UNIVERSIDAD ANDINA
“NÉSTOR CÁCERES VELÁSQUEZ”
FACULTAD DE INGENIERÍAS Y CIENCIAS PURAS
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA SANITARIA
Y AMBIENTAL
TESIS:
“EFECTIVIDAD DEL TRATAMIENTO SECUNDARIO DE LA PLANTA DE
TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES PARA EL VERTIMIENTO DEL
EFLUENTE EN EL DISTRITO DE PALCA”
PRESENTADA POR:
Bach. FRIDS FLORES FLORES
PARA OPTAR EL TÍTULO P R OF E SI ON AL DE:
INGENIERO SANITARIO Y AMBIENTAL
JULIACA – PERÚ
2
UNIVERSIDAD ANDINA
NÉSTOR CÁCERES VELÁSQUEZ
FACULTAD DE INGENIERÍAS Y CIENCIAS PURAS
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA SANITARÍA Y AMBIENTAL
TESIS
“EFECTIVIDAD DEL TRATAMIENTO SECUNDARIO DE LA PLANTA DE
TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES PARA EL VERTIMIENTO DEL
EFLUENTE EN EL DISTRITO DE PALCA”
PRESENTADA POR:
Bach. Frids FLORES FLORES
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:
INGENIERO SANITARIO Y AMBIENTAL
APROBADO POR EL JURADO REVISOR CONFORMADO POR:
PRESIDENTE DEL JURADO
:
………..
Dr. Ing. Leonel SUASACA PELINCO
PRIMER MIEMBRO
:
………..
M.Sc. Ing. Néstor Eloy GONZALES SUCASAIRE
SEGUNDO MIEMBRO
:
………..
Ing. Javier Arturo BOJORQUEZ GANDARILLAS
ASESOR DE TESIS
:
………
3
DEDICATORIA
Como homenaje a mis padres Abraham y Alodia por su apoyo incondicional, para desarrollar este trabajo.
A mi país Perú por darme cobijo, desarrollarme libremente en mi formación profesional y luchar día a día para llevar hacia adelante el mejoramiento de la calidad de vida de la población urbana y rural.
4
AGRADECIMIENTO
A la Universidad Andina Néstor Cáceres Velásquez, al personal docente y administrativo de la Escuela Profesional de Ingeniería Sanitaria y Ambiental, por los conocimientos básicos brindados y apoyo constante en mi formación profesional.
Al Laboratorio B&C S.A.C., por su apoyo en los ensayos de caracterización de aguas residuales, para llevar adelante este presente trabajo.
Al Mg. Roger Oswaldo Poccohuanca Aguilar, por su apoyo como asesor de tesis, en el presente trabajo.
5
RESUMEN
En esta tesis se investiga si el humedal artificial de flujo sub superficial (SFS) es eficiente para el tratamiento de aguas residuales domesticas (ARD), se planteó un objetivo general que fue evaluar la eficiencia del sistema de tratamiento secundario de las aguas residuales domesticas en el distrito de Palca y como objetivos específicos de la investigación se planteó determinar la eficiencia en la remoción de materia orgánica en el humedal artificial de flujo SFS; determinar la eficiencia en la remoción de carga patogénica en el humedal artificial de flujo SFS.
Para lograr los objetivos del proyecto se desarrollaron trabajos de campo y gabinete, en la etapa de campo de determinaron los puntos de muestreo, asimismo el aforo el caudal del efluente, finalmente los análisis se realizaron en el laboratorio de ensayos químicos y microbiológicos B&C S.A.C. De la ciudad de Juliaca; se analizaron 11 muestras de agua. Para la cuantificación de la población de CT, se aplicó la técnica de tubos múltiples de fermentación (NMP); y el método de prueba de incubación de 5 días.
Con los resultados obtenidos, se determinó la constante de biodegradabilidad de la DBO a la temperatura (Kt) del agua y la tasa de mortalidad neta de coliformes fecales (Kb), a una altitud de 4000 msnm. Luego se calculó la eficiencia del humedal, aplicando el modelo de Marais- Shaw para CT y equilibrio continuo para DBO5. La capacidad de remoción
de CT fue de 3.2x106, evacuando efluentes con una cantidad en promedio
de 4.1x102 NMP/100 ml, siendo eficiente, pues se encuentra por debajo de
la cantidad promedio de <1x104 NMP/100 ml de los límites permisibles.
En tanto que la remoción de la DBO5 fue de 142 mg/l, evacuando efluentes
con una cantidad promedio de 22 mg/l, proceso eficiente en relación a los límites permisibles, que establece una concentración máxima de 100 mg/l de DBO5, en conclusión el humedal artificial de flujo sub superficial (SFS),
es eficiente en el tratamiento de aguas residuales con 98.53% de eficiencia en CT y 86.58% de eficiencia en DBO5.
6
ABSTRACT
This thesis investigates whether the sub-surface flow artificial wetland (SFS), In this thesis is investigated whether the artificial sub-surface flow wetland (SFS) is efficient for the treatment of domestic wastewater (ARD), a target was raised The evaluation of the efficiency of the secondary treatment system for domestic wastewater in the district of Palca was evaluated, and the specific objectives of the research were to determine the efficiency in the removal of organic matter in the artificial SFW flow wetland; determine the efficiency in pathogenic load removal in the artificial SFW flow wetland.
To achieve the objectives of the project, field and cabinet work were carried out, in the field stage the sampling points were determined, as well as the flow rate of the effluent, finally the analyzes were carried out in the laboratory of chemical and microbiological tests B & C S.A.C. From the city of Juliaca; 11 water samples were analyzed. For the quantification of the TC population, the multiple fermentation tube (NMP) technique was applied; and the 5-day incubation test method.
With the results obtained, the biodegradability constant of the BOD was determined at the temperature (Kt) of the water and the net death rate of fecal coliforms (Kb), at an altitude of 4000 masl. Then the wetland efficiency was calculated, applying the Marais-Shaw model for CT and continuous equilibrium for BOD5. The capacity of CT removal was 3.2x106, evacuating effluents with an average amount of 4.1x102 NMP / 100 ml, being efficient, since it is below the average amount of <1x104 NMP / 100 ml of the permissible limits.
While the removal of BOD5 was 142 mg / l, evacuating effluents with an average amount of 22 mg / l, efficient process in relation to the permissible limits, which establishes a maximum concentration of 100 mg / l of BOD5, in conclusion the sub-surface flow artificial wetland (SFS), is efficient in wastewater treatment with 98.53% CT efficiency and 86.58% efficiency in BOD5.
