HUMEDALES CONSTRUIDOS

Compilador Juan Pablo Silva V.Profesor Universidad del Valle - Colombia

Escuela de Ingeniería de Recursos Naturales y del Ambiente

1. INTRODUCCIÓN

Los humedales construidos, son humedales que el hombre construye en áreas dondeantes estos no existían y que tienen como función fundamental el tratamiento de lasaguas residuales. De aquí que ellos se incluyan entre los llamados sistemas naturales detratamiento. En estos sistemas los contaminantes presentes en las aguas residuales sonremovidos por una serie de procesos físicos, químicos y biológicos que se efectúan enel ambiente natural, entre estos procesos se encuentran la sedimentación, la adsorción alas partículas del suelo, la asimilación por las plantas y la transformación microbiana.(Watson et al, 1989; Brix H, 1993)

En los humedales crecen plantas acuáticas emergentes entre las que se encuentran:juncos, eneas y espadañas, dichas plantas proporcionan superficie para el crecimiento delos microorganismos y permiten la filtración y adsorción de los contaminantes presentesen el agua residual, además de inhibir el crecimiento de las algas y favorecer laformación de zonas aerobias alrededor de las raíces debido a las características de estasplantas de trastocar el oxígeno desde las hojas hasta las raíces.

Existen dos tipos de humedales construidos bien definidos:

• Humedales con flujo libre o flujo superficial. (FL)• Humedales con flujo subsuperficial. (FSS)

Los humedales con flujo libre son estanques o canales en los que la superficie del aguase encuentra expuesta a la atmósfera y las plantas emergentes están enraizadas sobreuna capa de suelo generalmente impermeabilizado, para evitar la infiltración al mantofreático. Las aguas residuales aplicadas a estos sistemas usualmente son pretratadas y ladepuración de las mismas se logra al circular el agua a través de los tallos y raíces de lasplantas.

Los humedales con flujo subsuperficial son estanques o canales con el fondogeneralmente impermeable sobre el cual se coloca un medio poroso que puede ser suelo,arena o grava en el que se siembra las plantas emergentes. Las aguas residualesaplicadas a estos sistemas son generalmente pretratadas. Este tipo de humedales puedeser construidos con flujo horizontal subsuperficial, en el que el medio poroso se

mantiene saturado por el agua, o con flujo vertical en el que el medio poroso no seencuentra saturado debido a que el agua se aplica usualmente sobre la superficie dellecho a intervalos de tiempo, lo que permite que el agua percole a través del medio, deforma similar a lo que sucede en un filtro de arena intermitente.

El término de Humedales construidos es relativamente nuevo; sin embargo, el conceptoes antiguo, pues se tiene conocimiento de que las antiguas culturas como son la China yla Egipcia utilizaban a los humedales naturales para la disposición de sus aguasresiduales.(Brix H, 1994 a).

El primer reporte científico en el que se señala las posibilidades que tienen las plantasemergentes para la remoción de los contaminantes presentes en las aguas residualespertenece a la Dra. Kathe Seidel del Instituto Max Planck, de Alemania. En el informede sus investigaciones ella plantea que mediante el empleo del junco común(Schoenoplectus lacustris) era posible la remoción de una serie de sustancias tantoorgánicas como inorgánicas, así como la desaparición de bacterias (coliformes,Salmonella y En terococos) presentes en las aguas residuales. (Seidel, 1964; Seidel,1966; Seidel et al, 1978).

Posteriormente, ya en los años setenta la Dra. Seidel llevó los resultados obtenidos aescala de laboratorio a sistemas experimentales de mayor escala en los que analizó elefecto de las plantas sobre una serie de tipos diferentes de aguas residuales, tantodomésticas como industriales. Los resultados de todos sus estudios les permitió a laDra. Seidel desarrollar un sistema conocido como Proceso del Instituto Max Planck, eldiseño del mismo consistió de varias etapas en las que se combinaba humedales conflujo vertical y humedales con flujo horizontal. (Seidel et al 1978)

Por otra parte, tomando como base los trabajos desarrollados en Alemania por la Dra.Seidel, en Holanda en el año de 1967 se comienza a desarrollar un sistema a gran escalapero de flujo libre. (Jong, 1976).

También en Alemania pero ya en la década de los años setenta la Dra. Kichuthdesarrollo un sistema que llamo Método de Zona de Raíces, el método consistía en eldiseño de estanques rectangulares con un lecho de suelo específico, en los que sesembraba Phragmites australis y el flujo de agua residual era subsuperficial horizontal,al suelo en ocasiones se le adicionaba calcio y hierro o aluminio para provocar laprecipitación del fósforo. (Kickuth, 1970; Kickuth, 1980; Kickuth, 1982)

En el caso de los Estados Unidos el desarrollo de los humedales construidos se baso enlos resultados obtenidos en los humedales naturales y en los trabajos realizados enEuropa. (Spangler et al, 1976; Wolverton, 1982). En un principio se utilizaron loshumedales naturales como una vía para el tratamiento de las aguas residuales; sinembargo, se observó que ocurrían cambios en la composición de las especies comunesde estos sitios por lo que se decidió comenzar a diseñar humedales construidos paratratar las aguas residuales, los cuales demostraron su eficacia para estos fines. (Reed andBastian, 1985)

El desarrollo de esta tecnología fue también de interés para la NASA la cual desarrollosu propio sistema, el cual llamo Sistema de Tratamiento Híbrido pues utilizabamicroorganismos anaerobios y plantas emergentes (Phagmites communis). (Wolverton

et al, 1976; Wolverton, 1982). Posteriormente estos estudios fueron continuados porGersberg y sus colaboradores demostraron las altas eficiencias logradas en la remociónde sólidos suspendidos, DBO, nitrógeno y coniformes utilizando las plantas emergentesen humedales construidos. (Gersberg R. M. and Goldman C. R., 1983; Gersberg et al1986; Gersberg et al, 1989 a; Grearheart et al 1989 b). Como resultado de todas esasinvestigaciones, tanto a nivel de planta piloto como a gran escala, en los Estados unidosde América se desarrollaron diferentes conceptos para el diseño de humedalesconstruidos. (Gearheart et al., 1989; Herskowitz et al., 1987; Watson et al., 1990)

