Download Humedales Construidos

Humedales Construidos
CETA
Instituto de la
Universidad de
Buenos Aires
Tecnologías de tratamiento de
Aguas Residuales para Reuso
RALCEA – Agosto 2013
1
Humedales
El termino “Humedales” abarca una amplia gama de
ambientes húmedos, incluyendo pantanos, ciénagas,
praderas húmedas, llanuras de inundación y humedales
ribereños a lo largo de los canales de flujo.
2
Humedales Construidos
Introducción:
Estos sistemas consisten normalmente en un monocultivo o
policultivo de hidrófitas, dispuestas en lagunas, tanques o
canales poco profundos. El efluente, en general después de
recibir un tratamiento primario, pasa a través del humedal
durante un tiempo adecuado, donde es tratado por varios
procesos físico-químicos y biológicos.
3
Humedales Construidos
Uso de los humedales Construidos:
• Tratamiento de aguas residuales domésticas, industriales, drenajes
ácidos de minas, desechos agrícolas y ganaderos, lixiviados de rellenos
sanitarios.
• Eliminación de metales y metaloides en agua.
• Eliminación de compuestos orgánicos persistentes.
• Restauración y remediación de suelos contaminados.
• Tratamiento de aguas subterráneas contaminadas con compuestos
orgánicos volátiles (VOC’s).
• Remediación de sitios contaminados con Aceites e Hidrocarburos
Poliaromáticos (PAH’s).
• Tratamiento de bioresiduos.
4
Humedales Construidos
Tipos de Humedales Construidos:
• Flujo libre superficial (Flujo Horizontal)
• Flujo Sumergido (Flujo vertical y horizontal)
• Sistemas híbridos (Flujo sumergido vertical, seguido de flujo
sumergido horizontal)
5
Humedales Construidos
Tipos de Humedales Construidos:
Flujo Libre Horizontal
La vegetación está parcialmente sumergida en el agua, cuya
profundidad varía entre 4 y 18 pulgadas. El flujo es
principalmente sobre el suelo.
Este tipo de sistema consta con canales o tanques con una
barrera natural o artificial para permitir la percolación del
agua.
6
Humedales Construidos
Tipos de Humedales Construidos:
Flujo Libre Horizontal
Algunos de estos sistemas se diseñan de manera que haya
retención completa del agua que se aplica a través de
percolación y la evapotranspiración.
Las bacterias adheridas a las plantas tratan el agua residual
a medida que esta fluye a través de la vegetación por medio
de procesos físicos-químicos.
Inconvenientes:
• Olores
• Vectores
• Enfermedades
• Distantes a centros poblados
7
Humedales Construidos
Tipos de Humedales Construidos:
Flujo Sumergido Horizontal
El agua se trata a medida que fluye lateralmente a través de un medio
poroso.
La vegetación emergente se planta en el medio, puede ser grava gruesa
hasta arena. La profundidad del lecho va desde 0,45 a 1 m y pendiente de
0 a 0,5%.
8
Humedales Construidos
Tipos de Humedales Construidos:
Flujo Sumergido Horizontal
Requerimientos:
• 45 cm o más de un medio permeable que soporte las raíces de las
plantas.
• Flujo de agua debajo de la superficie del medio
• Barrera impermeable para prevenir la contaminación del acuífero.
9
Humedales Construidos
Tipos de Humedales Construidos:
Sistemas Híbridos (Primero flujo vertical y luego horizontal)
Requerimientos:
• Flujo sumergido seguido de un sistema de flujo horizontal
• Celdas en serie y con gradiente
• El efluente de cada celda fluye hacia el inicio de la siguiente celda
10
Humedales Construidos
Tipos de Humedales Construidos:
Según las necesidades del sistema:
Flujo
superficial
Libre
Flujo
Sumergido
Horizontal
Flujo
Sumergido
Vertical
Tratamiento terciario
Tratamiento secundario con carga orgánica <
100 mg/L
Segunda etapa de un sistema híbrido
Etapa final de un sistema de tratamiento
aeróbico
Primera etapa de un sistema híbrido
Tratamiento secundario, usando 2 etapas en
un sistema de flujo vertical en serie
Sistemas híbridos
Tratamiento secundario, con la primera celda
11
con flujo vertical y la segunda con flujo
horizontal
Humedales Construidos
Recirculación y Componentes:
Recirculación:
En general en los humedales no se implementa la recirculación pero se
puede considerar en el diseño e implementar.
