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i
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICAS
CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL.
EVALUACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO Y EFICIENCIA DE REMOCIÓN DE
CONTAMINANTES, DE UN HUMEDAL ARTIFICIAL CON FLUJO SUB-
SUPERFICIAL, UBICADO EN LA COMUNIDAD DE PUNTA BLANCA EN LA
PROVINCIA DE SANTA ELENA
AUTORES: CARLOS EDUARDO FLORES CAAMAÑO
MICHAEL STEVEN RIVAS RIVAS
TUTOR: ING. ANDRES VILLAMAR. MS.c
GUAYAQUIL, ABRIL 2019
ii
Agradecimiento
Agradezco a Dios por darme el don de la vida, también por todo lo que me rodea
ya que me siento bendecido por cada una de las personas con las que eh convivido,
a ti madre mía Kenya Rivas por ser siempre esa luz que me guía el día a día, junto
con Luis Rivas que me ha demostrado que con fe y perseverancia se consigue
grandes éxitos.
Soy tan afortunado de contar con ángeles terrenales que han permitido que esté
donde estoy, mis tías Tania Kaiser, Sandra Rivas, María Cerezo, Sara, Gina y Cecilia
Mosquera que siempre eh contado con su apoyo incondicional a lo largo de mi carrera.
Y sin duda alguna a una persona especial que hace 6 años ha estado junto a mí
en las buenas y en las malas, en la felicidad y en la tristeza, que con su inmenso amor
me hace sentir muy afortunado, a ti amor Joselin Lozano por convertirte en mi vida
entera, tengo tanto que agradecerte y espero que Dios me brinde vida para contar
con la dicha de tenerte a mi lado.
Michael Rivas
iii
Agradecimiento
Agradezco a Dios, por permitirme compartir esta felicidad y este logro junto a mis
seres queridos.
Agradezco a mi familia por estar siempre pendiente, aconsejándome, guiándome,
apoyando para poder lograr este título.
Gracias a todas esas personas que de una u otra manera estuvieron pendiente de mí
en mi carrera universitaria, amigos, compañeros que me ayudaron en mi crecimiento
personal y profesional.
Carlos Flores C.
iv
Dedicatoria
Dedico este trabajo primordialmente a mis hermanos Luis, Naomi y Jhon Rivas,
para servir de ejemplo de vida, que a pesar de las adversidades consigan llegar al
objetivo y poder brindar esa alegría y orgullo a nuestros padres.
A ti madre, por ser mi orgullo y amarme con todo tu corazón. No me alcanza la vida
para agradecerte y dedicarte todos mis éxitos ya que de todo eres tu quien me ha
dado la fuerza para seguir, junto contigo padre.
Y finalmente dedico este logro a mí mismo, por las veces que no me sentí capaz y
apto de llegar a donde estoy, me siento muy orgulloso y muy feliz de decir: ¡Lo logre!
Michael Rivas
v
Dedicatoria
Este título está dedicado para dos personas en especial que son mis padres,
Guillermo Flores Moscoso y Martha Caamaño Cabezas quienes fueron mis pilares
fundamentales para obtención de este logro. A mis hermanos Guillermo y Estefanía
que siempre han estado a mi lado, pendientes y prestos a ayudarme en todo. A
Coraima Rivas que llego a darme fortaleza y que ha generado un crecimiento personal
en mí.
Carlos Flores C.
vi
Declaración expresa
Art. XI.- del Reglamento Interno de Graduación de la Facultad de Ciencias
Matemáticas y Físicas de la Universidad de Guayaquil.
La responsabilidad de los hechos, ideas y doctrinas expuestos en este Trabajo de
Titulación corresponde exclusivamente a los autores, y el patrimonio intelectual de la
Universidad de Guayaquil.
Carlos Eduardo Flores Caamaño Michael Steven Rivas Rivas
CI: 0924057292 CI: 0925213746
vii
Guayaquil, 8 de abril del 2019
CERTIFICACIÓN DEL TUTOR REVISOR
Ing. Zoila Cevallos Revelo M. Sc, habiendo sido nombrado tutor del trabajo de titulación EVALUACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO Y EFICIENCIA DE REMOCIÓN DE CONTAMINANTES, DE UN HUMEDAL ARTIFICIAL CON FLUJO SUB-SUPERFICIAL, UBICADO EN LA COMUNIDAD DE PUNTA BLANCA EN LA PROVINCIA DE SANTA ELENA certifico que el presente, elaborado por los estudiantes: Rivas Rivas Michael Steven con C.I. Nº 0925213746; Carlos Eduardo Flores Caamaño con C.I. Nº 0924057292, del núcleo estructurante SANITARIA, con mi respectiva supervisión como requerimiento parcial para la obtención del título de INGENIERO CIVIL, en la Carrera de Ingeniería Civil, ha sido REVISADO Y APROBADO en todas sus partes, encontrándose apto para su sustentación.
DOCENTE TUTOR REVISOR
C.I. Nº 0908612823
ANEXO 11
viii
LICENCIA GRATUITA INTRANSFERIBLE Y NO EXCLUSIVA PARA EL USO NO
COMERCIAL DE LA OBRA CON FINES NO ACADÉMICOS
Yo, Rivas Rivas Michael Steven con C.I. Nº 0925213746; Carlos Eduardo Flores Caamaño con C.I.
Nº 0924057292; certifico que los contenidos desarrollados en este trabajo de titulación, cuyo
título es “EVALUACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO Y EFICIENCIA DE REMOCIÓN DE
CONTAMINANTES, DE UN HUMEDAL ARTIFICIAL CON FLUJO SUB-SUPERFICIAL, UBICADO EN
LA COMUNIDAD DE PUNTA BLANCA EN LA PROVINCIA DE SANTA ELENA “ son de mi absoluta
propiedad y responsabilidad y según el Art. 114 del CÓDIGO ORGÁNICO DE LA ECONOMÍA
SOCIAL DE LOS CONOCIMIENTOS, CREATIVIDAD E INNOVACIÓN, autorizo el uso de una
licencia gratuita intransferible y no exclusiva para el uso no comercial de la presente obra con
fines no académicos, en favor de la Universidad de Guayaquil, para que haga uso del mismo,
como fuera pertinente.
FECHA: 8 de abril, 2019
C.I. No. 092405729-2 C.I. No. 092521374-6
“CÓDIGO ORGÁNICO DE LA ECONOMÍA SOCIAL DE LOS CONOCIMIENTOS, CREATIVIDAD E INNOVACIÓN (Registro Oficial n. 899-Dic./2016) Artículo 114.- De los titulares de derechos de obras creadas en las instituciones de educación superior y centros educativos.- En el caso de las obras creadas en centros educativos, universidades, escuelas politécnicas, institutos superiores técnicos, tecnológicos, pedagógicos, de arte y los conservatorios superiores, e institutos públicos de investigación como resultado de su actividad académica o de investigación tales como trabajos de titulación, proyectos de investigación o innovación, artículos académicos, u otros análogos, sin perjuicio de que pueda existir relación de dependencia, la titularidad de los derechos patrimoniales corresponderá a los autores. Sin embargo, el establecimiento tendrá una licencia gratuita, intransferible y no exclusiva para el uso no comercial de la obra con fines académicos.
ANEXO 12
ix
Tribunal de graduación
Ing. Gustavo Ramírez, MS.c Ing. Andrés Villamar Cardenas, MS.c
DECANO TUTOR
Ing. Zoila Cevallos Revelo, MS.c Ing. Manuel Gómez De la Torre, MS.c
VOCAL VOCAL
x
ÍNDICE GENERAL
Capítulo I
Generalidades
1.1. Introducción ............................................................................................... 1
1.2. Antecedentes ............................................................................................. 2
1.3. Delimitación del proyecto ......................................................................... 3
1.4. Planteamiento del problema ..................................................................... 3
1.5. Objetivos .................................................................................................... 4
1.5.1. Objetivo general .................................................................................. 4
1.5.2. Objetivos específicos .......................................................................... 4
1.6. Justificación del proyecto ......................................................................... 4
1.7. Cobertura y alcance del estudio ............................................................... 5
1.8. Beneficiarios del proyecto ........................................................................ 5
Capitulo II
Marco teorico
2.1. Generalidades del agua............................................................................. 6
2.1.1. Usos del agua ...................................................................................... 8
2.2. Aguas residuales ....................................................................................... 9
2.2.1. Necesidad de la depuración de aguas residuales .......................... 11
2.3. Características físicas del agua residual ............................................... 12
2.3.1. Solidos totales ................................................................................... 12
2.3.2. Olor ..................................................................................................... 12
xi
2.3.3. Color ................................................................................................... 13
2.3.4. Turbiedad ........................................................................................... 13
2.3.5. Conductividad eléctrica .................................................................... 13
2.4. Características químicas del agua residual .......................................... 14
2.4.1. Potencial de hidrogeno (pH). ............................................................ 14
2.4.2. Compuestos orgánicos ..................................................................... 14
2.4.2.1. Compuestos orgánicos volátiles (COV)…………………………..15
2.4.2.2. Demanda bioquímica de oxígeno (DBO)………………………….16
2.4.2.3. Demanda química de oxigeno (DQO)……………………………...17
2.4.2.4. Carbono orgánico total (COT)………………………………………18
2.4.3. Compuestos inorgánicos.................................................................. 19
2.4.3.1. Nitrógeno……………………………………………………………….19
2.4.3.2. Fósforo………………………………………………………………….20
2.4.3.3. Cloruros………………………………………………………………...20
2.4.3.4. Alcalinidad……………………………………………………………..21
2.5. Sistemas de tratamiento de aguas residuales ...................................... 21
2.5.1. Físicos ................................................................................................ 22
2.5.1.1. Cribado…………………………………………………………………22
2.5.1.2. Tamizado……………………………………………………………….22
2.5.2. Físico Químico ................................................................................... 23
2.5.2.1. Coagulación………………………………………………………...…23
2.5.2.2. Floculación…………………………………………………………….24
2.5.3. Biológico……………………………………………………………………25
2.5.3.1. Aerobio…………………………………………………………………25
2.5.3.2. Anaerobio……………………………………………………………...26
xii
2.6. Los humedales y su clasificación .......................................................... 27
2.6.1. Humedales naturales ........................................................................ 29
2.6.2. Humedales artificiales ....................................................................... 31
2.7. Principios de Funcionamiento de los humedales artificiales .............. 33
2.8. Humedales artificiales de macrófitas flotantes ..................................... 35
2.9. Humedales artificiales de macrófitas sumergidas ................................ 36
2.10. Humedales artificiales de macrófitas emergentes. ............................. 37
2.10.1. Humedales artificiales de macrófitas emergentes de flujo
superficial ......................................................................................................... 37
2.10.2. Humedales artificiales de macrófitas emergentes de flujo
sub-superficial……………………………………………………………………….39
2.10.2.1. Humedales artificiales de macrófitas emergentes de
flujo sub-superficial vertical…………………………………………………….40
2.10.2.2. Humedales artificiales de macrófitas emergentes de
flujo sub-superficial horizontal………………………………………………....41
2.11. Partes del humedal sub-superficial y sus componentes……………..42
2.11.1. El agua……………………………………………………………………..43
2.11.2. El relleno – sustrato……………………………………………………..44
2.11.3. La vegetación……………………………………………………………..44
2.11.3.1. Typha………………………………………………………………….46
2.11.3.2. Scirpus………………………………………………………………..46
2.11.3.3. Phragmite……………………………………………………………..47
xiii
Capitulo lll
Marco Referencial
3.1. Características de la zona – Ubicación. ................................................. 51
3.2. Sistema de pre tratamiento. .................................................................... 53
3.3. Características del humedal superficial de flujo subsuperficial. ........ 53
3.4. Metodología de Evaluación. .................................................................... 55
3.4.1. Modelo de diseño .............................................................................. 55
3.4.1.1. Criterios de buenas prácticas………………………………………55
3.4.1.2. Ecuaciones de regresión empíricas……………………………….56
3.4.2. Sistema de flujo horizontal. .............................................................. 57
3.4.3. Criterio de implantación. .................................................................. 58
3.4.4. Eficiencia ............................................................................................ 58
3.5. Metodología Analítica. ............................................................................. 59
3.5.1. Toma de muestras. ............................................................................ 59
3.5.2. Ensayos físico – químicos. .................................................................. 62
Capitulo lV
Resultados
4.1. Consideraciones Iniciales ....................................................................... 63
4.2. Demanda Biológica de Oxigeno. ............................................................ 66
4.2.1. Evolución del DBO5 en las etapas de tratamiento. ........................ 66
4.3. Demanda Química de Oxigeno ............................................................... 69
4.3.1. Evolución del DQO en las etapas de tratamiento. .......................... 69
4.4. Solidos Suspendidos Totales. ................................................................ 71
xiv
4.4.1. Evolución de los SST en las etapas de tratamiento. ...................... 71
4.5. Potencial de hidrogeno. .......................................................................... 72
4.5.1. Evolución del pH en las etapas de tratamiento. ............................. 72
4.6. Solidos Disueltos. .................................................................................... 73
4.6.1 Evolución de los Solidos Disueltos en las etapas de tratamiento. 73
4.7. Nitrógeno Total. ....................................................................................... 74
4.7.1. Evolución del Nitrógeno Total en las etapas de tratamiento. ........ 74
4.8. Fósforo Total. ........................................................................................... 75
4.8.1. Evolución del Fósforo Total en las etapas de tratamiento. ........... 75
4.9. Cloruros. ................................................................................................... 76
Capítulo V
Conclusiones y Recomendaciones
Conclusiones y recomendaciones ................................................................... 81
Bibliografía
Anexos
xv
Índice de ilustraciones
Ilustración 1: Recorrido en carro desde la terminal de Santa Elena. ........................ 3
Ilustración 2: Usos de agua a nivel general. ............................................................. 8
Ilustración 3: Humedal de macrófitas flotantes. ...................................................... 36
Ilustración 4: Humedal superficial. ......................................................................... 37
Ilustración 5: Entrada y salida del agua en el HFLS. .............................................. 39
Ilustración 6: Humedal construido de flujo subsuperficial vertical. ......................... 40
Ilustración 7: Pendiente que debe tener el HFLSH. ............................................... 41
Ilustración 8: Corte transversal del Humedal de flujo subsuperficial horizontal. ..... 42
Ilustración 9: Plantación de plántulas de carrizo en un sistema de flujo. ................ 46
Ilustración 10: Planta tipo espadaña (typha). ......................................................... 46
Ilustración 11: Planta tipo totora (scirpus). ............................................................. 47
Ilustración 12: Planta tipo Carrizo (phragmite). ...................................................... 47
Ilustración 13: Ubicación en GPS del edificio Bimini. ............................................. 51
Ilustración 14: Lugar para toma de muestra (humedal construido). ....................... 52
Ilustración 15: Sistema de Tratamiento del Humedal Construido. .......................... 52
Ilustración 16: Toma de la muestra de agua cruda ................................................ 60
Ilustración 17: Toma de la muestra 2. .................................................................... 60
Ilustración 18: Toma de la muestra 3, excavación. ................................................ 61
Ilustración 19: Toma de la muestra 3, excavación. ................................................ 61
Ilustración 20: Toma de la muestra 3. .................................................................... 62
Ilustración 21: Calculo de la eficiencia del Humedal actual. ................................... 68
Ilustración 22: Calculo de la evolución del DBO en el Humedal. ............................ 68
Ilustración 23: Calculo de la eficiencia del Humedal actual. ................................... 70
Ilustración 24: Calculo de la evolución del DBO en el Humedal. ............................ 71
xvi
Ilustración 25: Calculo de la evolución del SST en el Humedal. ............................. 72
Ilustración 26: Calculo de la evolución del pH en el Humedal. ............................... 73
Ilustración 27: Calculo de la evolución de los SDT en el Humedal. ....................... 74
Ilustración 28: Calculo de la evolución del nitrogeno en el Humedal. .................... 75
Ilustración 29: Calculo de la evolución del fósforo. ................................................ 76
xvii
Índice de tablas
Tabla 1: Distribución de Agua en nuestro planeta. .................................................... 7
Tabla 2: Composición típica del agua residual domestica bruta. ............................. 10
Tabla 3: Clasificación del pH del agua. .................................................................... 14
Tabla 4: DBO medible con diferentes diluciones de la muestra. ............................. 17
Tabla 5: Composición de los principales parámetros químicos del agua residual. .. 19
Tabla 6: Intervalos requeridos de pH. ...................................................................... 24
Tabla 7: Clasificación de los humedales .................................................................. 29
Tabla 8: Clasificación de los humedales naturales .................................................. 30
Tabla 9: Clasificación de los humedales artificiales. ................................................ 33
Tabla 10: Procesos que ayudan a la depuración de aguas.. ................................... 34
Tabla 11: ventajas y desventajas del HFSS. ........................................................... 39
Tabla 12: humedal según la planta acuática sobresaliente. .................................... 45
Tabla 13: Límites de descarga a un cuerpo de agua marina. .................................. 50
Tabla 14: Criterios de diseño para humedales artificiales. ...................................... 56
Tabla 15: Ecuaciones de regresión empíricas ......................................................... 57
Tabla 16: Eficiencia de remoción de humedal construido. ....................................... 65
Tabla 17: Datos de los ensayos del sistema de pretratamiento. ............................. 66
Tabla 18: Datos de los ensayos del Humedal Subsuperficial. ................................. 67
Tabla 19: Calculo de la eficiencia del Humedal actual............................................. 67
Tabla 20: Eficiencia en ensayos del sistema de pretratamiento. ............................. 69
Tabla 21: Datos de los ensayos del humedal. ......................................................... 69
Tabla 22: Cálculo de la eficiencia del Humedal actual............................................. 70
Tabla 23: Datos de los ensayos del Humedal. ........................................................ 71
Tabla 24: Eficiencia del sistema en general ............................................................ 72
xviii
Tabla 25: Eficiencia del pH a la salida del humedal. ............................................... 72
Tabla 26: Eficiencia del SDT a la salida del humedal. ............................................. 73
Tabla 27: Eficiencia de nitrogeno a la salida del humedal. ...................................... 74
Tabla 28: Eficiencia de fosforo a la salida del humedal ........................................... 75
Tabla 29: Cantidad de cloruro a la salida del humedal. ........................................... 76
Tabla 30: Características del pasto alemán. ............................................................ 78
xix
Resumen
El contenido de esta tesis está dirigido para estudiantes y especialistas sanitarios, con
el propósito de dar a conocer la eficiencia de remoción de un sistema blando
(humedales construidos), para el tratamiento de las aguas residuales domésticas, por
medio de los diferentes ensayos y evaluaciones que se realizaron al humedal
construido. Estos sistemas pueden llegar a ser más eficientes y menos costosos con
respecto a los sistemas tradicionales convencionales.
