UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO

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1 UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA AMBIENTAL Y DE RECURSOS NATURALES TRATAMIENTO DE EFLUENTES DE LA GRANJA PORCINA DEL INSTITUTO REDENTORES MATER Y JUAN PABLO II DE VENTANILLA A TRAVÉS DE HUMEDALES ARTIFICIALES PARA SU REUTILIZACIÓN COMO AGUA DE CLASE III ING. GABRIEL EDUARDO ESCUDERO CORNEJO 01/12/2009 al 30/11/2011 Resolución Rectoral N R BELLAVISTA, CALLAO 1

2 INDICE I.- RESUMEN 01 II.- INTRODUCCION 03 III.- MARCO TEORICO Humedales Artificiales Ventajas Función Tipos de Humedales Artificiales Humedales con Flujo Libre (FL) Humedales de Flujo Subsuperficial (FS) Ventajas de los Humedales FS respecto a los Humedales FL Desventajas del FS Componentes del Humedal Plantas El Suelo y el Medio Soporte Microorganismos Mecanismos de Remoción Remoción de Sólidos Suspendidos Remoción de DBO Remoción del Nitrógeno Remoción del Fosforo Remoción de metales Remoción de Patógenos Sistemas de Humedales de Tipo Subsuperficial Descripción del Proceso Localización Recubrimientos 18 2

3 Tipos de Vegetación Medio del Lecho Mecanismos de Remoción y Transformación de los constituyentes Desempeño del Proceso Remoción del DBO Remoción del SST Remoción del Nitrógeno Remoción del Fosforo Remoción de Metales Remoción de Organismos Patógenos Cumplimiento de la Hipótesis. 21 IV.- MATERIALES Y METODOS Metodología para Determinar DBO Método de Dilución Realización del Método Cálculos Análisis de DQO Sólidos Sedimentables Análisis de Grasas y Aceites Reporte de los Resultados Pre Tratamiento del Efluente Cálculo del Diseño del Humedal Artificial Piloto Diseño Hidráulico Humedales de Flujo Subsuperficial Aspectos Térmicos 31 V.- RESULTADOS Efluentes antes del Tratamiento Caracterización 33 3

4 VI.- DISCUSIÓN Discusión Conclusión 36 VII.- RECOMENDACIONES 37 VIII.- REFERENCIALES 39 TABLAS Y GRÁFICOS 41 4

5 CAPITULO 1 RESUMEN El presente trabajo tiene como objetivo tratar los efluentes de la granja porcina del Instituto Redentores Mater, mediante humedales artificiales de flujo subsuperficial, para obtención de agua de clase III. El proyecto se desarrolla en el Instituto Redentores Mater, donde se toma la muestra de los efluentes de la granja porcina, en forma periódica para realizar los análisis, que nos permitirá caracterizar los efluentes de la granja porcina, recopilando los datos y el estudio de los mismos nos dará los parámetros necesarios para diseñar el humedal. Las muestras fueron resultados de la toma de muestras del colector principal de la granja porcina del Instituto RedentoresMater, siguiendo la metodología estandarizada según el parámetro a evaluar. Los efluentes fueron tratados mediante un humedal piloto de régimen subsuperficial previo pre tratamiento. En base a esta información se diseño y aplicó un modelo piloto de humedal artificial de flujo subsuperficial con la finalidad de que las aguas tratadas cumplan con la calidad de aguas de clase III. Es por eso que la toma de muestras y los análisis de los mismos, son permanentes en toda la operación, la recopilación de datos deberá hacerse de manera permanente, estableciéndose cuadros completos tanto de agua sin tratar como de agua tratada de esta manera nos podemos dar cuenta de la eficiencia del proceso, o sea que disminuye en cantidad considerable en alto grado de contaminación, que resultaría dañino para el área en donde se encuentra esta granja porcina. Las pruebas realizadas nos permitieron demostrar la capacidad de remoción de los humedales artificiales., con los resultados obtenidos en el humedal piloto, se demuestra la hipótesis, la cual dice que los efluentes tratados con 5

6 humedales artificiales de tipo sub-superficial, permite remover la contaminación de tipo orgánico para así obtener aguas para riego de áreas verdes. Los resultados de las pruebas realizadas nos indica que el efluente tratado presenta un DQO de 36 mg/l y un DBO5 de 14 mg/l, cumpliéndose con las características de un agua de clase III. 6

7 CAPITULO 2.0 INTRODUCCION El presente trabajo tiene por finalidad demostrar que es posible mediantes el empleo de humedales artificiales de tipo subsuperficial, remover los deshechos orgánicos producidos por la granja porcina. La granja porcina del Instituto RedentorisMatis, se ubica en la intersección de la Av. Andrés A. Cáceres Km. 17 (Ex Av. Gambeta) y de la carretera de acceso a las playas del distrito de Ventanilla, frente al asentamiento humano "Los Licenciados", en el Distrito de Ventanilla Provincia Constitucional del Callao, el instituto es una institución de carácter educativa de Nivel Técnico, fundada y administrada por El Seminario Diocesano Misionero del Callao, Malecón Pardo La Punta. En el año 1998 se realizó, por otro lado, la perforación de un pozo tubular de 28 metros de profundidad; una línea de conducción de 750 metros de longitud; un tanque cisterna de 320 m3 a 70 metros de altura para el almacenamiento de agua; y una línea de aducción; dotando de esta manera a las instalaciones del servicio de agua para la limpieza y mantenimiento necesarios, y para abrevar a los animales. En 1999 se logró la instalación de una red eléctrica básica, la cual mejoró notablemente tanto el rendimiento de las instalaciones e infraestructura como la conservación y producción animal. En los años siguientes, es decir, , se ha ampliado la red vial y se han cultivado algunas áreas a manera de experimentación, a fin de comprobar lo propicio y favorable del terreno en donde está asentado el proyecto, lo cual ha arrojado positivos resultados. 7

8 Las aguas residuales de la granja porcina, son desechadas hacia las zonas naturales de los Pantanos de Ventanilla, lo cual, como es de suponerse, conlleva a una contaminación que hay que evitar, por esta razón el método ecológicamente más estable es el de los humedales artificiales y de esta manera tratar los efluentes generados en la granja porcina mediante humedales artificiales de flujo sub superficial para obtener agua de clase III, Ya que el objetivo general es tratar los efluentes generados en la granja porcina mediante humedales artificiales de flujo sub superficial para obtener agua de clase III, lo que se debe hacer en, primero, caracterizar los efluentes de la granja porcina, para luego con esta información diseñar y aplicar un modelo piloto de humedal artificial de flujo subsuperficial que nos permita caracterizar los efluentes tratados para obtener aguas de clase III. La importancia radica en que este método es ecológico por ser todo natural, el tratamiento lo dan las mismas plantas, dentro de su función o metabolismo, por tanto no se precisa que intervengan elementos o sustancias extrañas al medio ambiente, lo único que se hace es usar tecnología básica, para que el tratamiento de el efecto deseado y así se puedan cumplir con los objetivos planteados en el presente trabajo. También debe tomarse en cuenta el permanente mantenimiento, que es la base de todo proceso que deba cumplir sus funciones de manera constante y optima, para lo cual se debe implementarse todo lo necesario para este fin. Los humedales son entonces un método que permitirá que el producto obtenido, agua de tipo III, contribuya a mantener el ecosistema y de esta manera prolongar el ciclo de vida de las diferentes especies que allí habitan. 8

9 CAPITULO 3.0 MARCO TEORICO La reutilización de aguas residuales para utilizarse en riego, tiene una gran importancia, ya que permite la reutilización de estas, ya que según el HealtServicesDeparment en EE. UU., así como en Monterrey (México), están de acuerdo en que el agua residual para el riego de cultivo de plantas es saludable y aceptable, siempre y cuando se de el tratamiento adecuado antes de ser utilizado. (Ver referencia 1). Las alternativas de tratamiento de estas aguas varían en función del origen y de las normas técnicas que se pidan, en necesario buscar tratamiento económico y de garantía, que permitan obtener las aguas de la calidad adecuada. Dentro de estos métodos tenemos: Lagunas de Estabilización Lagunas Naturales Lagunas Aireadas Humedales naturales o artificiales De estos métodos se eligió el de humedales artificiales, ya que tiene como ventaja su sencillez y su menor costo de aplicación (capital y operación). Los humedales son áreas que se encuentran saturadas por aguas superficiales o subterráneas con una frecuencia y duración tales, que sean suficientes para mantener condiciones saturadas. En los humedales crecen plantas acuáticas emergentes entre las que se encuentran: juncos, eneas y espadañas, entre otras, dichas plantas proporcionan superficie para el crecimiento de los microrganismos y permiten la filtración y adsorción de los contaminantes 9