2. Ventajas y desventajas de los humedales con flujo libre y flujo subsuperficial

La depuración de las aguas residuales en los humedales construidos se lleva a cabo,fundamentalmente, por la presencia de una población microbiana adherida a lasuperficie de las plantas en contacto con el agua residual y en el caso de los humedalescon flujo subsuperficial se adiciona además los microorganismos adheridos al mediosoporte. Debido a que el medio poroso brinda mayor área superficial para elcrecimiento de los microorganismos la velocidad de remoción en los sistemas con flujosubsuperficial es mayor. Por otra parte, debido a que el agua en estos sistemas fluye pordebajo de la superficie del medio, no se presentan problemas con el desarrollo de losmosquitos y otros vectores, además de proporcionar protección térmica, lo que hace queestos sistemas puedan ser utilizados en lugares donde ocurran grandes nevadas. (Reed etal., 1995; Wittgren and Maehlum, 1997) Sin embargo, a pesar de todas las ventajasantes expuestas hay que señalar que los humedales con flujo subsuperficial tienen comodesventajas el costo del medio soporte utilizado, así como su traslado y colocación.

3. Efecto de los distintos componentes que forman los humedales

Los principales componentes del humedal que influyen sobre el proceso depurador quese lleva a efecto en los humedales construidos son los siguientes:

3.1. Plantas

En los humedales construidos se han utilizado una variedad de plantas emergentessemejantes a las encontradas en los humedales naturales. Las plantas que con masfrecuencia se utilizan son: las espadañas o eneas (Typha sp.), la caña o junquillo(Phragmites communies), y los juncos (Juncos sp.), (Scirpus sp.) y (Carex sp.).

Las plantas presentan varias propiedades que las hacen ser un componenteindispensable en los humedales construidos. La función de mayor importancia de lasmacrofitas en relación con el proceso de tratamiento de las aguas residuales es el efectofísico que ellas producen. Las macrofitas estabilizan la superficie del lecho,proporcionando buenas condiciones para la filtración, y en el caso de los sistemas conflujo vertical previniendo las obstrucciones, además de proporcionar área superficialpara el crecimiento de los microorganismos adheridos. Contrariamente a lo que alprincipio se creía, el crecimiento de las macrofitas en los sistemas con flujosubsuperficial, no incrementa la conductividad hidráulica del medio en los sistemas queutilizan suelo. (Brix H, 1994 b)

En los humedales el suelo se encuentra saturado, lo que hace que los poros del sueloestén llenos de agua. Como la velocidad de difusión del oxigeno en el agua es lenta lossuelos se vuelven anaerobios, lo que hace que este ambiente no sea adecuado para elcrecimiento de la mayoría de las especies vegetales. Sin embargo, las especies deplantas acuáticas emergentes tienen la capacidad de absorber de la atmósfera, a travésde sus hojas y tallos que se encuentra por encima del agua, el oxigeno y otros gases queellas necesitan.

Las plantas de los humedales están morfológicamente adaptadas a crecer en lossedimentos saturados de agua en virtud de los espacios internos de aire que ellaspresentan para el transporte del oxigeno desde las hojas hasta las raíces. El extensosistema de lagunas internas, que ellas contienen normalmente, presentan constriccionesa intervalos que le permiten mantener una estructura integra y resistir la invasión delagua. Este sistema de lagunas internas, dependiendo de la especie, puede ocupar másdel 60% del volumen de tejido total. El movimiento interno del oxigeno hacía las raícesde las plantas no solamente sirve para la demanda de oxigeno que requieren las raícespara su respiración, sino que además permite la formación de una rizosfera oxidadaalrededor de las raíces, pues a través de ellas fluye una cierta cantidad de oxigenocreando un ambiente aeróbico, mientras que a su alrededor las condiciones sonanóxicas, permitiendo de esta forma la descomposición aerobia de la materia orgánica yel crecimiento de bacterias nitrificantes. Se ha estimado que estas plantas puedentransferir entre 0.02 y 12 gramos de oxigeno por día por cada m2 de área superficial delhumedal, este rango de valores tan amplio puede deberse a las diferentes técnicasexperimentales utilizadas y en cierto modo a las variaciones estacionales. (Brix H,1994b)

La velocidad de liberación del oxigeno desde las raíces depende de la concentración deoxigeno interno, de la demanda de oxigeno por el medio que las rodea y de lapermeabilidad de la pared de las raíces. Por otra parte, cuando se va a valorar laposibilidad de utilizar las diferentes especies de plantas en los humedales construidos sedebe tomar en cuenta además otros factores como son: profundidad de enraizamiento,tolerancia a las altas cargas de las aguas residuales, productividad de las plantas, etc.

El oxigeno liberado por las raíces de las plantas es de gran importancia en el caso de loshumedales con flujo subsuperficial donde el agua residual fluye a través del medioporoso poniéndose en contacto directo con las raíces y rizomas de las plantas, de aquíque en estos sistemas sea importante que las raíces penetren en toda la profundidad delmedio. En el caso de los humedales con flujo libre el agua residual fluye por encima dela capa de suelo, no teniendo contacto directo con la fuente potencial de oxigeno de lasplantas; en este tipo de humedal la fuente fundamental de oxigeno es a través de la reaireación atmosférica por la superficie del agua.