Esta tesis abarca 5 capítulos, los cuales tendremos una descripción de los diferentes
sistemas de humedales construidos, criterio de diseños hidráulicos, muestreo de
aguas residuales con aspectos conceptuales y técnicos para evaluar el humedal
respecto a términos físicos, químicos.
Los criterios utilizados para realizar este trabajo de titulación fueron tomados con
referencia a libros, papers y con toda la experiencia que pudimos adquirir y palpar en
el transcurso de este proyecto
PALABRAS CLAVES:
EVALUACION_FUNCIONAMIENTO_EFICIENCIA_HUMEDAL_ARTIFICIAL
xx
Abstrac
The content of this thesis is aimed at students and health specialists, with the purpose
of publicizing the efficiency of removal of a soft system (constructed wetlands), for the
treatment of domestic wastewater, through the different tests and evaluations that
were made to the constructed wetland. These systems can become more efficient and
less expensive than conventional systems.
This thesis includes 5 chapters, which will have a description of the different systems
of constructed wetlands, criteria of hydraulic designs, wastewater sampling with
conceptual and technical aspects to evaluate the wetland with respect to physical,
chemical terms.
The criteria used to carry out this titling work were taken with reference to books,
papers and all the experience we could acquire and feel in the course of this project.
KEYWORDS:
EVALUATION_FUNCIONAMIENTO_EFICIENCIA_HUMEDAL_ARTIFICIAL
1
Capítulo I
Generalidades
1.1. Introducción
El presente proyecto da referencia al tema de humedales superficiales con flujo
subsuperficial entorno a una evaluación para verificar la capacidad de remover ciertos
parámetros contaminantes, en búsqueda del bienestar, confort y seguridad del medio
ambiente.
La característica principal de este tipo de evaluación es determinar que el humedal
construido cumpla con determinados límites al momento de la descarga a un cuerpo
hídrico receptor, de manera que no provoque un impacto negativo en el ambiente.
Para considerar esta problemática es inevitable el mencionar sus causas. Una de
ellas son las aguas residuales, ya que son residuos que provienen de actividades ya
sean domesticas o de proceso industrial, por lo que debido a su composición no debe
ser descargada en un cuerpo hídrico sin haber recibido un tratamiento adecuado.
Generalmente la materia que se elimina es de origen orgánico, lo cual implica que el
tratamiento cuente con actividades de microorganismos que oxiden y convierten la
materia orgánica en CO2.
La presente investigación tiene como principal interés determinar la eficiencia de
remoción de ciertos parámetros, como DBO, DQO, solidos suspendidos, nitrógeno,
entre otros, en el sistema de tratamiento de aguas residuales domesticas (STARD)
del edificio BIMINI de la comunidad de Punta Blanca, para la verificación de límites
de descarga de cada uno de los parámetros hacia un lecho marino. Por otro lado, se
verificará que en cada etapa del proceso el sistema de tratamiento tenga un óptimo
desempeño y funcionamiento adecuado.
2
Presente trabajo será base para futuros trabajos de evaluación de sistema de
tratamiento de aguas residuales en humedales artificiales. Como crédito adicional
sirve para aportar a la comunidad de Punta Blanca específicamente al edificio BIMINI
ya que se ve afectado por supuestos fallos que indican moradores ocasiona el
humedal, con ello se demostrará la efectividad del sistema logrando cualquier tipo de
planificación con acciones preventivas y de mejoras.
1.2. Antecedentes
El concepto del uso de los sistemas de Humedales Artificiales plantados con
vegetación propia de los humedales naturales empezó hace más de 50 años con el
trabajo de la Doctora Seidel del Instituto Max-Planck en Alemania. Seidel observó que
la aena común (Schoenoplectus Iacustris o junco de laguna) era capaz de reducir
gran cantidad de sustancias orgánicas e inorgánicas existentes en aguas
contaminadas. Por otro lado, observo que determinadas bacterias (Coliformes,
Salmonella y Enterococos) desaparecían pasando a través de la plantación de aenas.
Así mismo observaba una eliminación de metales pesados e hidrocarburos. Sin
embargo, se puede decir que fue el trabajo del Doctor Kickuth en las décadas de los
70 y 80 el que realmente estimulo el interés en la tecnología de Humedales Artificiales
en Europa. Estos estudios se basaban en los procesos de tratamiento del agua que
ocurren en la zona de la raíz del carrizo común (Phragmites australis) y en el suelo
en el que las plantas crecen (Remtavares, 2013).
Los humedales artificiales se fundamentan en tres principios básicos: actividad
bioquímica de microorganismos, aporte de oxígeno a través de vegetales y el apoyo
físico de un lecho inerte que sirve como soporte para los vegetales, además de servir
como material filtrante, este filtro de grava o arena, sembrado con plantas de pantano,
con flujo horizontal, alimentado con aguas residuales pretratadas, basa su principio
3
de funcionamiento en la formación de bacterias que degradan la materia orgánica.
Estas utilizan la superficie del lecho filtrante para su adherencia y crecimiento,
formando una película bacteriana, garantizando así una población bastante estable
que no pueda ser arrastrada hacia la salida (Sucher & Holzer, 1999).
1.3. Delimitación del proyecto
Punta Blanca está ubicada en la provincia de Santa Elena, es una pequeña
comunidad que se encuentra a 10 km del cantón Salinas, cuenta con una población
aproximada de 2372 habitantes (INEC, 2010), con una superficie aproximada de 3710
metros, es una comunidad que cuenta con una gran infraestructura hotelera.
Ilustración 1: Recorrido en carro desde la terminal de Santa Elena hasta Punta Blanca.
Fuente: GoogleMaps, (2018).
1.4. Planteamiento del problema
Los humedales artificiales son una alternativa conveniente de sistemas de
tratamientos de aguas residuales, donde es muy importante lleve un estricto control,
mantenimiento y manejo del mismo, ya que de manera contraria este podría afectar
severamente la salud de muchas personas que residan en el lugar debido a la
4
contaminación que se genera en su lecho marino y sus especies que son de vital
importancia para su gente, por otro lado, tendría afectación al turismo gracias a
encontrarse en una zona altamente turística.
1.5. Objetivos
1.5.1. Objetivo general.
Evaluar el funcionamiento y la eficiencia del sistema de humedales subsuperficial
para el tratamiento de aguas residuales generales del conjunto habitacional BIMINI,
y así dar cumplimiento a la normativa ambiental vigente de los parámetros de
descarga a un cuerpo de agua marina.
1.5.2. Objetivos específicos.
Evaluar la eficiencia de remoción de la carga contaminante de los siguientes
parámetros: DBO, DQO, pH, solidos suspendidos, solidos disueltos,
nitrógeno, potasio y cloro, que se tomaron en el humedal (afluente y
efluente) sujeto al estudio.
Plantear mejoras al sistema, para aumentar la eficiencia de remoción y
mejorar la calidad de agua descargada.
Establecer acciones preventivas para el mantenimiento del humedal
artificial.
1.6. Justificación del proyecto
El mal funcionamiento del sistema de tratamiento de aguas residuales domesticas
(STARD) genera contaminación. Esta evaluación se desarrollará debido a que se han
observado manchas oscuras en la arena, generando dudas sobre el mal
funcionamiento del sistema de tratamiento. Nosotros evaluaremos uno de los 2
humedales que están en la zona, para así poder confirmar su buen o mal
5
funcionamiento, debido a que existen quejas y/o denuncias al respecto, por pedido de
personas residentes al lugar de estudio.
1.7. Cobertura y alcance del estudio
Se tendrá como propósito evaluar el humedal para un sistema de tratamiento para
aguas residuales, en caso de no cumplir con los parámetros adecuados en su
funcionamiento se planteara una solución, la cual servirá para lograr que el efluente
cuente con las debidas especificaciones correspondientes y así cumplir con el límite
de descarga permitido a un cuerpo receptor marino, como respaldo tendremos los
ensayos realizados al humedal que nos servirá de guía para verificar la eficiencia y
cumplimiento de las condiciones adecuadas al momento de descargar.
1.8. Beneficiarios del proyecto
El lugar de la investigación es una zona turística, específicamente un edificio
residencial conocido como BIMINI, los beneficiarios directos serán los residentes de
mencionado establecimiento y residentes de la comunidad de Punta Blanca ya que
se reducirá de manera significativa el impacto que produce una planta depuradora y
controlar los niveles de contaminación hacia el medio ambiente, como: propagación
de malos olores y alteración del cuerpo hídrico receptor.
De esta manera se tomarán medidas de mayor eficacia para prevenir y reducir
algún tipo de riesgo, teniendo presente que determinado proyecto pueda tomarse
como elemento base para futuros estudios en sistema de depuración.
6
Capitulo II
Marco teórico
2.1. Generalidades del agua
¨El agua es el alma madre de la vida y la matriz, no hay vida sin agua¨ (Albert Szent –
Gyorgyi.).
El agua es un recurso natural, sinónimo de vida, necesario para los seres vivos
para su evolución, desarrollo y vivir. El agua se encuentra en tres cuartas partes del
planeta tierra por ese motivo muchos estudiados le han llamado ¨planeta Agua¨, la
tierra consta de 510.101 millones de Km2 (kilómetros cuadrados) en los cuales 363
millones de Km2 (kilómetros cuadrados) son de agua, lo que vendría a ser un 71%
del total.
El agua químicamente está formada por dos átomos de hidrogeno y un átomo de
oxigeno (H2O). El cuerpo humano se encuentra formado no solo de huesos, músculos
y órganos, sino también de se encuentra formado por un gran porcentaje de agua en
los hombres oscila en un 70% y en mujeres oscila en un 50% ya que las mujeres
mayor cantidad de tejido adiposo que necesita menos agua. Tan importante es el
agua en los seres vivos que no pueden pasar más de 3 días sin beberla.
El agua se la puede obtener de diferentes fuentes:
Fuentes superficiales: que es la que se obtiene de ríos, lagos, vertientes y por
ende es la que se encuentra expuesta al medio ambiente.
Fuente Subterránea: se la obtiene por medio de los pozos profundos, agua
infiltrada en el suelo, generalmente están contaminadas.
Según estudios realizados el 97% del agua que se encuentra en el planeta tierra
es salada, que se la puede encontrar en mares y océanos y tan solo el 3% restante
es agua dulce que se encuentra en glaciares, ríos, lagunas, pantanos.
7
La distribución del agua dulce en nuestro planeta es de un 70% y se encuentra en
estado sólido, formando casquetes polares en los polos, el 29.70% restante se
encuentra en fuentes subterráneas, tan solo el 0.30% del agua dulce se encuentra en
fuentes superficiales que son ríos, lagunas. El agua es un elemento que se lo puede
encontrar en tres diferentes estados, solido, líquido y gaseoso (UNESCO & WWAP,
AGUA PARA UN MUNDO SOSTENIBLE, 2015).
Tabla 1: Distribución de Agua en nuestro planeta.
Elaborado: Word water balance and water resources of the earth by UNESCO
Según lo publicado en el informe de la UNESCO:
Se prevé que en 2050 la demanda mundial de agua haya aumentado un 55%,
debido principalmente a demandas relacionadas con la creciente urbanización en los
países en desarrollo (OECD, 2015). Las ciudades tendrán que ir más lejos o perforar
más hondo para encontrar agua, o tendrán que depender de soluciones innovadoras
o de tecnologías avanzadas para satisfacer sus necesidades hídricas (UNESCO &
WWAP, AGUA PARA UN MUNDO SOSTENIBLE, 2015).
8
Este estudio se realizó considerando el crecimiento demográfico, pero sigue en
aumento el consumo per cápita de los recursos hídricos. Se estima que en 25 años
el 90% del agua dulce el ser humano podría utilizarla, quedando solo el 10% para las
demás especies de la tierra (UNESCO & WWAP, AGUA PARA UN MUNDO
SOSTENIBLE, 2015).
2.1.1. Usos del agua.
Son muchos los usos que se le pueden dar al agua a nivel general la utilización del
agua puede ser para consumo humano, ya sea a la hora de la limpieza, cocina, para
el riego de plantas pero en un estudio realizado por las naciones unidas en el año
2015 se pudo conocer que las mayores utilidades en las que más se genera uso del
agua y son (UNESCO & WWAP, EL AGUA Y EL EMPLEO, 2016):
70% en la agricultura
20% en la industria
10% en la domestica
Ilustración 2: Usos de agua a nivel general.