7
ÍNDICE
PORTADA ... i
CARATULA Y JURADOS ... ii
DEDICATORIA ... iii
AGRADECIMIENTOS ... iv
RESUMEN ... v
ABSTRACT ... vi
ÍNDICE ... vii
ÍNDICE DE TABLAS ... ix
ÍNDICE DE FIGURAS ... x
ÍNTRODUCCIÓN ... xi
CAPITULO I: EL PROBLEMA ... 12
1.1 Análisis de la situación problemática ... 12
1.2 Planteamiento del problema ... 13
1.3 Objetivo de la investigación ... 13
1.3.1 Objetivo general ... 13
1.3.2 Objetivos específicos ... 13
1.4 Justificacion del estudio ... 14
1.5 Variables ... 15
1.5.1 Variable independiente ... 15
1.5.2 Variable dependiente ... 15
1.5.3 Operacionalización de las variables ... 15
CAPITULO II: MARCO TEÓRICO ... 17
2.1 Antecedentes del estudio... 17
2.2 Bases teóricas ... 19
2.2.1 Tratamiento biológico ... 19
2.2.1.1 Proceso aerobio ... 24
2.2.1.2 Proceso anaerobio ... 25
2.2.2 Factores que influyen en el tratamiento ... 29
2.2.2.1 Altitud geográfica ... 29
2.2.2.2 Temperatura ... 33
2.2.3 Humedales artificiales ... 41
2.2.3.1 Componentes de un humedal ... 43
8
2.2.4 Mecanismos de remoción de contaminantes en humedales ... 55
2.2.4.1 Remoción de materia organica ... 56
2.2.4.2 Remoción de coliformes fecales ... 58
2.2.5 Importancia de la vegetación para el tratamiento de AR ... 59
2.2.5.1 La fitorremediación ... 60
2.2.6 La ley de los Recursos Hidricos Ley N° 29338 ... 60
2.2.7 Estándares Nacionales de Calidad Ambiental D°S° 002-2008-MINAM . 61 2.3 Marco Conceptual... 64
CAPITULO III: METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN ... 66
3.1 Tipo de investigación ... 66
3.2 Tecnicas e instrumentos ... 66
3.3 Procedimiento para la descripción de la PTAR ... 67
3.3.1 Tratamiento preliminar ... 68
3.3.2 Tratamiento primario ... 69
3.3.3 Tratamiento secundario ... 71
3.4 Técnicas para la toma de muestras ... 72
3.5 Método para determinar el caudal de descarga ... 75
3.6 Modelo para determinar la eficiencia en el humedal ... 76
3.6.1 Modelo en equilibrio para remoción de materia organica ... 76
3.6.2 Modelo de Marais-Shaw para reducción de coliformes ... 76
3.6.3 Determinación de la eficiencia en el humedal ... 77
3.7 Población y muestra ... 77
3.8 Matriz de consistencia ... 79
CAPITULO IV: ANÁLISIS Y CÁLCULOS ... 80
4.1 Evaluación del humedal artificial (SFS) ... 80
4.1.1 Tiempo de retención hidraulica ... 80
4.1.2 Constante de biodegradabilidad de la DBO a 20°C ... 81
4.1.3 Constante de biodegradabilidad de la DBO a T° del agua ... 81
4.1.4 Eficiencia de las unidades de la PTAR ... 81
4.2 Verificación de la calidad del efluente final ... 83
CAPITULO V: RESULTADOS Y DISCUSIONES ... 85
5.1 Resultados de la caracterizacion de ARD ... 85
5.2 Conclusiones ... 90
5.3 Recomendaciones ... 91
5.4 Referencias bibliográficas ... 92
9
INDICE DE FIGURAS
Figura 1: Descomposición microbial de la materia organica... 19
Figura 2: Ciclo del carbon en la naturaleza ... 20
Figura 3: Ciclo natural del nitrogeno ... 21
Figura 4: Asimilacion y utilizacion de energia en el metabolismo ... 22
Figura 5: Liberacion y utilizacion de energia en el metabolismo ... 23
Figura 6: Patron de crecimiento clasico ... 24
Figura 7: Indice de crecimiento de la biomasa vs temperatura ... 34
Figura 8: Determinacion de la energia de activación ... 38
Figura 9: Remoción de materia organica en funcion del tiempo ... 40
Figura 10: Macrofitas utilizadas en humedales artificiales ... 48
Figura 11: Tipos de humedales artificiales ... 50
Figura 12: Humedal artificial de flujo superficial ... 52
Figura 13: Macrofitas utilizadas en humedales artificiales ... 52
Figura 14: Humedal artificial de flujo sub superficial ... 55
Figura 15: Representacion grafica de los procesos de depuración ... 56
Figura 16: Modelo de las interacciones del suelo, planta y microorganismos ... 58
Figura 17: Procedimiento para la descripción de la PTAR ... 67
Figura 18: Esquema de la PTAR del distrito de Palca ... 68
Figura 19: Trampa de grasa ... 69
Figura 20: Sedimentador planta y corte longitudinal ... 70
Figura 21: Lecho de secado de lodos ... 71
Figura 22: Corte B-B humedal artificial (SFS) ... 72
Figura 23: Sección longitudinal del humedal artificial ... 72
Figura 24: Dirección del flujo en el humedal ... 72
Figura 25: Ubicación de los puntos de muestreo ... 73
Figura 26: Diagrama de balance de masas ... 83
Figura 27: Remoción de materia organica (DBO) ... 87
10
INDICE DE TABLAS
Tabla 1: Comparacion del proceso aerobio y anaerobio ... 26
Tabla 2: Ventajas y desventajas del proceso anaerobio ... 27
Tabla 3: Ventajas y desventajas del proceso aerobio ... 27
Tabla 4: Condiciones optimas para el proceso anaerobio ... 28
Tabla 5: Contaminantes de importancia en aguas residuales ... 28
Tabla 6: Valores de presion de vapor de agua ... 30
Tabla 7: Valores de saturacion de oxigeno saturado ... 31
Tabla 8: Presion barometrica vs altitud ... 33
Tabla 9: Microorganismos presentes en el agua residual domestica ... 36
Tabla 10: Caracteristicas del medio filtrante ... 39
Tabla 11: Caracteristicas de la grava canto rodado ... 40
Tabla 12: Materiales comunmente utilizados en humedales ... 45
Tabla 13: Caracteristicas de las especies vegetales ... 46
Tabla 14: Caracteristicas de coliformes totales y E. coli ... 49
Tabla 15: Principales diferencias entre humedales FS y SFS ... 51
Tabla 16: Porcentajes de remoción en humedales ... 55
Tabla 17: Resumen de los principales mecanismos de remoción ... 59
Tabla 18: Coordenadas UTM de los puntos de muestreo ... 74
Tabla 19: Estandares de la calidad del agua según MINAM ... 74
Tabla 20: Limites maximos permisibles según MINAM ... 74
Tabla N° 21: Aforo de caudal ... 75
Tabla 22: Caracteristicas de la muestra 1 ... 85
Tabla 23: Caracteristicas de la muestra 2 ... 85
11
INTRODUCCIÓN
La planta de tratamiento de aguas residuales (PTAR) se ubica en la localidad de Palca provincia de Lampa - Puno, la cual está diseñado para trabajar con un caudal de 1.13 l/s de agua cruda, actualmente la PTAR cuenta con las siguientes unidades; el tratamiento primario consta de un sedimentador primario de tipo rectangular, el tratamiento secundario cuenta con un humedal artificial de flujo sub superficial (SFS), la cual son sistemas muy eficientes que buscan una recuperación del recurso hídrico a través de tecnología que ha sido utilizada en países desarrollados, asimismo se pretende conocer si es eficiente en condiciones de nuestra región, a partir de las cuales las aguas son evacuadas al rio Palca que actúa como cuerpo receptor; aguas abajo estas son utilizadas para irrigación y bebida de animales.
Los humedales artificiales son un reservorio construido en un terreno con paredes y pisos impermeabilizados que contienen un sustrato (grava, arena) y una vegetación acuática adecuada que remueve los residuos o contaminantes que trae el efluente a tratar (materia orgánica, nutrientes y patógenos entre otros contaminantes).
El tiempo de retención hidráulica en el sistema es de 1.51 días, sin embargo, el humedal construido se mantiene saturado de agua permitiendo el crecimiento de la vegetación acuática. En este sistema, la remoción de contaminantes se efectúa a través de reacciones químicas, físicas y procesos biológicos. Son adecuados para el tratamiento de las aguas residuales en toda la cadena de su degradación, donde el sustrato y las plantas acuáticas funcionan como filtros biológicos removiendo sustancias biodegradables como no biodegradables, nutrientes y microorganismos patógenos asociados comúnmente a las aguas servidas domésticas.
12
CAPITULO I
EL PROBLEMA
1.1 Análisis de la situación problemática
En la actualidad es muy conocido el deterioro de la calidad del agua, lo que en un futuro no muy lejano conllevaría a un grave problema medioambiental y socioeconómico; el uso del agua potable para abastecimiento urbano e industrial, debe ir acompañado de una correcta depuración que permita su reutilización ya sea para el uso agrícola, de áreas verdes, aguas recreativas, o bien como elemento que no perturbe el equilibrio biológico de la zona de vertido y que evite la contaminación de acuíferos subterráneos y masas superficiales de agua (Huanca, 2014).