Otra función importante de las plantas en los humedales es la toma de los nutrientes, asícomo otros constituyentes presentes en el agua residual; sin embargo, la cosecha de lasplantas en los humedales no es usual debido, fundamentalmente, a los costos que estoprovoca. Estudios realizados demuestran que la cosecha de las plantas no es la vía máseficiente para la remoción de los nutrientes de las aguas residuales y señalan que unacosecha al final de estación elimina menos del 10% del nitrógeno removido en elhumedal. (Reed et al, 1995). No obstante, hay que señalar que la presencia de lasplantas en los humedales es esencial, pues en el caso de los sistemas con flujo

subsuperficial sus raíces son una fuente fundamental de oxigeno y la presencia de sushojas, tallos, raíces, rizomas y detritos regula el flujo de agua y proporciona superficiepara el crecimiento microbiano. En el caso de los humedales con flujo libre depresencia de las plantas limitan, además, la penetración de la luz y evitan el crecimientode las algas.

3.2. El suelo y el medio soporte

En los humedales construidos el proceso de tratamiento de las aguas residuales esllevado a cabo, fundamentalmente, por un complejo grupo de microorganismosadherido a las raíces de las plantas, rizoma y sobre la superficie del medio. (Reed et al,1995)

En los sistemas con flujo libre el agua fluye por encima de la superficie del suelo en elcual ocurre la mayor actividad microbiana asociada a la capa de detritos depositada,además de los microorganismos adheridos a la superficie sumergida de las plantas. Lossuelos con algún contenido de arcilla son muy efectivos en la remoción de fósforo,ocurriendo el proceso de remoción en la matriz del suelo; sin embargo, se considera queeste proceso tiende a un equilibrio después del primer año de funcionamiento delhumedal. Por otra parte, los suelos arcillosos tienen cierta capacidad de intercambioiónico lo que les permite remover, al menos temporalmente, el nitrógeno presente en lasaguas residuales en forma de ion amonio (NH4

+); sin embargo, la mayoría de las vecesesta capacidad se agota debido a que la superficie de contacto se encuentra bajo agua ylas condiciones son anaerobias.

En los sistemas con flujo subsuperficial el medio puede ser suelo, arena o grava y losespacios libres del medio sirven como canales para el flujo del agua. Sobre la superficiedel medio crece la masa de microorganismos semejante a lo que ocurre en un filtropercolador, sin embargo, se considera que el crecimiento microbiano en estos sistemasno debe provocar obstrucciones como ocurre en los filtros percoladores. En el caso delos humedales con flujo subsuperficial horizontal que emplean suelo presentan unpotencial de remoción de fósforo y amonio semejante al reportado en los sistemas conflujo libre. En los sistemas con flujo subsuperficial vertical debido a que el flujo esintermitente las condiciones aerobias se restauran periódicamente y el amonioadsorbido, por el suelo puede liberarse por la vía de la nitrificación bacteriana y lossitios de intercambio quedarían libres para futuras adsorciones. En los sistemas conflujo subsuperficial que emplean grava la capacidad de remoción de fósforo es muylimitada.

3.3. Microorganismos y demás organismos que se desarrollan en los humedales

En los humedales se desarrollan una gran variedad de organismos que abarcan desdemicroorganismos como bacterias y protozoos hasta pequeños animales; siendo lasbacterias el grupo fundamental en el proceso depurador de las aguas residuales. Comose ha explicado anteriormente, los humedales son sistemas de tratamiento biológico delas aguas residuales con biomasa adherida, presentando características semejantes a lasde un filtro percolador. Como en todo sistema de tratamiento biológico, en loshumedales se requiere de un sustrato para el desarrollo de los microorganismosresponsables del proceso depurador y que el agua permanezca por un tiempo para que sedesarrolle esta masa microbiana, además el funcionamiento del sistema depende de una

serie de factores ambientales, siendo los más importantes: la disponibilidad del oxigenoy la temperatura.

4. Mecanismos de remoción y transformación de los constituyentes de las aguasresiduales.

En los humedales construidos la remoción de los contaminantes presentes en las aguasresiduales es llevado a cabo por una variedad de complejos procesos físicos, químicos ybiológicos, que en la mayoría de las ocasiones ocurren simultáneamente. En la tabla 1se presentan los principales mecanismos de remoción y transformación de loscontaminantes de las aguas residuales en los humedales.

Tabla 1. Principales mecanismos de remoción y transformación de loscontaminantes en los humedales. (Brix H, 1993; Crites and Tchobanoglous, 1998)

Constituyente del aguaresidual

Mecanismo de remoción

Sólidos suspendidos Sedimentación / FiltraciónMateria orgánicabiodegradable (DBO)

Degradación microbiana (aerobia, anaerobia yfacultativa)Sedimentación/ Filtración

Nitrógeno Amonificación seguida por la nitrificación-denitrificación bacterianaVolatilización del amonioToma por la planta

Fósforo Porción en el suelo (reacciones de adsorción –precipitación con el aluminio, hierro, calcio yminerales de la arcilla en el suelo)Toma por la planta

Metales pesados SedimentaciónAdsorción sobre la superficie de la planta y los detritos

Patógenos Sedimentación/ FiltraciónMuerte naturalRadiaciones ultravioletaExcreción de antibióticos por las raíces de las plantas.

Remoción de Sólidos Suspendidos

La remoción de los sólidos suspendidos y sedimentables presentes en las aguasresiduales son removidas fundamentalmente en las unidades de pretratamiento, lascuales usualmente se instalan delante de los humedales. Los sólidos suspendidos quepermanecen en el agua residual después del pretratamiento son removidas porsedimentación y filtración. Estos procesos que son puramente físicos también eliminanuna porción significativa de otros contaminantes presentes en las aguas residuales(DBO, nutrientes, patógenos). La remoción de los sólidos suspendidos es muy efectivatanto en los humedales con flujo libre como con flujo subsuperficial.