Elaborado: Informe de las Naciones Unidas sobre el desarrollo de los recursos hídricos en el mundo
2016
Según los informes de la UNESCO tenemos que (WWAP, 2012);
La agricultura representa aproximadamente el 70% del total de las extracciones de
agua dulce y más del 90% en la mayor parte de los países menos desarrollados Si no
Agricultura70%
Industrial20%
Domestica10%
PORCENTAJE
9
se mejora la eficiencia de las medidas aplicadas, se espera que el consumo de agua
en la agricultura aumente un 20% aproximadamente en todo el mundo de aquí a 2050.
Para la Industria tenemos que (UNESCO & WWAP, EL AGUA Y EL EMPLEO,
2016): La energía utiliza alrededor del 15% del total, lo que supone aproximadamente
un 4% para la gran industria y la industria manufacturera (pero sin incluir a todas las
pequeñas y medianas empresas que reciben agua de las redes de suministro
municipales). Sin embargo, se prevé que de aquí a 2050 la industria manufacturera
por sí sola aumentará el consumo de agua un 400%.
Igualmente para las aguas domesticas encontramos que (UNESCO & WWAP, EL
AGUA Y EL EMPLEO, 2016): Al colmar las necesidades relacionadas con el agua de
las familias (agua potable, saneamiento, higiene, limpieza, etc.), las instituciones (por
ejemplo escuelas y hospitales) y la mayoría de las pequeñas y medianas empresas,
las redes municipales representan el 10% restante del consumo mundial de agua
dulce.
2.2. Aguas residuales
Cualquier tipo de agua que contenga una calidad deficiente debido a que fue
afectada negativamente por atribución antropogénica se denomina agua residual, las
mismas que resultan de un sistema de abastecimiento de agua de una población.
Luego de ser modificadas por varios usos en actividades domésticas, comunitarias e
industriales, son llevadas por una red de alcantarillado que las trasladara hasta el
humedal, para este caso.
Se define como: Aquellas que son generadas por viviendas, instituciones, locales
comerciales e industriales. Éstas pueden ser tratadas dentro del sitio en el cual son
generadas (por ejemplo: tanques sépticos u otros medios de depuración) o bien
pueden ser recogidas y llevadas mediante una red de tuberías - y eventualmente
10
bombas - a una planta de tratamiento municipal. Los esfuerzos para colectar y tratar
las aguas residuales domésticas de la descarga están típicamente sujetos a
regulaciones y estándares locales, estatales y federales (regulaciones y controles). A
menudo ciertos contaminantes de origen industrial presentes en las aguas residuales
requieren procesos de tratamiento especializado (VINUEZA ESTEVEZ, 2014).
Tabla 2: Composición típica del agua residual domestica bruta.
Fuente: METCALF & EDDY, (1995).
Elaborado: Ingeniería de aguas residuales: tratamiento, vertido y reutilización.
Las aguas residuales domésticas son la mezcla de desechos líquidos de uso
doméstico evacuados de residencias, locales públicos, educacionales, comerciales e
11
industriales (Libro Vl, 2014, pág. 287), en la tabla #2 presentamos valores típicos de
la composición del agua residual.
2.2.1. Necesidad de la depuración de aguas residuales.
Es muy pertinente que exista una adecuada depuración para el agua residual
teniendo en cuenta ciertos objetivos en el proceso y varios principios. Prueba de ello
tenemos objetivos fundamentales como:
Disminuir y prevenir al máximo la contaminación y sus efectos.
Tener en cuenta los posibles efectos que tendrá hacia el ambiente, proteger al
máximo el habitad para precaver su estabilidad.
Implementar una política ambiental especial para la protección del medio de la
planificación del desarrollo industrial y urbano.
Descartar cualquier vertido de carácter toxico elevado, persistente y bio-
acumulativo.
Los principios y directrices que aprueban la consecución de los objetivos
mencionados deben de tener en cuenta las recomendaciones pertinentes a la
depuración de aguas residuales, y el acatamiento de la normativa vigente. Los puntos
a ser considerados comprendían, entre otros:
Efectuación de los principios prioritarios de prevención y reducción de la
contaminación.
Similitud en cuanto a la protección del medio ambiente con el desarrollo
económico y social.
Obtención de los correspondientes estudios de impacto ambiental en los
proyectos de depuración.
12
2.3. Características físicas del agua residual
En cuanto al agua residual sus características de mayor importancia son: contenido
de solidos totales, refiriéndose a la materia en suspensión, la materia coloidal, la
materia sedimentable y la materia disuelta. Otras características muy importantes son:
temperatura, olor, densidad y turbiedad.
2.3.1. Solidos totales.
Al momento de exponer el agua a temperaturas entre 103 °C y 105 °C y esta
alcanzar su punto de evaporación, el residuo que se obtiene aplicando este proceso
se le denomina como solidos totales.
De esta manera, se clasifica a los sólidos totales en sólidos suspendidos y sólidos
filtrables. La fracción de solidos que quedaría retenida por un filtro de membrana con
un tamaño de poro de 1.2 micras, constituye los denominados “sólidos suspendidos”,
y el resto los “sólidos disueltos o filtrables” (Mendonça, 2000).
2.3.2. Olor.
Es una característica de gran importancia en plantas de tratamiento de aguas
residuales, aún más si están situadas cerca de áreas pobladas.
El olor de un agua residual fresca y bien tratada es inofensivo, razonablemente
soportable, similar al olor que emite el moho. Pero cuando el proceso de degradación
de contaminantes se realiza en condiciones anaerobias (en carencia de oxigeno), se
libera una variedad de olores desagradables (San Vicente, 2003).
La medición del olor se da por métodos instrumentales o métodos sensoriales,
puesto que, el primordial compuesto que emite olor en el agua residual es el metano
y el sulfuro de hidrogeno.
13
2.3.3. Color.
El agua residual por lo general se percibe con un color grisáceo. Sin embargo, el
color se afecta de gris a gris oscuro al aumentar el tiempo en que este se transporte
por las redes de alcantarillado y desarrollarse en condiciones muy cercanas a las
aerobias y finalmente adquirir un color negro el cual produce que el agua se clasifique
como séptica.
2.3.4. Turbiedad.
Hace referencia a la dificultad del agua, para trasmitir la luz debido a materiales
insolubles en suspensión, como coloides o a su vez la turbiedad que es generada por
movimiento, los mismos que pueden ser de carácter arcilloso y materia orgánica. El
límite máximo permisible es de 10 NTU (unidades de turbidez nefelométricas) el cual
se da en el agua potable.
En aguas residuales no tratadas debido al 0.1% de material solido orgánico o
inorgánico suspendido son generalmente turbias a diferencia que en las tratadas esto
es un factor muy importante para su control de calidad. “La medición de la turbiedad
se realiza por comparación entre la intensidad de luz dispersa en una muestra y la luz
dispersa por una suspensión en referencia bajo las mismas condiciones” (Estándar
Methods, 2011).
2.3.5. Conductividad eléctrica.
Para iniciar se conoce como conductividad eléctrica como aquella medida de
capacidad que posee el agua para trasladar electricidad. Se determina in situ por
medio de un instrumento denominado conductivímetro (consta de medidor digital y un
electrodo) y según la normativa en Materia de Contaminación Hídrica no aclara un
valor de conductividad máxima para el reciclaje de aguas residuales.
14
La corriente eléctrica es transportada por iones en solución, por lo tanto el aumento
de la concentración de iones provoca un aumento en la conductividad (Crites y
Tchobanoglous, 2000).
2.4. Características químicas del agua residual
2.4.1. Potencial de hidrogeno (pH).
Más conocido como potencial de Hidrogeno, encargado de revelar la cantidad de
iones hidrogeno en una disolución. Usada como medición de la naturaleza acida o
alcalina de una solución acuosa.
En las aguas residuales urbanas, el pH se encuentra entre 6,5 y 8,5. Valores
elevados (mayores a 9,2) tienen efectos inhibidores del crecimiento de E. coli. Cuando
los valores están comprendidos entre 5 y 9 (situándose los más favorables entre 6,5
y 8,5) la vida de especies acuáticas es favorecida. En un vertido con pH ácido, se
disuelven los metales pesados; a su vez, el pH alcalino ocasiona que los metales
precipiten (I Cartró, 2003). El pH del agua se clasifica de la siguiente manera:
Tabla 3: Clasificación del pH del agua.
Fuente: Delgadillo, Camacho, Perez, & Andrade, (2010).
Elaborado: Depuración de aguas residuales por medio de humedales artificiales.
2.4.2. Compuestos orgánicos.
Estos pueden ser procedentes de animales o vegetales aunque ya se pueden
observar también los compuestos orgánicos sintéticos. Los compuestos que más se
pueden encontrar son los hidratos de carbono, proteína y alguno que otro derivado
de lípidos, la eliminación por medio de la oxidación de estos compuestos
biodegradables es sencilla.
15
Se puede decir que las proteínas son un 40% o 60% de materia orgánica del agua
residual y esto es el causante de los olores desagradables, ya sea por la
descomposición de la material. También tiene como característica que las aguas
residuales domesticas tienes una gran presencia de grasas y aceites con un
porcentaje del 10%, se debe tratar a tiempo ya que puede generar películas y
generando acumulación de materia en la superficie.
2.4.2.1. Compuestos orgánicos volátiles (COV).
Por lo general aquellos compuestos orgánicos que tienen su punto de ebullición
inferior a los 100°C y a su vez una presión de vapor superior a 1 mm Hg a 25°C, son
considerados compuestos orgánicos volátiles.
Según (METCALF & EDDY, 1995), el cloruro de vinilo, con un punto de ebullición
de - 139°C y una presión de vapor de 2.548 mm Hg a 20°C, es un ejemplo de
compuestos orgánico extremadamente volátil.
Los COV son muy importantes por varias razones, entre ellas tenemos:
Una vez que se encuentren en un estado gaseoso, son de mayor movilidad
por lo que se aumenta la probabilidad de su liberación al medio ambiente
De estar presentes en la atmosfera algunos de estos compuestos pueden
producir riesgos para en la salud pública
Contribuyen el aumento de hidrocarburos reactivos en la atmosfera, lo cual
ayuda a la producción de oxidantes fotoquímicos.
Verter este tipo de compuestos a una red de alcantarillado y plantas de tratamiento,
tiene gran importancia por cuanto se puede ver afectada la salud de los colaboradores
tanto en la red de alcantarillado como en las de planta de tratamiento.
El uso de los compuestos orgánicos volátiles como pesticidas o productos químicos
de uso agrícola es da gran afectación ya que muchos de estos compuestos químicos
16
están catalogados como contaminantes primarios, como por ejemplo: los pesticidas,
herbicidas y algunos productos químicos de uso agrícola debido a que son tóxicos
para la gran mayoría de formas de vida, tanto así, que pueden producir la muerte de
peces, contaminación de la carne del pescado (reduciendo el valor de nutrición que
este posee), y el empeoramiento en cuanto a la calidad de agua que es suministrada.
Este tipo de productos no son comúnmente constituyentes de las aguas residuales,
más bien suelen incorporarse a las mismas, primordialmente, como consecuencia de
los campos agrícolas, escorrentía de parques y tierras abandonadas.
2.4.2.2. Demanda bioquímica de oxígeno (DBO).
Es el parámetro de contaminación orgánica más ampliamente aplicado, se emplea
tanto a aguas residuales y aguas superficiales, como es la DBO a cinco días (𝐷𝐵𝑂5).
Esta determinación se relaciona con la medición del oxígeno disuelto que degradan
los microorganismos en el proceso de oxidación bioquímica de la materia orgánica.
Los resultados que generan los ensayos de DBO se emplean para:
Determinar el contenido aproximado de oxigeno que se necesitará para
estabilizar biológicamente la materia orgánica que se encuentre presente.
Dimensionar las instalaciones de tratamiento de aguas residuales
Medir la eficacia de algunos procesos de tratamiento
Controlar el cumplimento de las limitaciones a que están sujeto los vertidos
Para asegurar la fiabilidad de los resultados, es necesario diluir convenientemente
la muestra con una solución especialmente preparada de modo que se asegure la
disponibilidad de nutrientes y oxigeno durante el periodo de incubación. Normalmente
se suelen preparar diversas diluciones para cubrir todo el intervalo de valores de la
DBO que pueden ser medidos con varias diluciones, basadas en mezclas
17
porcentuales y pipeteo directo (METCALF & EDDY, 1995). A continuación, en la tabla
#4 presentamos los intervalos de valores de la DQO:
Tabla 4: DBO medible con diferentes diluciones de la muestra.
Fuente: Metcalf & Eddy, (1995)
La demanda bioquímica es de lento proceder, cuya duración es teóricamente
infinita. La oxidación del 95 a 99% de la materia carbonosa se completa en un periodo
de 20 días, y en los 5 días que dura el ensayo, se llega a oxidar entre el 60 y 70%.
Se asume la temperatura de 20°C como un valor medianamente representativo de
temperatura que se da en los cursos de agua que circulan a baja velocidad en climas
suaves, y es fácilmente duplicada en un incubador. Los resultados obtenidos a
diferentes temperaturas serán distintos, debido a que las velocidades de las
reacciones bioquímicas con función de la temperatura.
2.4.2.3. Demanda química de oxigeno (DQO).
Este ensayo se realiza para conocer el contenido de materia orgánica presente en
aguas residuales y en aguas naturales. Para este ensayo, se debe emplear un agente
químico (dicromato potásico ayuda a dar resultados favorables en este sentido) el
cual es fuertemente oxidante en medio acido ya que este nos ayuda a determinar el
equivalente de oxigeno que puede oxidarse en la materia orgánica. Es necesario que
18
el ensayo se realice a altas temperaturas, el sulfato de aluminio ayuda a facilitar la
oxidación de algunos compuestos orgánicos ya que funciona como catalizador.
Para medir la materia orgánica existente en aguas residuales, municipales y aguas
industriales que posean compuestos tóxicos que afectan a la vida biológica se puede
emplear el ensayo de la DQO.
La DQO de un agua residual por lo general tiende a ser mayor al respectivo DBO,
debido a que el mayor número de compuestos cuya oxidación se da por medio
químico referente a los que se oxidan por medio biológico. En varios tipos de aguas
residuales se puede determinar una relación entre los valores de la DBO y la DQO.
Ello resulta de mayor utilidad dado que es posible determinar la DBO en un tiempo de
3 horas, en comparación de los 5 días requeridos para determinar la DBO. Una vez
establecida la correlación entre ambos parámetros, pueden emplearse las medidas
de la DQO para el funcionamiento y control de las plantas de tratamiento.
2.4.2.4. Carbono orgánico total (COT).
Este método también es utilizado para medir la materia orgánica que se encuentra
en el agua, cuando se requiera determinar pequeñas concentraciones de materia
orgánica este sería el indicado. El proceder del mismo consiste en inyectar una
cantidad conocida de la muestra en un horno con temperaturas altas o a su vez en un
medio químicamente oxidante. Con ayuda de catalizadores el carbono orgánico
procede a oxidarse y forma anhídrido carbónico, esta producción es medida mediante
un analizador infrarrojos.
