos de vegetacin que se encuentra sumergida. Nitrificacin.Elmodelodediseorecomendadoasumequelaremocin deamoniacosedacompletamenteporlavadelanitrificacin.Las siguientesecuacionesseaplicanparalaremocindeamoniacoen humedales FWS expresadas en trminos de concentraciones de amoniaco. ( ) t KCCToe exp = (18) ( )n y KC C QATe oS ln ln = (19) ( 20 TT15 1 1367 0 K= . .))(20) ( 20 TT048 1 2187 0 K= . . (21) 37 donde AS:rea superficial del humedal, m2

Ce:concentracin de amoniaco en el efluente, mg/L Co:concentracin de NKT en el afluente, mg/L KT:constantedereaccindeprimerordendependientedela temperatura, d-1 y:profundidad del agua en el humedal, m t:tiempo de retencin hidrulico, d n:porosidad del sistema, fraccin decimal Q:caudal promedio en el sistema, m3/d La ecuacin (20) se utiliza para el rango de temperatura entre 1 y 10C y la ecuacin(21)paratemperaturasmayoresde10C.Laporosidadparala ecuacin (19) debe estar entre 0.65 a 0.75. Desnitrificacin.LamayorpartedenitratodelhumedalFWSpuede desnitrificarse y ser removida dentro del rea prevista para la nitrificacin. ( ) t KCCToe exp = (22) ( )n y KC C QATe oS ln ln = (23) La porosidad para la ecuacin (23) debe estar entre 0.65 a 0.75. ( 20 TT15 1 00 1 K= . .)(24) 38 donde AS:rea superficial del humedal, m2

Ce:concentracin de nitratos en el efluente, mg/L Co:concentracin de nitratos en el afluente, mg/L KT:constantedereaccindeprimerordendependientedela temperatura, d-1 y:profundidad del agua en el humedal, m t:tiempo de retencin hidrulico, d n:porosidad del sistema, fraccin decimal Q:caudal promedio en el sistema, m3/d Nitrgenototal.Cuandoserequiereladesnitrificacin,esgeneralmente porquesetieneunlmitededescargaparaelnitrgenototalNT.El nitrgenototalenelefluentedelsistemaeslasumadelosresultadosde lasecuaciones(18)y(22).Ladeterminacindelrearequeridapar alcanzarelnivelespecficodeNTenelefluenteesunprocedimiento iterativo usando las ecuaciones (19) y (23). 1.Seasumeunvalorparaelamoniacoresidual(Ce)yseresuelvela ecuacin(19)paraobtenerelrearequeridaparanitrificar, determinndose as el tiempo de retencin hidrulico. 2.Tomeladiferencia(Co-Ce)comonitratoproducidoporlanitrificaciny useestevalorcomoeldelafluenteenlaecuacin(22).Determinela concentracin de nitratos en el efluente con la misma ecuacin. LaconcentracindeNTenelefluenteeslasumadelosvaloresdeCe obtenidosenlasecuaciones(18)y(22).SinosealcanzaelvalordeNT exigido se necesita otra iteracin. 39 2.2.5. Modelo de remocin para Fsforo. Basndose en el anlisis de los datos delaNorthAmericanDataBase,Kadlecpropusounaconstantedeprimerorden igual a 2.74 cm/d para estimar laremocin de fsforo. |.|

\| =CH74 2CCoe.exp (25) 74 2C C Q bAse o.)] / ( ln [ = (26) SAQCH = (17) donde Ce :concentracin de fsforo en el efluente, mg/L Co :concentracin de fsforo en el afluente, mg/L As:rea superficial del humedal, m2 b :factor de conversin, 100 cm/m Q :caudal de diseo, m3/d CH :carga hidrulica, cm/d Elmodelopuedeservlidoparapredecirelfsfororemovidoparacualquierade los dos sistemas. 40 2.3 EPA, FREE WATER SURFACE WETLANDS FOR WASTEWATER TREATMENT A TECHNOLOGY ASSESSMENT. Junio 1999 [19] LoshumedalesartificialesFWSsonreconocidoscomounprocesoviablepara trataraguaresidual.Unodelostpicosmsimportantesparaladiscusinesla hidrulicadelhumedal,staeseltrminoaplicadoalmovimientodelaguaa travsdelhumedal.Undiseohidrulicoerrneopuedecausarproblemasenel transporte del agua, la calidad del agua, olores y vectores. 2.3.1.Tiempoderetencinhidrulico.Eltiempoderetencinhidrulicoterico es la relacin entre el volumen del humedal disponible para el flujo, que incluye los efectos de reduccin del volumen por vegetacin (porosidad) y el caudal. AVEQVt = (27) 2o iAVEQ QQ+= (28) donde t:tiempo de retencin hidrulico, [t] V:tiempo de retencin hidrulico, [L3] :porosidad del sistema, fraccin decimal QAVE:caudal promedio en el sistema, [L3/t] Qi:caudal de entrada en el sistema, [L3/t] Qo:caudal de salida en el sistema, [L3/t] 41 2.3.2. Carga hidrulica.AQq = (29) donde q:carga hidrulica en la entrada, [L/t] Q:caudal, [L3/t] A:rea superficial del humedal, [L2] 2.3.3.Modelosderemocin.Estosmodelosayudanalosingenierosenel proceso de