10 presentes en el agua residual, además de inhibir el crecimiento de las algas y favorecer la formación de zonas aerobias alrededor de las raíces debido a las características de estas plantas de trastocar el oxígeno desde las hojas hasta las raíces. El sistema de tratamiento a través de pantanos o humedales artificiales con vegetación proporcionan un micro entorno ideal para la sedimentación, filtración, adsorción y descomposición bacteriana de los componentes de aguas residuales, estos se han utilizado para el tratamiento del efluente primario de aguas residuales industriales, desagües ácidos de minas, lixiviado de relleno de tierra y desagüe urbano, (Ver referencia 1) 3.1. Humedales Artificiales.- Los humedales artificiales, son humedales construidos por el hombre, en áreas donde antes estos no existían y que tienen como función fundamental el tratamiento de las aguas residuales. De aquí que ellos se incluyan entre los llamados sistemas naturales de tratamiento. En estos sistemas los contaminantes presentes en las aguas residuales son removidos por una serie de procesos físicos, químicos y biológicos que se efectúan en el ambiente natural, entre estos procesos se encuentran la sedimentación, la adsorción a las partículas del suelo, la asimilación por las plantas y la transformación microbiana. (Ver referencia 2). Estudios realizados por Gersberg y sus colaboradores demostraron las altas eficiencias logradas en la remoción de sólidos suspendidos, DBO, nitrógeno y coliformes; utilizando las plantas emergentes en humedales construidos. (Ver referencia 3). El estudio realizado sobre la descontaminación de aguas utilizando la Schocroplectus Totora (TOTORA) demuestra que este sistema de tratamiento da buenos resultados en la purificación de aguas contaminadas inclusive con metales pesados (SALM H, SCHOENOPLECTUS Totora (TOTORA); para la purificación de agua contaminadas, ecología en Bolivia 1982) En estos sistemas los procesos físicos, químicos y biológicos no están separados y ocurren simultáneamente. La filtración o sedimentación separa físicamente la materia partículada mientras las bacterias (que se encuentran en 10

11 el suelo o adheridas a las plantas y en los estanques) oxidan la materia orgánica y el crecimiento vegetal y microbiano asimila al nitrógeno y fósforo. El percolado (también llamado lixiviación) puede facilitar la adsorción de iones inorgánicos (metales pesados), el número de patógenos se reduce por muerte natural de los mismos y por efecto de los rayos ultravioletas de la luz solar Ventajas.- En su sencillez y en la mayor parte de los casos sus menores costos de capital y de operación, comparados con los sistemas convencionales, estos usan menos energía eléctrica y requieren menos mano de obra para las labores de operación y mantenimiento Función.- Los humedales tienen tres funciones básicas que los hacen tener un atractivo potencial para el tratamiento de aguas residuales, son estas: Fijar físicamente los contaminantes en la superficie del suelo y la materia orgánica. Utilizar y transformar los elementos por intermedio de los microorganismos. Lograr niveles de tratamiento consistentes con un bajo consumo de energía y bajo mantenimiento Tipos de Humedales Artificiales.- Existen dos tipos de humedales artificiales: Humedales con Flujo Libre (FL).- Los humedales con flujo libre son estanques o canales en los que la superficie del agua se encuentra expuesta a la atmósfera y las plantas emergentes están enraizadas sobre una capa de suelo generalmente impermeabilizado, para evitar la infiltración al manto freático. Las aguas residuales aplicadas a estos sistemas usualmente son pre- tratadas y la depuración de las mismas se logra al circular el agua a través de los tallos y raíces de las plantas Humedales con Flujo Subsuperficial. (FS).- Los humedales con FS son estanques o canales con el fondo generalmente impermeable sobre el cual se coloco un medio poroso que puede ser suelo, arena o grava en el que se siembra las plantas emergentes y donde el nivel de agua se mantiene por debajo de la superficie de grava. 11

12 Las aguas residuales aplicadas a estos sistemas son generalmente pretratados. Este tipo de humedales puede ser construidos con Flujo Horizontal Subsuperficial, en el que el medio poroso se mantiene saturado por el agua, o con flujo vertical en el que el medio poroso no se encuentra saturado debido a que el agua se aplica usualmente sobre la superficie del lecho a intervalos de tiempo, lo que permite que el agua percole a través del medio, de forma similar a lo que sucede en un filtro de arena intermitente Ventajas de los humedales de Flujo Subsuperficial respecto a los humedales de Flujo Libre.- En los humedales con FS el medio poroso brindando genera mayor área superficial para el crecimiento de los microrganismos incrementándose la velocidad de remoción. Por otra parte, debido a que el agua en estos sistemas fluye por debajo de la superficie del medio, no se presentan problemas con el desarrollo de los mosquitos y otros vectores, además de proporcionar protección térmica, lo que hace que estos sistemas puedan ser utilizados en lugares donde ocurran grandes nevadas.ver referencia Nº Sin embargo, a pesar de todas las ventajas antes expuestas hay que señalar que los humedales con FS tienen como desventajas el costo del medio soporte utilizado, así como su traslado y colocación Componentes del Humedal.- Los principales componentes del humedal que influyen sobre el proceso depurador que se lleva a efecto en los humedales construidos son los siguientes: Plantas.- En los humedales construidos se han utilizado una variedad de plantas emergentes semejantes a las encontradas en los humedales naturales. espadañas Las plantas que con mas frecuencia se utilizan son: las o eneas (Typhasp.), caña o junquillo (Phragmitescommunies), y los juncos (Juncos sp.), (Scirpussp.) y (Carexsp.). Ver Anexos cuadro Nº 01 Las plantas presentan varias propiedades que las hacen ser un componente indispensable en los humedales construidos. La función de 12

13 mayor importancia de las macrofitas en relación con el proceso de tratamiento de las aguas residuales es el efecto físico que ellas producen es la estabilización de la superficie del lecho, proporcionando buenas condiciones para la filtración, y en el caso de los sistemas con flujo vertical previniendo las obstrucciones, además de proporcionar área superficial para el crecimiento de los microorganismos adheridos. La vegetación proporcionan un microentorno ideal para la sedimentación, filtración, adsorción y descomposición bacteriana de los componentes de aguas residuales, estos se han utilizado para el tratamiento del efluente primario de aguas residuales industriales, desagües de ácidos de minas, lixiviado de relleno de tierra y desagüe urbano,(ver referencia 5) En los humedales el suelo se encuentra saturado, lo que hace que los poros del suelo estén llenos de agua. Como la velocidad de difusión del oxigeno en el agua es lenta los suelos se vuelven anaerobios, lo que hace que este ambiente no sea adecuado para el crecimiento de la mayoría de las especies vegetales. Sin embargo, las especies de plantas acuáticas emergentes tienen la capacidad de absorber de la atmósfera, a través de sus hojas y tallos que se encuentra por encima del agua, el oxigeno y otros gases que ellas necesitan. Las plantas de los humedales están morfológicamente adaptadas a crecer en los sedimentos saturados de agua en virtud de los espacios internos de aire que ellas presentan para el transporte del oxigeno desde las hojas hasta las raíces. El movimiento interno del oxigeno hacía las raíces de las plantas no solamente sirve para la demanda de oxigeno que requieren las raíces para su respiración, sino que además permite la formación de una rizosfera oxidada alrededor de las raíces, pues a través de ellas fluye una cierta cantidad de oxigeno creando un ambiente aeróbico, mientras que a su alrededor las condiciones son anóxicas, permitiendo de esta forma la descomposición aerobia de la materia orgánica y el crecimiento de bacterias nitrificantes. Se ha estimado que estas plantas pueden transferir entre 0.02 y 12 gramos de oxigeno por 13