Componentes:
- Estructura de entrada al humedal.
- La salida del efluente debe contar con una válvula, con esto se controla
el caudal de salida y por lo tanto el nivel de líquido en el humedal.
- El humedal debe ser impermeabilizado.
- Se debe evitar formar zonas muertas, es decir, sin que circule el líquido.
- Un drenaje debe ser considerado.
- La vegetación debe ser típica de la zona.
12
Humedales Construidos
Componentes:
Soporte Granular
En las zonas de entrada y salida se colocan piedras que permiten
diferenciar estas zonas de lo que es el medio granular principal. El
conjunto medio granular-biopelícula-plantas debe ser considerado como
el principal constituyente de los humedales.
En el medio granular ocurren múltiples
procesos, retención y sedimentación de la
materia en suspensión, degradación de la
materia
orgánica,
transformación
y
asimilación de los nutrientes y la inactivación
de los microorganismos patógenos.
Se recomienda una profundidad del medio
granular entre 0,3 y 0,9 m.
13
Humedales Construidos
Amortiguamiento de las variaciones
Una vez que las plantas alcanzan un determinado tamaño, estás evitarán
el paso de la luz y por lo tanto la variación de temperatura del medio
granular, evitando problemas en los procesos del tratamiento.
Para la selección de los vegetales se deberá tener en cuenta:
• Las especies deben ser colonizadoras activas.
• Deben ser especies tales que sus rizomas se extiendan ampliamente
para asegura un buen tratamiento.
• Las especies deben ser fáciles de encontrar en la zona.
• La vegetación tiene que tolerar fácilmente los contaminantes en cuestión.
• La biomasa subterránea debe poseer una gran superficie específica para
potenciar el crecimiento de la biopelicula e incrementar las diferentes
posibles reacciones.
14
• El transporte de Oxígeno debe ser eficiente.
Humedales Construidos
Las plantas en los Humedales pueden ser:
Emergentes: Tienen gran capacidad de
fotosíntesis y crecimiento.
Flotantes: Gran productividad, poseen la
habilidad de utilizar CO2 fotorespiratorio
almacenándolos en los espacios llenos de
aire.
Sumergidas: Menor productividad por lo que
se encuentran bajo el agua y no llega
demasiada luz.
15
Humedales Construidos
Procesos que intervienen:
• Sedimentación en partículas en suspensión
• Filtración
• Precipitación química
• Reacción química
• Adsorción
• Intercambio Iónico
• Degradación y transformación de contaminantes por microorganismos y
plantas
• Depredación y muerte natural de los patógenos
16
Humedales Construidos
Procesos que intervienen:
Principales procesos físicos-químicos y biológicos:
Sólidos Suspendidos: Sedimentación, filtración, degradación aeróbica y
anaeróbica.
Orgánicos Solubles: Absorción por la planta, adsorción en la matriz,
mineralización en la materia orgánica.
Nutrientes (N y P): Absorción por la planta. Asimilación vegetal e
inmovilización microbiana de compuestos.
Amonificación, nitrificación y desnitrificación.
Volatilización del amonio desde las capas superficiales del sedimento.
Adsorción y precipitación química del fosfato con Al, Fe, Ca y minerales de
la arcilla.
17
Humedales Construidos
Procesos que intervienen:
Principales procesos físicos-químicos y biológicos:
Patógenos: Sedimentación, filtración, decaimiento natural, de predacción,
exudados de las raíces de las plantas.
Metales y Metaloides: Adsorción e Intercambio Iónico, acomplejación,
precipitación, absorción por la planta, oxido-reducción microbiana. Fijación
de metales en los sedimentos.
18
Humedales Construidos
Consideraciones generales:
• Substrato con diferentes velocidades de conductividad hidráulica.
• Plantas que puedan ser adaptadas a sustratos anaeróbicas saturados de
agua.