Sin embargo existen localidades en el interior de la región Puno que presentan ineficientes sistemas de tratamiento de aguas residuales ubicadas aproximadamente a los 3800 m.s.n.m., motivo por el cual se espera que el sistema de humedales artificiales (SFS) evaluado a una altitud de 4000 m.s.n.m. tenga una eficiencia significativa en el tratamiento de aguas residuales domesticas con efluentes que cumplan con los limites máximo permisibles D.S. 003-2010-MINAM, además de considerar este sistema de tratamiento de ARD como alternativa aplicable a la problemática de las aguas residuales en la región Puno.
13 1.2 Planteamiento del Problema
La falta de información de este sistema de humedales artificiales nos llevó a investigar la eficiencia de este sistema en condiciones geográficas de nuestra región, para así poder mejorar el problema de tratamiento de las aguas residuales de nuestra región de Puno.
A causa de la contaminación del agua, gran parte de las personas en vías de desarrollo sufren de enfermedades causadas directa o indirectamente por el consumo directo de agua contaminada o por organismos portadores de enfermedades que se reproducen en el agua.
1.2.1 Problema general
¿Cuál es la eficiencia del sistema de tratamiento secundario de aguas residuales domésticas en el distrito de Palca – 2017?
1.2.2 Problemas específicos
- ¿Cuál es la eficiencia en la remoción de materia orgánica en el humedal artificial de flujo SFS?
- ¿Cuál es la eficiencia en la remoción de carga patogénica en el humedal artificial de flujo SFS?
1.3 Objetivos de la investigación
1.3.1 Objetivo General
Evaluar la eficiencia del sistema de tratamiento secundario de las aguas residuales domésticas en el distrito de Palca – 2017.
1.3.2 Objetivos específicos
- Determinar la eficiencia en la remoción de materia orgánica en el humedal artificial de flujo SFS.
14 1.4 Justificación del estudio
En la región de Puno se carece de estudios a cierta altitud; se requiere saber si a altitudes de 4000 m.s.n.m. y factores condicionantes como; temperatura, presión atmosférica y oxígeno disuelto, cual es la eficiencia de una planta de tratamiento de aguas residuales, empleando un humedal artificial de flujo sub superficial (SFS) como tratamiento secundario, en tal sentido para que se pueda implementar y mejorar algunos procesos de este tipo de tecnología para el tratamiento de aguas residuales domesticas ARD.
Para la implementación de estos sistemas de tratamiento se requiere conocer la eficiencia de remoción de los contaminantes presentes en el agua residual; empleando los humedales artificiales de flujo sub superficial (SFS), en condiciones de altitudes por encima de los 4000 m.s.n.m. condiciones especiales, y algunas veces diferentes a lo descrito por la bibliografía, lo que indica que no se conoce la eficiencia de las diferentes tecnologías que se han implementado a la fecha.
Asimismo, como justificación técnica tendremos desarrollado esta investigación a las condiciones climáticas de nuestra región donde encontraremos características que influyen en la operación y el funcionamiento de los humedales artificiales de flujo sub superficial (SFS) y obtendremos nuevos parámetros de diseño, para decidir en función a la eficiencia de tratamiento de las aguas residuales.
15 1.5 Variables
1.5.1 Variable independiente
Tratamiento secundario de las aguas residuales (x), que depende de la temperatura del agua residual doméstica, altitud geográfica y caudal.
Los indicadores:
- Características fisicoquímicas del agua residual afluente - Características bacteriológicas del agua residual
1.5.2 Variable dependiente
- Características de los parámetros fisicoquímicos y bacteriológicas del efluente (y), que depende del tratamiento secundario
Los indicadores:
- Eficiencia del tratamiento secundario
- Comparación con los Límites Máximos Permisibles
Índices:
DBO5 (mg/l)
Coliformes termotolerantes (NMP/100ml)
Ph
Oxígeno disuelto (mg/l)
Temperatura (°C)
Conductividad eléctrica (μm/cm)
16
Variables Dimensión Indicador Equipos y
instrumentos Límites máximos permisibl es Variable Independiente Tratamiento secundario de aguas residuales Humedal artificial: Volumen
Tiempo de retención
Remoción de carga
patogénica.
Remoción de materia
orgánica.
Ion hidronico
Oxígeno
disuelto M3.
Días
(NMP/100ml)
(mg/l)
pH
mg/l
Técnica de los tubos múltiples Incubación de 5 días 10,000 100 6.5-8.5 Variable Dependiente Características de los parámetros fisicoquímicos y bacteriológicos del efluente Cumplimiento de Normatividad D.S. 003 – 2010- MINAM. Comparativo Comparat ivo Variable Condicionant e Condiciones del agua residual domestica Características del lugar -Altitud geográfico - Temperatura - Caudal m.s.n.m grados centígrados m3/día
GPS
Termómetro
vertedero
17
CAPITULO II
MARCO TEÓRICO
2.1 Antecedentes del estudio
Huanca (2014), reportó como resultado de su trabajo de investigación para la localidad de Lampa; acerca de tratamiento secundario con Wetland de flujo sub superficial (SFS); que ésta tiene efectos favorables en la calidad del agua residual doméstica en la región Puno; para el sistema la temperatura del agua fue de < 20°C. Reportó además una efectividad en la remoción del DBO5 de 71.3%, coliformes fecales de 90% y NTK de 45.2%.
Se afirma en un 95% de probabilidad que el efecto es positivo en la mejora de la calidad del agua residual doméstica con respecto al efluente. Porque antes de la aplicación el valor de la DBO5 era de 188mg/l, NTK de
82.4mg/L, coliformes termotolerantes de 5.4x106 NMP/100ml, la eficiencia
de tratamiento de 25%, y después de la aplicación la DBO5 remanente del
efluente fue de 30.02mg/l, NTK de 38mg/l, coliformes termotolerantes de 353 NMP/100ml, la eficiencia de tratamiento a 71.3%.
Chuchón y Aybar (2005), entre los meses de marzo a julio del 2005, realizo una investigación para determinar la capacidad de remoción de coliformes fecales (CF) y la demanda bioquímica de oxígeno (DBO5),
18 Chuchón y Aybar (2005), con los resultados obtenidos, se calculó el porcentaje de remoción de CF y DBO5 aplicando la siguiente formula: %
Remoción = [(C afluente – C efluente) / C afluente] x 100. La capacidad de remoción de CF de la PTAR “La Totora” fue del 99.98 %, en tanto que la remoción de la DBO5 fue de 86.20 %, siendo eficiente y cumplimiento con
respecto a la normatividad ambiental Peruana.
Mena (2014), con el objetivo de evaluar la eficiencia de tratamiento de aguas residuales domésticas, de un sistema de humedales artificiales de flujo sub superficial (SFS) en el municipio de Pasto, Colombia. Para el desarrollo del estudio se tomó en cuenta los siguientes parámetros como DBO5, DQO, solidos suspendidos totales SST y Escherichia coli. Realizó
un monitoreo de calidad de agua a la entrada y salida de cada componente, que permitió determinar la eficiencia de remoción del sistema en los parámetros establecidos, los resultados de la evaluación de la eficiencia del humedal artificial de flujo sub superficial (SFS) fueron los siguientes; remoción de la DBO5 del 93.89 % y de la DQO del 84.98 %; la
eficiencia de remoción de los SST fue del 40 %. Para los parámetros microbiológicos como coliformes totales y E coli, fue del 99.97 y 99.95 % respectivamente. La remoción de los contaminantes a través del sistema implementado en este estudio, garantiza un aprovechamiento óptimo y eficaz del recurso hídrico.
Tito (2015), el estudio consistió en evaluar dos sistemas de humedales artificiales con iguales sustratos, se le agrego la especie vegetal Cyperus
alternifolius. El objetivo fue determinar el porcentaje de remoción de los
contaminantes en el humedal artificial con la especie mencionada. El monitoreo y el análisis de los parámetros de tratamiento se realizó de acuerdo al protocolo difundido por el ministerio de vivienda y construcción D.S. 003-2010, teniendo en cuenta los parámetros de SST, DBO y DQO. Los resultados obtenidos fueron lo siguiente: 79.68% (SST), 72.84% (DBO5) y 76.85% (DQO) de nivel de remoción, concluyendo que mediante
19 2.2 Bases teóricas
2.2.1 Tratamiento biológico
El tratamiento biológico de aguas residuales supone la remoción de contaminantes mediante actividad biológica. La actividad biológica se aprovecha para remover principalmente sustancias orgánicas biodegradables, coloidales o disueltas, del agua residual, mediante su conversión en gases que escapan a la atmosfera y en biomasa extraíble mediante sedimentación. La actividad biológica también se usa para remover nitrógeno y fosforo del agua residual. El proceso se esquematiza en la figura 1 (Romero, 2004).