14 día por cada m2 de área superficial del humedal, este rango de valores tan amplio puede deberse a las diferentes técnicas experimentales utilizadas y en cierto modo a las variaciones estaciónales,(ver referencia 6). La velocidad de liberación del oxigeno desde las raíces depende de la concentración de oxigeno interno, de la demanda de oxigeno por el medio que las rodea y de la permeabilidad de la pared de las raíces. Por otra parte, cuando se va a valorar la posibilidad de utilizar las diferentes especies de plantas en los humedales construidos se debe tomar en cuenta además otros factores como son: profundidad de enraizamiento, tolerancia a las altas cargas de las aguas residuales, productividad de las plantas, etc. El oxigeno liberado por las raíces de las plantas es de gran importancia en el caso de los humedales con FS donde el agua residual fluye a través del medio poroso poniéndose en contacto directo con las raíces y rizomas de las plantas, de aquí que estos sistemas sean importantes, que las raíces penetran en toda la profundidad del medio. En el caso de los humedales con flujo libre el agua residual fluye por encima de la capa de suelo, no teniendo contacto directo con la fuente potencial de oxigeno de las plantas; en este tipo de humedal la fuente fundamental de oxigeno es a través de la re aireación atmosférica por la superficie del agua. Otra función importante de las plantas en los humedales es la toma de los nutrientes, así como otros constituyentes presentes en el agua residual; sin embargo, la cosecha de las plantas en los humedales no es usual debido, fundamentalmente, a los costos que esto provoca. Estudios realizados demuestran que la cosecha de las plantas no es la vía más eficiente para la remoción de los nutrientes de las aguas residuales y señalan que una cosecha al final de estación elimina menos del 10% del nitrógeno removido en el humedal,(ver referencia 7) No obstante, hay que señalar que la presencia de las plantas en los humedales es esencial, pues en el caso de los sistemas con FS sus 14

15 raíces son una fuente fundamental de oxigeno y la presencia de sus hojas, tallos, raíces, rizomas y detritos regula el flujo de agua y proporciona superficie para el crecimiento microbiano. En el caso de los humedales con flujo libre de presencia de las plantas limitan, además, la penetración de la luz y evitan el crecimiento de las algas El suelo y el medio soporte.- En los humedales construidos el proceso de tratamiento de las aguas residuales es llevado a cabo, fundamentalmente, por un complejo grupo de microrganismos adherido a las raíces de las plantas, rizoma y sobre la superficie del medio, (Ver referencia 4). En los sistemas con flujo libre el agua fluye por encima de la superficie del suelo en el cual ocurre la mayor actividad microbiana asociada a la capa de detritos depositada, además de los microrganismos adheridos a la superficie sumergida de las plantas. Los suelos con algún contenido de arcilla son muy efectivos en la remoción de fósforo, ocurriendo el proceso de remoción en la matriz del suelo; sin embargo, se considera que este proceso tiende a un equilibrio después del primer año de funcionamiento del humedal. Por otra parte, los suelos arcillosos tienen cierta capacidad de intercambio iónico lo que les permite remover, al menos temporalmente, el nitrógeno presente en las aguas residuales en forma de Ion Amonio (NH4+); sin embargo, la mayoría de las veces esta capacidad se agota debido a que la superficie de contacto se encuentra bajo agua y las condiciones son anaerobias. En los sistemas con FS el medio puede ser suelo, arena o grava y los espacios libres del medio sirven como canales para el flujo del agua. Sobre la superficie del medio poroso crece la masa de microrganismos semejante a lo que ocurre en un filtro percolador, sin embargo, se considera que el crecimiento microbiano en estos sistemas no debe provocar obstrucciones como ocurre en los filtros percoladores. En el caso de los humedales con FS Horizontal que emplean suelo presentan un potencial de remoción de fósforo y amonio semejante al reportado en los sistemas con flujo libre. En los sistemas con FSVertical debido a que 15

16 el flujo es intermitente las condiciones aerobias se restauran periódicamente y el amonio adsorbido, por el suelo puede liberarse por la vía de la nitrificación bacteriana y los sitios de intercambio quedarían libres para futuras adsorciones. En los sistemas con FS que emplean grava la capacidad de remoción de fósforo es muy limitada Microrganismos.- En los humedales se desarrollan una gran variedad de organismos que abarcan desde microrganismos como bacterias y protozoos hasta pequeños animales; siendo las bacterias el grupo fundamental en el proceso depurador de las aguas residuales. Como se ha explicado anteriormente, los humedales son sistemas de tratamiento biológico de las aguas residuales con biomasa adherida, presentando características semejantes a las de un filtro percolador. Como en todo sistema de tratamiento biológico, en los humedales se requiere de un sustrato para el desarrollo de los microrganismos responsables del proceso depurador y que el agua permanezca por un tiempo para que se desarrolle esta masa microbiana, además el funcionamiento del sistema depende de una serie de factores ambientales, siendo los más importantes: la disponibilidad del oxigeno y la temperatura Mecanismos de Remoción.- En los humedales artificiales la remoción de los contaminantes presentes en las aguas residuales es llevada a cabo por una variedad de complejos procesos físicos, químicos y biológicos, que en la mayoría de las ocasiones ocurren simultáneamente. Ver cuadro N 03 En la figura se pueden ver los principales procesos que se llevan a cabo en un humedal y que permiten la depuración del agua residual. Tal como ocurre con los humedales de flujo libre, se puede esperar que los humedales de FS produzcan un efluente de alta calidad en términos de DBO 5, SST y Organismos Patógeno. Los mecanismos principales de remoción son la conversión biológica, la filtración física y la sedimentación y la precipitación química y la adsorción. 16

17 Se presentan los principales mecanismos de remoción y transformación de los contaminantes de las aguas residuales en los humedales Remoción de Sólidos Suspendidos.- La remoción de los sólidos suspendidos y sedimentables presentes en las aguas residuales son removidas fundamentalmente en las unidades de pre tratamiento, mediante procesos de sedimentación y filtración. Estos procesos que son puramente físicos también eliminan una porción significativa de otros contaminantes presentes en las aguas residuales (DBO, nutrientes, patógenos). La remoción de los sólidos suspendidos es muy efectiva tanto en los humedales con flujo libre como con FS. En el caso de los sistemas con flujo libre la remoción óptima de los sólidos suspendidos solo se logra cuando hay una gran cantidad de plantas, las cuales facilitan la filtración y la sedimentación y evitan el crecimiento de las algas. Se considera que en este tipo de humedal la mayoría de los sólidos suspendidos presentes en las aguas residuales son removidos en los primeros 15 a 30 metros del humedal. En los humedales con FS los mecanismos de remoción son los mismos que en los sistemas con flujo libre, solo que al no tener zonas abiertas de agua, los problemas de resuspensión por el viento se evitan, por lo que la concentración de los sólidos suspendidos en el efluente es menor Remoción de DBO5.- En los humedales artificiales la remoción de la DBO soluble y suspendida se lleva a efecto por una serie de mecanismos diferentes. La DBO que se encuentra en forma soluble es removida mediante la degradación biológica realizada por los microrganismos adheridos a la superficie de las plantas y los detritos, así como por los microorganismos que se encuentran en la columna de agua, como sucede en los sistemas con flujo libre o los que se encuentran adheridos al medio soporte en los sistemas con FS. Por otra parte, las bajas velocidades que se producen en el sistema, así como la presencia de las plantas y del medio soporte para el caso los sistemas con FS, hacen que se favorezca la filtración, floculación y sedimentación de la materia orgánica que se encuentra en forma suspendida. Los 17

