Humedales artificiales
Autor: Silva R., Ángela Sofía
Asesor: Londoño Carvajal, Adela (Thesis advisor)
Fecha: 2005
Programa: Bogotá - Medicina -Fisioterapia
Facultad: Facultad de Medicina

Resumen: En este trabajo se recopila información importante sobre los humedales artificiales de los dos tipos: sistemas de flujo libre (FWS) y sistemas de flujo subsuperficial (SFS). Posee las recomendaciones necesarias para la selección de la zona y los factores que intervienen en la remoción como el clima, la vegetación, las propiedades del agua residual entre otras. También se tienen los rendimientos esperados, el mantenimiento de los humedales, y las consideraciones ambientales. Se desarrolla también los modelos de remoción de la DBO y el diseño hidráulico de los dos tipos de humedales, finalmente se tiene el dimensionamiento de un humedal de flujo subsuperficial a las condiciones de Manizales que puede ser implementado en los canales de las estructuras de control de erosión. / Abstract: In this job is supplied important information about two kinds of constructed wetlands: systems free water surface (FWS), y systems of subsurface flow (SFS). It has the necessary findings for the selection of the zone and the factors that intervene in the removal like the weather, the vegetation, the properties of the waste water and others. Also It has the expected performance, the wetland’s maintenance, and the environmental consideration. It develops the model of DBO remove and design hydraulic of the two kinds of wetlands, finally It has the magnitude of the subsurface flow wetland to the condition of Manizales It could be implemented in the canals of the structure of control of erosion.

HUMEDALES ARTIFICIALES
TRABAJO DE GRADO
MODALIDAD: MONOGRAFÍA
ÁNGELA SOFÍA SILVA R.
HERNÁN DARÍO ZAMORA Z.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
SEDE MANIZALES
FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
2005HUMEDALES ARTIFICIALES
ÁNGELA SOFÍA SILVA R.
HERNÁN DARÍO ZAMORA Z.
LÍNEA DE PROFUNDIZACIÓN: INGENIERÍA AMBIENTAL
DIRECTORA
ING. QUÍMICA ADELA LONDOÑO CARVAJAL
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
SEDE MANIZALES
FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
2005INDICE
INTRODUCCIÓN 10
1. HUMEDALES ARTIFICIALES 11
1.1. Descripción del tratamiento 11
1.2. Evaluación y selección de la zona para desarrollar el proyecto 14
1.2.1. Topografía 14
1.2.2. Suelo 15
1.2.3. Riesgo de Inundación 15
1.2.4. Uso actual del terreno 15
1.2.5. Clima 15
1.2.6. Control de vectores 16
1.3. Consideraciones de construcción 16
1.3.1. Hidrología 17
1.3.2. Selección de la especie vegetal 17
1.4. Mantenimiento y monitoreo 20
1.5. Consideraciones ambientales y de salud publica 22
1.6. Rendimiento esperado 23
1.6.1. Remoción de sólidos suspendidos
23
1.6.2. Remoción de Nitrógeno
23
1.6.3. Modelo de remoción para Nitrógeno
24
1.6.4. Remoción de Fósforo
25
1.6.5. Remoción de Metales
25
2. MODELOS DE DISEÑO PARA UN HUMEDAL DE FLUJO LIBRE
26
2.1. EPA, Design manual; constructed wetlands and aquatic plant systems
for municipal wastewater treatment. Septiembre 1988 26
2.1.1. Remoción de DBO 5 26
2.2. Borrero Jaime, Depuración de aguas residuales municipales con
humedales artificiales. Mayo 1999 312.2.1. Diseño hidráulico
32
2.2.2. Modelo de remoción de DBO
34
2.2.3. Modelo de remoción para Sólidos Suspendidos Totales
36
2.2.4. Modelo de remoción para Nitrógeno
37
2.2.5. Modelo de remoción para Fósforo
40
2.3. EPA, Free water surface wetlands for wastewater treatment a
technology assessment. Junio 1999
41
2.3.1. Tiempo de retención hidráulico
41
2.3.2. Carga hidráulica
42
2.3.3. Modelos de remoción
42
2.4. EPA, Manual; constructed wetlands treatment of municipal
waste waters. septiembre 2000
46
2.4.1. Hidráulica
46
2.4.2. Modelo de remoción para Coliformes Fecales
48
2.4.3. Modelo de remoción para DBO
49
2.5. Wallace Scott d. University curriculum development for decentralized
wastewater treatment; constructed wetlands: design approaches.