diseo de un humedal FWS para predecir la calidad del agua efluente, en trminos de DBO. Variosmtodosdediseodehumedaleshansidopropuestosparapredecir remocionesdeconstituyentesenhumedalesFWS.Losmtodosincluyen fundamentalmente relaciones equivalentes y ecuaciones. El diseo ha sido usado parapredecirlasreacciones (degradacin o generacin) de DBO, SST, NT, NH4, NO3,fsforoycoliformes.Tambinsepuedehacerunaestimacindelrea superficialreorganizandoyresolviendolasrelacionesparaelreadelhumedal segn el nivel de remocin. Losmodelosmostradosacontinuacincontienenmodificacionespropuestaspor Gearheart y otros. (1998). Reedet al. (1995) ( ) t KCCVToe exp =(30) 42 donde Ce:concentracin del efluente, g/m3 Co:concentracin del afluente, g/m3 KVT:constantedevelocidaddereaccinvolumtricadeprimerorden dependiente de la temperatura, d-1 t:tiempo de residencia hidrulico terico, d Kadlec y Knight (1996) ||.|

\| =qKC CC CAToeexp**(31) donde Ce:concentracin del efluente, g/m3 Co:concentracin del afluente, g/m3 C*:concentracin de fondos; parmetro de ajuste de curva, g/m3 KAT:constantesuperficialdevelocidaddereaccindeprimerorden dependiente de la temperatura, d-1 q:carga hidrulica nominal, m/year ElmodelomencionadoanteriormentefueaplicadoporStoneK,HuntP, SzgiA,enlainvestigacinConstructedwetlanddesignandperformance forswinelagoonwastewatertreatment.AnnualInternationalMeeting Sponsored. Julio 2000.[55], construyendose un humedal para el tratamiento de aguas residuales de cerdos en Duplin county (Norte de Carolina USA). 43 Estehumedalobtuvounaeficienciamayoral75%eneltratamientode Nitrgenototalyamoniacal,peronopresentabuenaremocindefsforo. Losparmetrosdediseofueroncalculadosbasadosenlasecuaciones superficiales de primer orden.[55] Modelo de retraso (discutido en Crites y Tchobanoglous, 1998) DVTo eCtKC C +||.|

\| + = 1exp (32) donde Ce:concentracin del efluente, g/m3 Co:concentracin del afluente, g/m3 CD:concentracindeDBOenfondos;debidoalosresiduosdelas plantas, g/m3 KVT:constantedevelocidaddereaccinvolumtricadeprimerorden dependiente de la temperatura, d-1 :constante de retraso dependiente de la temperatura t:tiempo de residencia hidrulico terico, d Modelo secuencial (Gearheart, 1999) ( ) ( )D V V o eC t K C t K C C + + =2 1 1exp exp(33) 44 donde Ce:concentracin del efluente, g/m3 Co:concentracin del afluente, g/m3 CD:concentracindeDBOenfondos;debidoalosresiduosdelas plantas, g/m3 C1:concentracindeDBOdebidoalasolubilizacindeSSTyDBO residual total (1 a 65 das), g/m3 KV1:velocidad de remocin de DBO KV2:velocidadderemocinvolumtricadeDBOdisueltodependientede la temperatura t:tiempo de residencia hidrulico terico, d Las ecuaciones de regresin han sido usadas para resumir el funcionamiento del sistema para una variedad de constituyentes y parmetros fsicos. Las ecuaciones son para predecir remociones de SST, DBO, nitrgeno, fsforo y coliformes. ParautilizarunodelosmtodosdediseodehumedalesFWS,esnecesario estimar o asumir varios parmetros. Generalmente, la concentracin del afluente y la concentracin del efluente deseada o esperada 45 2.4. EPA, MANUAL; CONSTRUCTED WETLANDS TREATMENT OF MUNICIPAL WASTE WATERS. Septiembre2000. [16] Loshumedalesartificialessonsistemasdetratamientodeaguaresidual compuestos de una o ms celdas diseadas y construidas para mejorar la calidad delaguaantesdequeseefectuladescargaauncuerpodeagua.Los humedales han sido usados para tratar muchos tipos de agua residual a diferentes nivelesdetratamiento,peroenestemanualseenfocaenmejorareltratamiento secundario para agua residual domstica. 2.4.1Hidrulica.Paratrataruntipodeaguaresidualdomstica,lasprincipales variables de diseo son: el rea, la profundidad, el tiempo de retencin hidrulico, el tipo de vegetacin y en generalla forma y dimensiones del humedal. Desde la perspectiva de diseo, la hidrulica del humedal define el movimiento del agua a travs del sistema. Un humedal tipoFWS con un diseo hidrulico pobre puede causar problemas con la calidad del agua efluente. ElvolumendeunhumedalartificialFWSeslacantidadpotencialdeagua(sin vegetacin y residuos) que podra circular en el sistema. h A VW W =(34) donde VW:volumen del humedal AW:rea superficial h:profundidad promedio del agua El caudal a manejar en el humedal ser un promedio de los caudales de entrada y salida en el sistema. 