Fuente: (Romero, 2004).
Figura 1: Descomposición microbial de la materia orgánica.
Etapa de tratamiento para remover materia orgánica soluble con previa remoción de sólidos y materia orgánica particulado, generalmente son biológicos de crecimiento adherido y en suspensión, en esta clasificación se consideran los filtros biológicos, discos rotatorios de contacto, lodos activados, lagunas de estabilización y otros (León, 2011).
Biomasa suspendida y compuestos oxidados
del efluente
Disposición de floc biológico
Materia orgánica del afluente
Bacterias y protozoos
Gases volátiles
Floc biológico
20 Es la fase donde la depuración se realiza normalmente por procesos biológicos para tratar carga orgánica, sólidos en suspensión y bacterias coli; con previo tratamiento de cuerpos flotantes, partículas discretas, sólidos sedimentables inorgánicos y orgánicos y sólidos flotantes orgánicos. Pueden también ser de naturaleza físico – químico cuando se trata de aguas residuales industriales. Esta fase de tratamiento generalmente está compuesta por lechos bacterianos, fangos activados y floculación – decantación (Hernández, 1992).
Fuente: (Romero, 2004).
Figura 2: Ciclo del Carbón en la Naturaleza
a) Metabolismo destructivo del protoplasma, eliminación de sustancias inútiles y residuos de la digestión celular
Comenzando por el punto denominado “materia orgánica sin vida”, el carbón en el estado orgánico es convertido en bióxido de carbono por la respiración o actividad respiratoria de los microorganismos. A través de la fotosíntesis el carbón como bióxido de carbono es incorporado a los materiales vegetales (Sánchez, 2011).
21 material orgánico sin vida o es asimilado por el consumidor animal. El carbón liberado de los animales antes de su muerte es convertido directamente en bióxido de carbono a través de la respiración animal o pasa del cuerpo de animal en urea y otros compuestos orgánicos, desde esa forma es convertido por los microorganismos en bióxido de carbono (Hernández, 1992).
Fuente: (Romero, 2004).
Figura 3: Ciclo Natural del Nitrógeno
b) Catabolismo o metabolismo destructivo del protoplasma
El Nitrógeno de la Urea puede ser transformado a través de una actividad microbiológica a Amonio, Nitrito y Nitrato la desnitrificación y la fijación del Nitrógeno provee una ruta de alternativa del sistema (Hernández, 1992). C Orgánico + O2 Microorganismos CO2
-N Orgánico + O2 Microorganismos NO3
22
Fuente: (Young, 1991).
Figura 4: Asimilación y Utilización de Energía en el Metabolismo
c) Liberación y utilización de energía en el metabolismo
“Metabolismo” se define como los procesos físicos y químicos que continuamente se llevan a cabo en los organismos vivos y las células, comprendiendo, aquellos procesos en que nutrientes asimilados se hacen más fuertes son (Acumulados – Asimilados - Edificados) dentro del protoplasma [Anabolismo] y aquellos en el que el protoplasma es usado y (Broken Down) desintegrado en sustancias simples, con el desprendimiento de energía [Catabolismo] (Hernández, 1992).
La síntesis del protoplasma, es un proceso anabólico, requiere un ingreso (input) de energía:
Sustrato Externo + “Energía”
→
Materia Celular Este o estos procesos, son denominados “Respiración Endógena” puede ser presentada por:
Material Celular Producto Metabólico + Energía
Productos de La Oxidación +
Síntesis Respiración
Endógena
Oxidación (Respiración)
Energía Mecánica de Calor
Protoplasma
Energía Materia Orgánica
23
Fuente: (Young, 1991).
Figura 5: Liberación y Utilización de Energía en el Metabolismo
d) Modelo o patrón de crecimiento de los microorganismos
La curva ideal que ilustra el modelo clásico de crecimiento que representa a los microorganismos de un cultivo por tandas. Un examen de la curva revelará que el crecimiento pasa a través de tres fases. Al inicio, todos los nutrientes están presentes en exceso con relación a lo requerido por los microorganismos, y el crecimiento no tiene restricciones (Crites y Tchobanoglous, 2000).
24
Fuente: (Crites y Tchobanoglous, 2000).
Figura 6: Patrón de Crecimiento Clásico
2.2.1.1 Proceso aerobio
Asimismo también se tiene tratamientos de proceso aerobio (presencia de oxigeno) donde las bacterias heterótrofas (obtienen carbono de compuestos orgánicos), oxidan alrededor de 1/3 de la materia orgánica coloidal y soluble a productos finales estables (CO2 y H2O), y los 2/3
restantes lo transforman en nuevas células microbianas susceptibles de eliminarse de las aguas residuales por sedimentación (Hazel, 2005).
Para una unidad de masa celular, aerobia o anaerobia, se requiere la misma cantidad de energía y las mismas cantidades de carbono, hidrogeno, nitrógeno, fosforo y demás nutrientes. Como la energía obtenida por transferencia de electrones en el proceso aerobio es mucho mayor que en el proceso anaerobio, este último produce mucho menos biomasa. Esto a la vez, hace más difícil mantener poblaciones microbiales grandes en condiciones anaerobias. En forma simplificada se puede comparar la oxidación aerobia con la oxidación anaerobia mediante la oxidación de la glucosa (Hazel, 2005).
25 C6H12C6+ 6O2= CO2+ 6H2O + 2872 kJ
De la ecuación descrita se deduce que 180g de glucosa demandan 192g de oxígeno y producen 2304g de anhídrido carbónico, 192g de agua y 2872kJ de energía (o sea 1g de glucosa produce 16kJde energía). Se sabe que 50% de energía disponible se utiliza en la síntesis celular y para producir 1g de biomasa se requiere 20.9kJ de energía. Por tanto la producción de biomasa en el proceso aerobio es: (Metcalf & Eddy, 1995).
0.5 ∗ 16kJ/g ∗ 1g 20.9kJ =
0.38g
g de glucosa
2.2.1.2 Proceso anaerobio
Es un proceso fermentativo que ocurre en el tratamiento de las aguas residuales en ausencia del aire molecular y se caracteriza por la conversión biológica de la materia orgánica en metano (CH4) y dióxido de carbono
(CO2) (Metcalf & Eddy, 1995).
La descomposición de la materia orgánica lo realizan las bacterias en ausencia del aire, el oxígeno necesario para realizar lo obtienen a partir del propio alimento. La digestión es un proceso anaeróbico en donde la descomposición de los materiales pasan por varios procesos como: Licuefacción, gasificación y mineralización, finalmente se obtiene el producto de gases (Hernández, 1992).
Los procesos anaeróbicos tienen dos ventajas importantes respecto a los procesos aerobios, la primera es que suministran energía útil en forma de metano, y la segunda es la producción de lodos ya digeridos y además es de solo el 10% de la que tiene lugar en los procesos aerobios para transformar la misma cantidad de materia orgánica. Estas ventajas son de mucha importancia en el tratamiento de residuos muy concentrados, en donde el manejo de grandes volúmenes de lodos sería un problema (Hazel, 2005).
26 b. Oxidación anaerobia:
C6H12O6+ 6O2= 3CO2+ 3CH4+ 142 kJ
C, es carbono H, hidrogeno O, oxigeno. De la ecuación descrita se deduce que 180g glucosa se producen 1152g de anhídrido carbónico, 144g de metano y 142kJ de energía (o sea 1g de glucosa produce 0.8kJ de energía). Por lo tanto la producción de biomasa en el proceso anaerobio es: a continuación se aprecia la comparación en las tablas 1, 2 y 3. KJ, kilo joule G, gramos (Metcalf & Eddy, 1995).