Diciembre 2003
50
2.5.1. Small and Decentraliced Wastewater Management Systems.
R. Crites & G. Tchobanoglous. 1998
51
2.5.2. Constructed Wetlands Treatment of Municipal Wastewaters.
EPA. 2000
53
2.5.3. Treatment Wetlands. R. kadlec & R. Knight. 1996. Y Constructed
Wetlands for Pollution Control. IWA 2000
54
3. MODELOS DE DISEÑO PARA UN HUMEDAL DE FLUJO
SUBSUPERFICIAL
56
3.1. EPA, Design Manual; constructed wetlands and aquatic plant systems
for municipal wastewater treatment. septiembre 1988. [17]
56
3.1.1. Remoción de DBO
5 563.2. EPA, Subsurface flow constructed wetlands for wastewater
treatment; a technology assessment. Julio 1993
59
3.2.1. Diseño hidráulico
59
3.2.2. Modelo de remoción para la DBO
5 60
3.2.3. Modelo de remoción para amoniaco
62
3.3. Borrero Jaime. Depuración de aguas residuales municipales con
humedales artificiales. mayo 1999
64
3.3.1. Diseño hidráulico
64
3.3.2. Modelo de remoción de DBO
68
3.3.3. Modelo de remoción para Sólidos Suspendidos Totales
68
3.3.4. Modelo de remoción para Nitrógeno
69
3.3.5. Modelo de remoción para Fósforo
71
3.4. SQAE. Canadá y otros, Estudios técnicos de sustitución
aplicables al saneamiento de aguas servidas de pequeñas comunidades
noviembre 1999
72
3.4.1. Procedimiento de diseño de una unidad SFS
72
3.5. EPA, Manual; constructed wetlands treatment of municipal waste waters
septiembre 2000
74
3.5.1. Estimación del nivel de agua
74
3.5.2. Determinación del área superficial
75
3.5.3. Determinación del ancho
75
3.5.4. Determinación de la longitud y pérdida de cabeza de la zona de
tratamiento inicial
76
3.5.5. Determinación de la longitud y perdida de cabeza de la zona de
tratamiento final (L)
f 76
3.5.6. Determinación del punto de elevación
76
3.5.7. Determinación de la elevación de la superficie del agua
77
3.5.8. Determinación de la profundidad del agua
773.6. Wallace Scott d. University curriculum development for decentralized
wastewater treatment; constructed wetlands: design approaches.
78
Diciembre 2003
3.6.1. Small and Decentralized Wastewater Management Systems.
79
R. Crites & G. Tchobanoglous. 1998
3.6.2. Treatment Wetlands. R. kadlec & R. Knight. 1996. Y Constructed
80
Wetlands for Pollution Control. IWA 2000
4. DIMENSIONAMIENTO DE UN HUMEDAL PARA ESTABLECERLO
83
EN UNA ESTRUCTURA TÍPICA.
4.1. BORRERO JAIME, DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES
83
MUNICIPALES CON HUMEDALES ARTIFICIALES. Mayo 1999.
83
4.1.1. Dimensionamiento de un humedal FWS
85
4.1.2. Dimensionamiento de un humedal SFS
4.2. WALLACE SCOTT D. UNIVERSITY CURRICULUM DEVELOPMENT
FOR DECENTRALIZED WASTEWATER TREATMENT; CONSTRUCTED
88
WETLANDS: DESIGN APPROACHES. Diciembre 2003.
4.2.1. Treatment Wetlands. R. kadlec & R. Knight. 1996. Y Constructed
88
Wetlands for Pollution Control. IWA 2000.
90
CONCLUSIONES
91
BIBLIOGRAFIAINDICE DE TABLAS
Tabla 1. Parámetros de diseño. FWS 47
Tabla 2. Características del material de soporte 50
Tabla 3. Características del material de soporte en humedales SFS 52
Tabla 4. Propiedades físicas del agua 59
Tabla 5. Características de los medios de soporte 59
Tabla 6. Conductividad hidráulica de los diferentes medios 70
Tabla 7. Parámetros de diseño SFS 74
Tabla 8. Área superficial a diferentes % de remoción en un humedal FWS 84
Tabla 9. Dimensiones del humedal FWS 85
Tabla 10. Área superficial a diferentes % de remoción en un humedal SFS 86
Tabla 11. Dimensiones del humedal SFS 87
Tabla 12. Sistema FWS (Kadlec and Knight, 1996) 89
Tabla13. Sistema SFS (Kadlec and Knight, 1996) 89INDICE DE FIGURAS
Figura 1. Plantas acuáticas comunes 11
Figura 2. Humedal de flujo libre 12
Figura 3. Humedal de flujo subsuperficial 13
Figura 4. Curva de regresión de NKT vs. Tiempo de retención 24
Figura 5. Sensibilidad de la relación C e/C o con A V 30
Figura 6. Sensibilidad de la relación C e/C o con T 30RESUMEN
En este trabajo se recopila información importante sobre los humedales artificiales
de los dos tipos: sistemas de flujo libre (FWS) y sistemas de flujo subsuperficial
(SFS).