46 2 Q QQe oAVE+= (35) donde QAVE:caudal promedio de agua residual a tratar Qo:caudal de entrada Qe:caudal del efluente El tiempo de residencia hidrulico puede expresarse as: AVEWQVt = (36) donde t:tiempo de retencin hidrulico VW:volumen del humedal :porosidad QAVE:caudal promedio de agua residual a tratar La carga hidrulica para este humedal puede ser escrita as: WoAQq = (37) donde q:carga hidrulica Qo:caudal de entrada AW:rea superficial 47 Para humedales FWS, es necesario medir la prdida de energa entre la entrada y lasalidadelsistema,yaqueelhumedaldebedisearseparamanejarflujossin crearproblemassignificantesdeestancamientoeinundacin.Laecuacinde Manningdefineflujoencanalesabiertos,ypuedeseradaptadaparaestimarla prdida de energa en humedales FWS. 3221hn1 vS=(38) donde v:velocidad promedio del flujo, L/T n:coeficiente de resistencia de Manning, (T/L1/3) h:profundidad promedio del humedal, L S:gradiente hidrulico o pendiente de la superficie del agua, L/L 2.4.2. Modelo de remocin para Coliformes Fecales. ( )NPoeK t 11CC += (39) ( 20 TP19 1 6 2 K= . .)(40) donde Ce :concentracin de coliformes fecales en el efluente, cfu/100mL Co :concentracin de coliformes fecales en el afluente, cfu/100mL N:nmero de zonas de agua abiertas t:tiempo de retencin hidrulico, T KP:constante de la velocidad de remocin de coliformes fecales, T-1 T:temperatura, C 48 2.4.3. Modelo de remocin para DBO. ( )NPoeK t 11CC += (41) ( 20 Tb04 1 15 0 K= . .)(42) donde Ce :concentracin de DBO en el efluente, mg/L Co :concentracin de DBO en el afluente, mg/L N:nmero de zonas de agua abiertas t:tiempo de retencin hidrulico, T Kb:constante de la velocidad de remocin especfica de DBO, T-1 T:temperatura, C 49 2.5 WALLACE SCOTT D. UNIVERSITY CURRICULUM DEVELOPMENT FOR DECENTRALIZED WASTEWATER TREATMENT; CONSTRUCTED WETLANDS: DESIGN APPROACHES. Diciembre 2003. [62] Este texto maneja diferentes mtodos de diseo de humedales que se utilizan en Estados Unidos. Cada uno de los mtodos que se presentan a continuacin tienen sus propias suposiciones y diferentes ecuaciones. Para describir el movimiento del agua a travs del humedal se utiliza un modelo de flujopistn,elcuales una aproximacin que sigue el sistema FWS. La velocidad del flujo de agua en el sistema puede calcularse con una ecuacin modificada de Maninng. 2167 1s davw= (43) donde v:velocidad de flujo, ft/s n:coeficiente de Manning, s/ft1/3 dw:profundidad del agua en el humedal, ft s:gradiente hidrulico o pendiente de la superficie del agua, ft/ft a:factor de resistencia, s.ft1/6 0.487 para vegetacin escasa y dw > 1.3 ft 1.949 para vegetacin moderadamente densa con dw 1 ft 7.795 para vegetacin muy densa con dw 1 ft 50 2.5.1. Small and Decentraliced Wastewater Management Systems, R. Crites & G. Tchobanoglous. 1998. DiseodelhumedalparalaDBO.Seproponeunaecuacinderemocin basada en 4 reactores de tanque agitado (CSTR). ononknCCQVt (((((((

||.|

\|= = 111(44) donde t:tiempo de retencin para la remocin de DBO, d V:volumen total del humedal, ft3 Q:caudal, ft3/d Cn :concentracin de DBO en el efluente del reactor n, mg/L Co :concentracin de DBO en el afluente, mg/L n:nmero de reactores de mezcla completa en serie (se recomienda 4) ko:constantedevelocidadderemocindelaDBOtotal,d-1(1.01para 20C) Paraeltiempoderetencinserecomiendautilizarunfactordeseguridad de 15 a 25%. La DBO efluente calculada por Cn es la DBO residual (DBORIW) resultante de la carga de la DBO afluente. La DBO total efluente (DBOECW) es la suma de la DBORIW ms la DBO de fondos (DBOPD) que resulta de los residuos de las plantas. RIW PD ECWDBO DBO DBO + = (45) 51 donde DBOECW:DBO efluente del humedal, mg/L DBOPD:DBO que resulta de los residuos vegetales, mg/L (5mg/L) DBORIW:DBO residual del agua residual afluente, mg/l La constante de velocidad de reaccin, ko, puede ser corregida. (1 212 T Tkk=)(46) donde k2:constante de velocidad de reaccin de la DBO a una temperatura 2 k1:constante de velocidad de reaccin de la DBO a una temperatura 1 :factor de correccin por temperatura, 1.02 1.06 Lacargaorgnicadeberasermenorque100lbDBO/ac.d(110Kg DBO/ha.d) para mantener condiciones aerobias. 