Folletos Informativos de Tecnología de Aguas Residuales de la EPA : Humedales de flujo libre superficial. parte 1

Fuente: www.epa.gov

DESCRIPCIÓN

Se definen como humedales artificiales de flujo libre superficial (FLS, free water 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 (principalmente con vegetación de musgos), zonas pantanosas (principalmente de vegetación arbórea), y las praderas inundadas (principalmente con vegetación herbácea y macrófitas emergentes). La observación de la mejora en la calidad del agua en humedales naturales llevó al desarrollo de humedales artificiales para tratar de reproducir en ecosistemas construídos los beneficios de calidad del agua y hábitat. La mayoría de los humedales artificiales FLS son praderas inundadas, pero se tienen también algunos ejemplos de fangales y zonas pantanosas. En los humedales FLS el agua fluye sobre la superficie del suelo con vegetación desde un punto de entrada hasta el punto de descarga. En algunos casos, el agua se pierde completamente por evapotranspiración y percolación en el humedal. Un diagrama de un humedal FLS se presenta en la Figura 1.

Existen pocos ejemplos del uso de humedales naturales para tratamiento de aguas residuales en los Estados Unidos. Dado que toda descarga a humedales naturales debe cumplir con los requisitos del permiso de descarga del Sistema Nacional de Eliminación de Descarga de Contaminantes (National Pollutant Discharge Elimination System, NPDES), estos humedales se usan normalmente para tratamiento avanzado o refinamiento terciario. Las metas de diseño de los humedales construídos van desde un uso dedicado exclusivamente a las funciones básicas de tratamiento hasta sistemas que proporcionan tratamiento avanzado y/o en combinación con mejoras del hábitat de la vida silvestre y oportunidades para la recreación pública. El tamaño de los sistemas de humedales FLS va de pequeñas unidades para tratamiento en el sitio de efluentes de tanques sépticos hasta grandes unidades de más de 16,888 hectáreas (40,000 acres). En la actualidad un extenso sistema es utilizado para tratar el fósforo en escorrentía pluvial agrícola en Florida. Los humedales en operación en los Estados Unidos diseñados para el tratamiento de aguas residuales tienen un rango de menos de 3,785 litros por día (1,000 galones por día) hasta más de 75,708 m3/d (20 millones de galones por día).

Fuente: Adaptado de un dibujo de S.C. Reed, 2000

FIGURA 1 HUMEDAL DE FLUJO LIBRE SUPERFICIAL

Los humedales artificiales FLS consisten normalmente de una o más cuencas o canales de poca profundidad que tienen un recubrimiento de fondo para prevenir la percolación al agua freática susceptible a contaminación, y una capa sumergida de suelo para las raíces de la vegetación macrófita emergente seleccionada. Cada sistema tiene estructuras adecuadas de entrada y descarga para asegurar una distribución uniforme del agua residual aplicada y su recolección. La vegetación emergente más comúnmente utilizada en humedales FSL incluye las espadañas y aneas (Typha spp.), los juncos (Scirpus spp.) y los carrizos (Phragmites spp.). En sistemas diseñados principalmente para tratamiento, es común que sólo se seleccionen una o dos especies para la siembra. La cubierta vegetal producida por la vegetación emergente da sombra a la superficie del agua, previene el crecimiento y persistencia del agua y reduce la turbulencia inducida por el viento en el agua que fluye por el sistema. Quizás aún más importante son las porciones sumergidas de las plantas vivas, los ramales erguidos de las plantas muertas, y los detritos acumulados del crecimiento vegetal previo. Estas superficies sumergidas proporcionan el sustrato físico para el crecimiento de organismos perifíticos adheridos que son responsables por la mayoría del tratamiento biológico en el sistema. La profundidad del agua en las porciones con vegetación de estos sistemas va desde unas pocas pulgadas hasta más de dos pies.

El afluente a estos humedales se distribuye sobre un área extensa de agua somera y vegetación emergente. La lenta velocidad que se produce y el flujo esencialmente laminar proporcionan una remoción muy efectiva del material particulado en la sección inicial del sistema. Este material particulado, caracterizado como sólidos suspendidos totales (SST), contiene componentes con una demanda bioquímica de oxígeno (DBO), distintos arreglos de nitrógeno total y fósforo total, y trazas de metales y compuestos orgánicos más complejos. La oxidación o reducción de esas partículas libera formas solubles de DBO, nitrógeno total y fósforo total al medio ambiente del humedal en donde están disponibles para la absorción por el suelo y la remoción por parte de las poblaciones microbianas y vegetales activas a lo largo del humedal. El oxígeno está disponible en la superficie del agua, en microzonas de la superficie de plantas vivas y en superficies de raíces y rizomas, lo cual permite que se produzca actividad aeróbica en el humedal. Se puede asumir, sin embargo, que la mayor parte del líquido en el humedal FLS es anóxico o anaeróbico. Esta falta general de oxígeno limita la remoción biológica por nitrificación del amoníaco (NH3/NH4 – N) , pero los humedales FLS sí son efectivos en cuanto a la remoción de DBO, SST, metales y algunos contaminantes orgánicos prioritarios dado que su tratamiento puede ocurrir bajo condiciones aeróbicas y anóxicas.

