Humedales Construidos

Transcripción

1 CETA Instituto de la Universidad de Buenos Aires Tecnologías de tratamiento de Aguas Residuales para Reuso RALCEA Agosto

2 Humedales El termino Humedales abarca una amplia gama de ambientes húmedos, incluyendo pantanos, ciénagas, praderas húmedas, llanuras de inundación y humedales ribereños a lo largo de los canales de flujo. 2

3 Introducción: Humedales Construidos Estos sistemas consisten normalmente en un monocultivo o policultivo de hidrófitas, dispuestas en lagunas, tanques o canales poco profundos. El efluente, en general después de recibir un tratamiento primario, pasa a través del humedal durante un tiempo adecuado, donde es tratado por varios procesos físico-químicos y biológicos. 3

4 Uso de los humedales Construidos: Tratamiento de aguas residuales domésticas, industriales, drenajes ácidos de minas, desechos agrícolas y ganaderos, lixiviados de rellenos sanitarios. Eliminación de metales y metaloides en agua. Eliminación de compuestos orgánicos persistentes. Restauración y remediación de suelos contaminados. Tratamiento de aguas subterráneas contaminadas con compuestos orgánicos volátiles (VOC s). Remediación de sitios contaminados con Aceites e Hidrocarburos Poliaromáticos (PAH s). Tratamiento de bioresiduos. 4

5 Tipos de Humedales Construidos: Flujo libre superficial (Flujo Horizontal) Flujo Sumergido (Flujo vertical y horizontal) Sistemas híbridos (Flujo sumergido vertical, seguido de flujo sumergido horizontal) 5

6 Tipos de Humedales Construidos: Flujo Libre Horizontal La vegetación está parcialmente sumergida en el agua, cuya profundidad varía entre 4 y 18 pulgadas. El flujo es principalmente sobre el suelo. Este tipo de sistema consta con canales o tanques con una barrera natural o artificial para permitir la percolación del agua. 6

7 Tipos de Humedales Construidos: Flujo Libre Horizontal Algunos de estos sistemas se diseñan de manera que haya retención completa del agua que se aplica a través de percolación y la evapotranspiración. Las bacterias adheridas a las plantas tratan el agua residual a medida que esta fluye a través de la vegetación por medio de procesos físicos-químicos. Inconvenientes: Olores Vectores Enfermedades Distantes a centros poblados 7

8 Tipos de Humedales Construidos: Flujo Sumergido Horizontal El agua se trata a medida que fluye lateralmente a través de un medio poroso. La vegetación emergente se planta en el medio, puede ser grava gruesa hasta arena. La profundidad del lecho va desde 0,45 a 1 m y pendiente de 0 a 0,5%. 8

9 Tipos de Humedales Construidos: Flujo Sumergido Horizontal Requerimientos: 45 cm o más de un medio permeable que soporte las raíces de las plantas. Flujo de agua debajo de la superficie del medio Barrera impermeable para prevenir la contaminación del acuífero. 9

10 Tipos de Humedales Construidos: Sistemas Híbridos (Primero flujo vertical y luego horizontal) Requerimientos: Flujo sumergido seguido de un sistema de flujo horizontal Celdas en serie y con gradiente El efluente de cada celda fluye hacia el inicio de la siguiente celda 10

11 Tipos de Humedales Construidos: Según las necesidades del sistema: Flujo superficial Libre Flujo Sumergido Horizontal Tratamiento terciario Tratamiento secundario con carga orgánica < 100 mg/l Segunda etapa de un sistema híbrido Etapa final de un sistema de tratamiento aeróbico Flujo Vertical Sumergido Primera etapa de un sistema híbrido Tratamiento secundario, usando 2 etapas en un sistema de flujo vertical en serie Sistemas híbridos Tratamiento secundario, con la primera celda 11 con flujo vertical y la segunda con flujo horizontal

12 Recirculación y Componentes: Recirculación: En general en los humedales no se implementa la recirculación pero se puede considerar en el diseño e implementar. Componentes: - Estructura de entrada al humedal. - La salida del efluente debe contar con una válvula, con esto se controla el caudal de salida y por lo tanto el nivel de líquido en el humedal. - El humedal debe ser impermeabilizado. - Se debe evitar formar zonas muertas, es decir, sin que circule el líquido. - Un drenaje debe ser considerado. - La vegetación debe ser típica de la zona. 12

13 Componentes: Soporte Granular Humedales Construidos En las zonas de entrada y salida se colocan piedras que permiten diferenciar estas zonas de lo que es el medio granular principal. El conjunto medio granular-biopelícula-plantas debe ser considerado como el principal constituyente de los humedales. En el medio granular ocurren múltiples procesos, retención y sedimentación de la materia en suspensión, degradación de la materia orgánica, transformación y asimilación de los nutrientes y la inactivación de los microorganismos patógenos. Se recomienda una profundidad del medio granular entre 0,3 y 0,9 m. 13

14 Amortiguamiento de las variaciones Una vez que las plantas alcanzan un determinado tamaño, estás evitarán el paso de la luz y por lo tanto la variación de temperatura del medio granular, evitando problemas en los procesos del tratamiento. Para la selección de los vegetales se deberá tener en cuenta: Las especies deben ser colonizadoras activas. Deben ser especies tales que sus rizomas se extiendan ampliamente para asegura un buen tratamiento. Las especies deben ser fáciles de encontrar en la zona. La vegetación tiene que tolerar fácilmente los contaminantes en cuestión. La biomasa subterránea debe poseer una gran superficie específica para potenciar el crecimiento de la biopelicula e incrementar las diferentes posibles reacciones. El transporte de Oxígeno debe ser eficiente. 14