En el caso de los sistemas con flujo libre la remoción óptima de los sólidos suspendidossolo se logra cuando hay una gran cantidad de plantas, las cuales facilitan la filtración yla sedimentación y evitan el crecimiento de las algas. Se considera que en este tipo de

humedal la mayoría de los sólidos suspendidos presentes en las aguas residuales sonremovidos en los primeros 15 a 30 metros del humedal

En los humedales con flujo subsuperficial los mecanismos de remoción son los mismosque en los sistemas con flujo libre, solo que al no tener zonas abiertas de agua, losproblemas de resuspensión por el viento se evitan, por lo que la concentración de lossólidos suspendidos en el efluente son menores. En estos sistemas la mayoría de lossólidos son atrapados en los primeros metros (10 a 20% de la distancia total) en ellecho. Se ha observado en estos sistemas, que cuando ocurre obstrucciones en la zonade la entrada del lecho una porción del flujo se derrama por la superficie del humedal.Las obstrucciones en la zona de la entrada aparecen cuando son aplicadas altas cargasorgánicas y de sólidos, esto es común que suceda cuando se aplican aguas con altocontenido de algas como sucede con los efluentes de lagunas de estabilización.

Remoción de DBO

En los humedales construidos la remoción de la DBO soluble y suspendida se lleva aefecto por una serie de mecanismos diferentes. La DBO que se encuentra en formasoluble es removida mediante la degradación biológica realizada por losmicroorganismos adheridos a la superficie de las plantas y los detritos, así como por losmicroorganismos que se encuentran en la columna de agua, como sucede en lossistemas con flujo libre o los que se encuentran adheridos al medio soporte en lossistemas con flujo subsuperficial. Por otra parte, las bajas velocidades que se producenen el sistema, así como la presencia de las plantas y del medio soporte para el caso lossistemas con flujo subsuperficial, hacen que se favorezca la filtración, floculación ysedimentación de la materia orgánica que se encuentra en forma suspendida. Los sólidosorgánicos removidos por sedimentación y filtración, así como la vegetación muertaejercerán una demanda de oxígeno. Como resultado de lo anteriormente explicado, laDBO afluente al humedal se remueve rápidamente a medida que el agua avanza en elsistema.

Los compuestos orgánicos solubles son, en su mayoría, degradados de forma aerobia;sin embargo, en algunos casos la degradación anaerobia puede ser significativa. Eloxigeno necesario para soportar los procesos aerobios puede ser suministrado, según elcaso, directamente de la atmósfera por difusión, mediante la fotosíntesis de las plantasen el interior de la columna de agua y cedido desde las raíces de las plantas.

Remoción de nitrógeno

La remoción del nitrógeno puede ser muy efectiva en ambos tipos de humedales FL yFSS y los principales mecanismos de remoción son similares también. El mecanismofundamental para la remoción del nitrógeno en los humedales es la nitrificación-denitrificación; la toma por la planta es otra vía, pero se considera que mientras no hayacosecha de plantas no hay remoción, no obstante, hay autores que señalan que por estavía solo se puede lograr alrededor del 10% de remoción. (Crites and Tchobanoglous,1998; Kaclec and Knight, 1996; Reed et al, 1995)

El nitrógeno que entra a un humedal puede encontrarse en el agua residual en unavariedad de formas, desde nitrógeno orgánico, amoniacal, nitrito y nitrato. El nitrógenoorgánico que entra al humedal generalmente lo hace en forma de materia orgánica

sólida, dicha materia orgánica sufre un proceso de descomposición denominadoamonificación, mediante el cual el nitrógeno orgánico es transformado a amonio poruna amplia variedad de bacterias heterótrofas las cuales pueden encontrarse encondiciones aerobias o anaerobias, el proceso es más lento bajo condiciones anaerobias.Este amonio liberado, así como el que contiene las aguas residuales puede encontrarseen dos formas relacionadas: como ion amonio (NH~() o como gas amoniaco disuelto(NH3), el balance entre estas dos formas depende del pH y de la temperatura.

La nitrificación es el proceso mediante el cual el amonio es oxidado a nitrato porbacterias nitrificantes. El proceso de nitrificación se efectúa en dos etapas y mediantedos grupos de bacterias. La primera etapa es la oxidación del amonio a nitrito, dichoproceso es llevado a cabo, fundamentalmente, por bacterias del género Nitrosomonas, laoxidación posterior de nitrito a nitrato la realiza las bacterias del género Nitrobacter. Lanitrificación solo ocurre bajo condiciones aerobias, pudiendo ocurrir a concentracionesde oxígeno tan bajas como 0,3 mg/I (Reddy and Patrick, 1984). Otros factores que sonesenciales para que ocurra la nitrificación es que: haya suficiente alcalinidad, unatemperatura adecuada y una concentración de materia orgánica por debajo de 20 mg / l,esto último de debe a que es necesario que las bacterias heterótrofas no compitan conlas bacterias nitrificantes por el oxigeno. En los humedales se ha comprobado que lanitrificación es limitada por la cantidad de oxígeno, teóricamente se requieren 4,6 g deoxígeno para oxidar 1 g de amonio. En el caso de los humedales construidos la cantidadde oxígeno utilizable está directamente relacionado con la re aireación atmosférica paralos humedales con flujo libre, y con la extensión en la penetración y la eficiencia en latransferencia del oxígenos por las raíces de las plantas, para el caso de los humedalescon flujo subsuperficial.

En los humedales, la remoción del nitrato por la vía de la denitrificación biológicarequiere de condiciones anóxicas, fuente de carbono y condiciones adecuadas detemperatura. La denitrificación es un proceso de descomposición anaerobia en el que lamateria orgánica es degradada por bacterias que utilizan como aceptor final deelectrones al nitrato, en lugar de oxígeno (respiración anaerobia). El proceso dedenitrificación ocurre en dos etapas: primero el nitrato es reducido a óxido nitroso (N20)el cual es subsecuentemente reducido a gas nitrógeno (N2). Ambos productos el óxidonitroso y el nitrógeno son gases que son emitidos a la atmósfera, sin embargo, el óxidonitroso es un gas que produce efecto invernadero. A pH bajos el segundo paso de ladenitrificación se inhibe y todo el nitrógeno liberado lo hará en forma de óxido nitroso,de aquí que el pH del agua residual en los humedales debe mantenerse por encima de 6para que el mayor porciento de nitrógeno liberado sea en forma de gas di nitrógeno.