Si la remoción de nitrógeno y/o la mejora de hábitat de vida silvestre son un objetivo del proyecto, debe considerarse el alternar zonas someras con vegetación emergente con zonas más profundas (más de 1.83 m o dos pies) que contengan vegetación sumergida seleccionada. Las zonas de mayor profundidad proporcionan una superficie de agua expuesta a la atmósfera para la reaireación, y la vegetación sumergida proporciona oxígeno para la nitrificación. Las zonas más profundas también atraen y retienen una gran variedad de vida silvestre, en particular patos y otras aves acuáticas. Este concepto, utilizado en Arcata, California, y en Minot, North Dakota, puede proporcionar un tratamiento excelente durante todo el año en climas cálidos, y en forma estacional en climas más fríos en los cuales se presentan bajas temperaturas y formación de hielo. El tiempo hidráulico de retención (HRT) en cada una de estas zonas de superficie del agua expuesta debe limitarse a aproximadamente tres días para prevenir la re-emergencia de las algas. Estos sistemas siempre deben iniciarse y terminar con zonas someras de vegetación emergente para asegurar la retención y el tratamiento de material particulado y para minimizar la toxicidad a la vida silvestre en las zonas de agua expuestas. El uso de humedales construídos FLS ha aumentado significativamente desde finales de la década de 1980. Estos sistemas se encuentran distribuídos extensamente en los Estados Unidos y se encuentran en cerca de 32 estados.

Modificaciones comunes

En los Estados Unidos es rutinario el proporcionar algún tipo de tratamiento preliminar antes del humedal FLS. El nivel mínimo aceptable es el equivalente al tratamiento primario, el cual puede lograrse con tanques sépticos, tanques Imhoff para sistemas de tamaño pequeño, o con lagunas profundas con un tiempo corto de retención. Cerca del 45 por ciento de los sistemas de humedales FLS en operación usan lagunas facultativas como tratamiento preliminar, pero los humedales han sido también utilizados como continuación de otros sistemas de tratamiento. Por ejemplo algunos de los sistemas FLS de mayor tamaño, ubicados en Florida y Nevada, fueron diseñados para el pulimiento de efluente terciario producido por plantas de tratamiento terciario avanzado.

Sistemas de humedales FLS de retención completa del agua, sin descarga han sido usados en zonas áridas de los Estados Unidos en donde el agua se pierde completamente por la combinación de la percolación y la evapotranspiración. En estos sistemas se debe prestar atención a la acumulación a largo plazo de sales y otras substancias que pueden convertirse en tóxicas para la vida silvestre o las plantas en el sistema. Mientras que es imposible excluir la vida silvestre de los humedales FLS, es prudente el minimizar su presencia hasta cuando la calidad del agua sea cercana al nivel de tratamiento secundario.

Esto puede lograrse limitando las zonas de agua expuesta en el trayecto final del sistema y usando masas densas de vegetación emergente en la porción inicial del humedal. El seleccionar vegetación con poco valor alimenticio para los animales o las aves también puede ser útil. En los climas más fríos, o en donde no se cuenta con áreas extensas, se pueden diseñar sistemas de humedales de menor tamaño para la remoción de DBO/SST. La remoción de nitrógeno pueden lograrse con un proceso separado. Sistemas de humedales en Kentucky y Louisiana han integrado con éxito filtros percoladores de grava para la nitrificación del amoniaco en el agua residual. Humedales FLS de operación estacional también han sido utilizados en climas muy fríos en los cuales el agua residual es retenida en una laguna durante los meses de invierno para su descarga al humedal a un caudal controlado durante los meses más cálidos del verano.

APLICABILIDAD

Los humedales FLS requieren un área relativamente extensa, especialmente si se requiere la remoción del nitrógeno o el fósforo. El tratamiento es efectivo y requiere muy poco en cuanto a equipos mecánicos, electricidad o la atención de operadores adiestrados. Los sistemas de humedales pueden ser los más favorables desde el punto de vista económico cuando el terreno está disponible a un costo razonable. Los requerimientos de terreno y los costos tienden a favorecer la aplicación de la tecnología de humedales FLS en áreas rurales.

Los sistemas de humedales FLS remueven en forma confiable la DBO, la demanda química de oxígeno (DQO) y los SST. También pueden producir bajas concentraciones de nitrógeno y fósforo con tiempos de retención suficientemente largos. Los metales son también removidos eficazmente y se puede esperar también una reducción de un orden de magnitud en coliformes fecales. Además de las aguas residuales domésticas, los sistemas de FLS son usados para tratamiento del drenaje de minas, escorrentía pluvial urbana, desbordes de drenajes combinados, escorrentía agrícola, desechos ganaderos y avícolas y lixiviado de rellenos sanitarios, y para efectos de mitigación.