21F tF d CLw oorg =(47) donde Lorg:carga orgnica, lb DBO/ac.d Co :concentracin de DBO en el afluente, mg/L dw:profundidad del agua, tpicamente 1.25 ft :porosidad, tpicamente 0.65 a 0.75 F1 :factor de conversin, 8.34 lb/[Mgal. (mg/L)] t:tiempo de retencin, d F2 :factor de conversin, 3.07 ac.ft/Mgal 52 El rea superficial requerida puede ser calculada despus de ser calculado el tiempo de retencin. =wAVEdt QA07 . 3(48) donde QAVE:caudal promedio diario a travs del humedal, Mgal/d A :rea, ac Por lo general se utiliza un caudal promedio, esto se debe a la influencia de la evaporacin. 2out inAVEQ QQ+=(49) donde: Qin: caudal de entrada al humedal, Mgal/d Qout:caudal de salida al humedal, Mgal/d Serecomiendaunarelacindelongitud:anchoentre2:1y4:1;grandes relaciones(mayoresde10:1)requerirnungradientesignificantepara forzar el flujo a travs de la densa vegetacin. 2.5.2. Constructed Wetlands Treatment of Municipal Wastewaters, EPA. 2000. DiseodelhumedalparaPatgenos.Lareduccindecoliformesfecales puedenserestimadosusandoecuacionesquesedesarrollaronpara lagunas. t KNNbie +=1(50) ( )| |2019 . 1 6 . 2 =TbK (51) 53 donde Ni:nmero de coliformes fecales en el afluente, cfu/100mL Ne:nmero de coliformes fecales en el efluente, cfu/100mL Kb:constante de velocidad de reaccin de primer orden, d-1 T:temperatura del agua, C t:tiempo de retencin, d 2.5.3.TreatmentWetlands.R.kadlec&R.Knight.1996.YConstructed WetlandsforPollutionControl.IWA2000.Estareferenciapresentaunmodelo deflujopistndeprimerordenparalaremocindevarioscontaminantes.Las constantesdevelocidaddesarrolladasenTreatmentWetlandssonextradasde unabasededatosquecubrediferenteslocalizacionesgeogrficas.Laforma general del modelo es: qKC CC CAToe =||.|

\|**ln (52) donde Ce:concentracin del efluente deseada, mg/L Co:concentracin del afluente, mg/L C*:concentracin de fondos, mg/L KAT:constante superficial de velocidad de reaccin de primer orden, d-1 q:carga hidrulica, m/yr Reorganizandolaecuacin(52)seobtieneunaexpresinparaelrearequerida para un contaminante particular. ||.|

\|||.|

\| =**ln0365 . 0C CC CKQAeiA(53) 54 donde A:rea requerida, ha Q:caudal del agua, m3/d La constante de la velocidad de reaccin, KA, puede ser corregida con respecto a la temperatura. ( 2020 , ,=TA T AK K )(54) donde KA, T:constante superficial de velocidad de reaccin a temperatura T, C KA, 20:constante superficial de velocidad de reaccin a 20C :factor de correccin por temperatura T:Temperatura del agua en el humedal, C Tabla 1. Parmetros de diseo FWS (Kadlec and Knight, 1996) ParmetroKA, 20, m/yrC*, mg/L DBO3413.5 + 0.053Ci SST100015.1 + 0.16Ci Nitrgeno orgnico171.051.5 Nitrgeno amoniacal181.040 Nitrgeno NOX3581.090 Nitrgeno total221.051.5 Fsforo total1210.02 Coliformes totales751300 cfu/100mL Tomado: WALLACE Scott D [62]. StoneK.yotrosensuinvestigacintituladainstreamwetlanddesignfornonpointsourcepollutionabatement [56],presentanlavalidacindelanteriormtodo, endondeanalizaronlosdatosdeunhumedalparacalcularlasconstantesdela expresindelavelocidaddereaccindeprimerorden,,KA,20 paranitrgeno totalynitrgenoorgnico,encontrndosevalorescercanosalosexpuestosporkadlec & R. Knight. 55 3. MODELOS DE DISEO PARA UN HUMEDAL DE FLUJO SUBSUPERFICIAL 3.1. EPA, DESIGN MANUAL; CONSTRUCTED WETLANDS AND AQUATIC PLANT SYSTEMS FOR MUNICIPAL WASTEWATER TREATMENT. Septiembre 1988. [17] 3.1.1RemocindeDBO5.Laprincipalfuentedeoxigenoparaloscomponentes subsuperficiales(suelo,piedras,gravilla,yotromedio,enzanjasolechos),esel oxigeno transmitido por la vegetacin a la zona de las races. En muchos casos el sistemadeflujosubsuperficialesdiseadoparamantenerelflujodebajodela superficie del lecho, por lo tanto puede ser muy poca la reareacion directa con la atmsfera. Adems la seleccin de la especie vegetal es un factor importante. TrabajosenunhumedalpilotoenSantee,Californiaindicquemuchasdelas races de crecimiento horizontal de las espadaas, midieron 300 mm. La zona de races del carrizo se extendi a ms de 600 mm y los juncos 760 