Folletos Informativos de Tecnología de Aguas Residuales de la EPA : Humedales de flujo subsuperficial. Parte 1

Fuente: www.epa.gov

DESCRIPCIÓN

Los sistemas de humedales se describen típicamente por la posición de la superficie del agua y/o el tipo de vegetación presente. La mayoría de los humedales naturales son sistemas de flujo libre superficial en los cuales el agua está expuesta a la atmósfera; estos incluyen a los fangales (principalmente con vegetación de musgos), las zonas pantanosas (principalmente de vegetación arbórea), y las praderas inundadas (principalmente con vegetación herbácea y plantas macrófitas emergentes). Un humedal artificial de flujo subsuperficial (FS, subsurface flow wetlands) está diseñado específicamente para el tratamiento de algún tipo de agua residual, o su fase final de tratamiento, y está construído típicamente en forma de un lecho o canal que contiene un medio apropiado. Un ejemplo de un humedal FS se muestra en la Figura 1. La grava es el medio más utilizado en Estados Unidos y Europa, aunque también se ha utilizado roca triturada, grava, arena y otro tipo de materiales del suelo. El medio se planta normalmente con los mismos tipos de vegetación emergentes presentes en las praderas inundadas y, por diseño, el nivel del agua se mantiene por debajo de la superficie del medio. Las principales ventajas de mantener un nivel subsuperficial del agua son la prevención de mosquitos y olores y la eliminación del riesgo de que el público entre en contacto con el agua residual parcialmente tratada. En contraste, la superficie del agua en los pantanales naturales y en los humedales artificiales de flujo libre superficial (FLS, free water surface wetlands)está expuesta a la atmósfera, lo cual conlleva los riegos de los mosquitos y de acceso del público.

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

FIGURA 1 HUMEDAL DE FLUJO SUBSUPERFICIAL

La mejora en la calidad del agua en humedales naturales ha sido observada por científicos e ingenieros durante muchos años, y ha llevado al desarrollo de humedales artificiales para duplicar en ecosistemas construídos los beneficios de calidad del agua y hábitat de los humedales naturales. Se considera que las reacciones biológicas se deben a la actividad de los microorganismos adheridos a las superficies disponibles de sustrato sumergido. En el caso de los humedales FLS esos sustratos son las porciones sumergidas de las plantas vivas, los detritos vegetales, y la capa béntica del suelo. En humedales FS el sustrato sumergido disponible incluye las raíces de las plantas que crecen en el medio, y la superficie misma del medio. Dado que el área de sustrato en un humedal FS puede sobrepasar por mucho el sustrato disponible en humedales FLS, las tasas de reacción microbiana pueden ser mayores que las de humedales FLS para muchos contaminantes. Como resultado, un humedal FS puede tener una menor superficie que un humedal FLS para los mismos caudales y objetivos de calidad del agua.

Las metas de diseño de los humedales FS artificiales son exclusivamente las funciones de tratamiento porque las posibilidades de proporcionar hábitat de vida silvestre y recreación pública son más limitadas que en el caso de los humedales FLS. El tamaño de estos sistemas va desde pequeñas unidades para el tratamiento en el sitio de efluentes de tanques sépticos hasta un sistema doméstico de tratamiento de aguas residuales en Louisiana con una capacidad de 1.5×107 litros por día (4 millones de galones por día, mgd). Existen aproximadamente 100 sistemas de tratamiento de aguas domésticas en los Estados Unidos, pero la mayoría trata menos de 3.8×103 m3/día (1 mgd). La mayoría de los sistemas municipales están precedidos por lagunas de tratamiento aireadas o facultativas. Hay cerca de 1000 sistemas de tratamiento a pequeña escala en el punto de origen para viviendas individuales, colegios, complejos de apartamentos, establecimientos comerciales, parques y otras instalaciones recreacionales. El caudal de estos sistemas pequeños va de cientos de galones por día a 151,400 litros por día (40,000 galones por día); el tipo predominante de pretratamiento proporcionado es el de tanques sépticos. Los costos del medio de roca o de grava son más altos y hacen que el uso de sistemas de humedales FS de mayor envergadura sea desfavorable con relación a los humedales FLS a pesar de que aquellos requieran una menor extensión de terreno.