La aireación y la acidificación de la muestra anteriores al análisis eliminan los
posibles errores debidos a la presencia de carbono inorgánico. De darse a conocer la
presencia de compuestos orgánicos volátiles en la muestra, se descarta la aireación
de manera de que no se produzca su separación. El ensayo puede realizarse en muy
19
poco tiempo, y su uso se está extendiendo muy rápidamente. Sin embargo, algunos
compuestos orgánicos presentes pueden no oxidarse, lo cual conducirá a valores
medidos del COT ligeramente inferiores a las cantidades realmente presentes en la
muestra (METCALF & EDDY, 1995). En la tabla #2 podemos conocer valores típicos
del COT en aguas residuales.
2.4.3. Compuestos inorgánicos.
Los componentes inorgánicos que se encuentran en las aguas residuales urbanas
tienen como componentes a los sólidos ya sean minerales como arcillas, sales, lodos,
gravas y arenas, también puede encontrarse algunos compuestos ya sean sulfatos,
carbonatos, etc. Que se podrían modificarse y tener transformaciones químicas.
Tabla 5: Composición de los principales parámetros químicos de caracterización de un agua
residual.
Fuente: METCALF AND EDDY, (2003).
Elaborado: Joseph Montoya.
2.4.3.1. Nitrógeno.
Este elemento junto con el fósforo son esenciales para el desarrollo de protistas y
plantas, por lo que se les otorga el nombre de nutrientes o bioestimadores. Ambos
elementos en su mayoría de casos, son los primordiales elementos de nutrición.
20
Debido a que el nitrógeno es necesariamente básico para la síntesis de proteínas, es
de gran importancia conocer datos sobre la presencia del mismo que se encuentren
presentes en las aguas y en qué proporción se encuentra, para así valorar el posible
tratamiento de aguas residuales domesticas e industriales mediante procesos
biológicos. En el caso de que el contenido de nitrógeno sea deficiente, se requerirá
añadirlo para realizar el tratamiento del agua residual.
2.4.3.2. Fósforo.
Es muy importante para el crecimiento de algas y otros organismos biológicos,
gracias a que en aguas superficiales tienen lugar altas proliferaciones incontroladas
de algas, en la actualidad es de gran interés limitar el total de compuestos de fósforo
que alcanzan las aguas superficiales mediante vertidos de aguas residuales
industriales, domésticas y por medio de escorrentías naturales. (METCALF & EDDY,
1995) Nos cita como ejemplo el caso de las aguas residuales municipales, cuyo
contenido en fósforo como P puede variar entre 4 y 15 mg/l.
2.4.3.3. Cloruros.
La concentración de cloruros es un parámetro de calidad muy importante, debido
a que se encuentran en el agua natural procedentes de la disolución de suelos y rocas
que lo posean y se encuentren en relación con el agua. En el caso de tratarse de
aguas costeras, su presencia se debe también a la intrusión de aguas saladas. La
descarga de aguas residuales domésticas, industriales o agrícolas hacia aguas
superficiales, son otro tipo de fuente de cloruros.
Las heces humanas, por ejemplo, suponen unos 6g de cloruros por persona y día.
En lugares donde la dureza del agua sea mayoritaria, los compuestos que reducen la
dureza del agua también son una importante fuente de aportación de cloruros. Puesto
que métodos convencionales de tratamiento de las aguas no contemplan la
21
eliminación de cloruros en cantidades significativas, concentraciones de cloruros
superiores a los normales pueden constituir indicadores de que la masa de agua
receptora está siendo utilizada para el vertido de aguas residuales. La infiltración de
agua subterránea en las alcantarillas contiguas a agua saladas constituye una
potencial fuente de cloruros y sulfatos (METCALF & EDDY, 1995).
2.4.3.4. Alcalinidad.
En un agua residual la alcalinidad es provocada por existir la presencia de
carbonatos, hidróxidos y bicarbonatos de elementos tales como: el calcio, magnesio,
potasio, amoniaco o el sodio. Entre estos son más comunes el bicarbonato de calcio
y bicarbonato de magnesio. Es muy importante la alcalinidad debido a que regula los
cambios del pH que son producidos por la adición de ácidos.
Generalmente el agua residual es alcalina, esta propiedad es adquirida en las
aguas de tratamiento, agua subterránea y en aquellos materiales que se añadieron
en los usos domésticos.
2.5. Sistemas de tratamiento de aguas residuales
A la hora de hablar de las aguas residuales también se debe tener en cuenta el
tratamiento de estas aguas, aguas que por su composición pueden estar
contaminadas, afectadas por diferentes químicos o componentes físicos, las aguas
residuales pueden clasificarse en:
Aguas Residuales Domésticas: grasas, aceites, jabones, detergentes,
partículas sólidas, materia orgánica, residuos de alimentos, etc.
Aguas Municipales y Pluviales: aceites automotrices, residuos de alimentos,
solventes químicos, etc.
Aguas Industriales: grasas, aceites, jabones, aceites, solventes químicos,
diferentes materiales orgánicos, metales pesados y metales tóxicos, etc.
22
El tratamiento será diferente para cada tipo de agua, ya que dependiendo de su
composición esta agua tendrá diferentes procesos ya sean, físicos, químicos y
biológicos, cualquiera de estos 3 procesos llevaran a una eliminación de
contaminantes que se encuentren en el agua.
2.5.1. Físicos.
El proceso físico en el tratamiento de aguas residuales es lo primero que se va a
hacer, se realizara la separación de los sólidos con volúmenes más grandes como la
basura del agua empleando, colocando mallas o rejillas. Posteriormente se procederá
a realizar el cribado y tamizado donde separara los sólidos de mayor tamaño y no les
dará paso, generando así que el agua residual tenga menos solidos los cuales en el
proceso generen daños y obstrucciones.
2.5.1.1. Cribado.
El cribado es la primera operación a la hora de hablar de tratamiento de aguas
residuales, este proceso mecánico en el cual se logrará retraer los diferentes
materiales que se encuentran en el agua dependiendo del tamaño, esto funciona con
la colocación de una malla o una reja la cual a la hora de que ingrese el agua, las
partículas de tamaño pequeño (finos) pasaran y las de mayor tamaño se quedaran
como residuos.
Estas mallas son fabricadas de acero, las cuales removerán entre un 5% y 20% de
los sólidos en suspensión (tomado del estudio hecho por Laura Alejandra Florez
Lopez 3 de febrero 2015), su función principal es separar los sólidos más voluminosos
para no generar daños en bombas y los demás equipos.
2.5.1.2. Tamizado.
Se pretende casi lo mismo que el cribado, ósea no dar pasó a los materiales
gruesos así afinando en el trascurso de eliminación de residuos sólido. El tamizado
23
puede suplir en muchos casos los desbastes, logrando incluso eliminar arenas
gruesas y hasta porcentajes del 30% en grasas.
Podemos distinguir entre:
Macrotamizado: El paso de los tamices es > 02 mm El paso de los tamices es
> 02 mm.
Micro-tamizado: El paso de los tamices es < 100 micras.
Los tamices pueden clasificarse en:
Tamices estáticos: Que, a su vez, pueden ser planos o curvos
Tamices giratorios Tamices giratorios
Tamices con superficies móviles
2.5.2. Físico Químico.
El tratamiento físico químico del agua residual tiene como finalidad mediante la
adición de ciertos productos químicos la alteración del estado físico de estas
sustancias que permanecerían por tiempo indefinido de forma estable para
convertirlas en partículas susceptibles de separación por sedimentación.
Mediante este tratamiento puede llegar a eliminarse del 80% al 90% de la materia
total suspendida, del 40% al 70% de DBO5 y del 30% al 40% de DQO (Mangini,
Prendes, Amsler, & Huespe, 2003).
2.5.2.1. Coagulación.
Su función es desestabilizar los coloides, se produce por la eliminación de las
dobles capas eléctricas que rodean a todas las partículas coloidales, dando lugar a la
formación de un floculo. Esto se consigue mediante un producto químico (electrolito)
que es añadido al agua el cual se denomina coagulante, por lo general se usa sales
de hierro (cloruro férrico) y aluminio.
24
Los reactivos coagulantes más comúnmente utilizados son: sulfato de aluminio
(conocido también como sulfato de alúmina), sulfato ferroso, sulfato férrico y cloruro
férrico.
No obstante, cuentan con un inconveniente por ser muy sensibles a un cambio de
pH, de no cumplir con el intervalo requerido la clarificación es pobre y pueden
solubilizar Hierro o Aluminio y se generaría problemas, a continuación se presenta un
cuadro con los intervalos de pH requerido en cada uno de los reactivos coagulantes:
Tabla 6: Intervalos requeridos de pH.
Fuente: UCLM., (2014).
Elaborado: Carlos Flores; Michael Rivas.
2.5.2.2. Floculación.
La floculación es el proceso que sigue a la coagulación, que consiste en la agitación
de la masa coagulada que sirve para permitir el crecimiento y aglomeración de los
flóculos recién formados con la finalidad de aumentar el tamaño y peso necesarios
para sedimentar con facilidad. Estos flóculos inicialmente pequeños, crean al juntarse
aglomerados mayores que son capaces de sedimentar (Arboleda, 2000).
Con el fin de disminuir las dificultades en esta parte del proceso, se pueden usar
algunas sustancias o productos que sirven como ayudantes de floculación, con lo cual
se logra flóculos de mayor tamaño y de fácil sedimentación; entre los principales se
tienen a: oxidantes, como la percolación, que es útil para oxidar la materia orgánica
presente; adsorbentes, como la arcilla, la caliza, sílice en polvo y carbón activo, para
REACTIVO COAGULANTE INTERVALO DE PH
Sulfato de Alúmina 6 a 8
Sulfato Férrico 4 a 11
Cloruro Férrico más corto
25
aguas con alto valor de color. El más efectivo para trabajar con el coagulante sulfato
de aluminio es la sílice activa (UCLM., 2014).
2.5.3. Biológico.
En el tratamiento biológico de aguas residuales se tiene como mayor característica
el uso de microorganismos (bacterias) las cuales ayudan a la disolución de
componentes solubles que se pueden encontrar en el agua. Estas bacterias crecen
gracias a su capacidad de asimilar la materia orgánica y nutrientes entre ellos el
fósforo y el nitrógeno.
Este tratamiento se basa en que la materia orgánica soluble y coloidal como
también el fósforo y el nitrógeno sean eliminados. Por su bajo costo económico se
convierte en un tratamiento habitual ya sea para las aguas domésticas y las aguas
industriales. La mayor fuente de energía y carbono se encuentra en la materia
orgánica.
2.5.3.1. Aerobio.
El proceso aerobio como su nombre lo indica, significa que en este proceso
interviene el aire (oxigeno). Los microorganismos principalmente bacterias y
protozoos utilizan las moléculas de oxigeno que se encuentran en el agua para poder
asimilar contaminantes orgánicos y convertirlos en dióxido de carbono, agua.
Este proceso tiene como objetivo el crecimiento de los microorganismos, así
también entre sus funciones principales esta la degradación con la ayuda del oxígeno,
de la materia orgánica y parte de la nitrogenada.
Por ejemplo, en la actualidad este es uno de los procesos más óptimos el cual
contribuye con el oxígeno que requieren los microorganismos, con la ayuda de
soplantes el aire ingresara en forma de burbujas.
Ejemplos de sistemas de digestión aerobia:
26
Humedales
Fangos Activos Fangos Activos
Biodiscos
Filtrado por goteo
Estabilización de lodos
Ejemplos de bacterias aerobias:
Bacilos
Mycobacterium tuberculosis
Nocardia
Lactobacillus
Pseudomonas
Staphylococcus (facultativo)
Especies de Enterobacteriaceae (facultativas)
2.5.3.2. Anaerobio.
En primer lugar, este proceso trata sobre la conversión de la materia orgánica en
metano a través de procesos microbiológicos. En la naturaleza es muy común que se
produzca metano ya que se genera en glaciares y hasta en sistemas digestivos de
rumiantes. A diferencia del proceso aerobio, en este proceso principalmente es
generado por las bacterias.
Se lleva a cabo en los digestores, que son unos depósitos cerrados con un tamaño
aproximado de hasta 30cm de diámetro y 20cm de altura, en donde las reacciones y
la decantación de fangos se realizaran, produciendo un gas biológico que es la
combinación del gas metano con el CO2. Este proceso se lo puede realizar en ya sea
en 1 o 2 etapas que vendrían a ser:
Digestores primarios: En el proceso primario se mezclará el fango con el gas.
27
Digestores secundarios: sedimentación del fango.
Al momento de realizar las 2 etapas también se garantizará mejores resultados ya
que los fangos que ingresen al digestor mantendrán una homogeneidad. Para reducir
el proceso en tiempo, la temperatura deberá estar entre 30 - 37º, este proceso tiene
una duración de 30 días, los cuales serán 20 en el digestor primario y 10 en el digestor
secundario.
2.6. Los humedales y su clasificación
Una de las definiciones más utilizadas para la definición de humedales aparece
recogida en el Manual de la Water Enviroment Federation de los EE. UU, donde se
los describe como:
Zonas que se inundan periódicamente con una frecuencia y profundidad tales que
promueven el crecimiento de una vegetación específica adaptada a las condiciones
de los suelos saturados. Los humedales se forman de forma natural como zonas de
transición entre los ecosistemas acuáticos y las tierras altas (WEF, 1990).
Los humedales son un sistema por medios acuáticos de tratamiento no
convencional de aguas residuales los cuales están formados por plantas y animales
en los que se busca eliminar grandes cantidades de solidos suspendidos totales,
materia orgánica, nitrógeno y fósforo.
Los humedales tienen tres funciones básicas que les confieren atractivo potencial
para el tratamiento de aguas residuales (Lara, 1999):
Fijan físicamente los contaminantes en la superficie del suelo
la materia orgánica, utilizan y transforman los elementos por medio de los
microorganismos
Logran niveles de tratamiento consistentes con un bajo consumo de energía y
poco mantenimiento.
28
El objetivo de los humedales:
Mejorar la calidad del agua
Restaurar el medio ambiente
Estos sistemas purifican el agua mediante remoción del material orgánico (DBO),
oxidando el amonio, reduciendo los nitratos y removiendo fósforo. Los mecanismos
son complejos e involucran oxidación bacteriana, filtración, sedimentación y
precipitación química (Cooper, 1996).
Los humedales, podrán reemplazar el tratamiento secundario y según estudios
hasta el terciario de las aguas residuales, para un mejor tratamiento también se los
podrán emplear ya sea como etapa secundaria o terciaria de proceso (Delgadillo,
Perez, Camacho, & Andrade, 2010). En la etapa secundaria, se necesitará fosas
sépticas o tanques Imhoff. Y en la etapa terciaria, por lagunas, biodiscos o lechos
bacteriano (Jacome, Molina, & Suarez, 2011).
Los humedales pueden surgir de terrenos a los que se descargan aguas residuales,
o construirse intencionadamente. En ambos casos se promueven ecosistemas
artificiales donde se acelera la actividad microbiana, con lo que se potencia la
capacidad para descomponer materia orgánica y reciclar elementos, obteniéndose la
mejora de la calidad del agua (Jacome, Molina, & Suarez, 2011).
Los humedales se pueden clasificar en (Garcia Serrano & Corzo Hernandez, 2008):
Humedales naturales
Humedales artificiales
29
Ciénagas Micrófitos flotantes
Pantanos Micrófitos sumergidos
Micrófitos emergentes
Flujo superficial
Flujo sub-superficial
Vertical
Horizontal
Fuente: Jacome, Molina, & Suarez, (2011).
