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

Fuente: www.epa.gov

CRITERIOS DE DISEÑO

Los modelos de diseño de humedales FS han estado disponibles en publicaciones desde finales de la década de 1980. Trabajos más recientes, hechos a mediados y finales de la década de 1990 han sido compilados en tres libros de texto que presentan modelos de diseño de humedales FS (Reed, et al 1995, Kadlec & Knight 1996, Crites & Tchobanoglous, 1998). En los tres casos los modelos se basan en reacciones cinéticas de primer orden para flujo en pistón, pero los resultados no siempre concuerdan debido a las selcciones de desarrollo adoptados por cada autor, y a que no se utilizaron las mismas bases de datos para la derivación de los modelos. La organización Water Environment Federation (WEF) presenta una comparación de las tres metodologías en el libro Manual de Práctica para Sistemas Naturales (Manual of Practice on Natural Systems, WEF, 2000), lo mismo que en el manual de diseño de sistemas de humedales de la U.S. EPA. El diseñador de sistemas de humedales FS 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 FS puede obtenerse de los valores en la Tabla 1 para las tasas típicas de carga superficial. Estos valores también pueden ser utilizados para revisar los resultados de las referencias citadas anteriormente.

El tamaño de los humedales FS es determinado por el contaminante que requiere la mayor área para su remoción. Esta es la superficie del fondo de las celdas del humedal, y para que sea efectiva en un 100 por ciento, la distribución del flujo de agua residual debe ser uniforme en toda la superficie. Esto es posible con humedales artificiales mediante un gradiente de fondo cuidadosamente seleccionado y el uso de estructuras apropiadas de entrada y descarga. El área total de tratamiento debe ser dividida entre al menos dos celdas en todos los sistemas con excepción de los más pequeños. Los sistemas de mayor tamaño deben tener al menos dos trenes de tratamiento paralelos con celdas para proporcionar flexibilidad de manejo y mantenimiento.

Los sistemas de humedales son ecosistemas vivos en los cuales los ciclos de vida y muerte de la biota produce 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.

TABLA 1 TASAS TIPICAS DE CARGA SUPERFICIAL PARA HUMEDALES DE FLUJO SUBSUPERFICIAL

Es necesario que el diseñador determine la temperatura del agua en el humedal porque la remoción de DBO y de varias formas de nitrógeno, dependen de la temperatura. La temperatura del agua en sistemas con un tiempo hidráulico de retención (THR) extenso (mayor a 10 días) se acerca a la temperatura promedio del aire excepto en periodos de invierno con temperaturas bajo cero. Los métodos para calcular la temperatura del agua en humedales con THR más cortos pueden ser encontrados en las referencias publicadas que se mencionaron anteriormente.

También es necesario considerar los aspectos hidráulicos del sistema porque a lo largo del humedal existe una considerable resistencia al flujo por fricción debido a la presencia del medio de grava, las raíces de las plantas y los detritos. El mayor impacto de esta resistencia al flujo se tiene en la configuración seleccionada para las celdas del humedal. A medida que la distancia de flujo aumenta la resistencia se hace mayor. Para evitar esos problemas hidráulicos se recomienda un cociente de longitud a ancho de 4 a 1, o menor. La ley de Darcy es aceptada generalmente como el modelo para el flujo del agua en los humedales AFS; la información descriptiva al respecto puede encontrase también en las referencias citadas anteriormente.

El flujo del agua a lo largo de las celdas del humedal depende del gradiente hidráulico en la celda, así como la conductividad hidráulica (ks), el tamaño y la porosidad del medio utilizado (n). La Tabla 3 presenta las características típicas del medio a ser potencialmente utilizado en humedales FS. Estos valores pueden ser utilizados para estimaciones preliminares y el diseño de sistemas muy pequeños. Para sistemas a mayor escala el medio propuesto debe ser evaluado en forma experimental para determinar esos valores.

TABLA 2 CONCENTRACIONES “NATURALES” EN HUMEDALES DE FLUJO SUBSUPERFICIAL

Fuente: Reed et al., 1995 y U.S. EPA, 1993.

DESEMPEÑO

Un humedal FS con una carga moderada puede lograr los niveles de efluente “naturales” que se presentan en la Tabla 2. En general, los humedales FS se diseñan para producir una calidad dada de efluente, y 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 proveen estimaciones más precisas del área de tratamiento requerida. La Tabla 4 resume el desempeño real de 14 sistemas de humedales FS incluidos en la Evaluación de Tecnología de la U.S. EPA (EPA, 1993).

