Folletos Informativos de Tecnología de Aguas Residuales de la EPA : Humedales de flujo libre superficial. Parte 2

Fuente: www.epa.gov

CRITERIOS DE DISEÑO

Los modelos publicados sobre el diseño de la remoción de contaminantes en humedales FLS han estado disponibles desde finales de la década de 1980. Trabajos más recientes han sido compilados en tres libros de texto que presentan modelos de diseño de humedales FLS (Reed, et al 1995, Kadlec & Knight 1996, Crites & Tchobanoglous, 1998). Los tres modelos se
basan en reacciones cinéticas de primer orden para flujo en pistón pero dan resultados diferentes debido a que diferentes bases de datos fueron utilizadas. La organización Water Environment Federation (WEF) presenta una comparación de las tres metodologías en el libro Manual de Práctica para Sistemas Naturales (WEF, 2000). Otra comparación puede encontrase en el manual de diseño de sistemas de humedales de la U.S. EPA (U.S. EPA, 2000). Este manual también incluye los modelos de diseño desarrollados por Gearheart y Finney. El diseñador de sistemas de humedales FLS debe consultar esas referencias para seleccionar el método que mejor se ajuste al proyecto en consideración. Una estimación preliminar de los requerimientos de terreno para humedales FLS puede obtenerse de los valores en la Tabla 1 para las tasas típicas de carga superficial presentadas a continuación. Estos valores también pueden ser utilizados para revisar los resultados de otras referencias.

El contaminante que requiere la mayor área para su remoción determina el tamaño del área de tratamiento del humedal, la cual corresponde a la superficie del fondo de las celdas del humedal. La distribución del flujo de agua residual en toda la superficie debe ser uniforme para que esta área sea efectiva en un 100 por ciento. Esto se hace posible en humedales artificiales mediante un gradiente del fondo cuidadosamente seleccionado y el uso de estructuras apropiadas de entrada y descarga. La distribución uniforme del flujo es más difícil en los humedales naturales que se utilizan para tratamiento o pulimiento del efluente porque estos normalmente retienen su configuración y topografía existentes; esto puede dar como resultado un flujo en corto circuito. Estudios con rastreadores de tinta en este tipo de humedales han mostrado que el área efectiva de tratamiento puede ser tan reducido como el 10 por ciento del área total del humedal. El área total del humedal debe ser dividida por lo menos en dos celdas, con excepción de los sistemas de menor tamaño. Los sistemas de mayor tamaño deben tener al menos dos trenes de celdas paralelos para tener flexibilidad de manejo y mantenimiento.

TABLA 1 TASAS TÍPICAS DE CARGA SUPERFICIAL

Los sistemas de humedales son ecosistemas vivos en los cuales los ciclos de vida y muerte de la biota producen residuos que pueden ser medidos en función de DBO, SST, nitrógeno, fósforo y coliformes fecales. Como resultado, y en forma independiente del tamaño del humedal o las características del afluente, en estos sistemas siempre existen concentraciones naturales de esos materiales. La Tabla 2 resume esas concentraciones naturales.

Debido a que la remoción de la DBO y las varias formas de nitrógeno dependen de la temperatura del agua, la temperatura del humedal debe conocerse para lograr un diseño adecuado. La temperatura del agua en sistemas con un tiempo hidráulico de retención largo (mayor a 10 días) se acerca a la temperatura promedio del aire, excepto en periodos de invierno cuando se presentan temperaturas bajo cero grados. Los métodos para calcular la temperatura del agua en humedales con HRT más cortos pueden ser encontrados en las referencias publicadas que se mencionaron anteriormente.

TABLA 2 CONCENTRACIONES “NATURALES” EN HUMEDALES FLS

Debido a que las plantas vivas y los detritos representan una resistencia significativa al flujo por la fricción a lo largo del humedal, se deben considerar los aspectos hidráulicos en el diseño del sistema. La ecuación de Manning es aceptada en general como el modelo del flujo de agua en los humedales FLS. La información descriptiva al respecto puede consultarse en las referencias citadas anteriormente. La resistencia al flujo impacta la configuración seleccionada para las celdas del humedal: entre más larga sea la trayectoria de flujo, más grande será la resistencia. Para evitar problemas de tipo hidráulico, se recomienda un cociente máximo entre longitud y el ancho de 4 a 1.

DESEMPEÑO

Un humedal FLS con una carga moderada puede lograr los niveles de efluente “naturales” que se presentan en la Tabla 2. En general, los humedales artificiales FLS se diseñan para producir una calidad dada de efluente. La Tabla 1 puede utilizarse para calcular en forma preliminar el tamaño requerido del humedal para producir una calidad de efluente deseada.
Los modelos de diseño en las publicaciones referenciadas proporcionan una estimación más precisa del área de tratamiento requerida. La Tabla 3 resume el desempeño real de 27 sistemas de humedales FLS incluidos en una Evaluación de Tecnología recientemente publicada (U.S. EPA, 2000).