Debido a que en las aguas residuales la mayor parte del nitrógeno se encuentra enestado reducido, para que ocurra remoción del nitrógeno en forma de compuestosgaseosos es necesario que ocurra la nitrificación primero y luego la denitrificación. Estosignifica que para que ocurra la nitrificación-denitrificación se necesitan condicionesaerobias y anaerobias. Por otra parte, como se explicó anteriormente para que ocurra lanitrificación se requiere que se haya removido la mayor parte de la DBO (a menos de 20mg/l); sin embargo, para la denítrificación se requiere que haya una cierta cantidad demateria orgánica, se estima que se requieren entre 5-9 mg/l de DBO para denitrificar lgde N-NOÇ, de aquí que un agua residual que contenga 15 mg/l de N03 requieraaproximadamente 135 mg/l de DBO. La mayor fuente de materia orgánica utilizada enlos humedales para la denitrificación son los detritos de plantas y otras fuentes naturales

presentes en la capa bental, es por esto que generalmente los sistemas con flujo libre sonmás eficientes que los sistemas con flujo subsuperficial en la remoción de nitrógeno.

Remoción de fósforo

Los mecanismos principales para la remoción del fósforo son: la adsorción, laformación de complejos, la precipitación y la toma por las plantas. La remoción defósforo inorgánico a través de la asimilación por la planta es una vía rápida; sinembargo, debido a que la cosecha de las plantas o no se realiza o se hace cada ciertotiempo, ocurre que gran cantidad de plantas mueren lo que hace que gran parte delfósforo sea devuelto al agua por lo que la remoción real es baja.

Por otra parte, la adsorción del fósforo a las partículas del suelo es un proceso deremoción importante. La capacidad de adsorción depende de la presencia de hierro,aluminio o calcio en el suelo, así como de la presencia de minerales de arcilla o materiaorgánica. Bajo condiciones aerobias y pH entre neutro y ácido el Fe+3 se une al fosfatopara formar un complejo estable; sin embargo, si el suelo se vuelve anaerobio comoresultado de estar inundado, el Fe+3 se reducirá a Fe+2 lo cual conduce a que la adsorciónsea menos fuerte y se libere fosfato. La adsorción del fosfato con el calcio ocurresolamente bajo condiciones entre neutras y básicas; mientras que con el aluminio laadsorción solo ocurre a pH neutros y ácidos. Además del carácter reversible del procesode adsorción del fósforo, el cual depende de las condiciones redox, hay que señalar quela adsorción está también sujeta a la saturación, considerándose que cada suelo tiene unacapacidad de adsorción limitada y luego de que estos sitios estén ocupados no ocurriránnuevas adsorciones.

Además del proceso de adsorción-desorción, el fosfato también puede ser precipitadocon hierro, aluminio y ciertos compuestos del suelo. Este proceso el cual incluye lafijación del fosfato a la matriz de minerales de arcilla y la formación de complejos conmetales, tiene una velocidad mucho más lenta que el proceso de adsorción, pero no estásujeto a una saturación tan rápida. Otra forma de remoción del fósforo es mediante laacumulación y almacenamiento en la materia orgánica.

Remoción de metales

Se considera que la remoción de metales es semejante a la remoción del fósforo; sinembargo, poco se conoce acerca de los mecanismos que ocurren. Entre los mecanismospropuestas se incluyen la adsorción, sedimentación, precipitación química y toma porlas plantas. Al igual que lo que se plantea para el caso del fósforo, los metales puedenliberarse durante cierto periodo, los cuales se han asociado a cambios en los potencialesredox dentro del sistema.

Remoción de patógenos.

Las bacterias patógenas y los virus son removidos, fundamentalmente, por adsorción,sedimentación, filtración y predación, así como debido a que las condicionesambientales, las cuales no son favorables para el patógeno lo que trae comoconsecuencia su muerte. En el caso de los humedales con flujo libre, las radiacionesultravioletas también pueden provocar la muerte de los patógenos.

5. Utilización de los humedales construidos.

5.1.Flujo libre

Los humedales con flujo libre son quizás los más antiguos desde el punto de vistaconceptual. Este tipo de sistema ha sido utilizado como tratamiento secundario, asícomo tratamiento de pulimento a sistemas secundario. Generalmente estos sistemas sondiseñados con cargas superficiales bajas. La profundidad de las aguas en estos sistemasvaría entre 5 y 90 cm., sin embargo el valor más común se encuentra entre 30 y 40 cm.(Reed and Brown, 1991)

En Norte América los humedales con flujo libre son el tipo más usado para eltratamiento de las aguas residuales y según Knight et al, 1993, el número de humedalescon flujo libre en Norte América representan dos tercios del total de los humedalesconstruidos que se encuentran en funcionamiento.

En el caso de Europa, este tipo de sistema se ha desarrollado más lentamente. Lossistemas más antiguos se encuentran en Holanda donde han sido utilizados por más de30 años, dichos sistemas están formados por zanjas de 3 m de ancho y 100 m de largo,con una profundidad de entre 0,30 y 0,40m y las plantas sembradas son Scirpusiacustris. El agua residual entra por un extremo de la zanja y se descarga por el extremoopuesto. En estos humedales se emplea un área de 20 m2 por persona equivalente (PE) ylas remociones obtenidas para los distintos contaminantes son elevadas (96% SST; 96%DBO; 87% DQO; 40% NTK y 30% PT). (Brix 1-1, 1994c) Por otra parte, en el año1993 se desarrollo en la región de Escandinavia el primer sistema, a gran escala, de unhumedal con flujo libre, el sistema tiene un área superficial de 21 ha y tiene comoobjetivo la remoción del 50% del nitrógeno presente en las aguas residuales tratadas enuna planta de tratamiento las cuales eran vertidas al mar Báltico.