Elaborado: Carlos Flores C; Michael Rivas.
2.6.1. Humedales naturales.
Se pueden encontrar una gran variedad de definiciones a la hora de hablar de los
humedales naturales, pero:
Según Joan García Serrano y Angélica Corzo Hernández (2008), ¨los sistemas
naturales son aquellos que logran la eliminación de las sustancias contaminantes de
las aguas residuales a través de mecanismos y procesos naturales los cuales no
requieren de energía externa ni de aditivos químicos¨.
Los humedales naturales no son producto del hombre, son uno de los ecosistemas
más importantes del planeta ya que tienen la característica de almacenar, transformar
los sólidos suspendidos totales y la materia orgánica, los cuales están formados por
plantas, animales y microorganismos que son adaptados al ambiente, la unión de
HUMEDALES
NATURA ARTIFICIA
Tabla 7: Clasificación de los humedales
30
todos estos componentes más la ayuda de procesos físicos y químicos serán los
encargados de depurar el agua.
La definición mundialmente más conocida sobre los humedales naturales es la que
se dio en el año 1971 en Ramsar (Irán) en la convención sobre los humedales en
donde 18 representantes de diversos países firmaron el convenio, definiéndolo como:
"Los humedales son las extensiones de marismas, pantanos y turberas, o
superficies cubiertas de aguas, sean éstas de régimen natural o artificial,
permanentes o temporales, estancadas o corrientes, dulces, salobres o saladas,
incluidas las extensiones de agua marina cuya profundidad en marea baja no exceda
los seis metros” (Ramsar, 1971).
Se efectuó una clasificación de los humedales naturales habiendo contemplado el
ámbito acuático marino y costero. Para la protección y cuidado de estos ecosistemas
se realizó una clasificación de cinto tipos de humedales naturales reconocidos por la
convención en Ramsar (Ramsar, 1971).
Tabla 8: Clasificación de los humedales naturales
Elaborado: Tesis doctoral Pedro Martínez; Carlos Flores.
31
"Podrán comprender sus zonas ribereñas o costeras adyacentes, así como las islas
o extensiones de agua marina de una profundidad superior a los seis metros en marea
baja, cuando se encuentren dentro del humedal" (Ramsar, 1971).
Una de las diferencias más palpables entre los humedales y los sistemas no
convencionales es:
El consumo nulo de energía
Necesidad de extensas áreas para realizar los humedales
Son sistemas de bajo costo
No se necesita mano de obra especializada para su manejo o su
mantenimiento.
2.6.2. Humedales artificiales.
El aumento de aguas residuales es inminente ya sea por el aumento poblacional,
industrial o agrícola, este aumento ha generado que la ingeniería busque alternativas
para el tratamiento de esta priorizando la autonomía, la depuración eficiente y que
sean económicamente viables. Entre las soluciones que ha generado esta búsqueda
están los humedales artificiales que son un sistema que emulan los fenómenos que
ocurren en la naturaleza. Estos sistemas de humedales artificiales generan efluentes
de buena calidad, con el beneficio de que es un sistema de bajo costo, inversión y
mantenimiento.
En estos últimos años para la depuración de aguas se ha aumentado la utilización
de estos sistemas de humedales y en la actualidad son la opción de tratamiento más
recomendable y reconocido. Tras diferentes estudios a los humedales artificiales se
ha comprobado su efectividad a la hora de la remoción de contaminantes sólidos y
solubles, también eliminando sustancias toxicas que muchas veces no son tratadas y
estas aguas no son tratadas y son esparcidas nuevamente al medio ambiente.
32
Para García y Corzo (2008): Los humedales artificiales son sistemas de depuración
constituidos por lagunas o canales poco profundos (de menos de 1 metro), plantados
con vegetales propios de las zonas húmedas y en los que los procesos de
descontaminación tienen lugar mediante las interacciones entre el agua, el sustrato
sólido, los microorganismos, la vegetación e incluso la fauna. (Garcia Serrano & Corzo
Hernandez, 2008).
Estos sistemas de tratamientos han ayudado para la depuración de diferentes
aguas residuales, entre ellas:
Aguas domésticas y urbanas.
Aguas industriales, incluyendo fabricación de papel, productos químicos y
farmacéuticos, cosméticos, alimentación, refinerías y mataderos entre otros.
Aguas de drenaje de extracciones mineras.
Aguas de escorrentía superficial agrícola y urbana. (Delgadillo, Perez,
Camacho, & Andrade, 2010).
Los humedales básicamente tratan de desarrollar cultivos de macrófitas enraizadas
en un terreno impermeabilizado, son lagunas o canales de poca profundidad. Estos
tratamientos artificiales se hacen posible gracias a la ayuda de las macrófitas ya que
ellas realizan interacciones químicas, físicas biológicas con las cuales el agua residual
es depurada.
Esta clasificación de los tipos de humedales artificiales (Delgadillo, Perez,
Camacho, & Andrade, 2010):
33
Fuente: Delgadillo, Perez, Camacho, & Andrade, (2010).
Elaborado: Carlos Flores; Michael Rivas.
2.7. Principios de Funcionamiento de los humedales artificiales
Para empezar los humedales artificiales, habitualmente se encasillan dentro de los
humedales naturales como tratamientos de aguas residuales. Se lleva a cabo esta
depuración por la interacción de los componentes del humedal y los procesos físicos,
químicos, biológicos que ocurren dentro de este, con la ayuda del sol, ya que es la
fuente principal de energía. Procesos que ayudan a la depuración de aguas residuales
en (Arias I., 2003):
Macrofitas
Flotantes
Horizontal
Flujo
Subsuperficial Flujo Superficial
Macrofitas
Emergentes
Macrofitas
Sumergidas
Humedales Artificiales
Vertical
Tabla 9: Clasificación de los humedales artificiales.
34
Tabla 10: Procesos que ayudan a la depuración de aguas. HFS: humedales flujo superficial, HFSS:
humedales flujo subsuperficial, HFV: humedales flujo vertical.
CONTAMINANTES HFS HFSS HFV
Materia orgánica
Reducción de la DBO
soluble por
conversión biológica
por efecto de bacterias
aerobias, facultativas
y anaerobias que
crecen en la superficie
de las plantas y sobre
los detritos. La DBO
particulada elimina
por absorción, por
filtración y por
sedimentación.
Reducción por
conversión
biológica por
intervención de
bacterias
facultativas y
anaeróbicas
adheridas a las
superficies de las
plantas y los detritos
del medio de relleno
del humedal.
Reducción por
conversión biológica
por medio de
bacterias facultativas
y anaeróbicas
adheridas a las
superficies de las
plantas y detritos.
Materia en
suspensión
Filtración y
sedimentación.
Filtración y
sedimentación.
Filtración.
Nitrógeno
Procesos de
nitrificación-
desnitrificación,
asimilación por las
plantas y
microorganismos.
Nitrificación-
desnitrificación,
asimilación por las
plantas y
volatización.
Nitrificación-
desnitrificación,
asimilación por las
plantas y
volatización.
35
Fósforo
Reducción por
sedimentación y por
asimilación por medio
de las plantas y
microrganismos.
Por filtración,
sedimentación,
adsorción, por
asimilación por
parte de las plantas
y microorganismos
Filtración,
sedimentación,
absorción y
asimilación por las
plantas.
Metales pesados
Absorción a las
plantas, superficie de
detritos y pos
sedimentación.
Absorción a las
raíces de las plantas
y los detritos,
sedimentación.
Absorción a las
raíces de las plantas,
sedimentación y
filtración.
Contaminantes
orgánicos
Volatización,
absorción,
biodegradación.
Absorción,
biodegradación.
Volatización,
absorción,
biodegradación.
Fuente: Arias I., (2003)
Elaboración: Ciencia e Ingeniería Neogranadina
Los humedales artificiales o construidos mejoran el hábitat de vida, sirve de
tratamiento básico como también sirven como tratamiento avanzado, también pueden
servir como recreación. Su tamaño podrá variar ya sea con pequeños efluentes de
tanques sépticos como hasta grandes unidades de más de 16,888 hectáreas (Arias
I., 2003).
2.8. Humedales artificiales de macrófitas flotantes
Este tipo de humedales que utilizan las macrófitas flotantes están constituidos por
una o varias lagunas profundas en las que se puede observar plantas flotando en la
superficie del agua (Ilustración #3). Existen dos diferencias que se pueden ver a
simple vista entre los humedales construidos con plantas flotantes y los de laguna
36
convencional, y es la profundidad de los estanques y que la vegetación será flotante
y no algas (Kadlec, y otros, 2000).
La presencia de estas plantas (macrófitas flotantes) en la superficie generara que
el viento no genere turbulencias en el agua y esto ayudara a la sedimentación por
gravedad de sólidos en suspensión (Martinez, 2014), las bacterias se moverán
libremente y la materia orgánica se eliminara por metabolismos de las bacterias y con
la ayuda de las raíces de las plantas. El nitrógeno del agua es eliminado por las
plantas y el amonio por medio de la nitrificación y la desnitrificación (Reddy, 1981).
Ilustración 3: Humedal de macrófitas flotantes.
Fuente: Wikipedia, (2007).
2.9. Humedales artificiales de macrófitas sumergidas
La utilización de este tipo de humedal no es muy común, ya que aún no está
completamente desarrollado, pero se lograra encontrar este tipo de sistemas. Se
podrá observar crecer en la mayoría de humedales construidos de flujo superficial las
macrófitas sumergidas de forma natural (Martinez, 2014).
Comprenden algunos helechos, numerosos musgos y carófitas y muchas
angiospermas. Se encuentran en zonas a la cual llega la luz solar, aunque las
37
angiospermas vasculares sólo viven hasta los 10 m de profundidad aproximadamente
(Delgadillo, Perez, Camacho, & Andrade, 2010).
Principalmente en estos humedales se lograra la eliminación del fósforo por medio
de la colonización natural de macrófitas sumergidas con el nido de pez (Najas
Guadalupensis) y el pinito de agua (Ceratophyllum demersum) (Gu, y otros, 2001).
2.10. Humedales artificiales de macrófitas emergentes.
2.10.1. Humedales artificiales de macrófitas emergentes de flujo superficial.
Para la EPA (EPA, 2000) en su estudio de aguas residuales Humedales de flujo
libre superficial, Se definen como ̈ humedales artificiales de flujo libre superficial (FLS,
free wáter surface wetlands) aquellos sistemas en los cuales el agua está expuesta a
la atmósfera. La mayoría de los humedales naturales son sistemas FLS entre los que
se incluyen a los fangales y praderas inundadas¨.
Inicialmente en los humedales de flujo superficial básicamente es que se tendrá
una entrada para el ingreso del agua a tratar al humedal y la cual fluirá por la superficie
del área del terreno con vegetación, hasta una zona de descarga (EPA, 2000).
Ilustración 4: Humedal superficial.
Fuente: Mena, (2010).
El funcionamiento de los humedales artificiales (FLS) habitualmente constan de
una o varias cuencas o tubos los cuales seran poco profundos, tendran un
38
recubrimiento en el fondo el cual servira para la prevencion de la percolacion al agua
freatica que se puede contaminar facilmente. Tambien se podra observar al fondo del
humedal una capa de suelo que sera para el buen funcionamiento y el enraizamiento
de las raices de la vegetacion de macrofitas emergentes seleccionadas al fondo del
humedal (EPA, 2000).
Se tendra que realizar un estudio minusioso para generar que el agua tratada a la
hora de su ingreso al humedal tenga una distribucion igual. A la hora de seleccionar
la vegetacion emergente para los humedales de flujo libre superficial usualmente
seran las Typha spp, Scirpus spp o las Phragmites spp. Por otro lado en los sistemas
de tratamiento, es frecuente que se observen uno o dos tipos de vegetacion. Como
caracteristica en este tipo de humedal se puede observar que la vegetacion
emergente generara sombra a la superficie del agua, para reducir la turbulencia del
agua que es producida por el viento. Probablemente lo mas importante seran las
plantas vivas que se encuentran sumergidas y que son las que facilitan el sustrato
fisico que servira para el desarrollo de organismos perifiticos adheridos y los cuales
son los engargados de gran parte del tratamiento biologico (EPA, 2000).
Por otro lado, el ingreso del efluente tendra una velocidad lenta que facilitara una
efectiva remocion del material particulado en el ingreso del humedal. Como ejemplo
de material particulado podemos decir que son los solidos suspendidos totales (SST),
que se caracterizan por tener componentes con demanda bioquimica de oxigeno
(DBO), fósforo total, nitrogeno total, metales. Con la oxidacion el nitrogeno total,
fósforo total y el DBO se vuelven solubles y se liberan al medio ambiente en donde el
suelo, la poblacion microbiana y vegetales se encargan de la absorcion y la remocion
de estas (EPA, 2000).
39
Ilustración 5: Entrada y salida del agua en el HFLS.
Elaborado: Joan García Serrano; Angélica Corzo Hernández.
2.10.2. Humedales artificiales de macrófitas emergentes de flujo sub-
superficial.
Para comenzar estos humedales se caracterizan en que el flujo del agua fluye
lentamente y se realiza de forma subterránea por medio de una zona granular (grava,
arena, tierra, carbón, etc.) de suficiente permeabilidad, que tiene una profundidad
aproximada de 60 cm. En este sistema, el agua está en total contacto con los rizomas
y con las raíces de las plantas que se encuentran plantadas en este material granular.
Tabla 11: ventajas y desventajas del HFSS.
Fuente: Sánchez Nazly, et al, (2008).
Elaborado: Carlos Flores; Michael Rivas.
Ventajas Desventajas
− Alto rendimiento para la remoción de MO,
DBO, DQO, SST, N, P y metales pesados. − No recomendable en zonas con climatología extrema.
− Integración en el medio − Limitación de pendiente del terreno inferior al 5%.
− No existe producción de lodos− Operación eficiente hasta que se desarrolle la vegetación (3-6
meses).
− Requieren menos superficie que los
humedales de flujo libre.
− Exigentes cuidados durante el proceso de construcción, errores
conllevan deficientes procesos de tratamiento y a altas
inversiones de reconstrucción
− Problemas de olores e insectos mínimos.
− La retención de metales pesados aumenta su acumulación en
los sedimentos del lecho filtrante que con el tiempo reduce la
eficiencia del proceso siendo necesario la renovación del medio
granular, implicando mayores costos
− Poco o nulo consumo energético.
− Bajo coste de operación y mantenimiento.
40
2.10.2.1. Humedales artificiales de macrófitas emergentes de flujo sub-
superficial vertical.
Este tipo de sistema de flujo subsuperficial es colmado intermitentemente. De esta
forma, las condiciones de saturación con agua en la cama matriz son seguidas por
períodos de instauración, estimulando el suministro de oxígeno (Delgadillo, Perez,
Camacho, & Andrade, 2010) . Hay muchas posibilidades de variar la distribución de
intervalos, la composición de la cama matriz, etcétera, y los resultados que se han
obtenido son promisorios (Kolb, P., 1998)
Estos humedales verticales como su nombre lo indica, reciben el agua residual de
arriba para abajo (Ilustración #6) en donde el agua se recogerá en el fondo del
humedal por medio de una red de drenaje. Normalmente en estos sistemas se suele
colocar un sistema de aeración con chimenea, que consiste en la colocación de
tuberías con salida al exterior en el fondo del humedal, la diferencia más notable entre
el flujo horizontal y flujo vertical es el aumento de la grava hacia abajo (Delgadillo,
Perez, Camacho, & Andrade, 2010).