18 sólidos orgánicos removidos por sedimentación y filtración, así como la vegetación muerta ejercerán una demanda de oxígeno. Como resultado de lo anteriormente explicado, la DBO afluente al humedal se remueve rápidamente a medida que el agua avanza en el sistema. La remoción de DBO5 se logra de forma biológica y física, principalmente bajo condiciones anaerobias. Sin embargo, los microrganismos facultativos convierten una parte de la DBO5. La tasa de remoción se relaciona con el tiempo de retención y la temperatura, las que describiremos en las consideraciones en el diseño del proceso Remoción de Nitrógeno.- El mecanismo fundamental para la remoción del nitrógeno en los humedales es la nitrificación denitrificación; la toma por la planta es otra vía, pero se considera que mientras no haya cosecha de plantas no hay remoción, no obstante, hay autores que señalan que por esta vía solo se logra alrededor del 10% de remoción,(ver referencia 8). El nitrógeno orgánico que entra al humedal generalmente lo hace en forma de materia orgánica sólida, dicha materia orgánica sufre un proceso de descomposición denominado amonificación, mediante el cual el nitrógeno orgánico es transformado a amonio por una amplia variedad de bacterias heterótrofas las cuales pueden encontrarse en condiciones aerobias o anaerobias, el proceso es más lento bajo condiciones anaerobias. Este amonio liberado, así como el que contiene las aguas residuales puede encontrarse en dos formas relacionadas: como ion amonio (NH4+) o como gas amoniaco disuelto (NH3), el balance entre estas dos formas depende del ph y de la temperatura. El proceso de nitrificación se efectúa en dos etapas y mediante dos grupos de bacterias. La primera etapa es la oxidación del amonio a nitrito, dicho proceso es llevado a cabo, fundamentalmente, por bacterias del género Nitrosomonas, la oxidación posterior de nitrito a nitrato la realiza las bacterias del género Nitrobacter. La nitrificación solo ocurre bajo condiciones aerobias, pudiendo ocurrir a concentraciones de oxígeno tan bajas como 0,3 mg/i,(ver referencia 4) 18

19 Otros factores que son esenciales para que ocurra la nitrificación es que: haya suficiente alcalinidad, una temperatura adecuada y una concentración de materia orgánica por debajo de 20 mg / l, esto último de debe a que es necesario que las bacterias heterótrofas no compitan con las bacterias nitrificantes por el oxigeno. En los humedales se ha comprobado que la nitrificación es limitada por la cantidad de oxígeno, teóricamente se requieren 4,6 g de oxígeno para oxidar 1 g de amonio. En el caso de los humedales construidos la cantidad de oxígeno utilizable está directamente relacionado con la aireación atmosférica para los humedales con flujo libre, y con la extensión en la penetración y la eficiencia en la transferencia del oxígeno por las raíces de las plantas, para el caso de los humedales con FS. A ph bajos la desnitrificación se inhibe y todo el nitrógeno liberado lo hará en forma de óxido nitroso, de aquí que el ph del agua residual en los humedales deba mantenerse por encima de 6 para que el mayor porcentaje de nitrógeno liberado sea en forma de gas de nitrógeno Remoción del Fósforo.- Los mecanismos principales para la remoción del fósforo son: la adsorción, la formación de complejos, la precipitación y la toma por las plantas. La remoción de fósforo inorgánico a través de la asimilación por la planta es una vía rápida; sin embargo, debido a que la cosecha de las plantas, no se realiza o se hace cada cierto tiempo, ocurre que gran cantidad de plantas mueran, lo que hace que gran parte del fósforo sea devuelto al agua por lo que la remoción real es baja. Por otra parte, la adsorción del fósforo a las partículas del suelo es un proceso de remoción importante. La capacidad de adsorción depende de la presencia de hierro, aluminio o calcio en el suelo, así como de la presencia de minerales de arcilla o materia orgánica. Bajo condiciones aerobias y ph entre neutro y ácido el Fe+3 se une al fosfato para formar un complejo estable; sin embargo, si el suelo se vuelve anaerobio como resultado de estar inundado, el Fe+3 se reducirá a Fe+2 lo cual conduce a que la adsorción sea menos fuerte y se libere fosfato. La adsorción del 19

20 fosfato con el calcio ocurre solamente bajo condiciones entre neutras y básicas; mientras que con el aluminio la adsorción sola ocurre a ph neutros y ácidos. Además del carácter reversible del proceso de adsorción del fósforo, el cual depende de las condiciones redox, hay que señalar que la adsorción está también sujeta a la saturación, considerándose que cada suelo tiene una capacidad de adsorción limitada y luego de que estos sitios estén ocupados no ocurrirán nuevas adsorciones Remoción de Metales.- Se considera que la remoción de metales es semejante a la remoción del fósforo; sin embargo, poco se conoce acerca de los mecanismos que ocurren. Entre los mecanismos propuestas se incluyen la adsorción, sedimentación, precipitación química y toma por las plantas. Al igual que lo que se plantea para el caso del fósforo, los metales pueden liberarse durante cierto periodo, los cuales se han asociado a cambios en los potenciales redox dentro del sistema. El estudio realizado sobre la descontaminación de aguas con base en la Schocroplectus Totora (TOTORA) demuestra que este sistema de tratamiento da buenos resultados en la purificación de aguas contaminadas metales pesados,(ver referencia 2) Remociónde Patógenos.- Las bacterias patógenas y los virus son removidos, fundamentalmente, por adsorción, sedimentación, filtración y precipitación, debido a que las condiciones ambientales, las cuales no son favorables para el patógeno lo que trae como consecuencia su muerte. En el caso de los humedales con flujo libre, las radiaciones ultravioletas también pueden provocar la muerte de los patógenos. Los humedales artificiales son en general, capaces de una reducción de Coliformes fecales de entre uno a dos logaritmos con tiempos de retención hidráulica de 3 a 7 días que en muchos casos no es suficiente para satisfacer los requisitos de la descarga que a menudo especifican < 20

21 200 NMP/100 ml. Tiempos de retención superiores a 14 días serían necesarios para lograr reducciones de 3 o 4 logaritmos. En la instalación antes citada, que cuenta como medio con grava fina de río los Coliformes fecales se han reducido de 8 x 104 NMP /100 ml a 10 NM/l00 ml de media. En el Gráfico Nº 1 (Ver Anexos) Rendimientos de Remoción típicos, se pueden ver los valores típicos de concentraciones de entrada y salida de un sistema de humedales artificiales (Experiencia a escala piloto con un sistema tipo SFS, cerca de Sidney, Australia). El análisis de la figura revela que los sistemas de plantas emergentes sembradas sobre arena gruesa pudieron reducir de forma significativa los SS, la DBO5, y el nitrógeno. La remoción de fósforo es baja, lo cual es consistente con las experiencias de otros investigadores con sistemas basados en piedra y arena Sistemas de Humedales Artificiales de Flujo Subsuperficial (FS).- Un humedal artificial con flujo por debajo de la superficie y medio de grava o arena se conoce como sistema de FS. La descripción del proceso, la remoción de los componentes y los mecanismos de transformación, la expectativa del desempeño y las consideraciones de diseño, se presentan y analizaran a continuación: Descripción del proceso.- Los sistemas de FS tienen la ventaja de que necesitan áreas de tierra menores y evitan los problemas de olores y mosquitos, en comparación con los sistemas de flujo libre. Las desventajas de los sistemas de FS son el incremento del costo debido al medio de grava y la obstrucción potencial del medio. El tratamiento preliminar necesario para los sistemas de este tipo de humedales consiste en tratamiento primario Localización.- Los humedales de FS ocupan menos espacio que los humedales de flujo libre y generalmente tienen pendientes de 0 a 0.5%. Si los suelos son permeables, puede ser necesario instalar un recubrimiento por debajo del lecho del medio. 21

22 Recubrimientos.- Un humedal artificial puede necesitar un recubrimiento que selle tanto el fondo como los lados y que, por tanto, prevenga o reduzca la infiltración. Dependiendo del lugar seleccionado, del tipo de suelo, de la profundidad y calidad de las aguas subterráneas, del nivel de tratamiento preliminar y ciertas consideraciones de regulación, puede ser necesario un recubrimiento natural o sintético. La bentonita es un recubrimiento común de barro; los recubrimientos sintéticos de geomembrana también se encuentran disponibles, (Ver referencia 9) Tipos de vegetación.- La vegetación en los sistemas de FS es similar a la de los humedales de flujo libre y tiende a estar compuesta por juncos o carrizos y, en algunos casos, eneas. El propósito de la vegetación esproveer oxígeno a la zona radicular y aumentar el área superficial para el crecimiento biológico en lazona de las raíces. El transporte real de oxígeno hacia la zona radicular y luego a la columna de agua eslimitado, (Ver referencia 6) Las raíces también liberan sustancias orgánicas a medida que se degradan, lo cualsostiene la denitrificación. La parte de la vegetación ubicada por encima del suelo no es de gran utilidad,salvo porque allí hay toma de nutrientes y crecimiento vegetal Medio del lecho.- El medio quese utiliza en los humedales de FS es con frecuencia grava. El tamaño de la grava oscilaentre 0.12 y 1.25 (3 a 32 mm), y en la zona de la entrada es de 2 (50 mm), la zona de entrada debe tener un medio con el diámetro más grande para disminuir el potencial de obstrucción. En Sydney, Australia, el medio en la zona de entre 1.2 y 1.6 pulgadas (30 a 40 mm) de diámetro, mientras que el resto del medio del lecho 0.2 a 0.4 pulgadas (5 a 10 mm). En la Tabla Nº 03: se presentan medios característicos para los humedales FS Mecanismos de remoción y transformación de los constituyentes.- Tal como ocurre con los humedales de flujo libre, se puede esperar que los humedales de FS produzcan un efluente 22