5.2. Flujo subsuperficial horizontal.

Estos sistemas se diseñan con el objetivo de lograr tratamiento secundario y tratamientoavanzado a las aguas residuales. A estos sistemas se les ha llamado también de “rootzone” o “rock-reed filters” generalmente son estanques o canales con el fondorelativamente impermeable rellenos con un medio poroso, el cual es sembrado conplantas emergentes. Se ha utilizado diferentes métodos de pretratamiento de las aguasresiduales, así como diferentes dispositivos de entrada y salida. El medio poroso sueleser suelo o grava y el agua residual pretratada entra al lecho por un extremo del sistemay sale por el extremo opuesto.

En Europa se han construido varios cientos de humedales con flujo subsuperficialempleando suelo o grava y se considera que en este continente esta tecnología se estadiseminando rápidamente. La mayoría de los sistemas construidos emplean como plantaacuática emergente al Phragmites auslra/is pero se debe señalar que en algunossistemas se emplean otras especies de plantas comunes de estos sitios. En la mayoría delos sistemas que se encuentran en operación en Dinamarca y Alemania se ha utilizadosuelo, como medio poroso; mientras que en el caso de Norte América y el Reino Unidola mayoría de los sistemas emplean grava. (Brix H, 1 99,.4c)

En Australia y Sudáfrica los humedales con flujo subsuperficial han sido aplicados parael tratamiento de una amplia variedad de aguas residuales. (Bavor et al 1987; Daviesand Hart, 1990)

El diseño actual de estos sistemas varía en los diferentes lugares donde son utilizados, lamayoría de los sistemas se construyen como sistema único de forma rectangular con unarelación largo:ancho de 0,3-3. Algunos se construyen con una estructura semejante a untejado con dos aguas, con inclinación a ambos lados y el agua residual se añade en lazona media para tratar de maximizar el área de la sección transversal de esos sistemas.Otros sistemas consisten de dos o más lechos colocados en serie, pero con la posibilidades entonces utilizado principalmente para reducir esos compuestos de fósforosprecipitados.

Uno de los problemas que presentan los humedales con flujo subsuperficial horizontal,que emplean suelo, es su baja conductividad hidráulica, lo cual hace que se puedanproducir flujos del agua residual por la superficie del lecho, reduciéndose así lostiempos de retención; este problema se ha podido resolver mediante el empleo de gravacomo medio poroso, no obstante, en ocasiones se ha observado problemas deobstrucciones en este tipo de sistema lo cual se ha asociado a mal funcionamiento en elpretratamiento de las aguas residuales. Los sistemas que emplean grava tienen pocacapacidad de adsorción de fósforo, de aquí que su remoción sea menor. En Alemaniapara tratar de mejorar este problema se ha empleado arenas enriquecidas con hierro, estetipo de medio tiene una conductividad hidráulica mayor que la del suelo y ademáspermite fijar el fósforo. (Netter and Bischofsberger, 1990)

Otro problema es la transferencia de oxígeno por las raíces de las plantas, teóricamentese ha considerado que la concentración de oxigeno trasladado a las raíces es suficientepara satisfacer la demanda de oxígeno para la degradación aerobia de los contaminantespresentes en las aguas residuales incluyendo la oxidación del amonio a nitrato, sinembargo, estudios realizados demuestran que el oxígeno desprendido por las raíces sonmucho menores que las cantidades necesarias para la degradación aerobia de losdistintos contaminantes. (Brix H, 1 994b)

Los humedales con flujo subsuperficial horizontal son sistemas eficientes en laremoción de DBO y SST, sin embargo, no son eficientes en la remoción de nutrientes.En Inglaterra y Dinamarca se utilizan áreas de aproximadamente 10 m2 por PE y lacalidad de los efluentes depende de la calidad del agua residual afluente, aunque seplantea que las eficiencias medias logradas son de: 91% para los 551; 89% para laDBO; 33% NT y 32% PI. (Brix H, 1994c)

5.3. Flujo vertical y sistemas combinados

En los humedales con flujo vertical el agua residual es aplicada uniformemente sobre lasuperficie del lecho y el efluente tratado sale por unos tubos perforados que seencuentran en el fondo del lecho, colocados paralelamente al eje longitudinal de éste. Elcriterio conceptual empleado para estos sistemas se basa en los trabajos de la Dra.Seidel y en la actualidad este tipo de sistema es muy utilizado en varias partes deEuropa.

Un sistema típico consiste de dos grupos o etapas, de celdas con flujo vertical en serieseguido por una o más celdas con flujo horizontal, estas últimas con el objetivo delograr el pulimento de los efluentes. Cada grupo de celdas con flujo vertical consisten asu vez de varias celdas en paralelo, donde el agua es aplicada intermitentemente yrotando entre las celdas, los sistemas que se encuentran en operación en Europa utilizanefluentes primarios y en algunos casos emplean directamente aguas residuales crudas.En estos sistemas las aguas residuales son dosificadas por 2 días y luego las celdas semantienen secas por 4 a 8 días. El número de celdas en paralelo estará en dependenciade los ciclos de aplicación que se vayan a utilizar. (Reed et al, 1995)

La principal ventaja de este tipo de sistema radica en la restauración de las condicionesaerobias durante el periodo seco. Esto permite que la remoción de la DBO y denitrógeno amoniacal se realice a mayor velocidad que la que se presenta en los sistemascon flujo subsuperficial horizontal, pues al estar estos últimos constantementeinundados las condiciones son más bien anaerobias. Como resultado de lo anteriormenteexplicado, para una calidad de efluente determinado, los lechos con flujo verticalpueden ser algo menores en área que los sistemas con flujo horizontal.