Las comparaciones de costo han mostrado que a caudales mayores a 227,200 litros por día (60,000 galones por día) normalmente es más económico construir sistemas de humedales FLS. Sin embargo, existen excepciones cuando el acceso público, problemas de mosquitos o asuntos de vida silvestre justifican la selección de humedales FS. Un ejemplo reciente es el de un humedal FS diseñado para tratamiento de la escorrentía del aeropuerto de Edmonton en Alberta, Canadá en donde la escorrentía originada por la nieve derretida es contaminada por el fluido de glicol usado para deshielo; para esto se seleccionó un humedal FS con capacidad de 1,264,190 litros por día (334,000 galones) con el fin de minimizar problemas de hábitat y aves cerca a las pistas de aterrizaje.

Los humedales FS normalmente incluyen una o más cuencas o canales de poca profundidad de fondo recubierto para prevenir la percolación a la capa freática susceptible a la contaminación. El tipo de recubrimiento depende de las condiciones locales. En algunos casos la compactación del suelo local es adecuada, mientras que en otros se debe traer arcilla o utilizar recubrimiento de membranas plásticas (PVC o PAD).

Las estructuras de entrada y descarga se emplean para asegurar la distribución adecuada y la recolección uniforme del agua residual aplicada. El método más comúnmente utilizado en los sistemas de menor tamaño consiste de una tubería múltiple perforada. La profundidad del medio en estos humedales FS tiene un rango de 0.3 a 0.9 metros (1 a 3 pies), siendo el valor más común el de 0.6 metros (2 pies). El tamaño del medio en Estados Unidos va desde la grava fina (≥0.6 cm o ≥ 0.25 pulgadas) hasta roca grande triturada (≥15.2 cm o ≥6 pulgadas); La combinación de tamaños de 1.3 a 3.8 cm (0.5 a 1.5 pulgadas) es la más comúnmente usada. Este medio de grava debe ser de piedras limpias, duras y duraderas, con capacidad de retener su forma y la permeabilidad del lecho del humedal a largo plazo.

La vegetación emergente más comúnmente utilizada en humedales FS incluye las espadañas y aneas (Typha spp.), los juncos (Scirpus spp.) y los carrizos (Phragmites spp.). En Europa los Phragmites son las plantas preferidas para esta aplicación. Esta planta tiene varias ventajas debido a que se trata de una planta durable de rápido crecimiento que no es una fuente alimenticia para aves o la vida silvestre. Sin embargo, en algunas partes de los Estados Unidos el uso de Phragmites no está permitido porque esta es una planta de crecimiento agresivo, por lo cual se tiene la preocupación de que infeste humedales naturales. En estos casos los espadaña y los juncos pueden ser utilizados. La experiencia ha demostrado que en áreas donde se encuentra el ratón almizclero (muskrat) o las nutrias, estos pueden destruir completamente las espadañas, eneas y juncos plantados en un humedal artificial, al utilizar las plantas para alimento y anidación. Muchos de los sistemas individuales de menor tamaño usan plantas decorativas tolerantes a la humedad. La vegetación en un humedal FS no es un factor significativo en la remoción de nutrientes y no se requiere su poda. En climas fríos, la acumulación de detritos vegetales sobre el lecho de grava proporciona un aislamiento térmico que es útil durante los meses de invierno. Las raíces de las plantas sumergidas proporcionan sustrato para los procesos microbiológicos y dado que la mayoría de las macrófitas emergentes pueden transmitir oxígeno de las hojas a las raíces, se presentan microzonas aeróbicas en la superficie de las raíces y los rizomas. El resto del medio sumergido de los humedales FS tienden a carecer de oxígeno. Esta falta general de oxígeno limita la remoción biológica del amoniaco (NH3/NH4 – N) por nitrificación en los humedales FS, pero aún así el sistema es efectivo en la remoción de DBO, SST, metales y algunos contaminantes orgánicos prioritarios, dado que su tratamiento puede ocurrir bajo condiciones aeróbicas y anóxicas. La remoción de nitratos por desnitrificación biológica también puede ser muy efectiva dado que las condiciones anóxicas requeridas están siempre presentes y se cuenta con suficientes fuentes de carbono. La disponibilidad limitada de oxígeno en los humedales FS disminuye la capacidad de remoción de amoniaco por nitrificación biológica. Por esta razón se requieren tiempos largos de retención en un área extensa de humedal para producir los niveles bajos de nitrógeno en el efluente con la calidad típica de afluentes de agua residual doméstica a menos que se adopten algunas modificaciones del sistema. Estos cambios han incluido la instalación de tuberías de aireación en el fondo del lecho del sistema para oxigenación mecánica, el uso de un filtro percolador integrado para la nitrificación del amoníaco en el agua residual, y lechos de humedales de flujo vertical. Estos humedales de flujo vertical normalmente contienen grava o arena gruesa y reciben cargas intermitentes desde la superficie. La aplicación intermitente del agua residual y el drenaje vertical en el lecho permiten que las reacciones aeróbicas se produzcan con rapidez. El llenado y drenado cíclico de sistemas de flujo horizontal ha sido demostrado con éxito en el sistema de humedales FS de 130,000 galones por día de Minoa, New York. Las tasas de reacción para remoción de DBO5 y amoníaco fueron el doble de las observadas durante el flujo normal continuo de saturación.