15 Las plantas en los Humedales pueden ser: Emergentes: Tienen gran capacidad de fotosíntesis y crecimiento. Flotantes: Gran productividad, poseen la habilidad de utilizar CO 2 fotorespiratorio almacenándolos en los espacios llenos de aire. Sumergidas: Menor productividad por lo que se encuentran bajo el agua y no llega demasiada luz. 15

16 Procesos que intervienen: Sedimentación en partículas en suspensión Filtración Precipitación química Reacción química Adsorción Intercambio Iónico Degradación y transformación de contaminantes por microorganismos y plantas Depredación y muerte natural de los patógenos 16

17 Procesos que intervienen: Humedales Construidos Principales procesos físicos-químicos y biológicos: Sólidos Suspendidos: Sedimentación, filtración, degradación aeróbica y anaeróbica. Orgánicos Solubles: Absorción por la planta, adsorción en la matriz, mineralización en la materia orgánica. Nutrientes (N y P): Absorción por la planta. Asimilación vegetal e inmovilización microbiana de compuestos. Amonificación, nitrificación y desnitrificación. Volatilización del amonio desde las capas superficiales del sedimento. Adsorción y precipitación química del fosfato con Al, Fe, Ca y minerales de la arcilla. 17

18 Procesos que intervienen: Humedales Construidos Principales procesos físicos-químicos y biológicos: Patógenos: Sedimentación, filtración, decaimiento natural, de predacción, exudados de las raíces de las plantas. Metales y Metaloides: Adsorción e Intercambio Iónico, acomplejación, precipitación, absorción por la planta, oxido-reducción microbiana. Fijación de metales en los sedimentos. 18

19 Consideraciones generales: Humedales Construidos Substrato con diferentes velocidades de conductividad hidráulica. Plantas que puedan ser adaptadas a sustratos anaeróbicas saturados de agua. Columna de agua fluyendo Poblaciones microbianas aerobias y anaerobias Aspectos característicos del diseño: Espacio Tiempo Población Activa Requerimientos de Energía 19

20 Parámetros de Dimensionamiento Balance Hídrico: Se contabilizan entradas y salidas de agua del Humedal y la capacidad de almacenamiento. dv dt Q : Q P : ET I e s : A: : : Q e Q s ( P ET Caudal del afluente (m 3 /t) Caudal del efluente (m 3 /t) Tasa de precipitación (m/t) I)* A Tasa de evapotranspiración (m/t) Infiltración (m/t) Área superficial del humedal m 2 20

21 Parámetros de Dimensionamiento Balance Hídrico: dv dt Qe Qs ( P ET I) * A I Infiltración Componentes del Balance Hídrico de Humedales 21

22 Parámetros de Dimensionamiento - Factores Hidrológicos e hidráulicos Infiltración: Se incrementa el área de infiltración, por esta razón es necesario aislarlos. Resistencia al flujo: El flujo de agua a través del sustrato de grava y roca difiere del flujo a través de los tallos y plantas y genera una resistencia. Precipitación pluvial: La lluvia puede diluir el agua residual y en consecuencia la concentración de los contaminantes. Evaporación: La pérdida de agua a través de la evaporación puede aumentar la concentración de los contaminantes en el humedal y por lo tanto en el efluente. Porosidad (ɛ): Es el índice del volumen teórico respecto de volumen actual disponible para el agua en el humedal. Tiempo de retención hidráulico: Es la relación entre el flujo del sistema y el volumen de agua disponible del humedal para que esta fluya, tomando en cuenta el efecto de la porosidad. 22

23 t : S Q : h : t Humedales Construidos Parámetros de Dimensionamiento Dimensionamiento Biológico : : V Q dc dt C : k : * S * h Q Porosidad k * C C C Concentración del contaminante Constante de cinética de primer orden Sup. del Humedal Caudal medio Profundidad media tiempo 0 e kt 23

24 Parámetros de Dimensionamiento Dimensionamiento Hidráulico Se aplica la ley de Darcy: Q k A i s : s : : k s * A s * i Conductividad hidráulica del medio en una unidad de sección perpendicular a la dirección del flujo, en m 3 /m 2 d Sección del humedal perpendicular a la dirección del flujo, en m 2 Pendiente Con el área de la sección transversal, se selecciona la profundidad y se determina el ancho del humedal: W W : A h s Ancho (m) L L : i W Longitud (m) 24

25 Ventajas y Desventajas Ventajas Sistema práctico para comunidades pequeñas Bajo costo de inversión Bajo costo de mantenimiento y operación Soporta variaciones de caudal Facilitan la reutilización de un efluente Se puede usar como tratamiento secundario o terciario dependiendo del clima La remoción de DBO, DQO, SST, metales, metaloides, compuestos orgánicos, N y P, puede ser muy eficiente si el tiempo de retención es el indicado Se pueden construir en concordancia con el medio ambiente que los rodea. Desventajas Requieren grandes extensiones de terreno El rendimiento puede ser menos constante que el de un tratamiento convencional Los componentes biológicos del humedal son sensibles al NH 3 y pesticidas Necesitan agua casi en forma constante El tiempo necesario para estabilizar un sistema es de 1 año En climas fríos se reduce la remoción de materia orgánica Los metales y algunos compuestos orgánicos pueden acumularse Mosquitos y otros insectos vectores de enfermedades pueden ser un problema El tema de humedales construidos es muy nuevo, es por ello que sobre la información de su diseño 25 falta un consenso general

26 Muchas Gracias por su atención!!! CETA Instituto de la Universidad de Buenos Aires Centro de Estudios Transdisciplinarios del Agua (CETA) 26