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

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO

La operación y mantenimiento (O/M) rutinarios de los humedales FS son similares a los de las lagunas facultativas, e incluyen el control hidráulico y de la 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 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 los poros del medio. El control de mosquitos puede no ser requerido en sistemas de humedales FS en la medida que la superficie del agua se mantenga debajo de la superficie superior del medio. El manejo de la vegetación en estos humedales FS no incluye la poda rutinaria y 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 de la vegetación no proporciona un beneficio significativo en cuanto al tratamiento. La remoción de detritos acumulados no es necesaria, y en climas muy fríos sirve de aislamiento térmico para prevenir la congelación del lecho del humedal. El mantenimiento de la vegetación también puede incluir el manejo de la vida silvestre dependiendo del tipo de vegetación seleccionada para el sistema y la posición del agua. Se ha reportado que animales tales como las nutrias y el ratón almizclero pueden consumir toda la vegetación en un humedal construído. Estos animales no deberían ser atraídos a los humedales FS en la medida que se mantenga el nivel correcto del agua.

TABLA 3 CARACTERÍSTICAS TÍPICAS DEL MEDIO DE HUMEDALES DE FLUJO SUBSUPERFICIAL

* mm x 0.03937 = pulgadas
** pie³/pie²/d x 0.3047 = m³/m²/d, o, x 7.48 = galones/pie²/d
Fuente: Reed et al., 1995

TABLA 4 RESUMEN DEL DESEMPEÑO DE 14 SISTEMAS DE HUMEDALES DE FLUJO SUBSUPERFICIAL*

* Valor promedio de retención de 3 días (rango de 1 a 5 días).
** Valor promedio.
*** Rango de valores.
Fuente: U.S. EPA, 1993.

Se requiere un monitoreo rutinario de la calidad del agua en todos los humedales FS que tengan permisos de descarga del NPDES, y en este permiso se especifican los contaminantes y la frecuencia de monitoreo. El muestreo para los permisos de NPDES está limitado normalmente al 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 recomienda que en todos los sistemas, excepto los de menor tamaño, se recolecten y analicen en forma periódica, muestras del afluente con fines operacionales además de las requeridas por el permiso NPDES. Esto permitirá que el operador tenga un mejor entendimiento del desempeño del humedal y le proporcione la base para hacer ajustes de ser necesarios.

COSTOS

Los principales elementos que se incluyen en los costos de inversión de los humedales FS son similares a muchos de los requeridos para los sistemas de lagunas. Estos incluyen el costo del terreno, la evaluación del sitio, la limpieza del sitio, la movilización de suelos, el recubrimiento, el medio de grava, 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 medio de grava y el recubrimiento pueden ser los elementos más costosos de esta lista. En los estados del Golfo de México en donde los suelos arcillosos a menudo eliminan la necesidad del recubrimiento, el costo de traer la grava puede representar el 50 por ciento del costo de construcción. En otras localidades en donde la grava está disponible localmente pero se requiere una membrana de recubrimiento, el costo de esta puede ser cerca del 40 por cuento del costo de construcción. En muchos casos la compactación en el sitio de los suelos naturales proporciona una barrera suficiente para prevenir la contaminación del agua freática. La Tabla 5 presenta los costos para construcción de un humedal FS 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 medio = 0.6 m (2 pies), porosidad = 0.4, área de tratamiento = 1.3 hectáreas (3.2 acres), costo del terreno =$12,355/hectárea ($5,000/acre).

La Tabla 6 presenta una comparación del costo del ciclo de vida útil de este humedal con el costo de sistemas convencionales de tratamiento diseñados para el mismo caudal y calidad de efluente. El proceso convencional es un reactor
secuencial por tandas (SBR).

TABLA 5 COSTOS DE INVERSIÓN Y DE O/M PARA UN HUMEDAL DE FLUJO SUBSUPERFICIAL CON UNA CAPACIDAD DE 100,000 GALONES POR DÍA

* Costos de junio de 1999, índice ENR de construcción = 6039
** 12,000 yardas cúbicas de grava de 0.75 pulgadas

TABLA 6 COMPARACIÓN DE COSTOS DE UN HUMEDAL DE FLUJO SUBSUPERFICIAL Y UN SISTEMA CONVENCIONAL DE TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL

* El factor de valor presente es de 10.594 con base en un periodo de 20 años y 7 por ciento de interés (costos de junio de 1999 con un índice ENR de construcción = 6039).
** El caudal diario para 365 días por año por 20 años, dividido por 1000 galones.
Fuente: WEF, 2000.

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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