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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
FACULTAD DE INGENIERIA AMBIENTAL Y DE RECURSOSNATURALES
“TRATAMIENTO DE EFLUENTES DE LA GRANJA PORCINA DELINSTITUTO REDENTORES MATER Y JUAN PABLO II DE VENTANILLAA TRAVÉS DE HUMEDALES ARTIFICIALES PARA SU REUTILIZACIÓNCOMO AGUA DE CLASE III”
ING. GABRIEL EDUARDO ESCUDERO CORNEJO01/12/2009 al 30/11/2011
Resolución Rectoral N° 1305-09-R
BELLAVISTA, CALLAO
2
INDICE
I.- RESUMEN 01
II.- INTRODUCCION 03
III.- MARCO TEORICO 05
3.1. Humedales Artificiales 06
3.1.1. Ventajas 07
3.1.2. Función 07
3.2. Tipos de Humedales Artificiales 07
3.2.1. Humedales con Flujo Libre (FL) 07
3.2.2. Humedales de Flujo Subsuperficial (FS) 07
3.2.3. Ventajas de los Humedales FS respecto a los
Humedales FL 08
3.2.4 Desventajas del FS 08
3.4. Componentes del Humedal 08
3.4.1. Plantas 08
3.4.2. El Suelo y el Medio Soporte 11
3.4.3. Microorganismos 12
3.5. Mecanismos de Remoción 12
3.5.1. Remoción de Sólidos Suspendidos 13
3.5.2. Remoción de DBO5 13
3.5.3. Remoción del Nitrógeno 14
3.5.4. Remoción del Fosforo 15
3.5.5. Remoción de metales 16
3.5.6. Remoción de Patógenos 16
3.6. Sistemas de Humedales de Tipo Subsuperficial 17
3.6.1. Descripción del Proceso 17
3.6.2. Localización 17
3.6.3. Recubrimientos 18
3
3.6.4. Tipos de Vegetación 18
3.6.5. Medio del Lecho 18
3.6.6. Mecanismos de Remoción y Transformación de
los constituyentes 18
3.6.7. Desempeño del Proceso 19
3.6.7.1. Remoción del DBO5 19
3.6.7.2. Remoción del SST 19
3.6.7.3. Remoción del Nitrógeno 19
3.6.7.4. Remoción del Fosforo 20
3.6.7.5. Remoción de Metales 20
3.6.7.6. Remoción de Organismos Patógenos 20
3.7. Cumplimiento de la Hipótesis. 21
IV.- MATERIALES Y METODOS 22
4.1. Metodología para Determinar DBO5 23
4.1.1. Método de Dilución 23
4.1.2. Realización del Método 25
4.1.3. Cálculos 25
4.2. Análisis de DQO 26
4.3. Sólidos Sedimentables 26
4.4. Análisis de Grasas y Aceites 26
4.5. Reporte de los Resultados 26
4.6. Pre Tratamiento del Efluente 26
4.7. Cálculo del Diseño del Humedal Artificial Piloto 27
4.8. Diseño Hidráulico 28
4.9. Humedales de Flujo Subsuperficial 30
4.10. Aspectos Térmicos 31
V.- RESULTADOS 33
5.1. Efluentes antes del Tratamiento 33
5.1.1. Caracterización 33
4
VI.- DISCUSIÓN 35
6.1. Discusión 35
6.2. Conclusión 36
VII.- RECOMENDACIONES 37
VIII.- REFERENCIALES 39
TABLAS Y GRÁFICOS 41
5
CAPITULO 1
RESUMEN
El presente trabajo tiene como objetivo tratar los efluentes de la granja porcina
del Instituto Redentores Mater, mediante humedales artificiales de flujo sub-
superficial, para obtención de agua de clase III.
El proyecto se desarrolla en el Instituto Redentores Mater, donde se toma la
muestra de los efluentes de la granja porcina, en forma periódica para realizar
los análisis, que nos permitirá caracterizar los efluentes de la granja porcina,
recopilando los datos y el estudio de los mismos nos dará los parámetros
necesarios para diseñar el humedal.
Las muestras fueron resultados de la toma de muestras del colector principal
de la granja porcina del Instituto RedentoresMater, siguiendo la metodología
estandarizada según el parámetro a evaluar. Los efluentes fueron tratados
mediante un humedal piloto de régimen subsuperficial previo pre tratamiento.
En base a esta información se diseño y aplicó un modelo piloto de humedal
artificial de flujo subsuperficial con la finalidad de que las aguas tratadas
cumplan con la calidad de aguas de clase III.
Es por eso que la toma de muestras y los análisis de los mismos, son
permanentes en toda la operación, la recopilación de datos deberá hacerse de
manera permanente, estableciéndose cuadros completos tanto de agua sin
tratar como de agua tratada de esta manera nos podemos dar cuenta de la
eficiencia del proceso, o sea que disminuye en cantidad considerable en alto
grado de contaminación, que resultaría dañino para el área en donde se
encuentra esta granja porcina.
Las pruebas realizadas nos permitieron demostrar la capacidad de remoción de
los humedales artificiales., con los resultados obtenidos en el humedal piloto,
se demuestra la hipótesis, la cual dice que los efluentes tratados con
6
humedales artificiales de tipo sub-superficial, permite remover la contaminación
de tipo orgánico para así obtener aguas para riego de áreas verdes.
Los resultados de las pruebas realizadas nos indica que el efluente tratado
presenta un DQO de 36 mg/L y un DBO5 de 14 mg/L , cumpliéndose con las
características de un agua de clase III.
7
CAPITULO 2.0
INTRODUCCION
El presente trabajo tiene por finalidad demostrar que es posible mediantes el
empleo de humedales artificiales de tipo subsuperficial, remover los deshechos
orgánicos producidos por la granja porcina.
La granja porcina del Instituto RedentorisMatis, se ubica en la intersección de la
Av. Andrés A. Cáceres Km. 17 (Ex Av. Gambeta) y de la carretera de acceso a
las playas del distrito de Ventanilla, frente al asentamiento humano "Los
Licenciados", en el Distrito de Ventanilla – Provincia Constitucional del Callao,
el instituto es una institución de carácter educativa de Nivel Técnico, fundada y
administrada por El Seminario Diocesano Misionero del Callao, Malecón Pardo
444 - La Punta.
En el año 1998 se realizó, por otro lado, la perforación de un pozo tubular de 28
metros de profundidad; una línea de conducción de 750 metros de longitud; un
tanque cisterna de 320 m3 a 70 metros de altura para el almacenamiento de
agua; y una línea de aducción; dotando de esta manera a las instalaciones del
servicio de agua para la limpieza y mantenimiento necesarios, y para abrevar a
los animales.
En 1999 se logró la instalación de una red eléctrica básica, la cual mejoró
notablemente tanto el rendimiento de las instalaciones e infraestructura como la
conservación y producción animal.
En los años siguientes, es decir, 2000-2002, se ha ampliado la red vial y se
han cultivado algunas áreas a manera de experimentación, a fin de comprobar
lo propicio y favorable del terreno en donde está asentado el proyecto, lo cual
ha arrojado positivos resultados.
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Las aguas residuales de la granja porcina, son desechadas hacia las zonas
naturales de los Pantanos de Ventanilla, lo cual, como es de suponerse,
conlleva a una contaminación que hay que evitar, por esta razón el método
ecológicamente más estable es el de los humedales artificiales y de esta
manera tratar los efluentes generados en la granja porcina mediante
humedales artificiales de flujo sub superficial para obtener agua de clase III,
Ya que el objetivo general es tratar los efluentes generados en la granja
porcina mediante humedales artificiales de flujo sub superficial para obtener
agua de clase III, lo que se debe hacer en, primero, caracterizar los efluentes
de la granja porcina, para luego con esta información diseñar y aplicar un
modelo piloto de humedal artificial de flujo subsuperficial que nos permita
caracterizar los efluentes tratados para obtener aguas de clase III.
La importancia radica en que este método es ecológico por ser todo natural, el
tratamiento lo dan las mismas plantas, dentro de su función o metabolismo, por
tanto no se precisa que intervengan elementos o sustancias extrañas al medio
ambiente, lo único que se hace es usar tecnología básica, para que el
tratamiento de el efecto deseado y así se puedan cumplir con los objetivos
planteados en el presente trabajo.
También debe tomarse en cuenta el permanente mantenimiento, que es la
base de todo proceso que deba cumplir sus funciones de manera constante y
optima, para lo cual se debe implementarse todo lo necesario para este fin.
Los humedales son entonces un método que permitirá que el producto
obtenido, agua de tipo III, contribuya a mantener el ecosistema y de esta
manera prolongar el ciclo de vida de las diferentes especies que allí habitan.