Ilustración 6: Humedal construido de flujo subsuperficial vertical.
Elaborado: Joan García Serrano; Angélica Corzo Hernández
41
2.10.2.2. Humedales artificiales de macrófitas emergentes de flujo sub-
superficial horizontal.
Por investigaciones de Seidel este es el sistema más utilizado en Europa, este
diseño consiste que en el fondo del humedal tiene una cama de material granular
(tierra, arena, grava) recubierta con una menbrana impermeable que eviten
filtraciones y las macrófitas acuáticas esten plantadas en el fondo, comunmente se
utiliza caña o Phragmites australis (Kolb, P., 1998)
Ilustración 7: Pendiente que debe tener el HFLSH.
Elaborado: Tesis doctoral Evaluación y Diseño de un Humedal Construido para la Depuración de
Aguas Residuales Domésticas. (Dr. Pedro Andreo Martínez).
La profundidad de humedal esta entre 45cm a 1m con pendientes que van de 0.5%
a 1%. Inicialmente su funcionamiento comienza con el ingreso del agua residual al
humedal, la cual se repartira homogeneamente por todo el humedal. Primero pasara
lentamente por una zona de amortiguacion que esta formada por grava de mayor
tamaño. El agua residual se ira tratando a medida que fluya lateralmente, se aconseja
que el agua que ingresa tenga un nivel aproximado por debajo a la superficie de 5cm
a 10cm (Garcia Serrano & Corzo Hernandez, 2008). La grava que se coloque en el
fondo para la plantacion sera grava fina aproximadamente entre 3mm a 32mm.
0.5% a 1%
42
Tambien se debe tener en cuenta que los humedales cuentan con zonas aerobicas,
anaerobicas los cuales seran los encargados de degradar la materia organica con
ayuda de baceterias donde se infiltrara oxigeno al subsuelo.
En las investigaciones (Vymazal, J. & Kröpfelová, L, 2006) han demostrado que la
capacidad de transportar oxígeno por parte de las macrófitas no es suficiente para
asegurar una descomposición aeróbica en la rizosfera y que la zona anóxica junto
con la zona anaeróbica juegan un papel importante en los humedales construidos de
flujo subsuperficial horizontal.
La nitrificacion y la desnitrificacion es la encargada de la eliminacion del nitrogeno,
permanentemente estan inundados.
Ilustración 8: Corte transversal del Humedal de flujo subsuperficial horizontal.
Elaborado: Joan García Serrano; Angélica Corzo Hernández
2.11. Partes del humedal sub-superficial y sus componentes
Los partes que contiene un humedal son los siguientes:
Estructuras de entrada del afluente
Impermeabilización del fondo y laterales ya sea con láminas sintéticas o
arcilla compactada
Medio granular
Vegetación emergente típica de zonas húmedas
Estructuras de salida regulables para controlar el nivel del agua
43
Los componentes que forman el humedal son:
El agua
El relleno – sustrato
La vegetación
2.11.1. El agua.
Según su uso, estas aguas son de la composición de líquidos y residuos sólidos
que se generan de los diferentes hogares, oficinas, edificios comerciales e
instituciones, junto con residuos de industrias, de actividades agrícolas, así como las
aguas subterráneas, superficiales o de precipitación (Mendonça, 2000).
El agua del afluente del humedal vendría a ser un agua residual, que son de las
diferentes actividades domésticas que se realizan a diario. Para Lara el agua es el
componente más importante en la composición de los humedales por la razón que
este está relacionado con la hidrología y genera que se realicen todas las funciones
(Lara, 1999):
Pequeños cambios en la hidrología pueden tener efectos en el humedal
y en la efectividad del tratamiento.
Debido al área superficial del agua y su poca profundidad, el sistema
interactúa fuertemente con la atmósfera a través de la lluvia y la
evapotranspiración (la perdida combinada de agua por evaporación de
la superficie de agua y perdida a través de la transpiración de las
plantas).
La densidad de la vegetación puede afectar fuertemente la hidrología
del humedal, ya sea obstruyendo caminos de flujo, modificando el
movimiento sinuoso del agua a través de la red de tallos, hojas y raíces,
o bloqueando la exposición del sistema al viento y al sol.
44
2.11.2. El relleno – sustrato.
El medio granular propiamente del humedal está delimitado por las zonas de
entrada y salida. Éste debe estar limpio (exento de finos) ser homogéneo, duro,
durable y capaz de mantener su forma a largo plazo. Además, debe permitir un buen
desarrollo de las plantas y del biofilm. Los materiales graníticos con diámetros medios
de alrededor de 5-6 mm ofrecen muy buenos resultados, además en este caso se
pueden alcanzar reducciones del 60% de nitrógeno (Garcia Serrano & Corzo
Hernandez, 2008)
2.11.3. La vegetación.
La labor que desempeña la vegetación en los humedales está definida por sus
raíces y rizomas enterrados. Las plantas receptan la energía solar para convertir el
carbono inorgánico en carbono orgánico, por lo tanto, denominadas como organismos
foto autótrofos. Tienen la capacidad de transportar el oxígeno desde la atmosfera
mediante sus hojas y tallos hasta sus raíces. Por tanto, el oxígeno crea zonas
aerobias donde los microorganismos hacen uso de este oxígeno para elaborar
diferentes reacciones de degradación de materias orgánicas y nitrificación (Arias,
2004).
Según Lara (Lara, 1999), las plantas emergentes contribuyen al tratamiento del
agua residual y escorrentía de varias maneras:
Estabilizan el substrato y limitan la canalización del flujo.
Dan lugar a velocidades de agua bajas y permiten que los materiales
suspendidos se depositen.
Toman el carbono, nutrientes, y elementos de traza y los incorporan a los
tejidos de la planta.
Transfieren gases entre la atmósfera y los sedimentos.
45
El escape de oxígeno desde las estructuras subsuperficiales de las plantas,
oxigena otros espacios dentro del substrato.
El tallo y los sistemas de la raíz dan lugar a sitios para la fijación de
microorganismos.
Cuando se mueren y se deterioran dan lugar a restos de vegetación.
El cuadro a continuación detalla la clasificación de los humedales según la planta
acuática sobresaliente:
Tabla 12: humedal según la planta acuática sobresaliente.
Fuente: Jacome, Molina & Suarez, (2011)
Elaborado: Kadlec
En general se obtienen buenos resultados con plantaciones de carrizo (Phragmites
australis), espadaña (T. angustifolia) o juncos (Scirpus lacustris). En Europa la planta
más utilizada es el carrizo, con densidades de plantación de 3 ejemplares por metro
cuadrado (Garcia Serrano & Corzo Hernandez, 2008).
46
Ilustración 9: Plantación de plántulas de carrizo en un sistema de flujo subsuperficial.
Elaborado: Joan García Serrano; Angélica Corzo Hernández.
2.11.3.1. Typha.
También conocido como Espadaña, Ernea, Junco y Bayunco, pertenece a la familia
de los Tifocea y posee una salinidad máxima de 30 ppt con un pH de 4-10. Su
distancia de siembra es de 60 cm, de rápido crecimiento aún bajo diversas
condiciones medio ambientales con una valoración ecológica buena (Lara, 1999).
Ilustración 10: Planta tipo espadaña (typha).
Fuente: Wikipedia, (2007).
2.11.3.2. Scirpus.
Llamada también Totora pertenece a la familia Ciperácea, contiene un pH de 4-9,
y contenido de salinidad máxima de 20ppt. La distancia de siembra es de 30 cm,
crecen en aguas costeras, interiores salobres y humedales a una profundidad desde
5cm hasta 3 m (Lara, 1999).
47
Ilustración 11: Planta tipo totora (scirpus).
Fuente: Wikipedia, (2007).
2.11.3.3. Phragmite.
Conocida además como Carrizo, integra la familia de la Gramínea, posee un pH de
2-8, una salinidad máxima de 45 ppt y ofrecen una baja demanda alimenticia. Estas
tienen una distancia de siembra de 60 cm por lo que son más eficaces en la
transportación de oxígeno, sus rizomas ingresan verticalmente con más profundidad
(Lara, 1999).
Ilustración 12: Planta tipo Carrizo (phragmite).
Fuente: Wikipedia, (2007).
2.11.3.4. Echinochloa polystachya Hitch.
Pertenece a la familia de las Poaceae, más comúnmente conocida como pasto
alemán, Es una gramínea perenne, muy robusta con tallos erectos cuando son
jóvenes y decumbentes posee una altura de 90 cm en su etapa adulta, con contenido
48
de proteína de 13,8% a las cuatro semanas, está distribuida en: América del Norte,
Mesoamérica, Caribe, América del Sur, esta es una especie nativa de pantanos, lagos
y costas de las tierras húmedas (León, 1995).
Ilustración 13: Planta tipo pasto aleman (Echinochloa polystachya).
Fuente: Wikipedia, (2007).
2.12. Normas generales para descarga de efluentes a cuerpos de agua marina
Según el acuerdo ministerial No. 028/Tabla 11 del ministerio del ambiente:
Se prohíbe la descarga de aguas residuales domesticas e industriales a cuerpos
de agua salobre y marina, sujetos a la influencia de flujo y reflujo de mareas. Todas
las descargas a cuerpos de agua estuarinos, sin excepción, deberán ser
interceptadas para tratamiento y descarga de conformidad con las disposiciones de
esta norma. Las Municipalidades deberán incluir en sus planes maestros o similares,
las consideraciones para el control de la contaminación de este tipo de cuerpos
receptores, por efecto de la escorrentía pluvial urbana.
Las descargas de efluentes a cuerpos de agua marina, se efectuarán teniendo en
cuenta la capacidad de asimilación del medio receptor y de acuerdo al uso del recurso
que se haya fijado para cada zona en particular.
Las descargas de efluentes a cuerpos de aguamarina para zonas del litoral
consideradas de interés turístico y donde se priorice la defensa de la calidad del agua
49
para recreación con contacto primario, deberán ser dispuestas previo tratamiento,
mediante emisarios submarinos y en estricto cumplimiento de los límites fijados en la
columna B de la tabla 11 de la presente norma, cuyas concentraciones corresponden
a valores medios diarios. Para la instalación de emisarios submarinos se tendrán en
cuenta las siguientes consideraciones:
a) Se aplicará de forma obligatoria y como mínimo, un tratamiento primario antes
de la cámara de carga del emisario submarino.
b) Los diseños e instalaciones de los emisarios submarinos que propongan los
regulados, serán sometidos a aprobación de la Autoridad Ambiental Nacional y
deberán contar con el respectivo proceso de licenciamiento ambiental.
50
Tabla 13: Límites de descarga a un cuerpo de agua marina (acuerdo ministerial 028/tabla 11).
Elaborado: Ministerio del medio ambiente.
51
Capitulo IIl
Marco Referencial
3.1. Características de la zona – Ubicación.
El humedal está ubicado dentro de las instalaciones del Edificio residencial ¨Bimini¨
en la costa del Ecuador en la provincia de Santa Elena, concretamente es la
comunidad de Punta Blanca, este humedal se encuentra a una altura de 7.50 metros
sobre el nivel del mar. Por otro lado, debemos decir que el edificio residencial Bimini,
cuenta con 17 pisos y cuenta con 34 departamentos.
Ilustración 14: Ubicación en GPS del edificio Bimini.
Fuente: GoogleMaps, (2018).
Se debe tener en cuenta que las aguas residuales domesticas que son generadas
por el edificio Bimini y que pasan por el sistema del humedal son enviadas al cuerpo
receptor marino que se encuentra a 27 metros de distancia del humedal, teniendo la
precaucion de no afectar la arena, cuerpo receptor marino, especies marinas y a los
turistas que se encuentren cerca del humedal siguiendo las leyes del acuerdo
ministerial 097 tabla 10.
52
Ilustración 15: Lugar para toma de muestra (humedal construido).
Elaborado: Carlos Flores; Michael Rivas.
El tipo de clima en esta zona es considerado ¨desértico¨, con una temperatura
media anual de 24,1°C. El mes más cálido es Marzo con temperaturas promedio de
26,5°C, y en el mes de Agosto se puede considerar la temperatura promedio más baja
con 22°C. Se tiene una precipitación media anual de 155mm.
El sistema del Humedal artificial está compuesto por una cámara séptica y filtro
anaerobio, en este caso, se lo utilizó como un sistema de pre tratamiento para aguas
residuales domesticas del humedal. También consta con el humedal construido el
cual se encargará de remover y purificar el agua mediante remoción del material
orgánico (DBO).
Ilustración 16: Sistema de Tratamiento del Humedal Construido.
Elaborado: Humedal construido (Memoria de cálculo).
53
3.2. Sistema de pre tratamiento.
Este sistema de pre tratamiento para aguas residuales domesticas está formado
por un filtro anaeróbico, el cual es un reactor biológico de cámara fija. Al paso del
agua cruda por el filtro, se retienen las partículas y la materia orgánica se degrada por
aquella biomasa que se encuentra en el material del filtro.
Mencionada tecnología se fundamenta en un tanque de sedimentación también
conocido como fosa séptica seguido de cámaras de filtración. En condiciones
normales posee un resultado bastante eficiente al momento de realizar el pre
tratamiento en el transcurso de sus debidos procesos, es decir, a su paso por el pozo
de bombeo el agua asciende por un tubo de impulsión de aguas servidas de ø110mm
hasta un tanque séptico de 2m de altura para luego pasar por el filtro anaerobio y con
ayuda de la gravedad desciende a través de una galería de filtración por un área de
ø160mm con una pendiente de 0.5% y posteriormente por una tubería de desagüe de
ø110mm con una pendiente de 1% hasta su llegada al área de pozo de infiltración.
En conclusión, la función principal del pre tratamiento es evitar el paso de cualquier
material con un diámetro considerable que pueda ocasionar algún tipo de obstrucción
en el lecho al momento de la entrada al humedal.
3.3. Características del humedal superficial de flujo subsuperficial.
El humedal está recogiendo todas las aguas residuales del sistema de
pretratamiento. Las dimensiones que tiene este humedal en la longitud de la parte
superior son de 31,17 x 21,18 m, en cuanto que en la base es de 20 x 30 m; Por otro
lado, la profundidad que tiene el humedal es de 90 cm, con la pendiente de 0,35% y
talud de 60⁰.
Es decir que la superficie total del humedal es de 600 m² aproximadamente, la
vegetación que se utilizo es el pasto alemán (Echinochloa polystachya). El humedal
54
está formado de una geomembrana impermeable y de una geomembrana HDPE que
están ubicadas en todo el contorno del humedal para evitar la filtración del agua, por
otra parte, también consta con material de relleno como es grava de ø 1 ½¨, piedra
azul de ø2¨, arena gruesa de rio, tierra de sembrado, para finalizar cuenta con
estructuras de entrada y salida del agua.
Por consiguiente, para la impermeabilización del humedal de flujo subsuperficial se
tomó en cuenta que:
Se instaló una geomembrana, que está en contacto con el terreno que
será ¨arena gruesa de rio¨, el cual debe estar compactado y limpio de
cualquier material que pueda dañar la geomembrana.
Esta misma geomembrana será impermeable para evitar fugas de agua.
De la misma forma se aplicó una capa de geomembrana HDPE con un
mínimo de espesor de 1,5 mm, que es de baja permeabilidad y servirá
para evitar la migración de fluidos.