La carga hidráulica aplicada durante el periodo de dosificación de las aguas residualessobre los lechos de la etapa 1 es típicamente de 0,3 m/d para efluentes primarios y eldoble para las celdas de la etapa II. En los sistemas con dos etapas pueden lograrseeficiencias en remoción de más del 90% para la DBO y los SST.

En los últimos años en Alemania se ha desarrollado un nuevo sistema con flujo verticalconocido como PHYTOPILT. El sistema consiste de un lecho multicapa al cual se leadiciona mediante un pulso automático, por un sistema de sifones, las aguas residualessobre la superficie del lecho. El lecho consiste de cuatro capas, una capa superior desuelo con un espesor de 0,3 m donde son sembradas las plantas, una capa filtrantesuperior con un espesor de 0,4 m consistente en arena o grava con alta conductividadhidráulica, una capa filtrante intermedia con un espesor de 0,7 con una conductividadhidráulica relativamente baja pero una alta capacidad de adsorción de fósforo y la capafiltrante más baja con un espesor de 0,4 m constituida por arena y grava. La diferenciaen la conductividad hidráulica entre la capa intermedia del filtro y la capa de filtro quese encuentra más abajo se utiliza para la aereación automática de la capa más baja defiltro mediante un sifón que se encuentra conectado a la salida del sistema. Cuando elagua, que se encuentra en la capa de filtro más baja, es arrastrada por el sifón, el aire eschupado desde la atmósfera a través del sistema de drenaje y los tubos de aereación.Precisamente estas condiciones aerobias en la capa más baja hace se mejore lanitrificación, la combinación con sistemas con flujo horizontal permitiría ladenitrificación y así podría lograrse una mayor eficiencia en la remoción de losnutrientes. El área considerada para este tipo de sistema es de aproximadamente 5 m2

por PE. (Brix H. 1994c)

6. Procedimiento general utilizado para el diseño de los humedales.

Los humedales construidos pueden ser considerados como reactores biológicos debiomasa adherida y su funcionamiento para la remoción de la DBO y el nitrógeno puedeser estimado de acuerdo con una cinética de primer orden para un reactor con flujopistón. Las relaciones básicas para los reactores con flujo pistón son las siguientes:(Reed et al, 1995)

)exp( KtCC o −= (1)

Donde:

C: Concentración del contaminante efluente. (mg/l)Co: Concentración del contaminante afluente. (mg/l)K: Constante de velocidad de reacción de primer orden, dependiente de latemperatura. (d-1)t: Tiempo de retención hidráulica. (d)

El tiempo de retención hidráulica en los humedales puede ser calculado usando lasiguiente ecuación:

QndWL

t***= (2)

donde:

L: Longitud del estanque. (m)W: Ancho del estanque. (m)d: profundidad del agua en el estanque. (m)n: porosidad, o espacio utilizado por el agua para fluir a través del humedal. En loshumedales con flujo libre (FL) la vegetación y las plantas secas ocupan un espacio,mientras que en los humedales con flujo subsuperficial (FSS) el medio, las raíces yotros sólidos hacen lo mismo. La porosidad es un por ciento y se expresa en formadecimal.Q: Flujo promedio a través del humedal. (m3/d)

Para determinar el flujo promedio se aplica la siguiente ecuación:

2QeQa

Q+= (3)

donde:

Qa: Flujo afluente; Qe: Flujo efluente

Para hacer un diseño preliminar usualmente se asume que Qa y Qe son iguales.

Combinando las ecuaciones (1) y (2) se puede determinar el área superficial delhumedal.

KdnCe

CoQLWAs

)ln(== (4)

donde As Área superficial del humedal (rn2)

El valor de K usado tanto en la ecuación (1) como en la (4) dependen del tipo decontaminante removido y de la temperatura.

7. Modelo de diseño para la remoción de la DBO

Todos los humedales construidos pueden ser considerados como reactores biológicoscon biomasa adherida y su funcionamiento puede ser descrito, aproximadamente, poruna cinética de primer orden para un reactor con flujo pistón. Estudios realizados contrazadores demuestran que realmente el patrón de flujo no se ajusta totalmente a un flujopistón ideal pero se acerca más a un flujo pistón que a mezcla completa. En la prácticalas condiciones de flujo no ideal pueden ser modelados por una cinética de primer ordencon dispersión axial o mediante el uso de un número de reactores en serie,completamente mezclados(Kadlec et al, 1993)

7.1.Humedales construidos con flujo libre

A partir de datos obtenidos en sistemas que se encuentran en operación Reed et al, 1995plantean que la ecuación (1) puede ser aplicada para el diseño de estos sistemas:

)*exp( tKCoCe

T−=

Siendo)20(

20 )06.1(−

=T

T KK (6)

El área superficial del humedal puede determinarse usando la ecuación (4)

dnK

CCQ

AsT

e

o )ln(= (7)

Kt : Constante de velocidad de reacción de las ecuaciones (5) y (6) (d-1 )d: profundidad de diseño del agua en el sistema (m)n: porosidad del humedal (0,65-0,75)

La profundidad en estos humedales puede estar en un rango que va desde unos pocoscentímetros hasta un metro.

El rango de profundidad típica de diseño para estos sistemas se encuentra entre 0,1 m a0,46 m en dependencia de la época del año y de la calidad del agua esperada en elsistema. El uso de estas ecuaciones debe hacerse con reserva debido a que se requieretener mayor información sobre ellas.

Knight et al, 1993 propuso la siguiente ecuación basándose en un análisis de regresiónaplicando los datos obtenidos en distintos sistemas en operación en Norte América.