9
CAPITULO 3.0
MARCO TEORICO
La reutilización de aguas residuales para utilizarse en riego, tiene una gran
importancia, ya que permite la reutilización de estas, ya que según el
HealtServicesDeparment en EE. UU., así como en Monterrey (México), están
de acuerdo en que el agua residual para el riego de cultivo de plantas es
saludable y aceptable, siempre y cuando se de el tratamiento adecuado antes
de ser utilizado. (Ver referencia 1).
Las alternativas de tratamiento de estas aguas varían en función del origen y
de las normas técnicas que se pidan, en necesario buscar tratamiento
económico y de garantía, que permitan obtener las aguas de la calidad
adecuada.
Dentro de estos métodos tenemos:
Lagunas de Estabilización
Lagunas Naturales
Lagunas Aireadas
Humedales naturales o artificiales
De estos métodos se eligió el de humedales artificiales, ya que tiene como
ventaja su sencillez y su menor costo de aplicación (capital y operación). Los
humedales son áreas que se encuentran saturadas por aguas superficiales o
subterráneas con una frecuencia y duración tales, que sean suficientes para
mantener condiciones saturadas. En los humedales crecen plantas acuáticas
emergentes entre las que se encuentran: juncos, eneas y espadañas, entre
otras, dichas plantas proporcionan superficie para el crecimiento de los
microrganismos y permiten la filtración y adsorción de los contaminantes
10
presentes en el agua residual, además de inhibir el crecimiento de las algas y
favorecer la formación de zonas aerobias alrededor de las raíces debido a las
características de estas plantas de trastocar el oxígeno desde las hojas hasta
las raíces.
El sistema de tratamiento a través de pantanos o humedales artificiales con
vegetación proporcionan un micro entorno ideal para la sedimentación,
filtración, adsorción y descomposición bacteriana de los componentes de aguas
residuales, estos se han utilizado para el tratamiento del efluente primario de
aguas residuales industriales, desagües ácidos de minas, lixiviado de relleno
de tierra y desagüe urbano, (Ver referencia 1)
3.1. Humedales Artificiales.- Los humedales artificiales, son humedales
construidos por el hombre, en áreas donde antes estos no existían y que tienen
como función fundamental el tratamiento de las aguas residuales. De aquí que
ellos se incluyan entre los llamados sistemas naturales de tratamiento. En
estos sistemas los contaminantes presentes en las aguas residuales son
removidos por una serie de procesos físicos, químicos y biológicos que se
efectúan en el ambiente natural, entre estos procesos se encuentran la
sedimentación, la adsorción a las partículas del suelo, la asimilación por las
plantas y la transformación microbiana. (Ver referencia 2).
Estudios realizados por Gersberg y sus colaboradores demostraron las altas
eficiencias logradas en la remoción de sólidos suspendidos, DBO, nitrógeno y
coliformes; utilizando las plantas emergentes en humedales construidos. (Ver
referencia 3).
El estudio realizado sobre la descontaminación de aguas utilizando la
Schocroplectus Totora (TOTORA) demuestra que este sistema de tratamiento
da buenos resultados en la purificación de aguas contaminadas inclusive con
metales pesados (SALM H, SCHOENOPLECTUS Totora (TOTORA); para la
purificación de agua contaminadas, ecología en Bolivia 1982)
En estos sistemas los procesos físicos, químicos y biológicos no están
separados y ocurren simultáneamente. La filtración o sedimentación separa
físicamente la materia partículada mientras las bacterias (que se encuentran en
11
el suelo o adheridas a las plantas y en los estanques) oxidan la materia
orgánica y el crecimiento vegetal y microbiano asimila al nitrógeno y fósforo. El
percolado (también llamado lixiviación) puede facilitar la adsorción de iones
inorgánicos (metales pesados), el número de patógenos se reduce por muerte
natural de los mismos y por efecto de los rayos ultravioletas de la luz solar.
3.1.1. Ventajas.- En su sencillez y en la mayor parte de los casos sus menores
costos de capital y de operación, comparados con los sistemas
convencionales, estos usan menos energía eléctrica y requieren menos mano
de obra para las labores de operación y mantenimiento.
3.1.2. Función.- Los humedales tienen tres funciones básicas que los hacen
tener un atractivo potencial para el tratamiento de aguas residuales, son estas:
Fijar físicamente los contaminantes en la superficie del suelo y la materia
orgánica.
Utilizar y transformar los elementos por intermedio de los
microorganismos.
Lograr niveles de tratamiento consistentes con un bajo consumo de
energía y bajo mantenimiento.
3.2. Tipos de Humedales Artificiales.- Existen dos tipos de humedales
artificiales:
3.2.1. Humedales con Flujo Libre (FL).- Los humedales con flujo libre son
estanques o canales en los que la superficie del agua se encuentra
expuesta a la atmósfera y las plantas emergentes están enraizadas
sobre una capa de suelo generalmente impermeabilizado, para evitar la
infiltración al manto freático. Las aguas residuales aplicadas a estos
sistemas usualmente son pre- tratadas y la depuración de las mismas se
logra al circular el agua a través de los tallos y raíces de las plantas.
3.2.2. Humedales con Flujo Subsuperficial. (FS).- Los humedales con FS
son estanques o canales con el fondo generalmente impermeable sobre
el cual se coloco un medio poroso que puede ser suelo, arena o grava
en el que se siembra las plantas emergentes y donde el nivel de agua
se mantiene por debajo de la superficie de grava.
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Las aguas residuales aplicadas a estos sistemas son generalmente pre-
tratados. Este tipo de humedales puede ser construidos con Flujo
Horizontal Subsuperficial, en el que el medio poroso se mantiene
saturado por el agua, o con flujo vertical en el que el medio poroso no se
encuentra saturado debido a que el agua se aplica usualmente sobre la
superficie del lecho a intervalos de tiempo, lo que permite que el agua
percole a través del medio, de forma similar a lo que sucede en un filtro
de arena intermitente.
3.2.3. Ventajas de los humedales de Flujo Subsuperficial respecto a loshumedales de Flujo Libre.- En los humedales con FS el medio poroso
brindando genera mayor área superficial para el crecimiento de los
microrganismos incrementándose la velocidad de remoción. Por otra
parte, debido a que el agua en estos sistemas fluye por debajo de la
superficie del medio, no se presentan problemas con el desarrollo de los
mosquitos y otros vectores, además de proporcionar protección térmica,
lo que hace que estos sistemas puedan ser utilizados en lugares donde
ocurran grandes nevadas.Ver referencia Nº 04
3.2.4. Sin embargo, a pesar de todas las ventajas antes expuestas hay que
señalar que los humedales con FS tienen como desventajas el costo del
medio soporte utilizado, así como su traslado y colocación.
3.4. Componentes del Humedal.- Los principales componentes del humedal
que influyen sobre el proceso depurador que se lleva a efecto en los
humedales construidos son los siguientes:
3.4.1 Plantas.- En los humedales construidos se han utilizado una variedad de
plantas emergentes semejantes a las encontradas en los humedales
naturales. Las plantas que con mas frecuencia se utilizan son: las
espadañas o eneas (Typhasp.), caña o junquillo
(Phragmitescommunies), y los juncos (Juncos sp.), (Scirpussp.) y
(Carexsp.). Ver Anexos cuadro Nº 01
Las plantas presentan varias propiedades que las hacen ser un
componente indispensable en los humedales construidos. La función de
13
mayor importancia de las macrofitas en relación con el proceso de
tratamiento de las aguas residuales es el efecto físico que ellas
producen es la estabilización de la superficie del lecho, proporcionando
buenas condiciones para la filtración, y en el caso de los sistemas con
flujo vertical previniendo las obstrucciones, además de proporcionar área
superficial para el crecimiento de los microorganismos adheridos.
La vegetación proporcionan un microentorno ideal para la
sedimentación, filtración, adsorción y descomposición bacteriana de los
componentes de aguas residuales, estos se han utilizado para el
tratamiento del efluente primario de aguas residuales industriales,
desagües de ácidos de minas, lixiviado de relleno de tierra y desagüe
urbano,(Ver referencia 5)
En los humedales el suelo se encuentra saturado, lo que hace que los
poros del suelo estén llenos de agua. Como la velocidad de difusión del
oxigeno en el agua es lenta los suelos se vuelven anaerobios, lo que
hace que este ambiente no sea adecuado para el crecimiento de la
mayoría de las especies vegetales. Sin embargo, las especies de
plantas acuáticas emergentes tienen la capacidad de absorber de la
atmósfera, a través de sus hojas y tallos que se encuentra por encima
del agua, el oxigeno y otros gases que ellas necesitan.