23 de alta calidad en términos de DBO5, SST y organismos patógeno. Los mecanismos principales de remoción son la conversión biológica, la filtración física y la sedimentación y la precipitación química y la adsorción. La remoción depende del tiempo de retención, las características del medio, las tasas de la carga y las prácticas de manejo Desempeño del proceso.- Lasexpectativas del desempeño del proceso en los humedales artificiales de FS se consideran en el siguiente análisis. Así como con los sistemas FL, el desempeño del proceso depende de los criterios de diseño, así como de las características del agua residual y de la operación Remoción de DBO5.- Esta parece ser más rápida y de cierta manera más confiable en los humedales de FS que en los sistemas de flujo libre, en parte porque las plantas en descomposición no se encuentran en la columna de agua, y, por consiguiente, producen menos materia orgánica en el efluente final. La remoción de DBO se logra de forma biológica y física, principalmente bajo condiciones anaerobias y depende del tiempo de retención y la temperatura, Remociónde SST.- Los humedales de FS son eficientes en la remoción de sólidos, con niveles usuales de SST en el efluente que se encuentran por debajo de 10 mg/l Remoción de Nitrógeno.- Aunque el sistema FS en Santee era capaz de retirar 86% del nitrógeno delefluente primario, otros sistemas han reportado remociones de 20 a 70%. Cuando los tiempos de retención superan 6 a 7 d, se puede esperar una concentración de nitrógeno total en el efluente de 10 mg/l, suponiendo que la concentración de nitrógeno en el efluente es de 20 a 25 mg/l. Si el agua residual aplicada se nitrificó (usando aireación extendida, riego superficial y recirculación en filtros de arena), la remoción de los nitratos por medio de la denitrificación se puede lograr con tiempos de retención de 2 a 4 d. 23

24 Remoción de Fósforo.- La remoción de fósforo en los humedales de FS es muy poco efectiva debido al contacto limitado entre los lugares de adsorción y el agua residual que se aplica. Dependiendo de la tasa de carga, del tiempo de retención y de las características del medio, las remociones pueden variar entre 10 y 40% para concentraciones de fósforo a la entrada entre 7 y 10 mg/l. La asimilación por parte de las plantas es en general de menos de 10% (aproximadamente 0.5 lb/ac.d) (0.55 kg/ha-d) Remoción de Metales.- Los datos sobre la remoción de metales de las aguas residuales municipales en humedales de FS son limitados. En los sistemas de drenaje de minas ácidas es significativa la remoción de hierro y manganeso. Se ha mostrado que el hierro total se ha reducido de 14.3 a 0.8 mg/l y el manganeso total de 4.8 a 1.1 mg/l, (BRIX, H. & SCHIERUP H.H. The use of aquaticmacrophytes in water-pollution control. Ambio,1989). En Santee, California, remoción de cobre, zinc y cadmio fue de 99, 97 y 99 %, respectivamente durante tiempos de retención 5.5-d, (Gersberg et al, 1989) Remoción de Organismos Patógenos.- En Santee, California, se encontró una remoción 99% (reducción de 2 unidades logarítmicas) de coliformes totales cuando se aplicó un efluente primario a 2 pulg/d (tiempo de retención de 6 d), (Gersberg et al., 1989). 24

25 3.7. Cumplimiento de la Hipótesis VARIABLES HIPOTESIS DEFINICION CONCEPTUAL Son sistemas artificiales que imitan el comportamiento de un pantano o humedal natural, La aplicación humedales de artificiales de tipo sub superficial I Humedales cuentan con vegetación que le artificiales. proporcionan un micro entorno ideal para la sedimentación, filtración, en el tratamiento de los adsorción y descomposición bacteriana de H efluentes de la granja porcina permitirá los componentes de las aguas residuales. obtener aguas de tipo III. Concentración o aguas de clase III D elemento, grado de sustancia o parámetros físicos, químicos y biológicos, que caracterizan al efluente o emisión tratada. Normas Legales Tipo de agua que se obtenga después del proceso deberá estará enmarcado dentro de la normatividad vigente, en nuestro país, las normas al respecto son: Constitución Política del Perú Ley General de Aguas (D.L ), D.S A Código del Medio Ambiente y de los Recursos Naturales. D.L Código Sanitario. D.L

26 CAPITULO 4.0 MATERIALES Y METODOS. El universo esta conformado por los efluentes generados por la granja porcina Redentores Mater y Juan Pablo II de ventanilla, siendo el tipo de investigación: experimental. Los principales materiales, lo constituyen los envases en que se tomaran las muestras, los que deben ser herméticos y de vidrio, así como también el correcto almacenamiento de estas las que deberán ser en cooler, con la finalidad de controlar la temperatura. El material estará conformado por 12 unidades de botellas de polietileno de 1,000 ml, 6 botellas de vidrio de color ámbar de 1,000 ml y 3 frascos esmerilado Wykler de 300 ml. Las técnicas de recopilación de datos se pueden concentrar en los siguientes: Muestreo en función de los parámetros que se midan, conservación, etiquetado, embalaje y transporte. Debido a las características de los efluentes se tomaran muestras de 1 a 2 litros para la realización del examen simple y 0.25 a 1 litro para el análisis bacteriológico. Estos mecanismos deben hacerse siguiendo los criterios para recolección preservación y almacenamiento, (Ver cuadro Nº 4) así como también utilizar la metodología y equipos para monitoreo de Efluentes líquidos (Ver cuadro Nº 5). El sistema a utilizarse es: i Caracterización de los efluentes desde el punto de vista Químico, Físico Químico y Bacteriológico; ii Aforo de efluentes producidos; iii Humedales Artificiales; iv Control de Calidad de los Efluentes; v Clasificación de las Aguas; 26

27 vi Diagnostico de Línea Base Climatológica de la Región; vii Pruebas a Nivel de modelo Piloto. Para el manejo de la información obtenida tratándose de una cantidad de información, no muy extensa, se utilizo el programa Excel de Microsoft Windows, el cual permite programaciones simples, pero a la vez, muy objetivas Metodología Para Determinar el DBO5 La determinación se efectúa valorando el contenido de O2 de una muestra dada y el que queda después de 5 días en otra muestra semejante, conservada en frasco cerrado fuera del contacto del aire, a 20 ºC y en la oscuridad Método De Dilución Este método se utiliza cuando el tenor inicial en O2, limitado por su solubilidad en el agua, sea menor de 9.17 mg/1 a 20 C. Esto significa que será imposible de medir los consumos de oxígeno que exceden de este valor sin pasar por una dilución previa, de ahí el nombre "Por dilución". El agua a analizar debe sufrir diferentes tratamientos antes de determinar la DBO5: 1. Neutralización del ph (medio vecino a la neutralidad 6,5 a 8). Su ph, como el contenido en sales minerales, debe ser el óptimo para el desarrollo biológico. 2. Destrucción de organismos nitrificadores (se realiza por esterilización en medio acido. El agua a analizar se acidifica a ph 2-3 con H2SO4 concentrado y se deja 15 minutos, al cabo de los cuales se neutraliza con NaOH. 3. Cuerpos tóxicos (precipitación, decantación, etc., de cianuros, cromo, etc.) 27

