Humedales construidos Comparados con sistemas convencionales de tratamiento, los humedales construidos para tratamiento de agua son de bajo costo, fácil operación y mantenimiento. Sin embargo, no han sido usados ampliamente debido a la falta de conocimiento y experiencia local para desarrollar la tecnología adecuada. Diego Paredes Cuervo De acuerdo con las cifras que maneja la Organización Panamericana de la Salud (2001), la situación de saneamiento básico en América Latina es crítica: El 23% de la población no tiene acceso a saneamiento básico adecuado. 49% de la población no tiene acceso a sistemas de alcantarillado. Solo el 15% de las aguas residuales colectadas son conducidas a plantas de tratamiento y, de las existentes, la gran mayoría no funciona satisfactoriamente. En Colombia, la situación no difiere significativamente de lo que se encontró en Latinoamérica: el país trata sólo el 9% de sus aguas residuales, a pesar de contar con una capacidad instalada que permitiría tratar hasta un 32%, y existe la necesidad de construir 900 sistemas más. Muchos factores pueden señalarse como causantes de esta situación; sin embargo, los más importantes se pueden resumir en que las tecnologías seleccionadas no consideran las características y condiciones económicas de los municipios, don- 56 Construcción Sostenible 2
de hay ausencia de capacitación y falta de capital. Es claro entonces que se deben plantear y adelantar trabajos de investigación y desarrollo tecnológico en sistemas de tratamiento acordes con la realidad de los distritos colombianos. Comparados con sistemas convencionales de tratamiento, los humedales construidos (HC) son de bajo costo, fácil operación y mantenimiento, y con un enorme potencial para la aplicación en países en desarrollo, particularmente para pequeñas poblaciones rurales. Sin embargo, estos sistemas no han sido usados ampliamente debido a la falta de conocimiento y experiencia local para desarrollar la tecnología en condiciones propias. En los países desarrollados, los HC han sido diseñados para imitar los sistemas de humedales naturales, a fin de tratar varios tipos de agua residual. En contraste, el promedio de adopción de esta tecnología en países en vías de desarrollo ha sido bajo, pese a que alrededor de la mitad de humedales naturales del planeta se encuentra en los trópicos. Además, la mayor parte de los países en desarrollo tienen condiciones climáticas que son propicias para la alta actividad bacteriana y biológica, mejorando ostensiblemente el desempeño de estos sistemas y aprovechando la riqueza biótica que ofrecen estas regiones. Los HC se basan en los procesos naturales que ocurren en la vegetación, suelo y población microbiológica asociada, como mecanismos de remoción de contaminantes. Están diseñados para tomar ventaja de los mismos medios que ocurren en humedales naturales, pero en un ambiente más controlado. Los HC tienen costos de inversión similares o incluso ligeramente mayores que los sistemas tradicionales. La diferencia está en los precios de operación y mantenimiento. Debe considerarse que estos valores iniciales pueden ser más altos en países desarrollados, donde el precio de la mano de obra es mayor que en países en vías de desarrollo. Al respecto, la Universidad Tecnológica de Pereira está adelantando un modelo de costos que permita determinar hasta qué punto la tecnología es viable para las condiciones locales. Construcción Sostenible 2 57
Tipos de humedales construidos El tratamiento de aguas residuales con plantas acuáticas ha sido utilizado por el hombre durante siglos, para responder más a la necesidad de alejar y disponer los residuos líquidos que al tratamiento como tal. Los humedales naturales sirvieron para este propósito cuando se encontraban cerca de los asentamientos humanos, hasta que, en muchos casos, descargas no controladas de aguas residuales ocasionaron alteraciones irreversibles en estos ecosistemas. Los humedales construidos pueden utilizarse con un mayor grado de control. Permiten regular el efecto que diferentes tipos de plantas, suelos y patrones hidráulicos tienen sobre los mecanismos de remoción y transformación de agentes contaminantes. Adicionalmente, tienen otras ventajas en comparación con el uso de humedales naturales, como la selección del sitio, la flexibilidad en las dimensiones y, quizá el elemento más importante, el control sobre el régimen hidráulico y los tiempos de retención. Como es normal cuando se habla de sistemas de tratamiento, han surgido discusiones sobre qué tipo de humedal es el más conveniente o el más efectivo. También ha habido debates sobre los sistemas aerobios y anaerobios para el tratamiento biológico de aguas residuales. En ambos casos, la respuesta es la misma: depende de las características del agua residual por tratar y de las condiciones locales. En el caso de los humedales construidos habría que incluir, además, la pregunta de cuál es el objetivo del tratamiento. Los humedales para el tratamiento de aguas residuales pueden clasificarse de acuerdo con el tipo de plantas acuáticas que se usen y según el patrón hidráulico de aplicación y distribución del agua residual. La clasificación más usada se basa en la dirección y tipo de flujo en