Las plantas de los humedales están morfológicamente adaptadas a
crecer en los sedimentos saturados de agua en virtud de los espacios
internos de aire que ellas presentan para el transporte del oxigeno desde
las hojas hasta las raíces. El movimiento interno del oxigeno hacía las
raíces de las plantas no solamente sirve para la demanda de oxigeno
que requieren las raíces para su respiración, sino que además permite la
formación de una rizosfera oxidada alrededor de las raíces, pues a
través de ellas fluye una cierta cantidad de oxigeno creando un ambiente
aeróbico, mientras que a su alrededor las condiciones son anóxicas,
permitiendo de esta forma la descomposición aerobia de la materia
orgánica y el crecimiento de bacterias nitrificantes. Se ha estimado que
estas plantas pueden transferir entre 0.02 y 12 gramos de oxigeno por
14
día por cada m2 de área superficial del humedal, este rango de valores
tan amplio puede deberse a las diferentes técnicas experimentales
utilizadas y en cierto modo a las variaciones estaciónales,(Ver referencia
6).
La velocidad de liberación del oxigeno desde las raíces depende de la
concentración de oxigeno interno, de la demanda de oxigeno por el
medio que las rodea y de la permeabilidad de la pared de las raíces. Por
otra parte, cuando se va a valorar la posibilidad de utilizar las diferentes
especies de plantas en los humedales construidos se debe tomar en
cuenta además otros factores como son: profundidad de enraizamiento,
tolerancia a las altas cargas de las aguas residuales, productividad de
las plantas, etc.
El oxigeno liberado por las raíces de las plantas es de gran importancia
en el caso de los humedales con FS donde el agua residual fluye a
través del medio poroso poniéndose en contacto directo con las raíces y
rizomas de las plantas, de aquí que estos sistemas sean importantes,
que las raíces penetran en toda la profundidad del medio. En el caso de
los humedales con flujo libre el agua residual fluye por encima de la
capa de suelo, no teniendo contacto directo con la fuente potencial de
oxigeno de las plantas; en este tipo de humedal la fuente fundamental
de oxigeno es a través de la re aireación atmosférica por la superficie del
agua.
Otra función importante de las plantas en los humedales es la toma de
los nutrientes, así como otros constituyentes presentes en el agua
residual; sin embargo, la cosecha de las plantas en los humedales no es
usual debido, fundamentalmente, a los costos que esto provoca.
Estudios realizados demuestran que la cosecha de las plantas no es la
vía más eficiente para la remoción de los nutrientes de las aguas
residuales y señalan que una cosecha al final de estación elimina menos
del 10% del nitrógeno removido en el humedal,(Ver referencia 7) No
obstante, hay que señalar que la presencia de las plantas en los
humedales es esencial, pues en el caso de los sistemas con FS sus
15
raíces son una fuente fundamental de oxigeno y la presencia de sus
hojas, tallos, raíces, rizomas y detritos regula el flujo de agua y
proporciona superficie para el crecimiento microbiano. En el caso de los
humedales con flujo libre de presencia de las plantas limitan, además, la
penetración de la luz y evitan el crecimiento de las algas.
3.4.2 El suelo y el medio soporte.- En los humedales construidos el proceso
de tratamiento de las aguas residuales es llevado a cabo,
fundamentalmente, por un complejo grupo de microrganismos adherido
a las raíces de las plantas, rizoma y sobre la superficie del medio, (Ver
referencia 4).
En los sistemas con flujo libre el agua fluye por encima de la superficie
del suelo en el cual ocurre la mayor actividad microbiana asociada a la
capa de detritos depositada, además de los microrganismos adheridos a
la superficie sumergida de las plantas. Los suelos con algún contenido
de arcilla son muy efectivos en la remoción de fósforo, ocurriendo el
proceso de remoción en la matriz del suelo; sin embargo, se considera
que este proceso tiende a un equilibrio después del primer año de
funcionamiento del humedal. Por otra parte, los suelos arcillosos tienen
cierta capacidad de intercambio iónico lo que les permite remover, al
menos temporalmente, el nitrógeno presente en las aguas residuales en
forma de Ion Amonio (NH4+); sin embargo, la mayoría de las veces esta
capacidad se agota debido a que la superficie de contacto se encuentra
bajo agua y las condiciones son anaerobias.
En los sistemas con FS el medio puede ser suelo, arena o grava y los
espacios libres del medio sirven como canales para el flujo del agua.
Sobre la superficie del medio poroso crece la masa de microrganismos
semejante a lo que ocurre en un filtro percolador, sin embargo, se
considera que el crecimiento microbiano en estos sistemas no debe
provocar obstrucciones como ocurre en los filtros percoladores. En el
caso de los humedales con FS Horizontal que emplean suelo presentan
un potencial de remoción de fósforo y amonio semejante al reportado en
los sistemas con flujo libre. En los sistemas con FSVertical debido a que
16
el flujo es intermitente las condiciones aerobias se restauran
periódicamente y el amonio adsorbido, por el suelo puede liberarse por
la vía de la nitrificación bacteriana y los sitios de intercambio quedarían
libres para futuras adsorciones. En los sistemas con FS que emplean
grava la capacidad de remoción de fósforo es muy limitada.
3.4.3. Microrganismos.- En los humedales se desarrollan una gran
variedad de organismos que abarcan desde microrganismos como
bacterias y protozoos hasta pequeños animales; siendo las bacterias
el grupo fundamental en el proceso depurador de las aguas
residuales. Como se ha explicado anteriormente, los humedales son
sistemas de tratamiento biológico de las aguas residuales con
biomasa adherida, presentando características semejantes a las de
un filtro percolador. Como en todo sistema de tratamiento biológico,
en los humedales se requiere de un sustrato para el desarrollo de
los microrganismos responsables del proceso depurador y que el
agua permanezca por un tiempo para que se desarrolle esta masa
microbiana, además el funcionamiento del sistema depende de una
serie de factores ambientales, siendo los más importantes: la
disponibilidad del oxigeno y la temperatura.
3.5. Mecanismos de Remoción.- En los humedales artificiales la remoción
de los contaminantes presentes en las aguas residuales es llevada a
cabo por una variedad de complejos procesos físicos, químicos y
biológicos, que en la mayoría de las ocasiones ocurren
simultáneamente. Ver cuadro N° 03
En la figura se pueden ver los principales procesos que se llevan a cabo en un
humedal y que permiten la depuración del agua residual.
Tal como ocurre con los humedales de flujo libre, se puede esperar que los
humedales de FS produzcan un efluente de alta calidad en términos de DBO5,
SST y Organismos Patógeno. Los mecanismos principales de remoción son la
conversión biológica, la filtración física y la sedimentación y la precipitación
química y la adsorción.
17
Se presentan los principales mecanismos de remoción y transformación de los
contaminantes de las aguas residuales en los humedales.
3.5.1. Remoción de Sólidos Suspendidos.- La remoción de los sólidos
suspendidos y sedimentables presentes en las aguas residuales son
removidas fundamentalmente en las unidades de pre tratamiento,
mediante procesos de sedimentación y filtración. Estos procesos que
son puramente físicos también eliminan una porción significativa de otros
contaminantes presentes en las aguas residuales (DBO, nutrientes,
patógenos). La remoción de los sólidos suspendidos es muy efectiva
tanto en los humedales con flujo libre como con FS.
En el caso de los sistemas con flujo libre la remoción óptima de los
sólidos suspendidos solo se logra cuando hay una gran cantidad de
plantas, las cuales facilitan la filtración y la sedimentación y evitan el
crecimiento de las algas. Se considera que en este tipo de humedal la
mayoría de los sólidos suspendidos presentes en las aguas residuales
son removidos en los primeros 15 a 30 metros del humedal.
En los humedales con FS los mecanismos de remoción son los mismos
que en los sistemas con flujo libre, solo que al no tener zonas abiertas
de agua, los problemas de resuspensión por el viento se evitan, por lo
que la concentración de los sólidos suspendidos en el efluente es menor.
3.5.2. Remoción de DBO5.- En los humedales artificiales la remoción de
la DBO soluble y suspendida se lleva a efecto por una serie de
mecanismos diferentes. La DBO que se encuentra en forma soluble es
removida mediante la degradación biológica realizada por los
microrganismos adheridos a la superficie de las plantas y los detritos, así
como por los microorganismos que se encuentran en la columna de
agua, como sucede en los sistemas con flujo libre o los que se
encuentran adheridos al medio soporte en los sistemas con FS. Por otra
parte, las bajas velocidades que se producen en el sistema, así como la
presencia de las plantas y del medio soporte para el caso los sistemas
con FS, hacen que se favorezca la filtración, floculación y sedimentación
de la materia orgánica que se encuentra en forma suspendida. Los
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sólidos orgánicos removidos por sedimentación y filtración, así como la
vegetación muerta ejercerán una demanda de oxígeno. Como resultado
de lo anteriormente explicado, la DBO afluente al humedal se remueve
rápidamente a medida que el agua avanza en el sistema.
La remoción de DBO5 se logra de forma biológica y física, principalmente
bajo condiciones anaerobias. Sin embargo, los microrganismos
facultativos convierten una parte de la DBO5. La tasa de remoción se
relaciona con el tiempo de retención y la temperatura, las que
describiremos en las consideraciones en el diseño del proceso.