Los mecanismos disponibles de remoción del fósforo en todos los tipos de humedales artificiales también requieren largos periodos de retención para producir niveles bajos de fósforo a partir de agua residual doméstica típica. Los humedales FLS serían probablemente la alternativa de inversión más eficaz para humedales artificiales Si la remoción significativa del fósforo fuera un requisito para un proyecto dado. La remoción de fósforo es también posible con la adición química final y mezclando con anterioridad a una laguna profunda de sedimentación.

El nivel mínimo aceptable de tratamiento preliminar previo a un sistema de humedales FS es el equivalente al tratamiento primario. Esto puede lograse con tanques sépticos o tanques Imhoff para los sistemas más pequeños, o lagunas profundas con un tiempo corto de retención para los sistemas de mayor tamaño. La mayoría de los sistemas de humedales FS para tratamiento de agua residual doméstica están precedidos por lagunas facultativas o aireadas. Estas lagunas no son necesariamente el modo preferido de tratamiento preliminar. En la mayoría de estos sistemas el humedal FS se seleccionó teniendo como meta el mejorar la calidad del efluente de las lagunas. Dado que los humedales FS pueden lograr una remoción efectiva tanto de la DBO5 como de los SST, no hay la necesidad de altos niveles de remoción de estos constituyentes en el tratamiento primario.

Los humedales FS no proporcionan el mismo nivel de hábitat que los FLS debido a que el agua en el sistema no está expuesta ni disponible para las aves y otros animales. Sin embargo, la vida silvestre se encuentra presente principalmente en forma de sitios de anidación para aves y reptiles. Si uno de los objetivos del proyecto es el proporcionar un valor de hábitat más significativo, esto puede lograrse con lagunas profundas entre-mezcladas con las celdas de humedales FS. La primera laguna estaría ubicada después del punto en el cual la calidad del agua se aproxima al menos al nivel de tratamiento secundario.

APLICABILIDAD

Los humedales FS están mejor adaptadas para aplicaciones de tamaño pequeño y mediano (≤227,100 l/d o ≤60,000 galones/día) y en sistemas de mayor tamaño en los cuales se tiene un potencial significativo de contacto con el público, mosquitos o generación de olores. Su uso en sistemas de tratamiento en el punto de origen proporciona un efluente de alta calidad para la aplicación al terreno, y en algunos estados las autoridades de permiten una reducción significativa en el terreno requerido para disposición final del efluente. Los humedales FS remueven en forma confiable la DBO, la DQO y los SST, y con tiempos de retención suficientemente largos también pueden producir bajas concentraciones de nitrógeno y fósforo. Los metales son también removidos eficazmente y se puede esperar también una reducción de un orden de magnitud en coliformes fecales en sistemas diseñados para producir efluentes de tratamiento secundario o avanzado.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS

A continuación se enumeran algunas de las ventajas y desventajas de los humedales FS.