• Columna de agua fluyendo
• Poblaciones microbianas aerobias y anaerobias
Aspectos característicos del diseño:
• Espacio
• Tiempo
• Población Activa
• Requerimientos de Energía
19
Humedales Construidos
Parámetros de Dimensionamiento
Balance Hídrico: Se contabilizan entradas y salidas de agua del Humedal
y la capacidad de almacenamiento.
dV
 Qe  Qs  ( P  ET  I ) * A
dt
Qe : Caudal del afluente (m3/t)
Qs :
Caudal del efluente (m3/t)
P : Tasa de precipitación (m/t)
ET : Tasa de evapotranspiración (m/t)
I : Infiltración (m/t)
A:
Área superficial del humedal m2
20
Humedales Construidos
Parámetros de Dimensionamiento
Balance Hídrico:
dV
 Qe  Qs  ( P  ET  I ) * A
dt
I
Infiltración
Componentes del Balance Hídrico de Humedales
21
Humedales Construidos
Parámetros de Dimensionamiento - Factores Hidrológicos e
hidráulicos
Infiltración: Se incrementa el área de infiltración, por esta razón es
necesario aislarlos.
Resistencia al flujo: El flujo de agua a través del sustrato de grava y roca
difiere del flujo a través de los tallos y plantas y genera una resistencia.
Precipitación pluvial: La lluvia puede diluir el agua residual y en
consecuencia la concentración de los contaminantes.
Evaporación: La pérdida de agua a través de la evaporación puede
aumentar la concentración de los contaminantes en el humedal y por lo
tanto en el efluente.
Porosidad (ɛ): Es el índice del volumen teórico respecto de volumen
actual disponible para el agua en el humedal.
Tiempo de retención hidráulico: Es la relación entre el flujo del sistema y
el volumen de agua disponible del humedal para que esta fluya, tomando
22
en cuenta el efecto de la porosidad.
Humedales Construidos
Parámetros de Dimensionamiento – Dimensionamiento
Biológico
dC
C
 k * C
 e  kt
dt
C0
C : Concentración del contaminante
k : Constante de cinética de primer orden
V  *S *h
t

Q
Q
:
Porosidad
S:
Sup. del Humedal
Q:
Caudal medio
h:
Profundidad media
t:
tiempo
23
Humedales Construidos
Parámetros de Dimensionamiento – Dimensionamiento
Hidráulico
Se aplica la ley de Darcy:
Q  k s * As * i
hidráulica del medio en una unidad de sección
k s : Conductividad
perpendicular a la dirección del flujo, en m /m d
3
2
As : Sección del humedal perpendicular a la dirección del flujo, en m
i:
2
Pendiente
Con el área de la sección transversal, se selecciona la profundidad y se
determina el ancho del humedal:
As
W
h
W : Ancho (m)
i
L
W
L : Longitud (m)
24
Humedales Construidos
Ventajas y Desventajas
Ventajas
Desventajas
Sistema práctico para comunidades pequeñas
Requieren grandes extensiones de terreno
Bajo costo de inversión
El rendimiento puede ser menos constante que el
de un tratamiento convencional
Bajo costo de mantenimiento y operación
Los componentes biológicos del humedal son
sensibles al NH3 y pesticidas
Soporta variaciones de caudal
Necesitan agua casi en forma constante
Facilitan la reutilización de un efluente
El tiempo necesario para estabilizar un sistema es
de 1 año
Se puede usar como tratamiento secundario o
terciario dependiendo del clima
En climas fríos se reduce la remoción de materia
orgánica
La remoción de DBO, DQO, SST, metales,
metaloides, compuestos orgánicos, N y P, puede
ser muy eficiente si el tiempo de retención es el
indicado
Los metales y algunos compuestos orgánicos
pueden acumularse
Se pueden construir en concordancia con el medio
ambiente que los rodea.
Mosquitos y otros insectos vectores de
enfermedades pueden ser un problema
El tema de humedales construidos es muy nuevo,
25
es por ello que sobre la información de su diseño
falta un consenso general
Muchas Gracias por
su atención!!!
CETA
Instituto de la
Universidad de
Buenos Aires
Centro de Estudios
Transdisciplinarios del Agua
(CETA)
corroto@fvet.uba.ar
ceta@fvet.uba.ar
26