3.5.3. Remoción de Nitrógeno.- El mecanismo fundamental para la
remoción del nitrógeno en los humedales es la nitrificación -
denitrificación; la toma por la planta es otra vía, pero se considera
que mientras no haya cosecha de plantas no hay remoción, no
obstante, hay autores que señalan que por esta vía solo se logra
alrededor del 10% de remoción,(Ver referencia 8).
El nitrógeno orgánico que entra al humedal generalmente lo hace en
forma de materia orgánica sólida, dicha materia orgánica sufre un
proceso de descomposición denominado amonificación, mediante el cual
el nitrógeno orgánico es transformado a amonio por una amplia variedad
de bacterias heterótrofas las cuales pueden encontrarse en condiciones
aerobias o anaerobias, el proceso es más lento bajo condiciones
anaerobias. Este amonio liberado, así como el que contiene las aguas
residuales puede encontrarse en dos formas relacionadas: como ion
amonio (NH4+) o como gas amoniaco disuelto (NH3), el balance entre
estas dos formas depende del pH y de la temperatura.
El proceso de nitrificación se efectúa en dos etapas y mediante dos
grupos de bacterias. La primera etapa es la oxidación del amonio a
nitrito, dicho proceso es llevado a cabo, fundamentalmente, por
bacterias del género Nitrosomonas, la oxidación posterior de nitrito a
nitrato la realiza las bacterias del género Nitrobacter. La nitrificación solo
ocurre bajo condiciones aerobias, pudiendo ocurrir a concentraciones de
oxígeno tan bajas como 0,3 mg/I,(Ver referencia 4)
19
Otros factores que son esenciales para que ocurra la nitrificación es que:
haya suficiente alcalinidad, una temperatura adecuada y una
concentración de materia orgánica por debajo de 20 mg / l, esto último
de debe a que es necesario que las bacterias heterótrofas no compitan
con las bacterias nitrificantes por el oxigeno. En los humedales se ha
comprobado que la nitrificación es limitada por la cantidad de oxígeno,
teóricamente se requieren 4,6 g de oxígeno para oxidar 1 g de amonio.
En el caso de los humedales construidos la cantidad de oxígeno
utilizable está directamente relacionado con la aireación atmosférica
para los humedales con flujo libre, y con la extensión en la penetración y
la eficiencia en la transferencia del oxígeno por las raíces de las plantas,
para el caso de los humedales con FS.
A pH bajos la desnitrificación se inhibe y todo el nitrógeno liberado lo
hará en forma de óxido nitroso, de aquí que el pH del agua residual en
los humedales deba mantenerse por encima de 6 para que el mayor
porcentaje de nitrógeno liberado sea en forma de gas de nitrógeno.
3.5.4. Remoción del Fósforo.- Los mecanismos principales para la
remoción del fósforo son: la adsorción, la formación de complejos, la
precipitación y la toma por las plantas. La remoción de fósforo
inorgánico a través de la asimilación por la planta es una vía rápida;
sin embargo, debido a que la cosecha de las plantas, no se realiza o
se hace cada cierto tiempo, ocurre que gran cantidad de plantas
mueran, lo que hace que gran parte del fósforo sea devuelto al agua
por lo que la remoción real es baja.
Por otra parte, la adsorción del fósforo a las partículas del suelo es un
proceso de remoción importante. La capacidad de adsorción depende de
la presencia de hierro, aluminio o calcio en el suelo, así como de la
presencia de minerales de arcilla o materia orgánica. Bajo condiciones
aerobias y pH entre neutro y ácido el Fe+3 se une al fosfato para formar
un complejo estable; sin embargo, si el suelo se vuelve anaerobio como
resultado de estar inundado, el Fe+3 se reducirá a Fe+2 lo cual conduce a
que la adsorción sea menos fuerte y se libere fosfato. La adsorción del
20
fosfato con el calcio ocurre solamente bajo condiciones entre neutras y
básicas; mientras que con el aluminio la adsorción sola ocurre a pH
neutros y ácidos. Además del carácter reversible del proceso de
adsorción del fósforo, el cual depende de las condiciones redox, hay que
señalar que la adsorción está también sujeta a la saturación,
considerándose que cada suelo tiene una capacidad de adsorción
limitada y luego de que estos sitios estén ocupados no ocurrirán nuevas
adsorciones.
3.5.5. Remoción de Metales.- Se considera que la remoción de metales
es semejante a la remoción del fósforo; sin embargo, poco se
conoce acerca de los mecanismos que ocurren. Entre los
mecanismos propuestas se incluyen la adsorción, sedimentación,
precipitación química y toma por las plantas. Al igual que lo que se
plantea para el caso del fósforo, los metales pueden liberarse
durante cierto periodo, los cuales se han asociado a cambios en los
potenciales redox dentro del sistema.
El estudio realizado sobre la descontaminación de aguas con base en la
Schocroplectus Totora (TOTORA) demuestra que este sistema de
tratamiento da buenos resultados en la purificación de aguas
contaminadas metales pesados,(Ver referencia 2)
3.5.6. Remociónde Patógenos.- Las bacterias patógenas y los virus son
removidos, fundamentalmente, por adsorción, sedimentación,
filtración y precipitación, debido a que las condiciones ambientales,
las cuales no son favorables para el patógeno lo que trae como
consecuencia su muerte. En el caso de los humedales con flujo libre,
las radiaciones ultravioletas también pueden provocar la muerte de
los patógenos.
Los humedales artificiales son en general, capaces de una reducción de
Coliformes fecales de entre uno a dos logaritmos con tiempos de
retención hidráulica de 3 a 7 días que en muchos casos no es suficiente
para satisfacer los requisitos de la descarga que a menudo especifican <
21
200 NMP/100 ml. Tiempos de retención superiores a 14 días serían
necesarios para lograr reducciones de 3 o 4 logaritmos.
En la instalación antes citada, que cuenta como medio con grava fina de
río los Coliformes fecales se han reducido de 8 x 104 NMP /100 ml a 10
NM/l00 ml de media.
En el Gráfico Nº 1 (Ver Anexos) “Rendimientos de Remoción típicos”, se
pueden ver los valores típicos de concentraciones de entrada y salida de un
sistema de humedales artificiales (Experiencia a escala piloto con un sistema
tipo SFS, cerca de Sidney, Australia). El análisis de la figura revela que los
sistemas de plantas emergentes sembradas sobre arena gruesa pudieron
reducir de forma significativa los SS, la DBO5, y el nitrógeno. La remoción de
fósforo es baja, lo cual es consistente con las experiencias de otros
investigadores con sistemas basados en piedra y arena.
3.6. Sistemas de Humedales Artificiales de Flujo Subsuperficial (FS).- Un
humedal artificial con flujo por debajo de la superficie y medio de grava o arena
se conoce como sistema de FS. La descripción del proceso, la remoción de los
componentes y los mecanismos de transformación, la expectativa del
desempeño y las consideraciones de diseño, se presentan y analizaran a
continuación:
3.6.1. Descripción del proceso.- Los sistemas de FS tienen la ventaja de
que necesitan áreas de tierra menores y evitan los problemas de olores y
mosquitos, en comparación con los sistemas de flujo libre. Las desventajas
de los sistemas de FS son el incremento del costo debido al medio de
grava y la obstrucción potencial del medio. El tratamiento preliminar
necesario para los sistemas de este tipo de humedales consiste en
tratamiento primario.
3.6.2. Localización.- Los humedales de FS ocupan menos espacio que
los humedales de flujo libre y generalmente tienen pendientes de 0 a 0.5%.
Si los suelos son permeables, puede ser necesario instalar un
recubrimiento por debajo del lecho del medio.
22
3.6.3. Recubrimientos.- Un humedal artificial puede necesitar un
recubrimiento que selle tanto el fondo como los lados y que, por
tanto, prevenga o reduzca la infiltración. Dependiendo del lugar
seleccionado, del tipo de suelo, de la profundidad y calidad de las
aguas subterráneas, del nivel de tratamiento preliminar y ciertas
consideraciones de regulación, puede ser necesario un
recubrimiento natural o sintético. La bentonita es un recubrimiento
común de barro; los recubrimientos sintéticos de geomembrana
también se encuentran disponibles, (Ver referencia 9).
3.6.4. Tipos de vegetación.- La vegetación en los sistemas de FS es
similar a la de los humedales de flujo libre y tiende a estar
compuesta por juncos o carrizos y, en algunos casos, eneas. El
propósito de la vegetación esproveer oxígeno a la zona radicular y
aumentar el área superficial para el crecimiento biológico en lazona
de las raíces. El transporte real de oxígeno hacia la zona radicular y
luego a la columna de agua eslimitado, (Ver referencia 6)
Las raíces también liberan sustancias orgánicas a medida que se
degradan, lo cualsostiene la denitrificación. La parte de la vegetación
ubicada por encima del suelo no es de gran utilidad,salvo porque allí hay
toma de nutrientes y crecimiento vegetal.