Ce = (0,192)(Co) + (0,097)(CH) (7)

Donde :

Ce: DBO efluente (mgII)Co: DBO afluente (mgll)CH: Velocidad de carga hidráulica (cm!d).

Esta ecuación puede ser utilizada para predecir calidades de efluentes en humedales conconfiguraciones típicas y condiciones de temperatura ambiente semejante a las de loslugares donde fueron obtenidas. Sin embargo, tiene como inconveniente que no incluyeun factor de corrección para la temperatura.

Por otra parte, Crites and Tchobanoglous, 1998, plantean los siguientes criterios para eldiseño de este tipo de sistema. (Tabla 2)

Tabla 2.Criterios de diseño típico de los humedales con flujo libre y la calidad delos efluentes esperados

Parámetro de diseño Unidad Valor

Tiempo de retención d 2-5 DBO7-14(N)

Velocidad de carga orgánica K ha. d <110Profundidad del agua m 0,06-0,45

Tamaño mínimo m2 /m3 . d 5.3.-10.7

Relación L:W 2:1 a4.lControl de mosquitos RequeridoIntervalo de cosecha año 3-5/año

Calidad esperada del efluente

DBO5 mg/l <20SST mg/l <20NT mg/L <10PT mg/L <5

7.2. Humedales construidos con flujo subsuperficial.

En los humedales con flujo subsuperficial los mecanismos básicos de remoción son losmismos que para un sistema con flujo libre, sin embargo, en el sistema con flujosubsuperficial la velocidad de remoción puede ser mayor debido a en este tipo desistema hay una mayor área superficial sumergida y por tanto presentará un potencialmayor para el crecimiento de los microorganismos adheridos. Según Reed et al, 1995 unmetro cúbico de un lecho de un humedal conteniendo grava con tamaño de 25 mmpresenta un área superficial de al menos 146 m2, además de la superficie queproporcionan las raíces; mientras que en un sistema con flujo libre con un volumensemejante pudiera contener entre 15 y 50 m2 de área superficial utilizable.

Las ecuaciones planteadas (1-4) pueden ser aplicadas para un sistema con flujosubsuperficial y las únicas diferencias son la magnitud de la porosidad (n) y la constantede velocidad de reacción. Para los sistemas con flujo subsuperficial la porosidad varíacon el tipo de medio usada en el sistema, en la tabla 3 se indican las características delos medios normalmente empleados en sistemas con flujo subsuperficial.

Tabla 3.Características de los medios empleados en los sistemas con flujosubsuperficial (Reed et al, 1995)

Tipo de medio Tamaño efectivoD10 (mm)

Porosidadn

Conductividadhidráulica (ks)m3 / m2. d

Arena gruesa 2 28-32 100-1000Arena gravosa 8 30-3 5 500-5000Grava fina 16 35-38 1000-10000Grava media 32 36-40 10 000-50 000Roca gruesa 128 38-45 50 000-250 000

La ley de Darcy describe el régimen de flujo en un medio poroso y es aceptada para serutilizada en el diseño de los humedales con flujo subsuperficial que utilizan comomedio en el lecho, suelo o grava. Dicha ecuación es la siguiente:

SAkQ cs **= (8)

donde:

Q: flujo promedio a través del humedal(m3/d)Ks. Conductividad hidráulica de un área unidad del humedal perpendicular a ladirección del flujo (m3/m2. d).Ac: Area de la sección transversal perpendicular al flujo (m2)S: Gradiente hidráulico o pendiente del lecho (como una fracción decimal).

El área de la sección transversal del lecho en el humedal puede ser calculado porsustitución en la ecuación de Darcy:

SksQ

Ac*

= (9)

Según Metcalf y Eddy, 1995 los humedales con flujo subsuperficial horizontal debenser diseñados para que la velocidad del flujo definida por el producto (ks*S5) no debeser mayor de 6,8 m/d para minimizar el arrastre de la película biológica.

El ancho del lecho se calcula en función del área superficial y de la profundidad dellecho empleando la siguiente ecuación:

dAc

W = (10)

La profundidad del medio en los sistemas con flujo subsuperficial está directamenterelacionada con la profundidad de penetración de las raíces y rizomas de las plantas,pues éstas son las que suministran el oxígeno al sistema. La penetración de las raíces delas principales plantas utilizadas en los humedales construidos son las siguientes: (Reedet al, 1995)

Tabla 4. Penetración de las raíces de las plantas emergentes más utilizadas en loshumedales con flujo subsuperficial

Plantas emergentes Penetración de las raíces en el medio Scirpus 76 Phragmites >60 Typha 30

El área de la sección transversal del lecho así como el ancho del mismo sonindependientes de la temperatura y de la carga orgánica ya que ellos son controlados porlas características hidráulicas del medio.

Para el caso del valor de la K20 en los sistemas con flujo subsuperficial según Reed et al,1995 esta constante presenta un valor de 1,104 d-1, mientras que según Metcalf y Eddy,1995 el valor de K20 depende del valor de la porosidad del medio, variando desde 1.84para arena gruesa, hasta un valor de 0,86 para arena gravosa.

Los criterios de diseño propuestos por Crites and Tchobanoglous, 1998 aparecen en latabla 5

Tabla 5. Criterios típicos para el diseño de los humedales con flujo subsuperficial yla calidad de los efluentes esperados

Parámetro de diseño Unidad ValorTiempo de retención d 3 - 4

6-10 N)Velocidad de carga orgánica Kg/ha. d <110

Velocidad de carga de SSTQue entran Kg/m2.d 0,04Profundidad del agua m 0,3 — 0,61Profundidad del medio m 0,46 — 0,76Control de los mosquitos No se requiere

Esquema de cosecha No se requiere

Calidad esperada para los efluentes

DBO5

SSTNTPT

mg/lmg/l

mg/lmg/l

<20<20<10<5

8. Bibliografía

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