0.5 ∗ 0.8kJ/g ∗ 1g 20.9kJ =
0.019g
g de glucosa
Tabla 1: Comparación de proceso aerobio y anaerobio.
Fuente: (Corzo y García, 2008).
Baja
Remoción de nutrientes a través de postratamientos
Mayores tiempos de arranque
Tecnología recientemente establecida Arranque
Estado de desarrollo
Remoción de nutrientes
Remoción de patógenos
Cortos tiempos de arranque
Tecnología establecida
Se puede incorporar la remoción de nutrientes
Baja Requerimiento de
energía
Alta demanda de energía para aireación
No se requieren entradas extremas de energía
Requerimientos de nutriente
A menudo se requiere adición de nutrientes
Bajos requerimientos de nutrientes
Balance de carbono
95 % es convertido a biogás; 5 % es incorporado
como tejido celular 50 – 60 % es convertido a
CO2 40 – 50 % es incorporado como tejido
celular
Balance de energía
60 % de la energía es almacenada en la nueva biomasa; 40 % se disipa
como calor
90 % se retiene como CH4, 3 – 5 % se disipa como calor, 5 – 7 % almacenada
en la nueva biomasa
Comparación Tratamiento aeróbico Tratamiento anaeróbico
Modelo de mineralización del
sustrato
C6H12O6 + 6O2 ↔ 6CO3 + 6H2O ∆G = -2840 KJ/mol
Glucosa
C6H12O6 ↔ 3CO2 + 3CH4 ∆G = -2840 KJ/mol
Glucosa
Ecuación 3.
27 Las ventajas y desventajas del proceso anaerobio y aerobio se aprecian en los siguientes cuadros:
Tabla 2: Ventajas y desventajas del proceso anaerobio
Fuente: (Romero, 2004).
Tabla 3: Ventajas y desventajas del proceso aerobio.
Fuente: (Romero, 2004).
Para la estabilidad de proceso anaerobio ver el siguiente cuadro:
Tiene riesgos de salud por H2S y es corrosivo.
Tiene requerimientos nutricionales bajos. Exige un intervalo de operación de pH bastante restringido.
Requiere concentraciones altas de alcalinidad y es sencible a la
contaninacion con oxigeno DESVENTAJAS
Tasa baja de sintesis celular y, por consiguiente, poca produccion de lodos.
VENTAJAS
Para obtener grados altos de tratamiento requiere temperaturas
altas.
El lodo producido es razonablemente estable y puede secarse y disponerse por
métodos convensionales.
No requiere oxigeno. Por tanto, usa poca energia eléctrica y es especialmente adaptable a aguas residuales de alta
concentración organica.
Produce metano, el cual puede ser util como energetico.
Puede presentar olores desagradables por H2S, acidos grasos y amidas.
Ventajas Desventajas
Tasa alta de síntesis celular y por consiguiente, alta producción de lodos. Ausencia de olores.
Mineralización de todos los compuestos biodegradables.
Requiere mucha energía eléctrica para oxigenación y mezcla.
Gran proporción de células en los lodos que
hace, en algunos casos necesaria su digestión,
28 Tabla 4: Condiciones óptimas para el proceso anaerobio.
Fuente: (Romero, 2004).
* Para evitar que la muerte de bacterias formadores de metano evitar que el pH Descienda por debajo de 6.2
Tabla 5: Contaminantes de importancia en aguas residuales.
Fuente: (Romero, 2004).
Parámetro Condición
Temperatura Intervalo optimo mesofílico (20 – 40 °C).
Medio Anaerobio, OD (oxígeno disuelto) = 0
Sustancias toxicas Como metales pesados y sulfuros.
Nutrientes
Nitrógeno, Fosforo, trazas de Ca, Mg, Fe, para asegurar el crecimiento de los
microorganismos.
pH 6.5 – 7.6
Alcalinidad 1000 – 5000 mg/l – CaCo3 *
Ácidos volátiles Inferior a 250 mg/l * Bacterias Equilibrio dinámico entre no
metanogénicas y metanogénicas.
Contaminante Causa de su importancia
Patógenos Producen enfermedades
Algunas como el calcio, sodio y sulfatos son agregados al suministro doméstico original como resultado del uso y es posible que deban ser removidos para
reúso del agua. Solidos orgánicos
disueltos
El C, N y P son nutrientes. Cuando se descargan en AR pueden producir crecimiento de vida acuática indeseable,
cuando se descargan en cantidades excesivas sobre el suelo pueden producir
polución del agua subterránea. Nutrientes
Resiste tratamiento convencional. Ejemplos: detergentes, fenoles y
pesticidas agrícolas. Materia orgánica
refractaria Solidos suspendidos
Pueden conducir al desarrollo de depósitos de lodos y condiciones anaerobias cuando se descargan AR
crudas en un medio acuático.
Está compuesta principalmente de proteínas carbohidratos y grasas, se mide en términos de DBO y DQO por lo general,
si no es previamente removida puede producir agotamiento del OD de la fuente
receptora y desarrollo de condiciones sépticas.
29 2.2.2 Factores que influyen en el tratamiento de aguas residuales
2.2.2.1 Altitud geográfica
La solubilidad de un gas está determinada por su presión parcial (p) [Ley de Henry]. A su vez, la presión parcial de un gas es afectada por cambios en altitud (cambios en presión atmosférica) (Ramalho, 2003).
A. Influencia de la altitud en el proceso biológico.
Los procesos biológicos son actividades biológicas para la degradación de la materia orgánica biodegradable, coloidal o disuelta, durante este proceso se eliminan gases (CO2 o CH4) y se obtiene biomasa que puede ser
extraíble mediante la sedimentación. Los procesos biológicos son conocidos como oxidación biológica y son 3: (Alarcón, 2013).
El proceso aerobio, donde el proceso biológico se da en presencia de oxigeno (OD mayores a 2 mg/L) (Alarcón, 2013).
El proceso anóxico, donde el proceso biológico se da en condiciones que no son aeróbicos ni anaeróbicos estrictos (OD entre 0.3 a 0.6 mg/L) (Alarcón, 2013).
El proceso anaeróbico, este proceso biológico se da en condiciones de OD nulo (Alarcón, 2013).
B. Influencia de la altitud en la concentración de oxígeno disuelto.
30 Csr = β ∗Cs760P − P
v
760 − Pv
Donde:
Csr = Oxigeno disuelto en agua residual (mg/l).
β = Factor de saturacion (0.92 a 0.98) se obtiene de laboratorio (adim. ).
Cs760= Oxigeno disuelto en agua destilada a nivel del mar (mg/l).
P = Presion barometrica a la altitud del estudio (mm Hg).
Pv= Presion de vapor del agua (mm Hg).
Tabla 6: Valores de presión de vapor de agua.
Fuente: (Ramalho, 2003).
C. Saturación de oxígeno disuelto.
La saturación de oxígeno disuelto es un parámetro básico utilizado en modelos de calidad de agua superficial, la solubilidad del oxígeno disuelto disminuye conforme aumenta la temperatura y la concentración del cloro, se puede calcular con la siguiente expresión: (Ramalho, 2003).
mm Hg
32.0 4,579
41.0 6,543
50.0 9,209
59.0 12,788
68.0 17,535
77.0 23,756
86.0 31,824
95.0 42,175
104.0 55,324
30 35 40 25 5 10 15 20 0
Tabla N° 2: Valores de presion de vapor de agua.
Temperatura Temperatura (°F) (°C)
31 Cs = 14.652 − 0.41022T + 0.007991T2+ 0.000077774T3
Donde:
Cs = Saturacion del oxigeno disuelto (mg/l).
T = Temperatura del agua (°C).
La ecuación es para condiciones normales al nivel del mar, por lo que se requiere corrección de altitud.
Tabla 7: Valores de saturación de oxígeno disuelto.
Fuente: (Ramalho, 2003).
De acuerdo a la ecuación se interpreta que para mayores altitudes se tiene presiones bajas y por consiguiente el oxígeno disuelto disminuye en el agua, causando alteraciones en los sistemas de tratamiento con proceso aeróbico (Ramalho, 2003).