mm. En el clima frodeEuropaoccidentallazonaefectivaderacesdeloscarrizosestambin considerada de 600mm. El lecho de gravilla del sistema en Santee fue de 760mm deprofundidad,elniveldelaguasemantuvojustodebajodelasuperficie.La remocindeDBO5observadaenunidadesconjuncos,espadaas,carrizosen Santee reflejaron la expansin de la zona aerobia hecha posible por la penetracin de races de varias plantas. La remocin de DBO5 en sistemas de flujo subsuperficial puede ser descrita con la cintica de primer orden de un flujo pistncomo se describe en la ecuacin (55), para sistemas de flujo libre. La ecuacin (55) puede ser reorganizada y usada para estimar el rea superficial del SFS. 56 ( ) t KCCToe exp = (55) | |n d KC C QATe oS ) (ln = (56) donde Ce:DBO5 efluente, mg/L Co:DBO5 afluente, mg/L KT:constante de velocidad de reaccin de primer orden, d-1 t:tiempo de residencia hidrulico, d Q:caudal promedio a travs del sistema, m3/d d:profundidad, m n:porosidad del lecho, como una fraccin AS:rea superficial del sistema, m2 Elreadeseccintransversalparaelflujoatravsdeunsistemasubsuperficial es calculado acorde a la siguiente ecuacin: SkQASC = (57) donde AC:readeseccintransversaldellechodelhumedal,perpendicularala direccin de flujo, m2 d:profundidad del lecho, m W:ancho del lecho, m kS:conductividad hidrulica del medio, m3/(m2d) S:pendiente del lecho, o gradiente hidrulico (como una fraccin decimal). 57 El ancho del lecho es calculado por la siguiente ecuacin. dAWC= (58) Elreadeseccintransversalyanchodellechosonestablecidosporlaleyde Darcy. S A k QS S = (59) Elreadeseccintransversalyanchodellechosonindependientesdela temperatura(clima)ydelacargaorgnicapuestoqueellossoncontroladosporlas caractersticas hidrulicas del medio. El valor de KT, puede ser calculado usando la ecuacin (5) y un K20 conocido para elsistemadeflujosubsuperficial.ElvaloraproximadodeK20paralostiposde mediodesoportequevandearenamedianaagruesaes1.28d-1.Basadosen datoseuropeosydatosdeSantee,California,elvalordeK20sepresentaenla tabla 2. El efecto de utilizar un medio de tamao mayor (con un valor de porosidad pequeo), y bajas temperaturas representa un sistema que no ha sido estudiado y lasecuacionesanterioresnopuedenpredecirexactamentelosresultados.Las porosidades (n) y la conductividad hidrulica son mostradas en la tabla 2. Tabla 2. Caractersticas del material de soporte Tipo medio Max 10% Tamao del grano, mm Porosidad N Conductividad Hidrulica, (kS) m3/(m2d) K20 Arena Media10.424201.84 ArenaGruesa20.394801.35 Arena Gravosa80.355000.86 Tomado: EPA Septiembre 1988[17] 58 3.2. EPA, SUBSURFACE FLOW CONSTRUCTED WETLANDS FOR WASTEWATER TREATMENT; A TECHNOLOGY ASSESSMENT. Julio 1993. [21] Estedocumentopresentaunaguacompletarespectoaldiseodehumedales artificiales nicamente de tipo flujo subsuperficial usados para tratar agua residual domstica. 3.2.1.Diseohidrulico.Paralascondicionesdelflujoenellechodelhumedal SFSsepuedeutilizarlaleydeDarcy,lacualdescribergimendeflujoenun medio poroso. S A k QS = (60) donde Q:caudal promedio, m3/d kS:conductividad hidrulica de una unidad de rea del humedal perpendicular a la direccin del flujo, m3/(m2d) A:rea de seccin transversal perpendicular al flujo, m2 S:gradiente hidrulico de la superficie del agua en el sistema, m/m LaleydeDarcyesunaaproximacinquedescribeelcomportamientodel humedal. Se tiene restricciones como la de asumir condiciones de flujo laminar,y que el flujo en el sistema es constante y uniforme. Acontinuacinsepresentaunresumendelascaractersticastpicaspara diferentes tipos de medio que han sido utilizados en humedales SFS. 59 Tabla 3. Caractersticas del material de soporte en humedales SFS Tipo de medio Tamao efectivo D10, mm Porosidad n, % Conductividad hidrulica kS, m3/(m2d) Arena2321000 Arena gravilla8355000 Grava fina16387500 Grava media324010000 Piedra12845100000 Tomado: EPA Julio 1993[21] 3.2.2. Modelo de remocin para la DBO5. Muchos de los sistemas existentes en EstadosUnidosyEuropafuerondiseadoscomounreactordecrecimiento biolgico usando un modelo de flujo pistn de primer orden. ( ) t KCCToe exp = (61) ( 20 TT06 1 104 1 K= . .)(62) donde Ce:DBO5 efluente, mg/L Co:DBO5 afluente, mg/L KT:constante de velocidad de reaccin de primer orden, d-1 t:tiempo de residencia hidrulico, d T:temperatura del lquido en el sistema, C El tiempo de residencia hidrulico en la ecuacin (61)puede ser definido como: Qd W L nt = (63) 60 donde n:porosidad efectiva del medio, fraccin decimal d:profundidad promedio del lquido en el lecho, m L:longitud del lecho, m W:ancho del lecho, m Q:Caudal promedio a travs del lecho, m3/d Combinando las ecuaciones (61), (62) y (63) ||.|