3.6.5. Medio del lecho.- El medio quese utiliza en los humedales de FS es
con frecuencia grava. El tamaño de la grava oscilaentre 0.12” y 1.25”
(3 a 32 mm), y en la zona de la entrada es de 2” (50 mm), la zona de
entrada debe tener un medio con el diámetro más grande para
disminuir el potencial de obstrucción. En Sydney, Australia, el medio
en la zona de entre 1.2 y 1.6 pulgadas (30 a 40 mm) de diámetro,
mientras que el resto del medio del lecho 0.2 a 0.4 pulgadas (5 a 10
mm). En la Tabla Nº 03: se presentan medios característicos para
los humedales FS.
3.6.6. Mecanismos de remoción y transformación de losconstituyentes.- Tal como ocurre con los humedales de flujo libre,
se puede esperar que los humedales de FS produzcan un efluente
23
de alta calidad en términos de DBO5, SST y organismos patógeno.
Los mecanismos principales de remoción son la conversión
biológica, la filtración física y la sedimentación y la precipitación
química y la adsorción. La remoción depende del tiempo de
retención, las características del medio, las tasas de la carga y las
prácticas de manejo.
3.6.7. Desempeño del proceso.- Lasexpectativas del desempeño del
proceso en los humedales artificiales de FS se consideran en el
siguiente análisis. Así como con los sistemas FL, el desempeño del
proceso depende de los criterios de diseño, así como de las
características del agua residual y de la operación.
3.6.7.1. Remoción de DBO5.- Esta parece ser más rápida y de cierta
manera más confiable en los humedales de FS que en los sistemas
de flujo libre, en parte porque las plantas en descomposición no se
encuentran en la columna de agua, y, por consiguiente, producen
menos materia orgánica en el efluente final. La remoción de DBO se
logra de forma biológica y física, principalmente bajo condiciones
anaerobias y depende del tiempo de retención y la temperatura,
3.6.7.2. Remociónde SST.- Los humedales de FS son eficientes en la
remoción de sólidos, con niveles usuales de SST en el efluente que
se encuentran por debajo de 10 mg/L.
3.6.7.3. Remoción de Nitrógeno.- Aunque el sistema FS en Santee era
capaz de retirar 86% del nitrógeno delefluente primario, otros
sistemas han reportado remociones de 20 a 70%. Cuando los
tiempos de retención superan 6 a 7 d, se puede esperar una
concentración de nitrógeno total en el efluente de 10 mg/L,
suponiendo que la concentración de nitrógeno en el efluente es de 20
a 25 mg/L. Si el agua residual aplicada se nitrificó (usando aireación
extendida, riego superficial y recirculación en filtros de arena), la
remoción de los nitratos por medio de la denitrificación se puede
lograr con tiempos de retención de 2 a 4 d.
24
3.6.7.4. Remoción de Fósforo.- La remoción de fósforo en los humedales
de FS es muy poco efectiva debido al contacto limitado entre los
lugares de adsorción y el agua residual que se aplica. Dependiendo
de la tasa de carga, del tiempo de retención y de las características
del medio, las remociones pueden variar entre 10 y 40% para
concentraciones de fósforo a la entrada entre 7 y 10 mg/L. La
asimilación por parte de las plantas es en general de menos de 10%
(aproximadamente 0.5 lb/ac.d) (0.55 kg/ha-d).
3.6.7.5. Remoción de Metales.- Los datos sobre la remoción de metales de
las aguas residuales municipales en humedales de FS son limitados.
En los sistemas de drenaje de minas ácidas es significativa la
remoción de hierro y manganeso. Se ha mostrado que el hierro total
se ha reducido de 14.3 a 0.8 mg/L y el manganeso total de 4.8 a 1.1
mg/L, (BRIX, H. & SCHIERUP H.H. The use of aquaticmacrophytes
in water-pollution control. Ambio,1989). En Santee, California,
remoción de cobre, zinc y cadmio fue de 99, 97 y 99 %,
respectivamente durante tiempos de retención 5.5-d, (Gersberg et al,
1989).
3.6.7.6. Remoción de Organismos Patógenos.- En Santee, California, se
encontró una remoción 99% (reducción de 2 unidades logarítmicas)
de coliformes totales cuando se aplicó un efluente primario a 2 pulg/d
(tiempo de retención de 6 d), (Gersberg et al., 1989).
25
3.7. Cumplimiento de la Hipótesis
HIPOTESISVARIABLES DEFINICION CONCEPTUAL
H
La aplicación de
humedales artificiales
de tipo sub superficial
en el tratamiento de los
efluentes de la granja
porcina permitirá
obtener aguas de tipo
III”.
I
Humedales
artificiales.
Son sistemas artificiales que
imitan el comportamiento de
un pantano o humedal natural,
cuentan con vegetación que le
proporcionan un micro entorno
ideal para la sedimentación,
filtración, adsorción y
descomposición bacteriana de
los componentes de las aguas
residuales.
Daguas de clase III
Concentración o grado de
elemento, sustancia o
parámetros físicos, químicos y
biológicos, que caracterizan
al efluente o emisión tratada.
Normas LegalesTipo de agua que se obtenga después del proceso deberá estará enmarcado
dentro de la normatividad vigente, en nuestro país, las normas al respecto son:
Constitución Política del Perú
Ley General de Aguas (D.L. 17752), D.S. 261-69-A
Código del Medio Ambiente y de los Recursos Naturales. D.L. 613.
Código Sanitario. D.L. 1705
26
CAPITULO 4.0
MATERIALES Y METODOS.
El universo esta conformado por los efluentes generados por la granja porcina
Redentores Mater y Juan Pablo II de ventanilla, siendo el tipo de investigación:
experimental.
Los principales materiales, lo constituyen los envases en que se tomaran las
muestras, los que deben ser herméticos y de vidrio, así como también el
correcto almacenamiento de estas las que deberán ser en cooler, con la
finalidad de controlar la temperatura.
El material estará conformado por 12 unidades de botellas de polietileno de
1,000 mL, 6 botellas de vidrio de color ámbar de 1,000 mL y 3 frascos
esmerilado Wykler de 300 mL.
Las técnicas de recopilación de datos se pueden concentrar en los siguientes:
Muestreo en función de los parámetros que se midan, conservación,
etiquetado, embalaje y transporte. Debido a las características de los efluentes
se tomaran muestras de 1 a 2 litros para la realización del examen simple y
0.25 a 1 litro para el análisis bacteriológico.
Estos mecanismos deben hacerse siguiendo los criterios para recolección
preservación y almacenamiento, (Ver cuadro Nº 4) así como también utilizar la
metodología y equipos para monitoreo de Efluentes líquidos (Ver cuadro Nº 5).
El sistema a utilizarse es:
i Caracterización de los efluentes desde el punto de vista Químico, Físico
Químico y Bacteriológico;
ii Aforo de efluentes producidos;
iii Humedales Artificiales;
iv Control de Calidad de los Efluentes;
v Clasificación de las Aguas;
27
vi Diagnostico de Línea Base Climatológica de la Región;
vii Pruebas a Nivel de modelo Piloto.
Para el manejo de la información obtenida tratándose de una cantidad de
información, no muy extensa, se utilizo el programa Excel de Microsoft
Windows, el cual permite programaciones simples, pero a la vez, muy
objetivas.
4.1. Metodología Para Determinar el DBO5
La determinación se efectúa valorando el contenido de O2 de una
muestra dada y el que queda después de 5 días en otra muestra
semejante, conservada en frasco cerrado fuera del contacto del aire, a
20 ºC y en la oscuridad.
4.1.1. Método De Dilución
Este método se utiliza cuando el tenor inicial en O2, limitado por su
solubilidad en el agua, sea menor de 9.17 mg/1 a 20° C. Esto significa
que será imposible de medir los consumos de oxígeno que exceden de
este valor sin pasar por una dilución previa, de ahí el nombre "Por
dilución".
El agua a analizar debe sufrir diferentes tratamientos antes de
determinar la DBO5:
1. Neutralización del pH (medio vecino a la neutralidad 6,5 a 8). Su pH,
como el contenido en sales minerales, debe ser el óptimo para el
desarrollo biológico.
2. Destrucción de organismos nitrificadores (se realiza por esterilización
en medio acido. El agua a analizar se acidifica a pH 2-3 con H2SO4
concentrado y se deja 15 minutos, al cabo de los cuales se neutraliza
con NaOH.
3. Cuerpos tóxicos (precipitación, decantación, etc., de cianuros, cromo,
etc.)
28
4. Cuerpos reductores inorgánicos (H2S, SO2). A veces hay que
eliminarlos como las sustancias toxicas por dar una demanda
elevada inmediata de O2 disuelto.