D. Presión barométrica.
La presión si puede calcular en función de la altitud, y las constantes de la ley del gas ideal, con la siguiente relación matemática: (Echegaray, 1968).
(mg/l)
32.0 14.6
41.0 12.8
50.0 11.3
59.0 10.2
68.0 9.2
77.0 8.4
86.0 7.6
95.0 7.1
104.0 6.6
40 15 20 25 30 35
(°C) (°F)
0 5 10
Temperatura Temperatura 2
32 P(z)= Po x e
−g∗ M∗h k∗t
K = R #A
Donde:
P(z)= Presion en la zona de estudio (760 mmHg).
Po = Presion a nivel del mar 101324.72 Pa (760 mmHg).
M = Peso molecular del aire (0.0289644 Kg/mol).
R = Constante universal de gas (8.31447 J/mol. °K).
#A = Número de avogadro (6.0221 x 1023 moleculas/mol).
T = Temperatura promedio entre el normal y la ubicacion (°K).
g = Gravedad (9.8066 m/s2).
h = Altitud de ubicación (m).
La presión se puede calcular en función de la altitud y el peso de columna de aire atmosférico con la siguiente relación matemática: (Echegaray, 1968).
P(z)= Po x e−α∗h
α = ρo x g PO
Donde:
Ecuación 7.
Ecuación 8.
33 P(z)= Presion en la zona de estudio (Pa).
Po = Presion a nivel del mar 101324.72 Pa (760 mmHg).
ρo= Densidad del aire a nivel del mar (1.225 Kg/m3).
g = Gravedad (9.8066 m/s2).
h = Altitud de ubicación (m).
Los valores se muestran en el cuadro siguiente:
Tabla 8: Presión barométrica vs altitud.
Fuente: (Echegaray, 1968).
2.2.2.2 Temperatura
La temperatura afecta y altera la vida acuática, modifica la concentración de saturación de oxígeno disuelto y la velocidad de las reacciones químicas y de la actividad bacterial. La sedimentación disminuye en temperaturas bajas debido al incremento de la viscosidad, en general los tiempos de retención para tratamiento biológico disminuyen a mayor temperatura, y los parámetros de diseño son función de ella (Romero, 2004).
760
733
706 681
656
632
610
566 526
487
454 305
610
Barómetro (mm Hg) Altitud
(m)
0
2438
4267 3048 3658 914
1219
1524
34 La temperatura óptima para la actividad bacterial es de 25°C a 35°C, la digestión aeróbica y la nitrificación se suspenden cuando la temperatura alcanza los 50°C. Cuando la temperatura es menor a 15°C la digestión metanogénica en muy lenta, y a una temperatura de 5°C la bacteria autótrofa nitrificante dejan de procesar la nitrificación (Estrada, 2010).
Este parámetro es de mucha importancia para describir como seria la actividad de los microorganismos para la depuración de las aguas residuales. Las investigaciones indican que la actividad óptima es a los 20°C tanto para procesos aerobios y anaerobios. Siendo necesario la corrección respectiva de acuerdo al coeficiente de Arrenheus para mayores y menores de la temperatura optima (Alarcón, 2013).
A. Influencia de la temperatura.
Los rangos de temperatura pueden ser asociados con el crecimiento de microorganismos en la mayoría de los procesos biológicos (De Lemos, 2007).
Rango psicrofilico: entre 4°C a aproximadamente 15°C.
Rango mesofilico: entre 20°C y aproximadamente 40°C.
Rango termofilico: entre 45°C y 70°C a más.
35
Fuente: (De Lemos, 2007).
Figura 7: Índice de crecimiento de la biomasa vs temperatura.
Temperatura mínima, por debajo no es posible el crecimiento.
Temperatura optima, en donde el crecimiento es máximo.
Temperatura máxima, en donde el crecimiento no es posible.
La temperatura máxima y mínima define los límites del rango donde el crecimiento es posible, y la temperatura óptima es donde el índice de crecimiento es mayor. El índice de crecimiento microbiano es bajo para temperaturas bajas, pero esto incrementa exponencialmente cuando la temperatura sube, un incremento de unos grados de temperatura desde el índice de crecimiento ideal causa una abrupta caída en el índice de crecimiento hasta llegar un valor cero (De Lemos, 2007).
36 Existen diferentes especies de microorganismos presentes en el agua residual, los cuales han sido estudiados por varios autores hasta conocer las temperaturas cardinales a través de comparaciones, ver cuadro siguiente: (Alexandra, 2011).
Tabla 9: Microorganismos presentes en el agua residual doméstica.
Fuente: (De Lemos, 2007).
(*) Microorganismos presentes en el agua residual.
-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Neisscria
Oscillatoria *
Xanthomonas ricinicola * Gaffkya
Escherichia coli * Acholeplasma * Psicrófilos Micrococus crycphilus Euglena Psedudomonas Vibrio marinus Xanthomonas
Pseudomonas avanae *
37 B. Ecuación de Arrhenius.
La temperatura afecta el proceso biológico en dos formas: influenciando el índice de reacción enzimático e influenciando el índice de difusión de substrato (De Lemos, 2007).
La ecuación de Arrhenius es usado frecuentemente para cuantificar los efectos de la temperatura en las reacciones bioquímicas (De Lemos, 2007).
K = A x e−(RTE)
En forma lineal es:
ln K = −E R x
1 T+ A
Donde:
K = Constante del indice especifico de reaccion enzimática (d − 1).
E = Energia de activación (cal/mol).
R = Constante de gas (1.987 cal/K ∗ mol).
T = Temperatura absoluta (°K).
A = Constante empirica.
Por ejemplo, para la inactivación térmica de las esporas de Bacillus stearo thermophilus, los siguientes valores fueron obtenidos para A y E: A = 1x103.2 s-1 y E = 67.7 Kcal/mol (De Lemos, 2007).
Ecuación 11.
38 La ecuación de Arrhenius es usado para la determinación del índice de la constante K en varias temperaturas. Un ploteo de In K versus 1/T utilizando la ecuación lineal en arriba descrito, generalmente llamado grafico de Arrhenius, es lineal con una pendiente de – E/R lo que se observa en el siguiente gráfico. Valores experimentales de rango E desde pocos kcal/mol hasta más de 25 kcal (De Lemos, 2007).
Los efectos de la temperatura en el crecimiento microbiana o descomposición térmica son también descritos por la ecuación de Arrhenius (De Lemos, 2007).
Fuente: (Henze and Harrimoes, 1983).
Figura 8: Determinación de la energía de activación.
El índice máximo de crecimiento bacteriano decrece 11% por cada °C de temperatura, para digestores anaeróbicos operados en temperaturas por debajo de 30 °C, como se puede observar por la siguiente expresión: (Henze and Harrimoes, 1983).
Kt= K30 x 1.11(T−30)
Donde:
where K = A = E = r = T =
thermal decay rate or growth rate (h-1) empirical constan
activation energy (cal/mol) gas constant (1.987 cal/K.mol) absolute temperature (K)
ln
K
1/T
Slope =−
39 Kt= Indice de crecimiento para la temperatura (T).
K30= Indice de crecimiento para la temperatura (T = 30°C).
T = Temperatura (°C).
C. Medio filtrante.
El objetivo del medio filtrante es retener los sólidos biológicos dentro del humedal como una película unida al medio o suspendida dentro de los espacios vacíos y por debajo del medio como una masa de lodo granulada o floculada (Young, 1991).
a) Características del medio filtrante.
Las características de GEOTECNICA Y GEOMECANICA se tomaron del estudio de mecánica de suelos de expediente técnico de ejecución de la planta de tratamiento de aguas residuales del distrito de Palca (E.T.Palca, 2014).
Tabla 10: Características del medio filtrante.
Fuente: (E.T.Palca, 2014).
b) Piedra de rio.