Posee las recomendaciones necesarias para la selección de la zona y los factores
que intervienen en la remoción como el clima, la vegetación, las propiedades del
agua residual entre otras. También se tienen los rendimientos esperados, el
mantenimiento de los humedales, y las consideraciones ambientales.
Se desarrolla también los modelos de remoción de la DBO y el diseño hidráulico
de los dos tipos de humedales, finalmente se tiene el dimensionamiento de un
humedal de flujo subsuperficial a las condiciones de Manizales que puede ser
implementado en los canales de las estructuras de control de erosión.
ABSTRACT
In this job is supplied important information about two kinds of constructed
wetlands: systems free water surface (FWS), y systems of subsurface flow (SFS).
It has the necessary findings for the selection of the zone and the factors that
intervene in the removal like the weather, the vegetation, the properties of the
waste water and others. Also It has the expected performance, the wetland’s
maintenance, and the environmental consideration.
It develops the model of DBO remove and design hydraulic of the two kinds of
wetlands, finally It has the magnitude of the subsurface flow wetland to the
condition of Manizales It could be implemented in the canals of the structure of
control of erosion.INTRODUCCIÓN
El manejo del agua residual generada por comunidades y municipios es una tarea
compleja. En consecuencia cualquier programa asociado con esta actividad debe
ser planeado y ejecutado teniendo en cuenta aspectos sociales, técnicos,
económicos y topográficos.
Cuando el agua residual se acumula, la descomposición de la materia orgánica
crea un desequilibrio ecológico que perturba a la comunidad, además de la
presencia de numerosos microorganismos causantes de varias enfermedades que
afectan la vida. Por esta razón se debe acudir al tratamiento y evacuación del
agua que ha sido contaminada durante los diferentes usos para los cuales ha sido
empleada antes de ser vertida a un cuerpo de agua.
El humedal artificial es un tratamiento que puede ser utilizado para mejorar la
calidad del agua residual, en el cual mediante procesos biológicos se permite la
degradación de la materia orgánica. Por medio de este se pretende llegar a
soluciones económicas y modulares para el tratamiento de agua residual
domestica (ARD).
Con este documento se pretende exponer los diferentes modelos de diseño,
ventajas, desventajas, recomendaciones, sus validaciones y demás aspectos, que
cada autor que haya escrito sobre este tipo de tratamiento.
101. HUMEDALES ARTIFICIALES
1.1. DESCRIPCIÓN DEL TRATAMIENTO [41]
Los humedales artificiales son áreas que se encuentran llenas de agua con
plantas emergentes como espadañas, carrizos, juncos y eneas (Figura 1) que
aprovechan las interacciones con los microorganismos y la atmósfera para
remover la materia orgánica. La vegetación proporciona superficies para la
formación de películas bacterianas y permite la transferencia de oxígeno. Existen
dos tipos de humedales artificiales desarrollados para el tratamiento del agua
residual. [41]
Tomado: METCALF & EDDY [41]
Figura 1. Plantas acuáticas comunes
11Sistemas de flujo libre (FWS), en el cual el nivel del agua esta sobre la superficie
del medio de soporte, el flujo de agua pasa a través de la grava y de la vegetación
que incluye juncos, cañas, espadañas y eneas, que están sembradas y fijas. Los
tallos, hojas y raíces proporcionan el oxigeno al humedal (Figura 2). [7]
Tomado: METCALF & EDDY [41]
Figura 2. Humedal de Flujo libre
Sistemas de flujo subsuperficial (SFS). Está construido típicamente en forma de un
lecho o canal que contiene un medio apropiado; la vegetación emergente es la
misma del FWS. El nivel del agua esta por debajo de la superficie del soporte, el
agua fluye únicamente a través del lecho de grava que sirve para el crecimiento de
la película microbiana, que es la responsable en gran parte del tratamiento que
ocurre, las raíces penetran hasta el fondo del lecho (Figura 3). [7]
12Tomado: METCALF & EDDY [41]
Figura 3. Humedal de Flujo subsuperficial
Las aplicaciones para humedales artificiales son variadas e incluyen tratamiento
de aguas residuales municipales, industriales y agrícolas; el tratamiento con
humedales también ha sido usado en aguas subterráneas contaminadas y el
departamento de defensa de los Estados Unidos para tratar aguas efluentes del
lavado del equipo militar [58].