Si el grado de contaminación es muy grande, el consumo de O2 será
superior a la máxima capacidad de saturación, que como hemos dicho
es de 9,17 mg/l, de modo que es necesario efectuar diluciones, que
pueden ser variables, y que según el "Standard Methods" aconseja:
- Líquidos residuales industriales conc.: 0,1 - 1 %
- Líquido cloacal "bruto" o sedimentado: 1 - 5 %
- Efluentes oxidados: 5 - 25%
- Aguas de ríos contaminadas: 25 - 100%
La naturaleza compleja y variable de estos líquidos, impide aplicar en
forma estricta los valores anteriores. Cuando se carece de experiencia o
se trabaja con muestras desconocidas, el método más seguro consiste
en efectuar varias diluciones que cubran una amplia escala de valores
de DBO5. Se cree que se obtienen mejores resultados efectuando
previamente una DQO, para orientarse dentro de qué valor oscila el
contenido de materia orgánica.
El agua de dilución debe contener las siguientes características.
- Su DBO5 no debe ser mayor de 0,2 mg/l.
- Su OD debe ser a saturación (teóricamente 9,17 mg/l.) prácticamente
entre 8 y 9 mg/l.
- Su Temperatura, aproximadamente 20° C.
- No debe contener nitritos, ni hierro, ni cobre, ni otras sustancias que
inhiban el crecimiento biológico, como cloro, por ej.
- Su PH, como el contenido en sales minerales, debe ser el óptimo
para el desarrollo biológico.
Se prepara a partir de agua bidestilada sobre vidrio, saturándola de
oxígeno y haciendo burbujear en su interior una corriente de aire
purificada. Se conserva a 20° C en la estufa de aire, practicándose
29
la determinación del OD antes de usarla, y se le agregan, recién, los
elementos nutritivos, agitando suavemente y evitando su aireación.
4.1.2. Realización Del Método:
El primer paso consiste en hacer la DQO y algunos análisis previos para
verla necesidad o no, de algún tratamiento. Las determinaciones se
hacen sobre muestra decantada y, a veces, homogeneizada.
Los pasos siguientes son:
1. Introducir en un frasco o probeta la cantidad de muestra a
analizar y completar con agua de dilución al volumen
correspondiente.
2. Homogeneizar la muestra.
3. Llenar dos (2) frascos de DBO por cada dilución y cerrar,
cuidando de que no quede ninguna burbuja de aire.
4. Determinar el oxigeno disuelto de uno de los frascos de
cada dilución.
5. Incubar el otro a 20 ºC en la oscuridad durante 5 días, al
cabo de los cuales se valora el O2 disuelto.
4.1.3. Cálculos:
DBO (mg/l. O2) = F. (A - B)
F. = Factor de dilución
A.= mg/l. O2 de la muestra diluida antes de la incubación
B.= mg/l. O2 de la muestra diluida después de la
incubación
muestra
total
V
VF
Se toma como resultado más satisfactorio, aquella dilución
en la que se cumpla:
2
ABA
30
4.2.Análisis de DQO
El método utilizado fue el Volumétrico Reflujo Abierto, el cual es
un método de laboratorio
4.3. SÓLIDOS SEDIMENTABLESSe utilizo Vol. Como inhoff, mediante Cono Inhoff.
4.4. ANÁLISIS DE GRASAS Y ACEITESSe realizo mediante el método gravimétrico-Extracción utilizando
peras extractivas:
4.5. REPORTE DE LOS RESULTADOS:
En base a los índices determinados (refracción de yodo y
saponificación) consulte en la tabla de constantes físicas y
químicas de grasa y aceites señale una lista de aceite cuyas
constantes coincidan con los valores determinados por usted.
4.6. Pre Tratamiento del Efluente.La metodología seguida para efectuar el pre tratamiento se
puede dividiren las siguientes etapas:
El efluente es recogido en la explotación y almacenado en una fosa
séptica.
Mediante una bomba se extrae el efluente bruto y se hace pasar por un
separador de sólidos. La parte sólida una vez separada se deja secar al sol
para su posterior uso como abono. La fase líquida pasa a un depósito de
unos 10 m3. Dicho depósito dispone de unos discos de aireación que
fomenta la floculación de las partículas que han quedado en suspensión.
Pasados 3 días, se trasvasa el contenido de ese depósito a otro
colindante. En dicho depósito se produce la sedimentación de las
partículas sólidas que aún quedan en el efluente. Todas las partículas
sólidas sedimentadas de este depósito son retiradas y se acumulan
junto a la fase sólida inicial, por retorno o mediante una bomba y
31
posterior limpieza del depósito, siendo utilizadas posteriormentecomo
abono.
Una vez pasados otros 4 días, se pone en marcha una bomba y la fase
líquida del efluente del 2º depósito se emplea para el llenado del humedal
artificial subsuperficial piloto.
4.7. Calculo del Diseño de Humedal Artificial Piloto
Los sistemas de humedales artificiales pueden ser considerados como
reactores biológicos, y su rendimiento puede ser estimado mediante
una cinética de primer orden de flujo a pistón para la remoción de DBO
y nitrógeno. La siguiente es la ecuación básica de los reactores de flujo
a pistón:
(1) donde:
Ce: Concentración del contaminante en el efluente, mg/l
Co: Concentración del contaminante en el afluente, mg/l
KT: Constante de reacción de primer orden dependiente de la temperatura, d-1
t: tiempo de retención hidráulica, d
Este tiempo de retención hidráulica en el humedal puede ser calculado con la
siguiente expresión:
(2) donde:
L: Largo de la celda del humedal, m
W: Ancho de la celda del humedal, m
y: Profundidad de la celda del humedal, m
n: porosidad, o espacio disponible para el flujo del agua a través del humedal.
La vegetación y los residuos ocupan algún espacio en los humedales tipo
FWS, y el medio, raíces y otros sólidos hacen lo mismo en los del tipo SFS. La
porosidad es un porcentaje expresado como decimal.
Q: Caudal medio a través del humedal, m3/d
32
(3) donde:
Qe: Caudal de salida, m3/d
Qo: Caudal de entrada, m3/d
Puede ser necesario calcular el caudal medio mediante la anterior expresión,
para compensar las pérdidas o ganancias de agua causadas por filtración o
precipitaciones a lo largo del flujo del agua residual a través del humedal.. Es
usualmente razonable para un diseño suponer que los caudales de entrada y
salida son iguales.
Es entonces posible determinar el área superficial del humedal combinando las
ecuaciones (1) y (2):
(4) donde:
As: área superficial del humedal, m2
El valor de KT para las ecuaciones (1) y (4)
Depende del contaminante que se quiere eliminar y de la temperatura;
4.8. Diseño hidráulico
La ecuación de Manning también asume flujo turbulento, lo que no es
completamente válido pero es una aproximación aceptable.
(5)
donde:
v: velocidad de flujo, m/s
n: coeficiente de Manning, s/m1/3
y: profundidad del agua en el humedal, m
s: gradiente hidráulico, o pendiente de la superficie del agua, m/m
33
Para los humedales, el número de Manning (n) es función de la profundidad del agua
debido a la resistencia impuesta por la vegetación emergente. La resistencia también
depende de la densidad de la vegetación y de la capa de residuos que puede variar
según la localización o la estación. La relación está definida por:
(6)
Debido a la resistencia impuesta por la vegetación emergente. La resistencia también
depende de la densidad de la vegetación y de la capa de residuos que puede variar
según la localización o la estación. La relación está definida por:
(6)
donde:
v: velocidad de flujo, m/s
n: coeficiente de Manning, s/m1/3
y: profundidad del agua en el humedal, m
s: gradiente hidráulico, o pendiente de la superficie del agua, m/m
Para los humedales, el número de Manning (n) es función de la profundidad del
agua debido a la resistencia impuesta por la vegetación emergente. La
resistencia también depende de la densidad de la vegetación y de la capa de
residuos que puede variar según la localización o la estación. La relación está
definida por:
34
(6)
donde:
a: factor de resistencia,
0.4 para vegetación escasa y y>0.4 m
1.6 para vegetación moderadamente densa con profundidades de agua
residual de y= 0.3 m, 6.4 para vegetación muy densa y capa de residuos,
en humedales con y ≤0.3 m
En muchas situaciones, con vegetación emergente típica, es aceptable asumir
para propósitos de diseño valores de a entre 1 y 4. Sustituyendo la ecuación
(6) en la ecuación (5) tenemos.
(7)
Sustituyendo y reorganizando términos es posible llegar a una ecuación para
determinar la longitud máxima de una celda de humedal.
donde:
Q: Caudal, m3/d
W: Ancho de la celda de humedal, m
As: área superficial de la celda de humedal, m2
L: Longitud de la celda de humedal, m
m: pendiente del fondo del lecho, % expresado como decimal
substituyendo en la ecuación (7) y reordenando obtenemos:
35
(8)
El área superficial del humedal (As) se determina primero mediante el modelo
de diseño de remoción del contaminante limitante. La ecuación (8) permite el
cálculo directo de la longitud máxima aceptable de una celda de humedal
compatible con el gradiente hidráulico seleccionado
4.9 Humedales de flujo subsuperficial
La ley de Darcy, que esta definida en la ecuación (9), describe el régimen de
flujo en un medio poroso que es lo generalmente aceptado para el diseño de
humedales tipo SFS usando suelo y arena como medio del lecho
y dado que:
Entonces en la ecuación (9):
donde:
Q: Caudal promedio a través del humedal, m3/d [(Qo+Qe)/2]
ks: Conductividad hidráulica de una unidad de área del humedal perpendicular
a la dirección de flujo, m3/m2/d.