28 4. Cuerpos reductores inorgánicos (H2S, SO2). A veces hay que eliminarlos como las sustancias toxicas por dar una demanda elevada inmediata de O2 disuelto. Si el grado de contaminación es muy grande, el consumo de O 2 será superior a la máxima capacidad de saturación, que como hemos dicho es de 9,17 mg/l, de modo que es necesario efectuar diluciones, que pueden ser variables, y que según el "Standard Methods" aconseja: - Líquidos residuales industriales conc.: 0,1-1 % - Líquido cloacal "bruto" o sedimentado: 1-5% - Efluentes oxidados: 5-25% - Aguas de ríos contaminadas: % La naturaleza compleja y variable de estos líquidos, impide aplicar en forma estricta los valores anteriores. Cuando se carece de experiencia o se trabaja con muestras desconocidas, el método más seguro consiste en efectuar varias diluciones que cubran una amplia escala de valores de DBO5. Se cree que se obtienen mejores resultados efectuando previamente una DQO, para orientarse dentro de qué valor oscila el contenido de materia orgánica. El agua de dilución debe contener las siguientes características. - Su DBO5 no debe ser mayor de 0,2 mg/l. - Su OD debe ser a saturación (teóricamente 9,17 mg/l.) prácticamente entre 8 y 9 mg/l. - Su Temperatura, aproximadamente 20 C. - No debe contener nitritos, ni hierro, ni cobre, ni otras sustancias que inhiban el crecimiento biológico, como cloro, por ej. - Su PH, como el contenido en sales minerales, debe ser el óptimo para el desarrollo biológico. Se prepara a partir de agua bidestilada sobre vidrio, saturándola de oxígeno y haciendo burbujear en su interior una corriente de aire purificada. Se conserva a 20 C en la estufa de aire, practicándose 28

29 la determinación del OD antes de usarla, y se le agregan, recién, los elementos nutritivos, agitando suavemente y evitando su aireación Realización Del Método: El primer paso consiste en hacer la DQO y algunos análisis previos para verla necesidad o no, de algún tratamiento. Las determinaciones se hacen sobre muestra decantada y, a veces, homogeneizada. Los pasos siguientes son: 1. Introducir en un frasco o probeta la cantidad de muestra a analizar y completar con agua de dilución al volumen correspondiente. 2. Homogeneizar la muestra. 3. Llenar dos (2) frascos de DBO por cada dilución y cerrar, cuidando de que no quede ninguna burbuja de aire. 4. Determinar el oxigeno disuelto de uno de los frascos de cada dilución. 5. Incubar el otro a 20 ºC en la oscuridad durante 5 días, al cabo de los cuales se valora el O2 disuelto Cálculos: DBO (mg/l. O2) = F. (A - B) F. = Factor de dilución A.= mg/l. O2 de la muestra diluida antes de la incubación B.= mg/l. O2 de la muestra diluida después de la incubación F Vtotal Vmuestra Se toma como resultado más satisfactorio, aquella dilución en la que se cumpla: A B 29 A 2

30 4.2.Análisis de DQO El método utilizado fue el Volumétrico Reflujo Abierto, el cual es un método de laboratorio 4.3. SÓLIDOS SEDIMENTABLES Se utilizo Vol. Como inhoff, mediante Cono Inhoff ANÁLISIS DE GRASAS Y ACEITES Se realizo mediante el método gravimétrico-extracción utilizando peras extractivas: 4.5. REPORTE DE LOS RESULTADOS: En base a los índices determinados (refracción de yodo y saponificación) consulte en la tabla de constantes físicas y químicas de grasa y aceites señale una lista de aceite cuyas constantes coincidan con los valores determinados por usted Pre Tratamiento del Efluente. La metodología seguida para efectuar el pre tratamiento se puede dividiren las siguientes etapas: El efluente es recogido en la explotación y almacenado en una fosa séptica. Mediante una bomba se extrae el efluente bruto y se hace pasar por un separador de sólidos. La parte sólida una vez separada se deja secar al sol para su posterior uso como abono. La fase líquida pasa a un depósito de unos 10 m3. Dicho depósito dispone de unos discos de aireación que fomenta la floculación de las partículas que han quedado en suspensión. Pasados 3 días, se trasvasa el contenido de ese depósito a otro colindante. En dicho depósito se produce la sedimentación de las partículas sólidas que aún quedan en el efluente. Todas las partículas sólidas sedimentadas de este depósito son retiradas y se acumulan junto a la fase sólida inicial, por retorno o mediante una bomba y 30

31 posterior limpieza del depósito, siendo utilizadas posteriormentecomo abono. Una vez pasados otros 4 días, se pone en marcha una bomba y la fase líquida del efluente del 2º depósito se emplea para el llenado del humedal artificial subsuperficial piloto Calculo del Diseño de Humedal Artificial Piloto Los sistemas de humedales artificiales pueden ser considerados como reactores biológicos, y su rendimiento puede ser estimado mediante una cinética de primer orden de flujo a pistón para la remoción de DBO y nitrógeno. La siguiente es la ecuación básica de los reactores de flujo a pistón: (1) donde: Ce: Concentración del contaminante en el efluente, mg/l Co: Concentración del contaminante en el afluente, mg/l KT: Constante de reacción de primer orden dependiente de la temperatura, d-1 t: tiempo de retención hidráulica, d Este tiempo de retención hidráulica en el humedal puede ser calculado con la siguiente expresión: (2) donde: L: Largo de la celda del humedal, m W: Ancho de la celda del humedal, m y: Profundidad de la celda del humedal, m n: porosidad, o espacio disponible para el flujo del agua a través del humedal. La vegetación y los residuos ocupan algún espacio en los humedales tipo FWS, y el medio, raíces y otros sólidos hacen lo mismo en los del tipo SFS. La porosidad es un porcentaje expresado como decimal. Q: Caudal medio a través del humedal, m3/d 31

32 (3) donde: Qe: Caudal de salida, m3/d Qo: Caudal de entrada, m3/d Puede ser necesario calcular el caudal medio mediante la anterior expresión, para compensar las pérdidas o ganancias de agua causadas por filtración o precipitaciones a lo largo del flujo del agua residual a través del humedal.. Es usualmente razonable para un diseño suponer que los caudales de entrada y salida son iguales. Es entonces posible determinar el área superficial del humedal combinando las ecuaciones (1) y (2): (4) donde: As: área superficial del humedal, m2 El valor de KT para las ecuaciones (1) y (4) Depende del contaminante que se quiere eliminar y de la temperatura; 4.8. Diseño hidráulico La ecuación de Manning también asume flujo turbulento, lo que no es completamente válido pero es una aproximación aceptable. (5) donde: v: velocidad de flujo, m/s n: coeficiente de Manning, s/m1/3 y: profundidad del agua en el humedal, m s: gradiente hidráulico, o pendiente de la superficie del agua, m/m 32

33 Para los humedales, el número de Manning (n) es función de la profundidad del agua debido a la resistencia impuesta por la vegetación emergente. La resistencia también depende de la densidad de la vegetación y de la capa de residuos que puede variar según la localización o la estación. La relación está definida por: (6) Debido a la resistencia impuesta por la vegetación emergente. La resistencia también depende de la densidad de la vegetación y de la capa de residuos que puede variar según la localización o la estación. La relación está definida por: (6) donde: v: velocidad de flujo, m/s n: coeficiente de Manning, s/m1/3 y: profundidad del agua en el humedal, m s: gradiente hidráulico, o pendiente de la superficie del agua, m/m Para los humedales, el número de Manning (n) es función de la profundidad del agua debido a la resistencia impuesta por la vegetación emergente. La resistencia también depende de la densidad de la vegetación y de la capa de residuos que puede variar según la localización o la estación. La relación está definida por: 33

34 (6) donde: a: factor de resistencia, 0.4 para vegetación escasa y y>0.4 m 1.6 para vegetación moderadamente densa con profundidades de agua residual de y= 0.3 m, 6.4 para vegetación muy densa y capa de residuos, en humedales con y 0.3 m En muchas situaciones, con vegetación emergente típica, es aceptable asumir para propósitos de diseño valores de a entre 1 y 4. Sustituyendo la ecuación (6) en la ecuación (5) tenemos. (7) Sustituyendo y reorganizando términos es posible llegar a una ecuación para determinar la longitud máxima de una celda de humedal. donde: Q: Caudal, m3/d W: Ancho de la celda de humedal, m As: área superficial de la celda de humedal, m2 L: Longitud de la celda de humedal, m m: pendiente del fondo del lecho, % expresado como decimal substituyendo en la ecuación (7) y reordenando obtenemos: 34