Hay que tener presente que el material de relleno sirve como soporte para la
vegetación superficial, también ayuda a los procesos físico – químicos y biológicos
que se realizaran. El material de relleno estará formado por varias fracciones de
distinto tipo.
arena gruesa de rio que servirá como base para el humedal
grava de ø 1 ½¨ diámetro que está en el fondo del humedal
acompañada de piedra azul de ø2¨ de diámetro que estará al inicio
y al final del humedal para ayudar al sistema de tratamiento
mejorando la eficiencia.
Nuevamente se colocó arena gruesa de rio con un espesor de 10 cm
55
En la parte superior del humedal se puso tierra de sembrado con una
altura de 10 cm, para poder poner la vegetación.
Para la entrada al humedal se tiene un tubo que repartirá el agua subsuperficial, el
cual estará recubierto en su parte superior con arena gruesa de rio y en su parte
inferior con piedra azul. El tubo que reparte el agua estará fabricado en PVC de ø6¨
de diámetro, el cual tendrá agujeros, ingresara 26 cm y tiene una altura de 70 cm para
que exista una distribución uniforme en el humedal
Por ultimo tenemos la estructura de salida del humedal, que está formada por
piedra azul y una tubería diámetro de 6¨, el agua ya tratada por el humedal pasara a
una caja de registro la cual consta de una tubería con diámetro de 4¨ que llevara el
agua a un muro percolador que se encuentra a unos 50 cm del nivel de la arena, este
muro ayudara para que el agua se esparza por y no genere contaminación alguna.
3.4. Metodología de Evaluación.
Se realizará la evaluación del sistema existente con las respectivas formulas,
tomando en cuenta:
3.4.1. Modelo de diseño.
Dentro de los modelos no mecanicistas que se usan con habitualidad, entre ellos
podemos encontrar:
Criterios de buenas prácticas para humedales artificiales de flujo
superficial y subsuperficial (Jacome, Molina, & Suarez, 2011).
Ecuaciones de regresión empíricas (Brix H. , 1994).
3.4.1.1. Criterios de buenas prácticas para humedales artificiales de flujo
superficial y subsuperficial.
Para diseñar un humedal artificial se debe tener en cuenta ciertos valores típicos
de algunos parámetros, en la siguiente tabla tenemos un ejemplo de alguno de ellos:
56
Tabla 14: Criterios de diseño para humedales artificiales de flujo superficial y sub superficial.
Fuente: A. Jácome; J. Molina; J. Suárez., (2011).
Elaborado: Depuración de aguas residuales en pequeños núcleos.
Estas son reglas generales, pero a pesar de aquello no pueden ser aplicadas ante
cualquier caso, debido a que los valores presentados son experimentales por lo cual
dependen del tipo de agua, tratamiento, y de los parámetros que se consideran en el
proyecto.
3.4.1.2. Ecuaciones de regresión empíricas.
Basándose en la experiencia de otros humedales, tenemos en cuenta un método
de cálculo como lo es la ecuación de regresión, el cual consiste en relacionar
parámetros de entrada con los de salida, en la siguiente tabla se presenta las
ecuaciones más relevantes para estimar el área requerida usada para eliminar el
DBO, DQO, PT y NT.
57
Tabla 15: Ecuaciones de regresión empíricas (Reyes, 2010).
Fuente: A. Jácome; J. Molina; J. Suárez., (2011).
Elaborado: Depuración de aguas residuales en pequeños núcleos.
3.4.2. Sistema de flujo horizontal.
Para agua bruta o decantada, la superficie necesaria se estima mediante (Kickuth,
1985):
𝐴ℎ =𝑄𝑑 ∗ (𝑙𝑛𝐶𝑜 − 𝑙𝑛𝐶𝑡)
𝐾𝐷𝐵𝑂
Donde:
Ah = superficie del lecho (m2)
Qd = Caudal medio diario (m3/d)
Co = DBO5 media del afluente (mg/L)
Ct = DBO5 media deseada del efluente (mg/L)
El coeficiente 𝐾𝐷𝐵𝑂 es función de la temperatura:
𝐾𝐷𝐵𝑂𝑡 = 𝐾𝐷𝐵𝑂 20 ∗ 1.1(𝑡−20)
Según (Cooper, et al., 1996) , para los valores de DBO5 comprendidos entre 1650
y 300 mg/l, se utiliza un valor de 𝐾𝐷𝐵𝑂 = 0.1.
58
Con la ayuda de la ley de Darcy procedemos a estimar la sección transversal (Ac),
mediante:
𝐴𝑐 =𝑄𝑠
𝐾𝑓 ∗𝑑𝐻𝑑𝑠
Donde:
Qs = caudal medio de aguas residuales (m3/s)
Kf = permeabilidad hidráulica del lecho desarrollado (m/s)
dH/ds = pendiente de la base del lecho (m/m)
3.4.3. Criterio de implantación.
Se recomienda una densidad de plantación de 2 a 4 rizomas o tallos por m2, en la
actualidad se desarrolló el crecimiento de la plantación mediante semillas, pero,
siguen indagando en desarrollar semillas las cuales permitan un crecimiento más
denso. Se recomienda evitar el periodo invernal, de igual manera realizar la plantación
en zonas libre de sombras y libre de crecimiento de árboles debido a que algunos
aportan semilla
3.4.4. Eficiencia.
También se va a verificar el porcentaje (%) de la eficiencia de remoción del
humedal construido, por medio de las siguientes pruebas:
Potencial de hidrogeno.
Demanda Biología de Oxigeno.
Demandas Química de Oxigeno.
Solidos Suspendidos Totales.
Solidos Disueltos.
Nitrógeno Total.
Fósforo Total.
Cloruros.
59
Los cuales ayudaran a tener una evaluación del humedal construido, formado por
los sistemas primario (pre tratamiento – Filtro anaerobio) y el secundario (Humedal
Construido).
3.5. Metodología Analítica.
3.5.1. Toma de muestras.
El objetivo del muestreo es, tomar una parte-porción de agua bajo estudio cuya
cantidad sea lo suficiente para el estudio, movilización y pueda ser manipulado con
facilidad para así poder mantener con exactitud sus características hasta poder llegar
al laboratorio y poder realizar los diferentes ensayos físico – químicos.
La toma de la muestra se realizó el domingo 4 de noviembre del 2018, se escogió
esa fecha por el motivo de que es un edificio residencial entonces existe poca
frecuencia ya que son meses de poca frecuencia de los dueños de los departamentos.
En la cual se empleó botellas de plástico para el transporte de las muestras, las cuales
previamente fueron lavadas con el agua a muestrear. Para un mejor estudio y para
tener una mejor base de datos se llegó a la conclusión de que fueran 3 los puntos en
los cuales se tomaron las muestras. El primer punto fue en la zona de los pozos
bombeo (ilustración #15), hacer un estudio al agua cruda es primordial para saber
cómo ingresa el agua residual al sistema de pre tratamiento; El segundo punto es
tomar como muestra el agua después del pre tratamiento filtro anaeróbico (ilustración
#16); el tercer punto fue a la salida del humedal artificial, en el cual se realizó una
excavación (ilustración #19) para poder llegar ya que para así conocer su
funcionamiento.
60
Ilustración 17: Toma de la muestra de agua cruda
Elaborado: Carlos Flores; Michael Rivas.
Ilustración 18: Toma de la muestra 2.
Elaborado: Carlos Flores; Michael Rivas.
61
Ilustración 19: Toma de la muestra 3, excavación.
Elaborado: Carlos Flores; Michael Rivas.
Ilustración 20: Toma de la muestra 3, excavación.
Elaborado: Carlos Flores; Michael Rivas
62
Ilustración 21: Toma de la muestra 3.
Elaborado: Carlos Flores; Michael Rivas
El material de las botellas que se escogió para el traslado de las muestras al
laboratorio fue de plástico, las cuales las mantuvimos refrigeradas para reducir al
mínimo que las muestras se alteren. El laboratorio escogido fue el de la facultad de
ingeniería química de la Universidad de Guayaquil, el cual cumple con todos los
PERMISOS que otorga el MAE para su funcionamiento.
3.5.2. Ensayos físico – químicos.
Se tomó muestras en 3 puntos distintos para generar un cuadro más exacto de
datos, y en cada punto se harán diferentes tipos de ensayos físico – químicos. En el
punto 1, que será la toma del agua cruda, se realizaran los ensayos de Demanda
Biologica de Oxigeno (DBO), esta es la que medira Demanda Química de Oxigeno
(DQO),
63
Capitulo lV
Resultados
4.1. Consideraciones Iniciales
Tomando en cuenta el modelo de diseño, el humedal se realizó bajo los siguientes
criterios de diseños:
Buenas prácticas para humedales artificiales de flujo superficial y
subsuperficial.- Con ayuda de la tabla #14, se eligió el método de (Brix & Arias,
2005), el cual nos indica:
Referencia Carga Orgánica
(𝒈 𝑫𝑩𝑶𝟓
𝒎−𝟐𝒅−𝟏)
Carga Hidraulica
(cm/d)
Area específica
(𝒎𝟐𝑷𝑬−𝟏)
Brix y Arias <11.2 <5 1 – 5
Donde se escogió el área específica de 3 m2/hab., teniendo una población de 200
personas.
Ecuaciones empíricas. - Datos tomados de la tabla #15, con ayuda del autor Brix
y Johansen (2004):
Autor Ecuación de regresión empírica
Brix y Johansen 3.0 PE (Población Equivalente)
Bajo el criterio de los parámetros mencionados procedemos al diseño del humedal
de la siguiente manera:
64
A.- Cuantificar el número de personas (Población equivalente).
PE = N. Pisos ∗ N. Departamentos ∗ N. Cuartos ∗ N. Personas
PE = 17 ∗ 2 ∗ 3 ∗ 2
𝑃𝐸 = 204 ℎ𝑎𝑏𝑖𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠
B.- Caudal medio diario (c.m.d).
150l
hab. dia= 0.15
m3
hab. dia
c. m. d. = PE ∗ Dotacion
c. m. d. = 204 hab.∗ 0.15m3
hab. dia
𝑐. 𝑚. 𝑑. = 30.6𝑚3
𝑑𝑖𝑎
C.- Mayoreo (máximo diario para planta).
Q. mayorado = c. m. d.∗ mayoreo
Q. mayorado = 32.4m3
dia∗ 2.5
𝑄. 𝑚𝑎𝑦𝑜𝑟𝑎𝑑𝑜 = 76.5𝑚3
𝑑𝑖𝑎
D.- Ecuación empírica (Brix y Johansen).
𝐴 = 3.0 ∗ 𝑃𝐸
𝐴 = 3 𝑚2
ℎ𝑎𝑏.∗ 204 ℎ𝑎𝑏.
𝐴 = 612 𝑚2
65
E.- Coeficiente de KDBO.
KDBOt = KDBO 20 ∗ 1.1(t−20)
KDBOt = 0.1 ∗ 1.1(30−20)
KDBOt = 0.259 𝑚𝑔
𝑙
F.- Superficie del lecho (Ah).
𝐴ℎ =𝑄𝑑 ∗ (𝑙𝑛𝐶𝑜 − 𝑙𝑛𝐶𝑡)
𝐾𝐷𝐵𝑂
𝐴ℎ =76.5 ∗ (𝑙𝑛 250 − 𝑙𝑛 32)
0.259
𝐴ℎ =76.5 ∗ (5.52 − 3.47)
0.259
𝐴ℎ = 606.31𝑚2
Por factor de seguridad el área del humedal (𝐴ℎ) se aumentó a 644 𝑚2.
G.- Calculo de la eficiencia de remoción.
Para el cálculo de la eficiencia de remoción del humedal artificial se tomó los
valores de 250 Mg/L que corresponde al afluente, es decir, el agua residual
doméstica. Mientras que el valor de 32 Mg/L corresponde al efluente (agua tratada),
el resultado de la eficiencia de remoción cuyo valor esta dado en porcentaje es de:
Tabla 16: Eficiencia de remoción de humedal construido.
Agua Residual
Salida del Humedal
Eficiencia (%)
Demanda Bioquimica de oxigeno (DBO)
250 32 87.20
Elaborado: CONALBA
66
4.2. Demanda Biológica de Oxigeno.
Como se conoce el DBO5 es la cantidad de oxigeno que se consume durante 5
días con una temperatura de 20⁰ C, en la cual oxidaremos la materia que se
encontraron presente en las 3 muestras. Se realizó por medio del método 5210D
PEE/UCC/LA/09.
4.2.1. Evolución del DBO5 en las etapas de tratamiento.
Sistema de pretratamiento:
Para este caso tomaremos los datos obtenidos en los ensayos de los 2 primeros
puntos que son en la entrada del pretratamiento (agua residual) y a la salida del
pretratamiento. En la tabla #15 veremos los datos obtenidos de los ensayos, por
último vale la pena recalcar que tendremos el porcentaje de eficiencia que cumple el
sistema de pretratamiento:
Tabla 17: Datos de los ensayos del sistema de pretratamiento.
Agua Residual
Sistema de Pretratamiento
Eficiencia (%)
Demanda Biológica de oxigeno (DBO5)
48 38 20.83
Elaborado: Carlos Flores; Michael Rivas.
Humedal Subsuperficial:
Por otro lado, para el cálculo de la eficiencia del sistema secundario (humedal
subsuperficial), se tomó como datos los valores que obtuvimos en los ensayos en los
puntos del sistema de pretratamiento (afluente) y de la salida del humedal (efluente).
Merece la pena subrayar que el porcentaje de eficiencia de remoción en el humedal
es mayor al que se observa en el sistema de pretratamiento, por motivo que en los
diferentes estratos del humedal y con ayuda de las plantas se logra retener la materia
orgánica que se encuentra en el agua tratada, y lograr un efluente bajo la norma.
67
Tabla 18: Datos de los ensayos del Humedal Subsuperficial.
Sistema de Pretratamiento
Salida del Humedal
Eficiencia (%)
Demanda Biológica de oxigeno (DBO)
38 10 73.68
Elaborado: Carlos Flores; Michael Rivas.
Eficiencia del Sistema:
Para empezar, debemos tener claro que cuando hablamos de la eficiencia del
sistema, quiere decir que tomaremos como afluente el agua residual doméstica y
como efluente será el agua ya tratada, que vendría a ser la salida del humedal, así
lograremos obtener la eficiencia con la que trabaja el sistema primario y secundario
en conjunto. Por otro lado es preciso tener presente que con el porcentaje de
eficiencia de remoción que obtuvimos del sistema se podrá comparar con el
porcentaje de eficiencia de remoción con el que fue calculado el humedal.
Tabla 19: Calculo de la eficiencia del Humedal actual.
Agua Residual
Salida del Humedal
Eficiencia (%)
Eficiencia Inicial (%)
Demanda Biológica de oxigeno (DBO)
48 10 79.17 87.06
Elaborado: Carlos Flores; Michael Rivas.
Se logra observar que no se logra la eficiencia con la que fue calculado el Humedal
inicialmente.
68
Ilustración 22: Calculo de la eficiencia del Humedal actual.
Elaborado: Carlos Flores; Michael Rivas
Ilustración 23: Calculo de la evolución del DBO en el Humedal.
Elaborado: Carlos Flores; Michael Rivas
En la ilustración #20, se grafica la evolución de las muestras en el sistema del
humedal subsuperficial, se puede observar que conforme avanza el agua residual por
los sistemas primario (pretratamiento) y secundario (humedal) su valor va
disminuyendo, no hay que olvidar que buscamos lograr cumplir con la norma
ecuatoriana (acuerdo ministerial 097 – A)
0
10
20
30
40
50
60
Agua Residual Pretratamiento Salida del Humedal
EVOLUCION DEL (DBO)
69
4.3. Demanda Química de Oxigeno
Se realiza este ensayo de la demanda química de oxigeno (DQO) para medir la
cantidad de sustancia que se encuentran disuelta o en suspensión en la muestra y
que se pueden lograr oxidar por medio de químicos.