\| =Qn d W L KCCToe exp (64) Reorganizandolostrminosdelaecuacin(64)seobtieneunaexpresinque permite el clculo del rea superficial requerida para alcanzar el nivel de remocin de DBO5. n d KCCQW L ATeoS ln = = (65) donde AS:rea superficial del lecho, m2 EldiseoydimensionamientofinaldelhumedalSFSpararemocindeDBO5es un proceso iterativo 1.Determinar el tipo de medio, la vegetacin y la profundidad del lecho 2.Determinarenellaboratoriolaporosidadylaconductividadhidrulicadel medio. 61 3.Determinar el rea superficial del lecho requerida para un nivel deseado de remocin de DBO5. 4.Dependiendodelatopografadellugar,seleccioneunarelacin longitud:ancho. 5.Determinelalongitudyelanchodellechodelarelacinasumida anteriormente. 6.Usando la ley de Darcy determine el caudal que pasar a travs del lecho. 3.2.3.ModeloderemocinparaAmoniaco.Paraestimardicharemocinse presentan tres modelos. El primero es un anlisis de regresin de datos obtenido ensistemasdehumedalesSFSyFWSparacondicionesanualespromediosin tener en cuenta el efecto de la temperatura. ( ) ( ) 69 1 NH 050 1 NH 527 1Q 01 0Ao eS. ln . ln . .+ = (66) donde AS:rea superficial del humedal requerida para remover amoniaco, ha NHo:amoniaco afluente, mg/L NHe:amoniaco efluente, mg/L Q:caudal promedio a travs del sistema, m3/d BasadoenuntrabajoaescalapilotoconhumedalesSFS,lasiguienteecuacin presenta la remocin de amoniaco. n d KNHNHQATeoS ln = (67) ( 20 TT03 1 107 0 K= . .)(68) 62 donde AS:rea superficial requerida, m2 KT:constante de velocidad, d-1 NHo:amoniaco afluente, mg/L NHe:amoniaco efluente, mg/L Q:caudal promedio a travs del sistema, m3/d n:porosidad efectiva del medio, fraccin decimal d:profundidad promedio del lquido en el lecho, m Deacuerdoaotroanlisisderegresindedatos,sehapropuestolasiguiente ecuacin para remover amoniaco en humedales artificiales. 16063 0 NHQ NH 001831 0AooS. .+= (69) donde AS:rea superficial requerida, ha NHo:amoniaco afluente, mg/L NHe:amoniaco efluente, mg/L Q:caudal promedio a travs del sistema, m3/d 63 3.3. BORRERO JAIME, DEPURACIN DE AGUAS RESIDUALES MUNICIPALES CON HUMEDALES ARTIFICIALES. Mayo 1999. [7] 3.3.1. Diseo hidrulico. La ley de Darcy, que esta definida en la ecuacin (72), describe el rgimen de flujo en un medio poroso que es lo generalmente aceptado paraeldiseodehumedalestipoSFSusandosueloyarenacomomediodel lecho.Elmayorniveldeturbulenciaenelflujoocurreenlechosqueusanpiedra muy gruesa; entonces la ecuacin de Ergun es ms apropiada para este caso. LaleydeDarcynoesestrictamenteaplicableahumedalesSFSdadaslas limitaciones fsicas en el actual sistema. Este asume condiciones de flujo laminar, peroelflujoturbulentopuededarsecongravagruesacuandoeldiseousaun gradiente hidrulico alto. La ley de Darcy tambin asume que el flujo en el sistema esconstanteyuniforme,peroenlarealidadpuedevariarporlaprecipitaciny evaporacin;ascomoporloscortocircuitosenelflujoquepuedenllegara presentarseporunadesigualporosidadomalaconstruccin.LaleydeDarcy puededarunaaproximacinrazonablealascondicioneshidrulicasenel humedalSFS,siseutilizaunagravadetamaomedioopequeo;sielsistema est bien construido para evitar los cortocircuitos; si el sistema esta diseado para tenerunamnimadependenciadelgradientehidrulicoysilasprdidasy ganancias del sistema estn adecuadamente reconocidas. s k vS = (70) y dado que: y WQv= (71) 64 entonces: S A k QC S = (72) donde Q:caudal promedio a travs del humedal, m3/d kS:conductividadhidrulicadeunaunidaddereadelhumedalperpendicular al flujo, m3/(m2d) AC:rea de la seccin transversal perpendicular al flujo, m2 s:gradientehidrulicoopendientedelasuperficiedelaguaenelsistema, m/m v:velocidad de Darcy, velocidad aparente del flujo a travs de la totalidad del rea de seccin transversal del lecho, m/d Sustituyendoyreorganizandolostrminosesposibledesarrollarunaecuacin quedeterminedemaneraaceptableelanchomnimodeunaceldadehumedal SFSqueseacompatibleconelgradientehidrulicoseleccionadoparaeldiseo, partiendo de: Ly ms=WALS= (73a, b, c)y W AC =donde W:ancho de una celda del humedal, m AS:rea superficial del humedal, m2 L:longitud del humedal, m m:pendiente del humedal, % expresado como decimal y:profundidad del agua en el humedal, m 5 0SSk mA Qy1W.||.|