35 (8) El área superficial del humedal (As) se determina primero mediante el modelo de diseño de remoción del contaminante limitante. La ecuación (8) permite el cálculo directo de la longitud máxima aceptable de una celda de humedal compatible con el gradiente hidráulico seleccionado 4.9 Humedales de flujo subsuperficial La ley de Darcy, que esta definida en la ecuación (9), describe el régimen de flujo en un medio poroso que es lo generalmente aceptado para el diseño de humedales tipo SFS usando suelo y arena como medio del lecho y dado que: Entonces en la ecuación (9): donde: Q: Caudal promedio a través del humedal, m3/d [(Qo+Qe)/2] ks: Conductividad hidráulica de una unidad de área del humedal perpendicular a la dirección de flujo, m3/m2/d. Ac: área de la sección transversal perpendicular al flujo, m2 s: Gradiente hidráulico o "pendiente" de la superficie del agua en el sistema. m/m v: Velocidad de "Darcy", la velocidad aparente de flujo a través de la totalidad 35

36 del área de la sección transversal del lecho, m/d Sustituyendo y reorganizando los términos es posible desarrollar una ecuación que determine de manera aceptable el ancho mínimo de una celda de humedal SFS que sea compatible con el gradiente hidráulico seleccionado para el diseño, partiendo de: donde: W: Ancho de una celda del humedal, m As: área superficial del humedal, m2 L: Longitud de la celda de humedal, m m: pendiente del fondo del lecho, % expresado como decimal. y: profundidad del agua en el humedal, m (10) El área superficial del humedal(as) se determina en primer lugar, usando el modelo de diseño limitante para remoción de contaminantes. La ecuación (10) permite calcular directamente el ancho mínimo absoluto aceptable de una celda de humedal compatible con el gradiente hidráulico seleccionado Aspectos térmicos 36

37 Las condiciones de temperatura en el humedal afectan tanto a las actividades físicas como a las biológicas en el sistema. Condiciones de bajas temperaturas sostenidas y la resultante formación de hielo, podrían conllevar en caso extremo, a la falla física del humedal. Es conocido que las reacciones biológicas responsables de la remoción de DBO, nitrificación y desnitrificación también dependen de la temperatura La energía ganada por el flujo del agua a través del humedal viene dada por: (13) donde: qg: Energía ganada por el agua, J/º C cp: capacidad de calor especifico del agua, J/kg* º C : densidad del agua, kg/m3 As: área superficial del humedal, m2 y: profundidad del agua en el humedal, m n: porosidad del humedal (p.e. espacio disponible para el flujo del agua, el resto esta ocupado por el medio(ver Tabla 4 para valores típicos)) El calor perdido por el humedal SFS entero puede ser definido por la ecuación (14): (14) donde: ql: Energía perdida vía conducción a la atmósfera, J T0: Temperatura del agua que entra al humedal, º C Ta: Temperatura promedio del aire durante el periodo considerado. U: Coeficiente de transferencia de calor a la superficie del lecho del humedal, W/m 2 : Factor de conversión, s/d As: área superficial del humedal, m2 t: tiempo de residencia hidráulica en el humedal, d 37

38 CAPITULO 5.0 RESULTADOS 5.1.Efluente antes del tratamiento Caracterización.- En función de los protocolos de análisis, mostrado líneas arriba, se procedió a la caracterización de los efluentes en julio, agosto y setiembre del 2011, encontrándose los siguientes resultados: Parámetros Concentración ph 7,5 8,2 DBO5 340 mg/l DQO mg/l Aceites y grasas 25,30 mg/l Sólidos 293 mg/l sedimentables Los resultados después del pre tratamiento son: Parámetros Concentración ph 7,5 8,2 DBO5 76 mg/l DQO 222,54 mg/l Aceites y grasas 18,40 mg/l 38

39 Solidos 23 mg/l sedimentables Temperatura 22 C Caracterización del efluente después del tratamiento a través del humedalartificial de flujo subsuperficial piloto. Con la finalidad de encontrar los díasóptimos de permanencia del flujo de agua en lo humedales, se confecciona el presente cuadro, basado en los análisis diarios que se practicaron, lo que dará lugar a los gráficos que pueden verse en los anexos. TABLA Días Parámetros ph DBO5 (mg/l) DQO (mg/l) Aceites y grasas (mg/l) Solidos sedimentables (mg/l) Fuente: Propia Por lo que haciendo un análisis de los cuadros llegamos a la conclusión que los valores que presentan las aguas de tipo III, salientes son las que figuran en el cuadro siguiente Parámetros Concentración ph 6,5-7 DBO5 14 mg/l 39

40 DQO 36 mg/l Aceites y grasas 0,8 mg/l Solidos sedimentables 6 mg/l Temperatura 22 C CAPITULO DISCUSIÓN Se puede concluir que el método utilizado, humedales artificiales subsuperficiales, para la obtención de aguas de tipo III, cumple con los requisitos, para la remoción de agentes dañinos en el agua de la granja porcina. Se debe de tener en cuenta que los efluentes generados por la granja porcina, no deben dejarse mucho tiempo sin tratar, esto daría lugar a la formación de colonias de agentes insalubres, las que pondrían en peligro el trabajo de las plantas. El periodo de retención tiene la posibilidad de poder manejarse en función de la carga que le pongamos, si bien en el presente trabajo se le dio 6.5 días, este es un promedio, pudiendo variar hasta obtener las condiciones ideales. Las pruebas de tratamiento con el humedal piloto validado, se realizaron teniendo en cuenta los siguientes parámetros de control: Caudal : 86 L/día Periodo de retención : 6.5 d Lecho del filtro : Vegetales : Piedra chancada de diámetro de 1/4 Papiros 40

41 La DBO5 removida de los efluentes domésticos en el humedal piloto de FS, alcanzo el 90.71%, (entre el rango: entrada 340 mg/l y salida 14 mg/l), siempre para un residual por debajo de los límites de la clase III, (15 mg/l). Los SST removida de los efluentes domésticos en el humedal piloto de FS, alcanzo el %, (entre el rango: entrada 293 mg/l y salida 6 mg/l), limite ajustado para el diseño del humedal (10 mg/l), mientras el LMP de la clase III se encuentra en el rango de 10 a 20 mg/l CONCLUSIÓN Los resultados que se presentan, obtenidos en el humedal piloto, para un tiempo de retención de 6.5 días, (6 días lo optimo y medio día para los servicios de mantenimiento), indican que el sistema utilizando papiros sembrados sobre piedra chancada, pueden reducir y que cumplen en un 100% con los parámetros para agua de calidad III (Decreto Supremo N MINAN), para riego, se observa que el tratamiento es efectivo lo cual convalida la hipótesis de que el tratamiento es efectivo. 41

42 CAPITULO 7.0 RECOMENDACIONES La implementación de los humedales artificiales como sistema de tratamiento de los efluentes de granjas porcinas y también de otros establecimientos que estén vertiendo sus residuos o desechos orgánicos, sobre todo en áreas consideradas reservas naturales, se considera viable y se recomienda para utilizarse en cualquier granja que disponga de las condiciones necesarias y que tenga el firme propósito de contaminar el medio que les rodea, si bien es lento, cualquier método es mejor que causar daño al ambiente. El área a utilizarse debe ser lo mas libre de obstáculos, siempre al aire libre y con una buena iluminación del sol, con la finalidad de que la función biológica de las plantas, puedan desarrollarse. El mantenimiento permanente de las áreas en donde el contacto de los papiros con el agua es constante, debe tener un flujo constante y no anegar el humedal, la función biológica se produce, siempre que el contacto sea permanente. 42

43 El pre tratamiento es indispensable, debido a que si le ponemos las aguas crudas o directamente saliendo de la granja, llevaríamos al humedal a una saturación inmediata, lo que se desea, es que las plantas actúen sobre los fluidos y no sobre los sólidos sedimentables, por ejemplo. La temperatura del agua se debe vigilar, con la finalidad de que se mantenga sin variaciones bruscas en lo posible, dentro de los 20 a 25 C, ya que si la temperatura se eleva, la producción de gases de olor desagradable se eleva de manera considerable, las plantas entonces ven su función disminuida, ya que ellas utilizan todo lo que traen las aguas servidas de estas granjas y su función disminuye ante la disminución de la concentración de estas, por lo que este tipo de proceso, no es recomendable en lugares donde el cambio de temperatura no es gradual. Se recomienda utilizar en los humedales artificiales otros tipos de vegetales, que se adapten al clima de la región, y cuya fibra se pueda aprovechar con el fin de confección de artesanías o se pueda aprovechar este para otros usos. 43