Ac: área de la sección transversal perpendicular al flujo, m2
s: Gradiente hidráulico o "pendiente" de la superficie del agua en el sistema.
m/m
v: Velocidad de "Darcy", la velocidad aparente de flujo a través de la totalidad
36
del área de la sección transversal del lecho, m/d
Sustituyendo y reorganizando los términos es posible desarrollar
una ecuación que determine de manera aceptable el ancho mínimo de una
celda de humedal SFS que sea compatible con el gradiente hidráulico
seleccionado para el diseño, partiendo de:
donde:
W: Ancho de una celda del humedal, m
As: área superficial del humedal, m2
L: Longitud de la celda de humedal, m
m: pendiente del fondo del lecho, % expresado como decimal.
y: profundidad del agua en el humedal, m
(10)
El área superficial del humedal(As) se determina en primer lugar, usando el
modelo de diseño limitante para remoción de contaminantes. La ecuación (10)
permite calcular directamente el ancho mínimo absoluto aceptable de una
celda de humedal compatible con el gradiente hidráulico seleccionado.
4.10. Aspectos térmicos
37
Las condiciones de temperatura en el humedal afectan tanto a las actividades físicas
como a las biológicas en el sistema. Condiciones de bajas temperaturas sostenidas y
la resultante formación de hielo, podrían conllevar en caso extremo, a la falla física del
humedal. Es conocido que las reacciones biológicas responsables de la remoción de
DBO, nitrificación y desnitrificación también dependen de la temperatura
La energía ganada por el flujo del agua a través del humedal viene dada por:
(13)
donde:
qG: Energía ganada por el agua, J/º C
cp: capacidad de calor especifico del agua, J/kg* º C
: densidad del agua, kg/m3
As: área superficial del humedal, m2
y: profundidad del agua en el humedal, m
n: porosidad del humedal (p.e. espacio disponible para el flujo del agua, el resto esta
ocupado por el medio(ver Tabla 4 para valores típicos))
El calor perdido por el humedal SFS entero puede ser definido por la ecuación (14):
(14)
donde:
qL: Energía perdida vía conducción a la atmósfera, J
T0: Temperatura del agua que entra al humedal, º C
Ta: Temperatura promedio del aire durante el periodo considerado.
U: Coeficiente de transferencia de calor a la superficie del lecho del humedal, W/m2
: Factor de conversión, 86.400 s/d
As: área superficial del humedal, m2
t: tiempo de residencia hidráulica en el humedal, d
38
CAPITULO 5.0RESULTADOS
5.1.Efluente antes del tratamiento
5.1.1. Caracterización.- En función de los protocolos de análisis, mostrado
líneas arriba, se procedió a la caracterización de los efluentes en julio, agosto y
setiembre del 2011, encontrándose los siguientes resultados:
Parámetros Concentración
pH 7,5 – 8,2
DBO5 340 mg/L
DQO 23 000 mg/L
Aceites y grasas 25,30 mg/L
Sólidos
sedimentables
293 mg/L
Los resultados después del pre tratamiento son:
Parámetros Concentración
pH 7,5 – 8,2
DBO5 76 mg/L
DQO 222,54 mg/L
Aceites y grasas 18,40 mg/L
39
Solidos
sedimentables
23 mg/L
Temperatura 22 °C
5.1.2. Caracterización del efluente después del tratamiento a través delhumedalartificial de flujo subsuperficial piloto.Con la finalidad de encontrar los díasóptimos de permanencia del flujo de agua
en lo humedales, se confecciona el presente cuadro, basado en los análisis
diarios que se practicaron, lo que dará lugar a los gráficos que pueden verse
en los anexos.
TABLA
Días
Parámetros 1 2 3 4 5 6 7 8
pH 8.2 8 7.5 7.8 7.2 6.57 7.6 7.8
DBO5 (mg/L) 76 68 54 30 18 14 14 15
DQO (mg/L) 222.54 200 140 80 45 36 32 35
Aceites ygrasas (mg/L)
18.4 16 14 14 11 8 8.2 8.2
Solidossedimentables(mg/L)
23 21 18 10 8 6 7 6.5
Fuente: Propia
5.1.2.Por lo que haciendo un análisis de los cuadros llegamos a la conclusión
que los valores que presentan las aguas de tipo III, salientes son las que
figuran en el cuadro siguiente
Parámetros Concentración
pH 6,5 - 7
DBO5 14 mg/L
40
DQO 36 mg/L
Aceites y grasas 0,8 mg/L
Solidos sedimentables 6 mg/L
Temperatura 22 °C
CAPITULO 6.06.1. DISCUSIÓN
Se puede concluir que el método utilizado, humedales artificiales
subsuperficiales, para la obtención de aguas de tipo III, cumple con los
requisitos, para la remoción de agentes dañinos en el agua de la granja
porcina.
Se debe de tener en cuenta que los efluentes generados por la granja porcina,
no deben dejarse mucho tiempo sin tratar, esto daría lugar a la formación de
colonias de agentes insalubres, las que pondrían en peligro el trabajo de las
plantas.
El periodo de retención tiene la posibilidad de poder manejarse en función de la
carga que le pongamos, si bien en el presente trabajo se le dio 6.5 días, este
es un promedio, pudiendo variar hasta obtener las condiciones ideales.
Las pruebas de tratamiento con el humedal piloto validado, se realizaron
teniendo en cuenta los siguientes parámetros de control:
Caudal : 86 L/día
Periodo de retención : 6.5 d
Lecho del filtro : Piedra chancada de diámetro de 1/4”
Vegetales : Papiros
41
La DBO5 removida de los efluentes domésticos en el humedal piloto de FS,
alcanzo el 90.71%, (entre el rango: entrada 340 mg/L y salida 14 mg/L),
siempre para un residual por debajo de los límites de la clase III, (15 mg/L).
Los SST removida de los efluentes domésticos en el humedal piloto de FS,
alcanzo el 90.90 %, (entre el rango: entrada 293 mg/L y salida 6 mg/L), limite
ajustado para el diseño del humedal (10 mg/L), mientras el LMP de la clase III
se encuentra en el rango de 10 a 20 mg/L.
6.2. CONCLUSIÓN
Los resultados que se presentan, obtenidos en el humedal piloto, para un
tiempo de retención de 6.5 días, (6 días lo optimo y medio día para los servicios
de mantenimiento), indican que el sistema utilizando papiros sembrados sobre
piedra chancada, pueden reducir y que cumplen en un 100% con los
parámetros para agua de calidad III (Decreto Supremo N° 002-2008-MINAN),
para riego, se observa que el tratamiento es efectivo lo cual convalida la
hipótesis de que el tratamiento es efectivo.
42
CAPITULO 7.0
RECOMENDACIONES
La implementación de los humedales artificiales como sistema de tratamiento
de los efluentes de granjas porcinas y también de otros establecimientos que
estén vertiendo sus residuos o desechos orgánicos, sobre todo en áreas
consideradas reservas naturales, se considera viable y se recomienda para
utilizarse en cualquier granja que disponga de las condiciones necesarias y que
tenga el firme propósito de contaminar el medio que les rodea, si bien es lento,
cualquier método es mejor que causar daño al ambiente.
El área a utilizarse debe ser lo mas libre de obstáculos, siempre al aire libre y
con una buena iluminación del sol, con la finalidad de que la función biológica
de las plantas, puedan desarrollarse.
El mantenimiento permanente de las áreas en donde el contacto de los papiros
con el agua es constante, debe tener un flujo constante y no anegar el
humedal, la función biológica se produce, siempre que el contacto sea
permanente.
43
El pre tratamiento es indispensable, debido a que si le ponemos las aguas
crudas o directamente saliendo de la granja, llevaríamos al humedal a una
saturación inmediata, lo que se desea, es que las plantas actúen sobre los
fluidos y no sobre los sólidos sedimentables, por ejemplo.
La temperatura del agua se debe vigilar, con la finalidad de que se mantenga
sin variaciones bruscas en lo posible, dentro de los 20 a 25 °C, ya que si la
temperatura se eleva, la producción de gases de olor desagradable se eleva de
manera considerable, las plantas entonces ven su función disminuida, ya que
ellas utilizan todo lo que traen las aguas servidas de estas granjas y su función
disminuye ante la disminución de la concentración de estas, por lo que este
tipo de proceso, no es recomendable en lugares donde el cambio de
temperatura no es gradual.