TABLA 3 RESUMEN DEL DESEMPEÑO DE 27 SISTEMAS DE HUMEDALES FLS

Fuente: U.S. EPA, 2000.

En teoría el desempeño de un sistema de humedales puede estar influenciado por factores hidrológicos. Tasas elevadas de evapotranspiración (ET) pueden aumentar las concentraciones en el efluente pero también aumentar el HRT del humedal. Tasas altas de precipitación pluvial pueden diluir la concentración de contaminantes pero también reducir el HRT del humedal. En la mayoría de las zonas templadas con un clima moderado estos efectos no son críticos para el desempeño adecuado. Estos aspectos hidráulicos sólo deben ser considerados para valores extremos de ET y precipitación.

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO

Los requisitos de operación y mantenimiento (O/M) rutinarios de los humedales FLS son similares a los de las lagunas facultativas. Estos incluyen el control hidráulico y de profundidad del agua, la limpieza de las estructuras de entrada y descarga, el corte de la hierba en bermas, la inspección de la integridad de las mismas, el manejo de la vegetación del humedal, el control de mosquitos y vectores de enfermedades (de ser necesario), y el monitoreo rutinario.

La profundidad del agua en el humedal puede requerir ajuste periódico según sea la estación o en respuesta al aumento a largo plazo de la resistencia por la acumulación de detritos en el canal del humedal. Los mosquitos pueden requerir control dependiendo de las condiciones y requisitos locales. Las poblaciones de mosquitos en el humedal de tratamiento no debe exceder el de los humedales naturales cercanos.

El manejo de la vegetación en estos humedales FLS no incluye el corte rutinario y la disposición del material podado. La remoción de contaminantes por parte de la vegetación es un mecanismo relativamente insignificante de manera que el corte y la remoción rutinaria no proporciona un beneficio significativo en cuanto al tratamiento. La remoción de detritos acumulados puede ser necesaria si se presentan restricciones severas del flujo. En general, esto no ocurre si los canales del humedal han sido construídos con un cociente alto entre la longitud y el ancho (mayor de 10 a 1). El manejo de la vegetación puede incluir también el control de la vida silvestre, dependiendo del tipo de vegetación seleccionada para el sistema. Se sabe de casos en los cuales animales tales como las nutrias y el ratón almizclero (muskrat) han consumido toda la vegetación emergente de humedales artificiales FLS.

Se requiere un monitoreo rutinario de la calidad del agua en todos los humedales FLS que tengan permisos de descarga del NPDES, en los cuales se especifican los contaminantes y la frecuencia de monitoreo. El muestreo para los permisos de NPDES normalmente está limitado a agua residual no tratada y al efluente final del sistema. Dado que el componente de humedales normalmente está precedido por alguna forma de pretratamiento, el programa de monitoreo del NPDES no documenta las características del afluente a los humedales. Se deben recolectar y analizar periódicamente muestras del afluente en todos los sistemas, excepto los de menor tamaño, para proporcionar al operador un mejor entendimiento del desempeño del humedal y una base para hacer ajustes de ser necesarios.

COSTOS

Los principales elementos que se incluyen en los costos de inversión de los humedales FLS son similares a los de sistemas de lagunas, incluyendo el costo del terreno, la evaluación del sitio, la limpieza del mismo, la movilización de suelos, el recubrimiento, el medio de sembrado, las plantas, las estructuras de entrada y descarga, las cercas, tuberías misceláneas, la ingeniería, los costos legales, las contingencias, y los gastos fijos y ganancia del contratista. El recubrimiento pueden ser el elemento más costoso. Por ejemplo, una membrana lineal se podría acercar a un cuarenta porciento de los costos de construcción. En muchos casos la compactación de suelos nativos “in-situ” proveen una barrera suficiente para la contaminación subterránea.

TABLA 4 COSTOS DE INVERSIÓN Y DE O/M PARA UN HUMEDAL FLS CON UNA CAPACIDAD DE 100,000 GALONES POR DÍA

La Tabla 4 presenta los costos para construcción de un humedal FLS hipotético de 378,500 L/d (100,000 galones/d) para lograr una concentración de 2 mg/L de amoníaco en el efluente. Otros supuestos de cálculo son los siguientes: NH3 afluente = 25 mg/L; temperatura del agua 20°C (68°F); profundidad del agua = 0.46 m (1.5 pies); porosidad = 0.75; área de tratamiento = 1.3 hectáreas (3.2 acres); y costo del terreno =$12,355/ hectárea ($5,000/acre).

TABLA 5 COMPARACIÓN DE COSTOS DE UN HUMEDAL FLS Y UN SISTEMA CONVENCIONAL DE TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL

La Tabla 5 presenta una comparación de costos del ciclo de vida útil de este humedal con el de un sistema convencional de tratamiento de reactor secuencial por tandas (sequencing batch reactor, SBR) diseñados para el mismo caudal y calidad de efluente.

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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