44 CAPITULO 8.0 REFERENCIALES 1. (HERNANDEZ MUÑOZ, HERNANDEZ LEHMANN, Manual dé Depuración Uralita, Madrid: Ed. Paraninfo S.A, Primeraedición, 1995.) 2. (WATSON, J. T., S. C. REED, R. H. KADLEC, R. L. KNIGHT, AND A.E. WHITEHOUSE,Perfomance Expectations and Loading Rates for Constructed Wetlands, in D.A., USA, ed. Hammer, Constructed Wetlands for Wastewater Treatment), (BRIX, H. Wasterwater Treatment in Constructed Wetlands: System Design, Removal Processes, and Treatment Perfomance, in G.A. Moshiri, (ed.) Constructed Weatlands for Water Quality Improvement: Lewis Publishers. Boca Raton, 1993). 3. (Gersberg R. M. and Goldman C. R., 1983; Gersberg et al 1986; Gersberg et al, 1989; Grearheart et al (REED S.C, CRITES R.W, MIDDLEBROOKS, E.J, Natural systems for waste management and treatment, USA: 2ª Ed, McGraw-Hill, 1995.). 5. (HAMMER, D.A.Creating Freshwater Wetlands, Boca Raton, FL. Lewis Publishers, 1992) 6. (BRIX, H. Wasterwater Treatment in Constructed Wetlands: System Design, Removal Processes, and Treatment Perfomance, in G.A. Moshiri, (ed.) Constructed Weatlands for Water Quality Improvement: Lewis Publishers. Boca Raton, 1993.). 44

45 7. (METCALF AND EDDY, Ingeniería de aguas residuales: Tratamiento, vertido y reutilización, 3ª Ed, Mc Graw-Hill, 1995). 8. (CRITES, AND TCHOBANOGLOUS; Sistema de Manejo de Aguas Residuales; Ed. McGraw Hill, 2000), (REED S.C, CRITES R.W, MIDDLEBROOKS, E.J, Natural systems for waste management and treatment, USA: 2ª Ed, McGraw-Hill, 1995.). 9. (KAYS, W. B., Construction of living for Reservoirs, Tanks, and Pollution Control Faciliyies, Ney Cork: 2nd ed., Wilwy Interscience, 1986.) 10. Ing. Carmen Barreto Pío y Ing. Máximo Baca Neglia, Diseño de un Sistema de Tratamiento de Aguas Residuales del Pueblo Joven Collique, Noviembre del Ing. Máximo Baca Neglia, Calidad de efluentes domésticos tratados a través de Humedales Artificiales para su reutilización San Juan de Marcona del Distrito de Marcona, noviembre del WEF /ASCE (Water Environment Federation / American Society of Civil Engineers), Design of Municipal Waste Water Treatment Plants, Vols, I, II, Brattleboro, Wt. Book Press Castro de Esparza y León Suematsu, Guillermo, 1992, Estudios Preliminares de la Remoción de Vibrio Cholerae en algunas Lagunas de Estabilización de San Juan de Miraflores Lima - Perú CEPIS. 14. Instituto Mexicano de Tecnología del Agua Memoria del taller regional para la América sobre aspectos de salud, agricultura y ambiente vinculados al uso del agua residual. 15. SALM H, SCHOENOPLECTUS Totora (TOTORA, para la purificación de aguas contaminadas, ecología en Bolivia METCALF & HEIDI, INC., Ingeniería de Aguas Residuales, Tratamiento, Vertido y Reutilización, Volumen I, 3 Edición, Editorial McGraw-Hill, España Wastewater Stabilization Ponds, Principles of Planning& Practice. WAO, Lara, J. (1999), Depuración de aguas residuales urbanas mediante humedales artificiales 45 [tesis de maestría], Barcelona,

46 Universidad Politécnica de Cataluña, Máster en ingeniería y gestión ambiental. TABLAS Y 46

47 GRAFICOS ANEXOS Cuadro Nro. 01 Principales mecanismos de remoción y transformación de los contaminantes en los humedales Constituyente Mecanismo de remoción Sólidos suspendidos Sedimentación / Filtración Materia (DBO) orgánica biodegradable Sedimentación/ FiltraciónDegradación microbiana (aerobia, anaerobia y facultativa) Nitrógeno Amonificación seguida por la nitrificación-denitrificaciónbacteriana. Volatilización del Amonio. Toma por la planta Fósforo Porción en el suelo (reacciones de adsorción precipitación con el aluminio, hierro, calcio y minerales de la arcilla en el suelo), Toma por la planta Metales pesados Sedimentación. Adsorción sobre la superficie de la planta y los detritos Patógenos Sedimentación/ Filtración. Muerte natural. Radiaciones ultravioleta. Excreción de antibióticos por las raíces de las plantas. Fuente: (Brix H, 1993; Crites and Tchobanoglous, 1998) Tabla Nro. 02 Familia Nombre latino Nombres comunes más usuales 47 Temperatura, C Deseable Germinación de las semillas Máxima salinidad tolerable, ppt Rango efectivo de ph

48 Ciperáceas Gramíneas Carex sp Eleocharis sp Scirpuslacustris L.(*) Junco de laguna Glyceriafluitans (L.) R. Br. Hierba del maná Carrizo Phragmites australis (Cav) Trin. ex Steudel (*) Iridáceas Iris pseudacorus L. Lirio amarillo, espadaña fina Juncáceas Juncos sp. Juncos Tifáceas Thyphasp (*). Eneas, aneas, espadañas Fuente: (Brix H, 1993; Crites and Tchobanoglous, 1998) Cuadro Nro. 03 Caracteristicas usuales del medio para los humedales de flujo subsuperficial Tamaño Tipo de medio Porosidad del efectivo d10, mm Conductividad efluente, æhidráulica, pie/d Arena mediana Arena gruesa Arena pedregosa ,400 Grava mediana , ,000 Grava gruesa 128 Nota: d10 es el diámetro de una partícula en una distribución de peso de partículas que es más pequeñas que todas, menos el 1 0% de las partículas. Fuente: (Brix H, 1993; Crites and Tchobanoglous, 1998) 48

49 Gráfico Nro. 01 Fuente: (Brix H, 1993;Crites and Tchobanoglous, 1998) Figura Nº 02 : Procesos de depuración de los humedales artificiales, 49

50 Fuente: (Brix H, 1993; Crites and Tchobanoglous, 1998) Cuadro Nro. 04 Criterios para Recolección, Preservación y Almacenamiento Parámetros Físico- Químicos Volumen Mínimo Recipiente Preservación Tiempo de almacenamiento ph 100 ml PoV - Inmediato Temperatura 25 ml PoV - Inmediato DBO ml PoV Refrigerar 48 hrs. Refrigerar DQO 100 ml Volumen 28 días H2SO4, ph<2 Aceites y Grasas 500 ml V Refrigerar 28 días Sólidos Sedimentables 100 ml PoV Refrigerar 2 7 días Fuente: Protocolo de Monitoreo de Efluentes Líquidos * PP = Polietileno. * V= Vidrio Cuadro Nro. 05 Principales métodos a seguir para cada objetivo: Metodología y Equipos para Monitoreo de Efluentes Líquidos 50

51 Parámetros Norma EPA ESTANDAR METHODS APHA PH H -B Electrométrico Potenciómetro Temperatura B Termométrico Termómetro ºC Aceites y Grasas D Gravimétrico Extracción Peras Extract. mg/l Sólidos Sedimentables F Vol. Cono Inhoff Cono Inhoff ml/l/h DBO B DBO5 (5 días, 20 C) Incubadora mg DBO5/L DQO B Volumétrico Reflujo Abierto Laboratorio mg DQO/l Fuente: Resolución Ministerial Métodos Equipos Unidades

52 52

53 GRAFICO Nº6 FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA 53

54 GRAFICO Nº7 FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA 54

55 GRAFICO Nº8 FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA 55

56 GRAFICO Nº9 FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA 56

57 GRAFICO Nº10 FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA 57

58 GRAFICO Nº11 Vista panorámica de los terrenos donde se desarrollará el proyecto 58