Ventajas

• Los humedales FS proporcionan tratamiento efectivo en forma pasiva y minimizan la necesidad de equipos mecánicos, electricidad y monitoreo por parte de operadores calificados.
• Los humedales FS pueden ser menos costosos de construir, y usualmente también son menos costosos para operar y mantener, que los procesos mecánicos de tratamiento diseñados para un nivel equivalente de calidad de efluente.
• 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.
• La configuración de los humedales FS proporciona una mayor protección térmica que los humedales FLS.
• Los sistemas de humedales FS no producen biosólidos ni lodos residuales que requerirían tratamiento subsiguiente
  y disposición.
• Los FS son muy efectivos en la remoción de la DBO, la DQO, los SST, los metales y algunos compuestos orgánicos refractarios de las aguas residuales domésticas. La remoción de nitrógeno y fósforo a bajos niveles es también posible pero se requiere un tiempo de retención mucho mayor.
• Los mosquitos y otros insectos vectores similares no son un problema con los humedales FS mientras el sistema se
  opere adecuadamente y el nivel subsuperficial de flujo se mantenga. También se elimina el riesgo de que niños y mascotas estén expuestos al agua residual parcialmente tratada.

Desventajas

• Un humedal FS requiere un área extensa en comparación con los sistemas mecánicos convencionales de tratamiento.
• La remoción de DBO, DQO y nitrógeno en los humedales FS es un proceso continuo renovable. 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, NH3 y NO3. Un aumento en el tiempo de retención puede compensar por la disminución de las 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 FS es anóxica, limitando el potencial de nitrificación del amoníaco del agua residual. El aumento del tamaño del humedal y el tiempo de retención puede hacerse como compensación, pero puede no ser eficiente en términos económicos. Métodos alternos de nitrificación en combinación con los humedales FS han sido utilizados con éxito. Los humedales FS no pueden ser diseñados para lograr una remoción completa de compuestos orgánicos, SST, nitrógeno o bacterias coliformes. Los ciclos ecológicos en estos humedales producen concentraciones naturales de esos compuestos en el efluente.
• Los sistemas de humedales FS típicamente reducen al menos un orden de magnitud el contenido de coliformes fecales. Esto no es siempre suficiente para cumplir con los límites de descarga en todas las localidades, por lo cual podría requerirse desinfección subsiguiente. La desinfección con luz ultravioleta ha sido utilizada con éxito en varias aplicaciones.
• Si bien los humedales FS pueden ser de menor superficie que los humedales FLS para la remoción de la mayoría de los constituyentes del agua residual, el costo mayor del medio de grava en los humedales FS puede dar como resultado costos de construcción más altos para sistemas con una capacidad mayor a 227,000 litros por día (60,000 galones por día).

REFERENCIAS

Otros folletos informativos relacionados: Humedales de Flujo Libre Superficial EPA 832-F-00-024 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., G. Tchobanoglous (1998) Small and Decentralized Wastewater Management Systems, McGraw Hill Co., New York, New York.
2. Kadlec, R.H., R. Knight (1996)Treatment Wetlands, Lewis Publishers, Boca Raton, Florida.
3. Reed, S.C., R.W. Crites, E.J. Middlebrooks (1995) Natural Systems for Waste Management and Treatment – Second Edition, McGraw Hill Co, New York, New York.
4. U.S. EPA (1999) Free Water Surface Wetlands for Wastewater Treatment: A Technology Assessment, US EPA,
   OWM, Washington, DC. (in press.)
5. U.S. EPA (2000) Design Manual Constructed Wetlands for Municipal Wastewater Treatment, US EPA CERI, Cincinnati, Ohio (in press.)
6. US. EPA (1993) Subsurface Flow Constructed Wetlands for Wastewater Treatment A Technology Assessment,
   EPA 832-R-93-008, US EPA OWM, Washington, DC.
7. Water Environment Federation (2000) Natural Systems for Wastewater Treatment, MOP FD-16, WEF,
   Alexandria, Virginia (in press.)

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