Se denomina piedra a las rocas de tamaño comprendido entre 64mm 120mm, aunque no existe homogeneidad de criterio para el límite superior, por efectos del desgaste natural gracias al movimiento del lecho del rio ha generado formas redondeadas, pasando a conocerse como canto rodado (Ruiz, 1997).
0.00 99.00
PR Grava de rio 6.27 9.20 98.00
Wetland Material Ø prom (cm)
Porosidad (%)
Área (m2/m3)
Hierro (mg/l)
% de peso retenido después
40 Una muestra de agregado grueso (grava canto rodado) fue utilizado como medio filtrante donde se practicó las pruebas de laboratorio según la norma ASTM C-127, ver cuadro siguiente: (Hazel, 2005).
Tabla 11: Características de la grava canto rodado.
Fuente: (Hazel, 2005).
D. Factores de rendimiento.
Con el objetivo de seleccionar los parámetros que tienen influencia en la eficiencia y el rendimiento de los humedales fuera mayor (Young, 1991), se realizó pruebas junto a otros autores, de estas pruebas demostró que: el tiempo de retención hidráulica es el parámetro con efecto más importante sobre la remoción de DBO.
Fuente: elaboración propia.
Figura 9: Remoción de materia orgánica en función del tiempo.
Parámetro Valor
Peso específico aparente 2,64
Peso específico saturado superficie seca 2,55
Peso especíco bruto seco 2,50
Absorción 2,10%
Razón de vacíos 152%
Porosidad 58%
Peso volumétrico 1047 kg/m3
Remoción Total
Adsorción y Sintetización neta Porcentaje
de material orgánico removido
Oxidado
41 2.2.3 Humedales artificiales
Los humedales artificiales son ecosistemas construidos por el hombre y usados como tratamiento secundario de aguas residuales domésticas. El humedal artificial es construido con especies vegetales que ayuda en la remoción de contaminantes orgánicas mediante procesos físicos, químicos y biológicos que realiza la especie vegetal (Mena, 2008).
Los humedales artificiales son una alternativa de solución para el tratamiento de aguas contaminadas. Debido a su bajo costo de mantenimiento, ahorro de energía y atractivo paisajístico son consideradas económicas, sostenibles e innovador (Lara, 1999).
De por si los humedales artificiales debe presentar una vegetación acostumbrada a suelos o medios saturados. Durante la construcción del humedal artificial es importante evitar la infiltración del agua tratada, por esta razón se utiliza un material impermeable para evitar filtraciones futuras (Lara, 1999).
42 Los humedales artificiales pretenden simular los procesos de descontaminación que ocurren en los humedales naturales; debido a esto son sistemas que requieren de la ingeniería para ser diseñados y construidos apropiadamente, se necesita además la identificación de especies de plantas adecuadas para este tipo de tratamiento, el sustrato debe ser también el idóneo, ya que es el que funcionara como filtro y permitirá la existencia de interacciones con los microorganismos. El sistema de tratamiento en general, consiste en desarrollar un cultivo de macrofitas que crezcan sobre un lecho de grava impermeabilizado (Maldonado, 2005).
La capacidad depuradora que se ha observado en los humedales artificiales ha incentivado que estos sistemas sean utilizados extensivamente para el tratamiento de aguas residuales. En Europa, el desarrollo de estos sistemas se remota a los años 50 mientras que en Estados Unidos comenzaron a ser utilizados en la década del 60. Estos sistemas también son denominados sistemas verdes, o tecnologías no convencional, se caracterizan por lograr la mayor parte de la depuración de las aguas residuales aprovechando la interacción de los distintos microorganismos presentes en el agua, por lo tanto se trata de un proceso biológico natural que no necesita de aportes de energía externa (Sanchez, 2011).
Los humedales artificiales son sistemas pasivos de depuración, con una profundidad mínima, en donde los procesos de descontaminación físicos, químicos y biológicos se originan simultáneamente. Su funcionamiento se fundamenta en tres principios básicos: (Carpio, 2013).
1. La actividad bioquímica de los microorganismos
2. El aporte de oxígeno a través de las raíces de los vegetales y,
43 Los humedales construidos son unidades plantadas con vegetacion propios de zonas húmedas, su operación y funcionamiento es similar a los filtros convencionales por goteo donde existe una combinación de zonas anaerobias y aerobias que se crean al entorno de las raíces de las plantas (Carpio, 2013).
Los contaminantes presentes en las aguas residuales se tratan al ser filtrados en la zona de la raíz de la vegetación del humedal y mediante la combinación del sustrato o suelo, las plantas y los microorganismos (Carpio, 2013).
En un humedal artificial, las entradas de afluente tienen un volumen conocido; sin embargo, los volúmenes de precipitación y escorrentía superficial están sujetos a variaciones estacionales; las perdidas en estos sistemas pueden calcularse mediante la medición del caudal de salida y la estimación de la evapotranspiración, así como por la infiltración del fluido. Aun conociendo las tasas de flujo, el modelado del balance hídrico de los humedales construidos debe contemplar las variaciones semanales y mensuales de precipitación, la escorrentía y los efectos de estas variables en el sistema hidráulico de los humedales artificiales, principalmente el tiempo de retención de permanencia requerido para el tratamiento (Carpio, 2013).
El afluente, que previamente requiere de un tratamiento primario, pasa a través del humedal durante un cierto tiempo (tiempo de retención) y es tratado por procesos tanto físicos como químicos y bacteriológicos; el oxígeno que es necesario para el tratamiento es suministrado por las mismas plantas. La transferencia de oxigeno hacia la zona radicular por parte de estas plantas acuáticas es un requisito imprescindible para que la eliminación microbiana de algunos contaminantes se realice con eficiencia, estimulando además la degradación de materia orgánica y el crecimiento de bacterias nitrificantes (Estrada, 2010).
44 A. Sustrato
En los humedales artificiales el sustrato puede estar formado de arena, grava, roca, sedimentos y restos de vegetación, estos restos se acumulan debido al aumento de la masa vegetal y al crecimiento biológico (bacteriano o microbiológico) (Burciaga, 2008).
La principal característica de este medio es que debe ser lo suficientemente permeable para permitir el paso del agua. La elección de un medio de soporte adecuado es muy importante, este es el responsable directo de la extracción de algunos contaminantes por medio de interacciones que se llevan a cabo con él y de los que depende la depuración del agua residual como: filtración y sedimentación; por otro lado, el tamaño de particula es muy importante, mientras más pequeño sea podría albergar mayor cantidad de biopelicula, a pesar de que existen mayores probabilidades de que se produzcan obstrucciones en el lecho o inundaciones. En general se recomienda que el material que se va a utilizar sea de la zona (Burciaga, 2008).
El tamaño del medio granular es un condicionante que afecta directamente la hidráulica del humedal y la superficie de contacto con el agua residual. Si el lecho tiene grandes cantidades de arcilla y limo se lograría mayor capacidad de adsorción y filtración, ya que la adsorción es alta y el diámetro de los huecos es pequeño, no obstante, este tipo de medio presenta una resistencia hidráulica alta y por ende requeriría de velocidades de flujo muy bajas, limitando el caudal a ser tratado (Vymazal, 2011).
45 Tabla 12: Materiales comúnmente utilizados en humedales artificiales
Fuente: Adaptado de (Mena, 2008).
La importancia del sustrato en el humedal se debe a varios factores como: (Vymazal, 2011).
1. Dan soporte a los organismos vivientes en el humedal artificial.
2. Aquí se desarrollan algunas transformaciones físicas, químicas y biológicas.
3. La permeabilidad del relleno afecta al movimiento del agua o hidráulica a través del humedal.
4. Es el medio de fijación de microorganismos y que conjuntamente con los restos de vegetación aumentan la cantidad de materia orgánica en el humedal convirtiéndose en una fuente de energía para las reacciones biológicas del humedal.
B. Agua
El agua es la fase móvil que se encuentra dentro del humedal o que ingresara al mismo, la cual contiene y transporta los contaminantes y es donde se van a dar la mayor parte de reacciones bioquímicas que permitan la depuración de los efluentes líquidos (Estrada, 2010).
