Mecanismos de remoción y transformación de los constituyentes

La remoción de los contaminantes contenidos en aguas residuales se da por mecanismos de conversión biológica, filtración física y sedimentación, precipitación química y adsorción. Para obtener el agua tratada depende de varios factores como: el tiempo de remoción, las características del lugar, temperatura, las tasas de la carga y las prácticas de manejo.

Figura 25-1 Mecanismos de remoción en los humedales artificiales

Fuente: https://sites.google.com/site/humedalesartificiales/home

Realizado por: Martha Quindigalle 2015

 Materia en suspensión

La materia en suspensión se remueve por mecanismos físico que se genera en el humedal, el medio granular cumple la función de filtrar, la sedimentación ocurre por la baja velocidad de

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circulación del agua. La eliminación de materia en suspensión empieza en la zona de entrada del humedal y disminuye a lo largo del lecho, este proceso es similar en humedales de flujo vertical con la diferencia que el proceso ocurre en sentido vertical.

 Materia orgánica

Los procesos de filtración y sedimentación remueven una cierta cantidad de materia orgánica que se adhieren a los sólidos suspendidos. Sin embargo, lo que realmente remueve la materia orgánica son los microorganismos que se encuentran impregnados en las raíces y tallos de las plantas por biodegradación aeróbica o anaeróbica.

En los humedales artificiales la degradación aerobia ocurre cerca de la superficie del agua y en las raíces donde los microorganismos quimioheterótrofos oxidan los compuestos orgánicos y liberan amonio, en tanto que, los microorganismos quimioautótrofos oxidan el nitrógeno amoniacal a nitritos y a nitratos. Pero son los heterótrofos quienes remueven en mayor cantidad el compuesto orgánico ya que es la principal fuente de carbono para la síntesis de otras células, los autótrofos solo se nutren de dióxido de carbono como fuente de carbono pero ambos requieren de luz para una reacción química de oxidación y reducción. El total de oxígeno en el agua hace que la degradación de anaeróbica sea nula, la cual puede ser resumida en la siguiente ecuación:

𝑜𝑟𝑔á𝑛𝑖𝑐𝑜𝑠 → 𝑎𝑙𝑐𝑜ℎ𝑜𝑙, á𝑐𝑖𝑑𝑜𝑠 + 𝑛𝑢𝑒𝑣𝑎𝑠 𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠 → 𝐶𝐻4, 𝐻2𝑆, 𝑁𝐻3, 𝐻2, 𝑛𝑢𝑒𝑣𝑎𝑠 𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠

 Remoción de nitrógeno

La remoción de nitrógeno en los humedales artificiales se logra por medio de nitrificación y la denitrificación. La asimilación de éste por parte de las plantas solo explica el 10% de remoción.

La nitrificación y denitrificación son reacciones microbianas que dependen de la temperatura y del tiempo de retención. Los organismos nitrificantes requieren de oxígeno y una superficie adecuada para crecer y, por consiguiente, no se encuentran en cantidades suficientes en los sistemas muy cargados de materia orgánica (demanda bioquímica de oxigeno) o en sistemas recién construidos. Para la aeración se utilizan tubos ubicados justo debajo de la superficie que provee de oxígeno en cierto punto del flujo donde el DBO se ha reducido por debajo de 30 mg/L de manera que los organismos nitrificantes puedan utilizar tal oxígeno.

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El fósforo en aguas residuales se convierte por oxidación biológica en ortofosfatos y en menor cantidad los polifosfatos, y fósforo orgánico. Los principales mecanismos para la remoción de fósforo son: la absorción, la precipitación química, y la asimilación por parte de las plantas emergentes donde se eliminan en un 20 a 30 %.

Cuando existe un tiempo de retención prolongado y no hay descarga continua del agua residual el fósforo queda retenido en el suelo o en las raíces. Se puede apreciar una reducción cuantitativa de fósforo a medida que la planta envejece o muere liberando dicho elemento que no excederá de 1 a 3 mg/L.

 Remoción de organismos patógenos

Las fuentes de recursos hídricos de ríos son generalmente utilizados en riegos, ganaderías y otras actividades que implica el consumo directo de alimentos por parte de los seres humanos y animales, es por esta razón que las bacterias patógenas y virus deben ser removidas en cantidades significativas mayores de 1 y 2 unidades logarítmicas / 100 ml para evitar la contaminación y enfermedades en la población. Los métodos más usados para la remoción de organismos patógenos son por adsorción, tratamiento de desinfección, predación y muerte por exposición a los rayos UV de la luz solar y temperaturas poco favorables.

Las ecuaciones empleadas para el dimensionamiento de los distintos humedales artificiales en relación a la dirección del flujo se presentan en la siguiente tabla:

Tabla 10-1 Ecuaciones aplicadas para los humedales artificiales en relación a la dirección del flujo

Humedal artificial de flujo horizontal subsuperficial

Humedal artificial de flujo vertical subsuperficial

Constante de reacción de primer orden dependiente de la temperatura, (𝐾𝑇, 𝑑−1)

𝐾𝑇= 𝐾20∗ (ɸ)𝑇2−21

Para este tipo de diseño el caudal de aplicación del agua residual debe ser mayo al caudal de infiltración; el agua residual contiene material en suspensión y por tanto reduce la conductividad hidráulica, para estas condiciones se aplica las siguientes ecuaciones. Área superficial de humedal, (𝐴𝑆𝐻, 𝑚2)

𝐴𝑆𝐻=

𝑄𝑚𝑖𝑛.ℎ𝑜𝑟𝑎𝑟𝑖𝑜 𝑙𝑛𝐶_𝐶𝑂 𝐾𝑇∗ ℎ𝑝∗ 𝑛

Área de la sección transversal del lecho del humedal,

(𝐴𝑆𝑇, 𝑚2)

𝐴𝑆𝑇=

𝑄𝑚𝑖𝑛.ℎ𝑜𝑟𝑎𝑟𝑖𝑜 𝐾𝑆∗ 𝑆

Conductividad hidráulica para el tratamiento primario,

(𝐾𝑠𝑓, 𝑚/𝑠)

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Ancho del humedal artificial, (𝐹𝐻, 𝑚)

𝐹𝐻= √𝐴₂𝑆𝐻

Caudal de infiltración, (𝑄𝑖𝑛, 𝑚3/𝑠) 𝑄𝑖𝑛= 𝐴𝑆∗ 𝐾𝑠

Longitud del humedal artificial, (𝐿𝐻, 𝑚)

𝐿𝐻= 2𝐹𝐻

Tiempo de retención de humedal artificial, (𝑇𝐻𝑅, 𝑚)

𝑇𝐻𝑅=

𝐴𝑆𝐻∗ ℎ𝑝∗ 𝑛 𝑄𝑚𝑖𝑛.ℎ𝑜𝑟𝑎𝑟𝑖𝑜 Volumen del humedal artificial, (𝑉_𝐻, 𝑚3)

𝑉𝐻= 𝐿𝐻∗ 𝐹𝐻∗ ℎ

Carga de lodo en el humedal artificial

𝜌𝑙𝑜𝑑𝑜𝑠=𝑚_𝑉𝑙𝑜𝑑𝑜𝑠

𝑙𝑜𝑑𝑜𝑠

Fuente: (Serie Técnica, 2010)

Realizado por: Martha Quindigalle 2015