Debido a que el agua está expuesta y es accesible a personas y animales, el concepto de recibir agua residual parcialmente tratada puede no ser adecuado en el caso de viviendas individuales, parques, áreas de juego, o instalaciones públicas similares. Para estas aplicaciones un humedal de grava de flujo subsuperficial puede ser una mejor opción.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS

Se enumeran a continuación algunas de las ventajas y desventajas de los humedales FLS.

Ventajas

• Los humedales FLS proporcionan tratamiento efectivo en forma pasiva y minimizan la necesidad de equipos mecánicos, electricidad y monitoreo por parte de operadores adiestrados.
• Los humedales FLS pueden ser menos costosos de construir, operar y mantener, que los procesos mecánicos de tratamiento.
• La operación a nivel de tratamiento secundario es posible durante todo el año con excepción de los climas más fríos.
• La operación a nivel de tratamiento terciario avanzado es posible durante todo el año en climas cálidos o semicálidos.
• Los sistemas de humedales proporcionan una adición valiosa al “espacio verde” de la comunidad, e incluye la incorporación
  de hábitat de vida silvestre y oportunidades para recreación pública.
• Los sistemas de humedales FLS no producen biosólidos ni lodos residuales que requerirían tratamiento subsiguiente y disposición.
• La remoción de DBO, SST, DQO, metales y compuestos orgánicos refractarios de las aguas residuales domésticas puede ser muy efectiva con un tiempo razonable de retención. La remoción de nitrógeno y fósforo a bajos niveles puede ser también efectiva con un tiempo de retención significativamente mayor.

Desventajas

• Las necesidades de terreno de los humedales FLS pueden ser grandes, especialmente si se requiere la remoción de nitrógeno o fósforo.
• La remoción de DBO, DQO y nitrógeno en los humedales son procesos biológicos y son esencialmente continuos y renovables. El fósforo, los metales y algunos compuestos orgánicos persistentes que son removidos permanecen en el sistema ligados al sedimento y por ello se acumulan con el tiempo.
• En climas fríos las bajas temperaturas durante el invierno reducen la tasa de remoción de DBO y de las reacciones biológicas responsables por la nitrificación y desnitrificación. Un aumento en el tiempo de retención puede compensar por la reducción en esas tasas pero el incremento en el tamaño de los humedales en climas extremadamente fríos puede no ser factible desde el punto de vista económico o técnico.
• La mayoría del agua contenida en los humedales artificiales FLS es esencialmente anóxica, limitando el potencial de nitrificación rápida del amoníaco. El aumento del tamaño del humedal y, consecuentemente, el tiempo de retención puede hacerse en forma compensatoria, pero puede no ser eficiente en términos económicos.
• Métodos alternos de nitrificación en combinación con los humedales FLS han sido utilizados con éxito.
• Los mosquitos y otros insectos vectores de enfermedades pueden ser un problema.
• La población de aves en un humedal FLS puede tener efectos adversos si un aeropuerto se encuentra localizado en la vecindad.
• Los humedales artificiales FLS pueden remover coliformes fecales del agua residual municipal, al menos en un orden de magnitud. Esto no siempre es suficiente para cumplir con los límites de descarga en todas las localidades, por lo cual podría requerirse desinfección subsiguiente. La situación puede complicarse aun más debido a que las aves y otras especies de vida silvestre producen coliformes fecales.

REFERENCIAS

Otros folletos informativos relacionados

Humedales de Flujo Subsuperficial
EPA 832-F-00-023
Septiembre del 2000

Otros folletos informativos de la EPA se pueden obtener en la siguiente dirección de Internet: http://www.epa.gov/owmitnet/mtbfact.htm

1. Crites, R.W. and G. Tchobanoglous, 1998, Small and Decentralized Wastewater Management Systems, McGraw Hill Co., New York, NY.
2. Kadlec, R.H. and R. Knight, 1996, Treatment Wetlands, Lewis Publishers, Boca Raton, FL.
3. Reed, S.C.; R.W. Crites; and E.J. Middlebrooks, 1995, Natural Systems for Waste Management and Treatment – Second Edition, McGraw Hill Co, New York, NY.
4. U.S. EPA, 2000, Free Water Surface Wetlands for Wastewater Treatment: A Technology Assessment, U.S. EPA, OWM, Washington, D.C.
5. U.S. EPA, 2000, Design Manual Constructed Wetlands for Municipal Wastewater Treatment, U.S. EPA, CERI, Cincinnati, OH.
6. Water Environment Federation, 2000, Natural Systems for Wastewater Treatment, MOP FD-16, WEF, Alexandria, VA.

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