Arena gruesa 2 28 – 32 400 – 1000
Arena gravosa 8 30 – 35 500 – 5000
Grava fina 16 35 – 38 1000 – 10000
Grava media 32 36 - 40 10000 – 50000
Grava gruesa 128 38 - 45 50000 - 100000
Tipo de material Tamaño
efectivo (mm)
Porosidad (%)
46 El agua afecta directamente a los factores abióticos del humedal tal como disponibilidad de nutrientes, estado oxidativo, etc. Y también determina el tipo de microorganismos que se desarrollaran en el humedal; debido a esto el agua afecta directamente las condiciones hidrológicas del sistema (Estrada, 2010).
C. Vegetación
Las plantas utilizadas en los humedales artificiales dependen del tipo de humedal que se vaya a establecer, se puede utilizar diferentes especies y sus hábitos de enraizamiento también son iguales: se puede tener plantas emergentes, flotantes y/o sumergidas. El clima, salinidad y profundidad son algunos de los parámetros que van a definir las especies que se vayan a utilizar en el humedal, para lo cual también se recomienda utilizar especies locales que estén adaptadas a las condiciones del área (Sánchez, 2011).
Tabla 13: Características de las especies vegetales.
Fuente: (Lara, 1999).
40 cm recomendable para sistemas
de flujo subsuperficial
12 - 23 2 - 8 Anuales, altos, rizoma
perenne extenso,pueden ser
mas eficaces en la transferencia de oxigeno por que sus
rizomas penetran verticalmente y mas
profundamente. Phragmytes
spp Graminea Carrizo 60 cm
18 - 30 4 - 10
Perennes, crecen en grupo, plantas ubicuas
y crecen bien en agua desde 5cm hasta 3m
de profundidad.
30 cm
60 cm recomendable para sistemas de flujo sub
superficial
10 - 27 4 - 9 Shoenoplectus Ciperácea Totora
Ph
Ubicua en distribucion capaz de crecer bajo diversas condiciones ambientales, se propaga facilmente,
con potencial remocion de N y P por
la via de la poda y cosecha. Espadaña, Enea, Anea, Junco, Bayon, Maza de agua 60 cm 30 cm recomendable para sistemas de flujo sub
superficial Nombre comun Caracteristicas sobresalientes Distancia de siembra Penetracion de raices T °C Nombre
cientifico Familia
47 Por lo general, la vegetación a utilizar debe soportar variaciones en el nivel de agua y tener la capacidad de reproducirse en condiciones con bajos niveles de oxígeno disuelto, afirma que la vegetación existente en el humedal contribuye al tratamiento del agua residual y escorrentía de diferentes maneras (Vymazal, 2011).
1. Estabilizan el sustrato.
2. Actúan como canales de transporte de gases a la atmosfera tales como (CO2, CH4).
3. Dan lugar a velocidades de agua bajas y permiten que los materiales suspendidos se depositen.
4. Toman el carbono, nutrientes y elementos traza y los incorporan a los tejidos de la planta.
5. La transferencia de oxigeno desde las estructuras sub superficiales de las plantas oxigena otros espacios dentro del sustrato.
6. El tallo y los sistemas de la raíz dan lugar a sitios para la fijación de microorganismos.
48 Es recomendable que las plantas utilizadas en la implementación del humedal sean nativas de la localidad donde se vaya a establecer, para evitar introducir especies exóticas que puedan modificar de manera negativa la distribución y la abundancia de la flora y fauna local (Burciaga, 2008).
Fuente: (Guadalupe, 2006).
Figura 10: Macrófitas utilizadas en humedales artificiales
4. Microorganismos
Los microorganismos son otro de los elementos que cumplen un rol muy importante en los fenómenos que ocurren dentro de un humedal, entre estos organismos se encuentran principalmente bacterias, levaduras, hongos y protozoarios. Muchas de las transformaciones en cuanto a contaminantes, nutrientes y carbono orgánico se deben al metabolismo microbiano que se desarrolla en el humedal y por ende al crecimiento de la biopelícula en el humedal, la misma que se adhiere al sustrato y a las raíces de las plantas (Lara, 1999).
49 Cuando las características del agua que entra al sistema no presentan variaciones bruscas los microorganismos se adaptan a los cambios y pueden seguir en desarrollo, pero si las condiciones son muy cambiantes muchos microorganismos se inactivan (Lara, 1999).
Los nutrientes y el carbono son utilizados por los microorganismos como fuente de energía y como alimento para la formación de nueva biomasa microbiana, la velocidad de crecimiento de esta biomasa depende de las condiciones ambientales y de la disponibilidad del substrato; es decir, en un clima cálido las condiciones para el crecimiento de estas bacterias son más favorables que en climas fríos (Mena, 2008).
Las principales funciones de la actividad microbiana dentro de estos sistemas son: (Mena, 2008).
1. Transforma sustancias orgánicas e inorgánicas en sustancias inocuas o insolubles.
2. Altera las condiciones de potencial redox del sustrato y la capacidad depuradora del humedal.
Tabla 14: Características de Coliformes totales y E. coli
Fuente: (Ruiz, 1997).
Coliformes totales E. coli
Bacterias Gram Negativas Bacterias Gram Negativas
No esporulados No esporulados
Anaerobios facultativos Anaerobios facultativos
Fermentadores de la lactosa con producción de ácido y gas a 36 +/- 1°C en 24 – 48 horas y 44.5
+/- 0.2°C en 24 horas
Características de heces de animales homeotermos Fermentadores de la lactosa con
producción de ácido y gas a 36 +/- 1°C en 24 – 48 horas
Hábitat: Tracto gastrointestinal de animales de sangre caliente
(bacterias entéricas) son comunes en otros ambientes
50 Aunque los microorganismos proporcionan una cantidad medible de contaminante captado y almacenado en su metabolismo, el papel más significativo que cumplen es la remoción de compuestos orgánicos. Así mismo, gracias a la actividad biológica, muchas de las sustancias contaminantes se transforman y liberan en forma de gases (Mena, 2008).
2.2.3.2 Clasificación de humedales artificiales
Estos sistemas de tratamiento pueden ser clasificados según el tipo de flujo con el cual funcionan y el tipo de macrofitas que se utilice para su funcionamiento (Carpio, 2013).
Fuente: (Carpio, 2013).
Elaborado: por el investigador.
Figura 11: Tipos de humedales artificiales
Existen algunas diferencias entre las características principales de los diferentes sistemas de humedales artificiales y su funcionamiento.
Humedales Articiciales
Humedales de flujo horizontal
Flujo
subsuperficial Flujo superficial
Vegetacion emergente
Vegetacion flotante
51 Tabla 15: Principales diferencias entre humedales FS y SFS
Fuente: (Carpio, 2013).
A. Humedales artificiales de flujo superficial (FS)
Los humedales artificiales de flujo superficial (FS), en ingles denominados como surface flow constructed wetlands o free wáter surface wetlands, son aquellos donde el flujo de agua es de tipo horizontal superficial y por ende está expuesta directamente a la atmosfera (Carpio, 2013).
Consiste en un cubeto o canal donde se encuentra el agua y la vegetación ocupa aproximadamente el 50% de la superficie, la profundidad de la lámina de agua suele estar entre 0.6 m y 1,0 m.; en muchos de estos humedales la cobertura vegetal es de macrofitas emergentes o helófitas de la zona enraizadas en el sustrato que se haya dispuesto en el fondo del estanque (Carpio, 2013).
En este tipo de humedales la descontaminación del agua residual se da por reacciones que tienen lugar en el agua y en la zona superior del sustrato, debido a esto, su potencial de eliminación está fuertemente restringido. El efluente que se trata en estos sistemas debe, necesariamente, haber pasado por un pre tratamiento físico (Carpio, 2013).
H. A Flujo Superficial H. A Flujo Sub superficial
Flujo de circulación en lámina libre Flujo sumergido
Menor costo de operación Requieren de mayor inversión
Hidráulica sencilla Hidráulica más complicada
Tipología de los humedales naturales Tratamiento más eficaz
Favorecen la vida animal Necesitan menos espacio
Pueden generar olores Sin olores
Las bajas temperaturas provocan