los humedales (figura 1), con las siguientes denominaciones: Humedal superficial de flujo horizontal: puede tener plantas acuáticas emergentes, sumergidas o flotantes. En este tipo de sistemas, el agua residual por tratar está expuesta al aire y la dirección del flujo es horizontal. Humedal subsuperficial de flujo horizontal: similar al anterior, pero el agua residual por tratar está por debajo del medio, es decir, el agua se mueve a través del medio de soporte de las plantas en dirección horizontal. Humedal subsuperficial de flujo vertical: la alimentación del agua residual se hace por la parte superior del sistema, y la recolección del agua residual tratada se lleva a cabo por la parte inferior. Su requerimiento de área es menor, pero es un poco más complejo su diseño, construcción y operación. Sistemas combinados o híbridos: basados en el uso de dos o más sistemas de los descritos anteriormente. Humedal superficial de flujo horizontal con plantas flotantes Humedal subsuperficial de flujo horizontal Humedal superficial de flujo horizontal con plantas sumergidas Humedal superficial de flujo horizontal con plantas emergentes Humedal subsuperficial de flujo vertical Figura 1. Tipo de humedales construidos 58 Construcción Sostenible 2
Componentes Los humedales construidos son sistemas diseñados y erigidos por el hombre. Se basan en los procesos naturales que ocurren en la vegetación, suelo y población microbiológica asociada, como mecanismos de remoción de contaminantes. Están diseñados para tomar ventaja de los mismos procesos que ocurren en humedales naturales, pero en un ambiente más controlado. Algunos de ellos son construidos con un solo propósito: el tratamiento de aguas residuales, mientras otros son concebidos con múltiples intenciones, como la creación y restauración de hábitats para la vida silvestre. Un humedal construido consta, entonces, de plantas, material filtrante y agua. Un aspecto importante en este tema es que se requiere un pretratamiento básico que remueva los sólidos suspendidos presentes en el desecho. Al respecto existen experiencias en Colombia con clarificadores primarios, tanques sépticos y filtros anaerobios como tratamientos antes del uso de algún humedal construido. Las plantas En el pasado se pensaba que las plantas eran las únicas responsables de los diferentes procesos que se daban en el sistema. Hoy se sabe que esto depende de la fuerte interacción con los otros componentes, como son suelo, agua y microorganismos, donde estos últimos tienen una importante función. En los humedales construidos, las plantas permiten la liberación de oxígeno y nutrientes en la rizósfera, elementos indispensables para el crecimiento microbiológico. Como mecanismo de defensa, algunos vegetales acumulan gradualmente elementos tóxicos, como metales pesados, principalmente en la zona radicular. Una menor recolección se da en el tallo, y otra mínima en las hojas. Esta acumulación depende de varios factores, como la forma o estado del contaminante. No todas las plantas pueden acumular sin ser afectadas por el elemento tóxico. Hasta la fecha no se ha podido comprobar que las plantas liberan antibióticos en sus exudados radiculares ni que estos sean responsables de la remoción de organismos patógenos. Más bien se atribuye a mecanismos biológicos, como decaimiento y predación por bacteriófagos y protozoarios. Algunos de los HC son construidos con un solo propósito: el tratamiento de aguas residuales, mientras otros son concebidos con múltiples intenciones como la creación y restauración de hábitats para la vida silvestre. Construcción Sostenible 2 59
Las plantas tienen un impacto fuerte en la distribución hidráulica gracias a la evapotranspiración. Y, según si esta última es alta o baja, las líneas de flujo o patrón hidrodinámico cambiarán. Este fenómeno es de gran importancia en los sistemas de flujo superficial y en sistemas de flujo subsuperficial de baja profundidad. El crecimiento radicular de las plantas no permite aumentar la conductividad hidráulica del sistema. Por tanto, el tratamiento debe diseñarse con base en la conductividad hidráulica del medio filtrante. Se recomienda usar el 10 por ciento del valor para efectos de seguridad en el diseño. La liberación de oxígeno por parte de las plantas es limitada, y depende del tipo de planta, intensidad solar y potencial redox; si los valores de este último son bajos, la liberación de oxígeno es mayor. En lo posible, debe trabajarse con especies nativas de la zona en donde se va a construir el sistema, para evitar algún tipo de impacto sobre los ecosistemas naturales. Este punto aumenta su validez e importancia en la medida en que se dé un valor agregado a la biomasa producida. Si la planta sirve de soporte para la actividad microbial, por qué no usar plantas que tengan alguna utilidad productiva? Existen ejemplos claros como el caso de la lenteja de agua aplicada en sistemas lagunares, también denominados humedales de flujo superficial con plantas flotantes. En los HC las plantas permiten la liberación de oxígeno y nutrientes en la rizósfera, elementos indispensables para el crecimiento microbiológico. La Universidad Tecnológica de Pereira ha adelantado trabajos con guadua y heliconias en