\|= (74) 65 Las ecuaciones (72) y (74) son vlidas cuando el flujo es laminar a lo largo de los espaciosvacosdelmedio,esdecir,cuandoelnmerodeReynoldsesmenora 10. El nmero de Reynolds es funcin de la velocidad del flujo, del tamao de los espaciosvacosydelaviscosidadcinemticadelagua,comosemuestraenla ecuacin(75).EnmuchoscasoselnmerodeReynoldssermuchomenorque 10 y la ley de Darcy es vlida. Si el flujo es turbulento, entonces la conductividad hidrulicaefectivaseriasignificativamentemenorquelapredichaporlaleyde Darcy. D vNR= (75) donde NR:nmero de Reynolds, adimensional v:velocidad de Darcy, m/s D:dimetro de los vacos del medio, igual al tamao medio del medio, m :viscosidad cinemtica del agua, m2/s Laconductividadhidrulicavaradirectamenteconlaviscosidaddelagua,quea su vez es funcin de la temperatura del agua. T2020 dSTkk= (76) donde ks:conductividad hidrulica a un temperatura T y a 20C :viscosidad dinmica del agua a una temperatura T y a 20C 66 Tabla 4. Propiedades fsicas del agua Temperatuta (T), C Densidad (), Kg/m3 Viscosidad dinmica x103 () Ns/m2 Viscosidad cinemtica x106 () m2/s 0999.81.7811.785 51000.01.5181.519 10999.71.3071.306 15999.11.1391.139 20998.21.1021.003 25997.00.8900.893 30998.70.7080.800 40992.20.6530.658 Tomado: BORRERO Jaime [7] La conductividad hidrulica tambin vara con el nmero y tamao de vacos en el mediousadoparaelhumedal.Latabla5presentadiferentesmagnitudes estimadasparaunrangodematerialesgranularesquepodranserusadosen humedalesSFS.Esrecomendablequelaconductividadhidrulicaylaporosidadse midan en el laboratorio antes del diseo final. Tabla 5 Caractersticas de los medios de soporte Tipo de material Tamao efectivo D10, mm Porosidad (n), % Conductividad hidrulica (kS), m3/(m2d) Arena gruesa228-32100-1000 Arena gravosa830-35500-5000 Grava fina1635-381000-10000 Grava media3236-4010000-50000 Roca gruesa12838-4550000-250000 Tomado: BORRERO Jaime [7] EsposibleusarunarelacinbasadaenlaecuacindeErgun,paraestimarla conductividad hidrulica cuando se usan gravas gruesas o rocas. 7 3Sn k.= (77) 67 3.3.2. Modelo de remocin de DBO. El mecanismo de remocin en un humedal SFSeselmismoqueeldescritoparalosFWS.Lasecuaciones(13),(14)y(15) sonmodelosvlidosparaeldiseodehumedalesSFS.Lanicadiferenciaesla magnituddelaporosidad,quepuedetomarsedelatabla5ydelaconstantede temperatura, K20, que toma el valor de 1.104 d-1. 3.3.3. Modelo de remocin para Slidos Suspendidos Totales. En este sistema laremocindeslidossedebeaprocesosfsicos.Debidoaquelaremocinde SSTesrpidaencomparacinconladeDBO,noseloconsideracomoun parmetro de diseo. UnaregresinlinealdedatosobtenidosenhumedalesenEstadosUnidos proporcionalasecuacionesquepuedenservirparaestimarlaconcentracinde SST a la salida del humedal. Estas ecuaciones son vlidas para cargas hidrulicas entre0.4y0.75cm/d,paravaloresquenoestnenesterangosepuedentener resultados incorrectos. ( ) CH 0014 0 1058 0 C Co e . . + =(78) SAQCH = (17) donde Ce:concentracin de SST en el efluente, mg/L Co:concentracin de SST en el afluente, mg/L CH:carga hidrulica, cm/d Q:caudal promedio en el sistema, m3/d AS:rea superficial del humedal, m2 68 3.3.4.ModeloderemocinparaNitrgeno.Lamayorfuentedecarbonopara posibilitarladesnitrificacineslamuerteydescomposicindelasracesyla principal fuente de oxigeno para la nitrificacin son las races de las plantas. Nitrificacin. No existe un consenso sobre cunto oxgeno es transferido a lasracesporcadatipodevegetacin,porlotanto,nosesabecunto oxgenoestdisponibleenlasuperficiedelasracesparalaactividad biolgica.Lanitrificacindependedelaprofundidaddepenetracindelas races presentes en el lecho del humedal SFS. 6077 2NHrz 3922 0 01854 0 K. . . + =(79) donde KNH:constante de nitrificacin a 20C, d-1 rz:porcentajedeprofundidadocupadoporlazonadelasraces, fraccin decimal (0 a 1) UnavezdefinidalaconstanteKNH esposibledeterminarlaremocinde amoniaco, va nitrificacin. ( ) t KCCToe exp = (80) ( )n y KC C QATe oS ln ln = (81) ( 20 TNH T048 1 K K= . )(82) donde AS:rea superficial del humedal, m2