Se recomienda utilizar en los humedales artificiales otros tipos de vegetales,
que se adapten al clima de la región, y cuya fibra se pueda aprovechar con el
fin de confección de artesanías o se pueda aprovechar este para otros usos.
44
CAPITULO 8.0
REFERENCIALES
1. (HERNANDEZ MUÑOZ, HERNANDEZ LEHMANN, Manual dé
Depuración Uralita, Madrid: Ed. Paraninfo S.A, Primeraedición, 1995.)
2. (WATSON, J. T., S. C. REED, R. H. KADLEC, R. L. KNIGHT, AND A.E.
WHITEHOUSE,Perfomance Expectations and Loading Rates for
Constructed Wetlands, in D.A., USA, ed. Hammer, Constructed
Wetlands for Wastewater Treatment), (BRIX, H. Wasterwater Treatment
in Constructed Wetlands: System Design, Removal Processes, and
Treatment Perfomance, in G.A. Moshiri, (ed.) Constructed Weatlands for
Water Quality Improvement: Lewis Publishers. Boca Raton, 1993).3. (Gersberg R. M. and Goldman C. R., 1983; Gersberg et al 1986;
Gersberg et al, 1989; Grearheart et al 1989.
4. (REED S.C, CRITES R.W, MIDDLEBROOKS, E.J, Natural systems for
waste management and treatment, USA: 2ª Ed, McGraw-Hill, 1995.).
5. (HAMMER, D.A.Creating Freshwater Wetlands, Boca Raton, FL. Lewis
Publishers, 1992)
6. (BRIX, H. Wasterwater Treatment in Constructed Wetlands: System
Design, Removal Processes, and Treatment Perfomance, in G.A.
Moshiri, (ed.) Constructed Weatlands for Water Quality Improvement:
Lewis Publishers. Boca Raton, 1993.).
45
7. (METCALF AND EDDY, Ingeniería de aguas residuales: Tratamiento,
vertido y reutilización, 3ª Ed, Mc Graw-Hill, 1995).8. (CRITES, AND TCHOBANOGLOUS; Sistema de Manejo de
Aguas Residuales; Ed. McGraw Hill, 2000), (REED S.C, CRITES R.W,
MIDDLEBROOKS, E.J, Natural systems for waste management and
treatment, USA: 2ª Ed, McGraw-Hill, 1995.).9. (KAYS, W. B., Construction of living for Reservoirs, Tanks, and
Pollution Control Faciliyies, Ney Cork: 2nd ed., Wilwy – Interscience,
1986.)10. Ing. Carmen Barreto Pío y Ing. Máximo Baca Neglia, “Diseño
de un Sistema de Tratamiento de Aguas Residuales del Pueblo Joven
Collique”, Noviembre del 2004
11. Ing. Máximo Baca Neglia, “Calidad de efluentes domésticos
tratados a través de Humedales Artificiales para su reutilización – San
Juan de Marcona del Distrito de Marcona”, noviembre del 2007”.
12. WEF /ASCE (Water Environment Federation / American
Society of Civil Engineers), Design of Municipal Waste Water Treatment
Plants, Vols, I, II, Brattleboro, Wt. Book Press 1992.
13. Castro de Esparza y León Suematsu, Guillermo, 1992,
Estudios Preliminares de la Remoción de Vibrio Cholerae en algunas
Lagunas de Estabilización de San Juan de Miraflores Lima - Perú
CEPIS.
14. Instituto Mexicano de Tecnología del Agua 1993. Memoria del
taller regional para la América sobre aspectos de salud, agricultura y
ambiente vinculados al uso del agua residual.
15. SALM H, SCHOENOPLECTUS Totora (TOTORA, para la
purificación de aguas contaminadas, ecología en Bolivia 1982.
16. METCALF & HEIDI, INC., Ingeniería de Aguas Residuales,
Tratamiento, Vertido y Reutilización, Volumen I, 3° Edición, Editorial
McGraw-Hill, España 1995.
17. Wastewater Stabilization Ponds, Principles of Planning&
Practice. WAO, 1987.
18. Lara, J. (1999), Depuración de aguas residuales urbanas
mediante humedales artificiales [tesis de maestría], Barcelona,
46
Universidad Politécnica de Cataluña, Máster en ingeniería y gestión
ambiental.
TABLAS
Y
47
GRAFICOS
ANEXOSCuadro Nro. 01 “Principales mecanismos de remoción y transformación de los
contaminantes en los humedales”
Fuente: (Brix H, 1993; Crites and Tchobanoglous, 1998)
Tabla Nro. 02
Constituyente Mecanismo de remociónSólidos suspendidos Sedimentación / Filtración
Materia orgánica biodegradable(DBO)
Sedimentación/ FiltraciónDegradación microbiana (aerobia, anaerobia yfacultativa)
Nitrógeno Amonificación seguida por la nitrificación-denitrificaciónbacteriana.Volatilización del Amonio. Toma por la planta
Fósforo Porción en el suelo (reacciones de adsorción – precipitación con el aluminio,hierro, calcio y minerales de la arcilla en el suelo),Toma por la planta
Metales pesados Sedimentación. Adsorción sobre la superficie de la planta y los detritos
Patógenos Sedimentación/ Filtración.Muerte natural.Radiaciones ultravioleta.Excreción de antibióticos por las raíces de las plantas.
Familia Nombre latino Nombrescomunes
más usuales
Temperatura, ° C Máximasalinidadtolerable,
ppt
Rangoefectivode pHDeseable Germinación de las
semillas
48
Fuente: (Brix H, 1993; Crites and Tchobanoglous, 1998)
Cuadro Nro. 03
Caracteristicas usuales del medio para los humedales de flujo subsuperficialTamaño Porosidad del ConductividadTipo de medio efectivo d10, mm efluente, æhidráulica, pie/d
Arena mediana 1 0.30 1640
Arena gruesa 2 0.32 3280
Arena pedregosa 8 0.35 16,400
Grava mediana 32 0.40 32,800
Grava gruesa 128 0.453 28,000
Nota: d10 es el diámetro de una partícula en una distribución de peso de partículas que es más pequeñasque todas, menos el 1 0% de las partículas.Fuente: (Brix H, 1993; Crites and Tchobanoglous, 1998)
Ciperáceas Carex sp.
Eleocharis sp.
Scirpuslacustris L.(*)
-
-
Junco delaguna
14-32
18-27
20 5-7.5
4-9
Gramíneas Glyceriafluitans (L.) R. Br.
Phragmites australis (Cav)
Trin. ex Steudel (*)
Hierba delmaná Carrizo
12-23 10-30 45 2-8
Iridáceas Iris pseudacorus L. Lirio amarillo,espadañafina
Juncáceas Juncos sp. Juncos 16-26 20 5-7.5
Tifáceas Thyphasp (*). Eneas,aneas,espadañas.
10-30 12-24 30 4-10
49
Gráfico Nro. 01
Fuente: (Brix H, 1993;Crites and Tchobanoglous, 1998)
Figura Nº 02 : “Procesos de depuración de los humedales artificiales”,
50
Fuente: (Brix H, 1993; Crites and Tchobanoglous, 1998)
Cuadro Nro. 04
Criterios para Recolección, Preservación y Almacenamiento
ParámetrosFísico- Químicos
Volumen Mínimo Recipiente PreservaciónTiempo de
almacenamiento
pH 100 mL P o V - Inmediato
Temperatura 25 mL P o V - Inmediato
DBO5 1000 mL P o V Refrigerar 48 hrs.
DQO 100 mL VolumenRefrigerar
28 díasH2SO4 , pH<2
Aceites y Grasas 500 mL V Refrigerar 28 días
SólidosSedimentables
100 mL P o V Refrigerar 2 – 7 días
Fuente: Protocolo de Monitoreo de Efluentes Líquidos* PP = Polietileno.* V= Vidrio
Cuadro Nro. 05
Principales métodos a seguir para cada objetivo:
Metodología y Equipos para Monitoreo de Efluentes Líquidos
51
Parámetros Norma EPAESTANDARMETHODS
APHAMétodos Equipos Unidades
PH 150.1 4500-H’ -B Electrométrico Potenciómetro ------------------
Temperatura 170.1 2550-B Termométrico Termómetro ºC
Aceites y Grasas 1664 5520-DGravimétrico -
ExtracciónPeras Extract. mg/L
SólidosSedimentables
160.5 2540-F Vol. Cono Inhoff Cono Inhoff mL/L/h
DBO5 405.1 5210-BDBO5 (5 días,
20°C)Incubadora mg DBO5/L
DQO 410.1 5220-BVolumétrico
Reflujo AbiertoLaboratorio mg DQO/l
Fuente: Resolución Ministerial 026-2000
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GRAFICO Nº6
FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA
54
GRAFICO Nº7
FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA
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GRAFICO Nº8
FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA
56
GRAFICO Nº9
FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA
57
GRAFICO Nº10
FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA
58
GRAFICO Nº11
Vista panorámica de los terrenos donde se desarrollará el proyecto
59