humedales de flujo subsuperficial, con resultados comparables a los obtenidos con plantas de uso tradicional. La siguiente fase es trabajar a escala piloto para hacer evaluaciones económicas más precisas. Para futuros trabajos es importante también evaluar especies nativas con alta tasa de evapotranspiración, con lo cual se optimizarían los procesos y se generarían remociones del 100% en cargas contaminantes (sistemas evaporativos). En este sentido, la experiencia en países escandinavos es un buen referente. El medio filtrante Además de servir como soporte de las plantas, el medio filtrante es base de los microorganismos y de los procesos de remoción. Este componente define el tamaño del sistema: aquellos medios filtrantes con pequeños diámetros de partículas llevan a altos requerimientos de área debido a la baja conductividad hidráulica. Medios filtrantes de mayor diámetro implican menores requerimientos de área por la mayor conductividad hidráulica. De otra parte, los procesos de remoción son más eficientes en sistemas basados en medios filtrantes de mayor diámetro, pues los de menor diámetro son susceptibles al taponamiento. Muchos de los procesos o mecanismos de remoción dependen del suelo y especialmente de la capacidad de adsorción del medio, pues cuentan con una mayor superficie. Las plantas ayudan a aumentar o mantener esta capacidad de adsorción; sin embargo, es factible que al cabo de un tiempo la eficiencia de la remoción disminuya, puesto que la capacidad de generación de nuevas áreas de adsorción es menor que la fijación de contaminantes. Sistemas de tratamiento de humedales basados en la capacidad de adsorción del suelo requerirán cambio del material filtrante, algo que no se indica claramente al promocionar la tecnología relacionada. Por eso, es preferible usar como medio filtrante gravas o cantos rodados con diámetros entre 0,5 y 2,5 cm., para evitar las mezclas de suelos y arenas finas, porque estos materiales generarán obstrucciones a los pocos meses. Propiedades Si la retención dura entre 1 y 2 días, los humedales de flujo horizontal y vertical pueden remover entre 1 y 2 unidades log de E. coli (patógenos), mientras que la combinación de un sistema vertical con uno horizontal, de acuerdo con las experiencias obtenidas en Pereira, permiten alcanzar valores de remoción comprendidos entre 4 y 5 unidades log, con la ventaja adicional de una reducción significativa en el requerimiento de área. Con esta misma duración de la retención hidráulica pueden alcanzarse remociones de DBO5 (Demanda Biológica de Oxígeno a los 5 días) superiores al 90% tanto en sistemas horizontales como verticales, aunque estos últimos requieren menos área. Los sistemas de flujo horizontal no remueven eficientemente nitrógeno, pero la combinación de un sistema vertical con uno horizontal permite remociones superiores al 90%. Erróneamente se ha dicho que no hay producción de lodo en humedales construidos. Al contrario, esta formación sí se genera y se 60 Construcción Sostenible 2
acumula inicialmente cerca de la entrada del sistema. Con el paso del tiempo, los intersticios o poros del medio filtrante se empiezan a llenar, afectando la conductividad hidráulica. Luego, la extensa área superficial del medio filtrante es rápidamente colonizada por biopelículas microbianas, compuestas por células microbianas, generalmente muy porosas, con alta capacidad de adsorción y con un contenido de agua de hasta 95% de agua. Como resultado inmediato, esta membrana contiene una gran fracción de materiales adsorbidos y entrapados, tales como solutos y partículas inorgánicas. En la medida en que este ecosistema se establece, envejece y muere, ellos empiezan a formar parte del lodo inorgánico. En general, las paredes celulares de bacterias, algas y otros microorganismos son bastante complejas y refractarias, y, por tanto, difíciles de biodegradar. Un buen diseño permitirá operar el sistema sin problemas; sin embargo, hay que pensar y desarrollar métodos no invasivos y simples para remover estos sólidos. Aunque en apariencia son relativamente sencillos, los procesos y mecanismos de transformación de los contaminantes en humedales construidos son complejos. El conocimiento de su tecnología aumenta cada día, y hoy es posible saber cuáles son los diferentes factores que afectan el comportamiento del sistema en el largo plazo. Muchos de los mecanismos de remoción dependen del suelo y especialmente de la capacidad de adsorción del medio filtrante, la cual es aumentada por las plantas. Los desarrollos futuros también deben considerar las condiciones locales y los parámetros que se quieren remover. Para esto es necesario elaborar guías técnicas de planificación, diseño, construcción y operación de estos sistemas, así como capacitar y transferir la tecnología necesaria, con el fin de evitar que personal sin capacitación ni experiencia realice los diseños. Hay que profundizar en modelos de costos y en el uso de especies vegetales con potencial económico. Autor Diego Paredes Cuervo. Ing. Sanitario, M.Sc., Dr. Ingeniería Grupo de Investigación en Agua y Saneamiento, Facultad de Ciencias Ambientales, Universidad Tecnológica de Pereira. www.aguaysaneamientoutp.info Construcción Sostenible 2 61