4.3.1. Evolución del DQO en las etapas de tratamiento.
Sistema de pretratamiento:
Inicialmente nos podemos percatar que en la ilustración #23, los datos obtenidos
de nuestro afluente tienen una alta concentración de DQO (mg/l) en el agua residual,
lo que nos indica que existe una alta concentración de materia orgánica, pero que
gracias al eficaz sistema de pretratamiento se logra disminuir considerablemente su
valor a la salida de este.
Tabla 20: Eficiencia en ensayos del sistema de pretratamiento.
Agua Residual Sistema de
Pretratamiento Eficiencia (%)
Demanda Química de Oxigeno (DQO)
668 68 89.82
Elaborado: Carlos Flores; Michael Rivas
Humedal Subsuperficial:
Tabla 21: Datos de los ensayos del humedal.
Sistema de Pretratamiento
Salida del Humedal
Eficiencia (%)
Demanda Química de Oxigeno (DQO)
68 13 80.88
Elaborado: Carlos Flores; Michael Rivas
Eficiencia del Sistema:
Como conclusión tenemos que, la degradación de la materia orgánica en los
diferentes sistemas (primario y secundario) está funcionando de excelente manera,
uno de las razones es el filtro anaerobio que se encarga de reducir el porcentaje de
70
materia orgánica en el ingreso del humedal. El humedal con la ayuda de los rizomas
y el material de relleno logra generar que el efluente tenga una baja concentración de
DQO.
Tabla 22: Cálculo de la eficiencia del Humedal actual.
Agua Residual Salida del Humedal
Eficiencia (%)
Demanda Química de Oxigeno (DQO)
668 13 98.05
Elaborado: Carlos Flores; Michael Rivas
Ilustración 24: Cálculo de la eficiencia del Humedal actual.
Elaborado: Carlos Flores; Michael Rivas
71
Ilustración 25: Cálculo de la evolución del DBO en el Humedal.
Elaborado: Carlos Flores; Michael Rivas
4.4. Solidos Suspendidos Totales.
Es un parámetro el cual en el ensayo nos indica la cantidad de solidos que se
pueden encontrar en suspensión, muchas veces son los que generan la turbidez.
4.4.1. Evolución de los SST en las etapas de tratamiento.
Humedal Subsuperficial:
Tabla 23: Datos de los ensayos del Humedal.
Sistema de Pretratamiento
Salida del Humedal
Eficiencia (%)
Solidos Suspendidos Totales (SST)
143 43 69.93
Elaborado: Carlos Flores; Michael Rivas
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Agua Residual Pretratamiento Salida del Humedal
DEMANDA QUIMICA DE OXIGENO (DQO)
Norma Ecuatoriana
72
Eficiencia del Sistema:
Tabla 24: Eficiencia del sistema en general
Agua Residual Salida del Humedal
Eficiencia (%)
Solidos Suspendidos Totales (SST)
140 43 69.29
Elaborado: Carlos Flores; Michael Rivas
Ilustración 26: Cálculo de la evolución del SST en el Humedal.
Elaborado: Carlos Flores; Michael Rivas
4.5. Potencial de hidrogeno.
El potencial de hidrogeno, conocido por sus siglas (pH), este parámetro nos
ayudara a conocer el rango que contiene de acidez y alcalinidad el agua que tratamos
en el sistema.
4.5.1. Evolución del pH en las etapas de tratamiento.
Tabla 25: Eficiencia del pH a la salida del humedal.
Sistema de Pre tratamiento
Salida del Humedal
Eficiencia (%)
Potencial de Hidrogeno (pH)
7.89 7.45 5.58
Elaborado: Carlos Flores; Michael Rivas.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Agua Residual Pretratamiento Salida del Humedal
EVOLUCIÓN (SST)
73
Ilustración 27: Cálculo de la evolución del pH en el Humedal.
Elaborado: Carlos Flores; Michael Rivas
4.6. Solidos Disueltos.
Es un ensayo en el cual nos genera una medida que contiene la muestra de toda
la sustancia orgánica e inorgánica que se logran encontrar en el líquido.
4.6.1. Evolución de los Solidos Disueltos en las etapas de tratamiento.
Eficiencia del humedal.
Tabla 26: Eficiencia del SDT a la salida del humedal.
Sistema de Pretratamiento
Salida del Humedal
Eficiencia (%)
Sólidos Disuelto Totales (SDT)
615 370 39.84
Elaborado: Carlos Flores; Michael Rivas.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Pretratamiento Salida del Humedal
EVOLUCIÓN DEL (PH)
Norma Ecuatoriana
74
Ilustración 28: Cálculo de la evolución de los SDT en el Humedal.
Elaborado: Carlos Flores; Michael Rivas.
4.7. Nitrógeno Total.
Cuando hablamos de nitrógeno total, quiere decir que será la suma del nitrógeno,
amonio, nitrito y nitrato que se pueden encontrar en el humedal subsuperficial.
4.7.1. Evolución del Nitrógeno Total en las etapas de tratamiento.
Eficiencia del humedal
Tabla 27: Eficiencia de nitrogeno a la salida del humedal.
Sistema de Pretratamiento
Salida del Humedal
Eficiencia (%)
Nitrogeno Total 92 19 79.35
Elaborado: Carlos Flores; Michael Rivas
0
100
200
300
400
500
600
700
Pretratamiento Salida del Humedal
EVOLUCIÓN DE LOS SDT
75
Ilustración 29: Cálculo de la evolución del nitrógeno en el Humedal.
Elaborado: Carlos Flores; Michael Rivas
4.8. Fósforo Total.
4.8.1. Evolución del Fósforo Total en las etapas de tratamiento.
Eficiencia del humedal
Tabla 28: Eficiencia de fosforo a la salida del humedal
Sistema de Pretratamiento
Salida del Humedal
Eficiencia (%)
Fosforo Total 8 1.7 78.75
Elaborado: Carlos Flores; Michael Rivas
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Pretratamiento Salida del Humedal
EVOLUCIÓN DEL NITROGENO
Norma Ecuatoriana
76
Ilustración 30: Cálculo de la evolución del fósforo.
Elaborado: Carlos Flores; Michael Rivas
4.9. Cloruros
Este parámetro se tomó para conocer si existía algún problema en las bases del
humedal, y que esté generando alguna infiltración de agua salada al humedal, lo cual
generaría que las sales obstruyeran el paso del agua residual y el humedal colapse,
comenzando a tener un mal funcionamiento.
Tabla 29: Cantidad de cloruro a la salida del humedal.
Sistema de Pretratamiento
Salida del Humedal
Eficiencia (%)
Cloruros 52
Elaborado: Carlos Flores; Michael Rivas.
Entonces para finalizar, según el ensayo de cloruro la cantidad de sales es mínimo,
lo que nos indica que no existe ninguna infiltración al humedal.
4.10. Propuesta de mejora
Obtenido los resultados, podemos observar que nuestro humedal no está
cumpliendo el porcentaje de remoción con el cual fue diseñado. Por consiguiente,
presentamos las siguientes sugerencias para alcanzar un mejor funcionamiento.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Pretratamiento Salida del Humedal
EVOLUCIÓN DEL FÓSFORO
77
4.10.1. Vegetación.
Consideramos que, la vegetación es un factor indispensable para obtener un mayor
porcentaje de remoción, por este motivo recomendamos se realice una modificación
entorno a la vegetación actual, debido a que, se estima que no es la recomendable.
Por lo consiguiente presentamos nuestra sugerencia:
Pasto alemán o Echinochloa polystachya (Kunth) Hitch.
Planta herbácea perenne, erecta a decumbente (altura 1.50 m), las hojas miden de
5 a 15 cm de ancho por 40 a 60 cm de largo, la panícula mide de 10 a 20 cm de largo,
es de color rosáceo o ligeramente púrpura, tiende a inclinarse con respecto al eje
vertical.
Ilustración 31: Morfología del pasto alemán (Echinochloa polystachya).
Fuente: Fernández, (2014).
78
Fuente: Tesis de grado
Elaborado: Fernández, (2014).
Según (Cerrato et al., 2006), el pasto alemán es una de las plantas probadas con
éxito en la fitorremediación de suelos contaminados con hidrocarburos del petróleo.
Tabla 30: Características del pasto alemán (Echinochloa polystachya).
79
4.11. Acciones preventivas
Es muy importante que el humedal se encuentre en óptimas condiciones tanto
externas como internas, para aquello recomendaremos fijas acciones las cuales
previene que el sistema decaiga, por ende, se sugiere lo siguiente:
Operación y mantenimiento
Capacitaciones
4.11.1. Operación y mantenimiento.
En cuanto a operación, para un correcto funcionamiento de forma eficiente, es
necesario tener correctas acciones y maniobras oportunas al momento de efectuar
procesos dentro del tratamiento. Respecto a mantenimiento, son acciones
permanentes que se realizan con la finalidad de prevenir o corregir daños que se
pueden producirse, o se producen, en las instalaciones durante el funcionamiento de
las partes y componentes del sistema de tratamiento de aguas residuales (humedal).
Por ejemplo:
Retirar la basura acumulada en el tanque ya que pueda tapar la salida de
excedencias y retener el caudal.
Mantenimiento y limpieza de la tubería.
Control del caudal de llegada, para evitar los excesos de agua que lleguen
al sistema de tratamiento y que pueden perjudicar o dañar el sistema,
especialmente en temporada de lluvias.
Riego, para evitar que la vegetación se afecte.
4.11.2. Capacitaciones.
El operario de un humedal artificial resulta pieza indispensable para la operación y
mantenimiento del mismo. Es la persona que aplica un control específico en cada fase
80
del sistema, control esencial para prevenir, reducir a niveles aceptables o eliminar las
causas que puedan afectar al funcionamiento de dicho sistema.
Los operarios deben ser personas que:
Presenten aptitud básica para su capacitación en la operación y
mantenimiento delos sistemas de tratamiento.
Que sepan leer y escribir para poder manejar los manuales que describen
las acciones a realizar, así como para dejar constancia de sus actividades.
81
Capítulo V
Conclusiones y recomendaciones
Se evaluó la eficiencia del sistema de depuración y eliminación de las aguas
residuales domésticas del edificio residencial BIMINI, por medio del sistema de
humedal construido, que se encuentra ubicado en la zona costera del Ecuador,
exactamente, en la provincia de Santa Elena, dándonos como resultado los siguientes
valores:
Parámetro Agua
Residual
Sistema de pre-
tratamiento
Salida del
humedal Unidad
DBO 48 38 10 Mg/L
DQO 668 68 13 Mg/L
SST 140 143 43 Mg/L
SDT 615 370 Mg/L
pH 7.89 7.45
Nitrógeno 92 19 Mg/L
Fosforo 8 1.7 Mg/L
Cloruro 52 Mg/L
Con este sistema ya existente en el lugar, se obtendrá una gran ayuda para el
ecosistema y una contribución para la población por la calidad que tiene la depuración
de las aguas residuales domésticas.
Se evaluó los parámetros que consideramos más importantes para nuestro cálculo
de eficiencia de remoción del sistema en un humedal construido, los cuales en gran
parte se encuentran normados por el acuerdo ministerial 028 -A, tabla 11, que nos
82
habla sobre los límites de descarga a un cuerpo de agua marina, como son la
demanda bioquímica de oxígeno, demanda química de oxígeno, solidos suspendidos
totales, fosforo, nitrógeno, potencial de hidrogeno, cloruros, solidos disuelto.
Se logró evidenciar que el agua residual tratada por medio del sistema de humedal
construido cumplió con los parámetros que exige la norma ecuatoriana para verter a
un cuerpo de agua marina.
Con el estudio y la evaluación de los diferentes parámetros se logró conocer que
la eficiencia del humedal está a un 79%, lo que nos dice que está por debajo de la
eficiencia inicial, que era de un 87.20%.
Por motivo de que en el edificio residencial no cuenta con una población fija, el
humedal construido no siempre funciona a un 100%, generando que este en algunas
ocasiones se seque y la vegetación muera.
Se observa que la vegetación inicial (pasto alemán) fue modificada a plantas que
no necesitan mucho riego ni cuidado, lo que genera que la eficiencia no sea la óptima
a la hora de que el sistema actué.
Se recomienda que se realicen más estudios sobre este sistema en diferentes
edificios, poblaciones ya que consideramos que su rendimiento, eficiencia e impacto
83
ambiental y visual son mejores respecto a los demás sistemas de tratamiento
convencionales y este puede llegar a mejorar la calidad de vida de la población.
Este estudio se basó únicamente en la toma de una muestra, para futuros análisis
se recomienda la toma de varias muestras en diferentes fechas para así de esta forma
lograr obtener una mayor exactitud en los resultados en el sistema de tratamiento.
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Anexos
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FICHA DE REGISTRO DE TESIS/TRABAJO DE GRADUACIÓN
TÍTULO Y SUBTÍTULO: Evaluación del funcionamiento y eficiencia de remoción de contaminantes, de un humedal artificial con flujo sub – superficial, ubicado en la comunidad de Punta Blanca en la provincia de Santa Elena.
AUTOR(ES) Flores Caamaño Carlos Eduardo Rivas Rivas Michael Steven
REVISOR(ES)/TUTOR(ES) Ing. Zoila Cevallos Revelo, MS.c; Ing. Manuel Gómez De La Torre, MS.c
INSTITUCIÓN: Universidad de Guayaquil
UNIDAD/FACULTAD: Facultad de Ciencias Matemáticas y Física
MAESTRÍA/ESPECIALIDAD:
GRADO OBTENIDO:
FECHA DE PUBLICACIÓN: Abril, 2019 No. DE PÁGINAS: 83
ÁREAS TEMÁTICAS: Valorar el buen funcionamiento de un sistema de tratamiento de agua
PALABRAS CLAVES/
KEYWORDS:
<EVALUACION_ FUNCIONAMIENTO_
EFICIENCIA_HUMEDAL_ARTIFICIAL >
RESUMEN/ABSTRACT: El contenido de esta tesis está dirigido para estudiantes y especialistas sanitarios, con el
propósito de dar a conocer la eficiencia de remoción de un sistema blando (humedales construidos), para el
tratamiento de las aguas residuales domésticas, por medio de los diferentes ensayos y evaluaciones que se
realizaron al humedal construido. Estos sistemas pueden llegar a ser más eficientes y menos costosos con
respecto a los sistemas tradicionales convencionales. Esta tesis abarca 5 capítulos, los cuales tendremos una
descripción de los diferentes sistemas de humedales construidos, criterio de diseños hidráulicos, muestreo de
aguas residuales con aspectos conceptuales y técnicos para evaluar el humedal respecto a términos físicos,
químicos. Los criterios utilizados para realizar este trabajo de titulación fueron tomados con referencia a
libros, papers y con toda la experiencia que pudimos adquirir y palpar en el transcurso de este proyecto.
ADJUNTO PDF: x SI NO
CONTACTO CON AUTOR/ES: Teléfono: 0987401744 -
0989908127 E-mail: [email protected] - [email protected]
CONTACTO CON LA
INSTITUCIÓN:
Nombre: FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICAS
Teléfono: 2-283348
E-mail: [email protected]