Ce:concentracin de amoniaco en el efluente, mg/L Co:concentracin de amoniaco en el afluente, mg/L 69 KT:constantedereaccindeprimerordendependientedela temperatura, d-1 y:profundidad del agua en el humedal, m t:tiempo de retencin hidrulico, d n:porosidad del sistema, fraccin decimal Q:caudal promedio en el sistema, m3/d Desnitrificacin. Mucha de la produccin de nitrato puede desnitrificarse y serremovidadentrodelreaprevistaparalanitrificacin.Elmodelode diseo para estimar la remocin de nitratos va desnitrificacin corresponde a las ecuaciones (83) y (84). ( ) t KCCToe exp = (83) ( )n y KC C QATe oS ln ln = (84) ( 20 TT15 1 00 1 K= . .)(85) donde AS:rea superficial del humedal, m2

Ce:concentracin de nitratos en el efluente, mg/L Co:concentracin de nitratos en el afluente, mg/L KT:constantedereaccindeprimerordendependientedela temperatura, d-1 y:profundidad del agua en el humedal, m t:tiempo de retencin hidrulico, d n:porosidad del sistema, fraccin decimal Q:caudal promedio en el sistema, m3/d 70 Laconcentracindenitratosenelafluente(Co)usadaenlasecuaciones (83)y(84)esladiferenciaentrelasconcentracionesdeentradaysalida determinadas con la ecuacin (80). La diferencia de las concentraciones de la ecuacin (80) puede asumirse como nitrato. Nitrgenototal.Cuandoserequiereladesnitrificacin,esgeneralmente porquesetieneunlmitededescargaparaelnitrgenototalNT.El nitrgenototalenelefluentedelsistemaeslasumadelosresultadosde lasecuaciones(80)y(83).Ladeterminacindelrearequeridapar alcanzarelnivelespecficodeNTenelefluenteesunprocedimiento iterativo usando las ecuaciones (81) y (84). 1.Seasumeunvalorparaelamoniacoresidual(Ce)yseresuelvela ecuacin(80)paraobtenerelrearequeridaparanitrificar, determinndose as el tiempo de retencin hidrulico. 2.Tomeladiferencia(Co-Ce)comonitratoproducidoporlanitrificaciny useestevalorcomoeldelafluenteenlaecuacin(83).Determinela concentracin de nitratos en el efluente con la misma ecuacin. LaconcentracindeNTenelefluenteeslasumadelosvaloresdeCe obtenidosenlasecuaciones(80)y(83).SinosealcanzaelvalordeNT exigido se necesita otra iteracin. 3.3.5. Modelo de remocin para Fsforo. Para la remocin de fsforo se puede utilizar el mismo modelo que el descrito para un FWS. 71 3.4 SQAE CANAD Y OTROS, ESTUDIOS TCNICOS DE SUSTITUCIN APLICABLES AL SANEAMIENTO DE AGUAS SERVIDAS DE PEQUEAS COMUNIDADES. Noviembre 1999. [22] 3.4.1.ProcedimientodediseodeunaunidadSFS.Lacinticadesarrollada parasimularelfuncionamientodelosSFSsondesarrolladasapartirdela integracindelaleydeDarcyqueseutilizaparaestablecerlacapacidad hidrulica y la ecuacin de cintica de primer orden que se aplica para la remocin de DBO5. La permeabilidad del medio filtrante se considera homognea en toda la superficiedelcampo.LasuperficiedelSFSseobtieneapartirdelaecuacin integrada:) () ln (ln ) (3 3t2 2Hs He P K 286400 Cs Ce Hs He Q 3b L S = = (86) donde S:Superficie total necesaria de la unidad SFS (m2). L: Longitud del sistema en el sentido del flujo (m). b: Longitud del sistema (m). Q:Caudal medio diario de aguas servidas (m3/s). He:Espesor total del lecho (m)Hs: Altura del agua en el efluente (m)Ce: Concentracin de DBO5 a la entrada (mg/)Cs:Concentracin de DBO5 a la salida (mg/l)Kt: Const. cintica de primer orden dependiendo de la T(d-1) Kt: K20 x 1,06(t-20). K20: Constante de primer orden a 20C que es igual a 0.805P:Porosidad del medio filtrante. 72 Determinacin de la longitud de flujo del lecho.El valor de L se estima mediante la siguiente ecuacin:Q 200S Hs He KL2 2) ( = (87) donde: K:Coeficiente de permeabilidad (cm/s) Si la longitud mnima calculada es > de 3 m, entonces se mantiene este valor y se calcula el tamao total del sistema manteniendo S y L.Silalongitudmnimacalculadaes