131.2. EVALUACIÓN Y SELECCIÓN DE LA ZONA PARA DESARROLLAR EL
PROYECTO
Los humedales son idealmente situados en lugares de áreas disponibles
relativamente largas con fuentes de aguas contaminadas, y concentración de
contaminantes baja, pero por supuesto estos son casos que se presentan con
poca frecuencia, y los factores deben ser evaluados separadamente y juntos. Este
análisis es usualmente culminado durante un estudio de factibilidad. [58]
El área disponible para un humedal artificial depende del flujo de volumen,
concentración de contaminantes, y metas del tratamiento, un humedal podría
requerir un área considerable y un humedal pequeño puede tener dificultades en
el manejo de grandes flujos de agua en tormentas en zonas de alta lluvia. [58]
Las principales características que se debe tener en cuenta para la localización y
diseño preliminar del proyecto de sistemas de humedales artificiales incluyen la
topografía, el suelo, el uso actual de los terrenos, el riesgo de inundación y el
clima. [41]
1.2.1. Topografía. El terreno apto para la instalación de un sistema de terrenos
pantanosos (humedal artificial) es uno de topografía uniforme horizontal o en ligera
pendiente. Ello se debe a que los sistemas de flujo libre (FWS) se suelen diseñar
con depósitos o canales horizontales, y que los sistemas de flujo subsuperficial
(SFS) se suelen diseñar y construir con pendientes del 1% o superiores. A pesar
de que es posible construir depósitos en terrenos de más pendiente y con
topografía más irregular, el movimiento de tierras necesario afectará al costo
constructivo del sistema. En consecuencia los sistemas de terrenos pantanosos se
suelen construir con pendientes inferiores al 5% [41] [58].
141.2.2 Suelo. El sistema debe poseer un forro que garantizara la permanencia del
agua residual en el humedal, para así prevenir la infiltración al terreno, el material
de soporte en podrá ser grava, con paredes y bases de concreto que
corresponden a las terrazas o canales horizontales que posee la estructura civil.
[41] [58]
1.2.3 Riesgo de Inundación. Los humedales se deben ubicar lejos de las
comunidades, especialmente las que se encuentran por debajo de este. Además
se debe contar con un caudal conocido para tratar, con el fin de no superar la
capacidad del canal horizontal. [41]
1.2.4 Uso actual del terreno. El tipo de terreno preferido para la instalación de
sistemas pantanosos son espacios abiertos o de uso agrario. [41]
1.2.5 Clima. Es posible utilizar sistemas de terrenos pantanosos en zonas de cli-
mas fríos. Sin embargo, la viabilidad del funcionamiento de los sistemas durante el
invierno depende de la temperatura del agua en el interior del depósito y de los
objetivos de tratamiento. El rendimiento del proceso de tratamiento es muy
sensible a la temperatura, ya que los principales mecanismos de tratamiento son
biológicos. En los casos en los que las bajas temperaturas no permitan alcanzar
los objetivos de tratamiento preestablecidos, será necesario almacenar el agua. [41]
Los sistemas construidos en climas fríos podrían requerir grandes áreas o especial
operación para conseguir las metas esperadas. Los climas cálidos podrían
requerir fuentes de agua suplentes para prevenir el secado del humedal. [58]
1.2.6 Control de vectores. Los sistemas FWS en particular, proporcionan el
hábitat ideal para la proliferación de mosquitos. El aspecto del control de vectores
puede ser el factor crítico a la hora de determinar la viabilidad del uso de sistemas
pantanosos artificiales. En el diseño de este tipo de sistemas se deben incluir
15medidas para el control biológico de la presencia de mosquitos por medio de
peces y de la aplicación de agentes químicos de control. Para mantener la
población de peces es necesario que el nivel de oxígeno disuelto sea superior a
1mg/L. También puede ser necesario reducir la densidad de la vegetación. [41]
1.3. CONSIDERACIONES DE CONSTRUCCIÓN
Los aspectos más importantes a tener en cuenta para la construcción de
humedales son básicamente, la impermeabilización de la capa superficial del
terreno, la selección y colocación del medio granular para el caso de los sistemas
SFS, el establecimiento de la vegetación, y por ultimo las estructuras de entrada y
salida. Estaciones de bombeo, instalación de desinfección y tuberías de
conducción pueden ser también necesarias, como otras que pueden llegar a ser
indispensables. Puesto que los niveles de oxígeno disuelto pueden llegar a ser
bajos, en algunos casos pueden ser necesarias también unas instalaciones de
pre-aireación. Donde la topografía lo permita, una caída en cascada cubierta de
cemento para protegerla puede ser suficiente para este propósito.
Para el cálculo de la profundidad del humedal este debe ser acorde al crecimiento
que alcanzan las raíces de la especie vegetal. [7]
Los humedales FWS se diseñan y construyen con el fin de aprovechar los
procesos físicos, químicos y biológicos que ocurren naturalmente para reducir la
materia orgánica, los sólidos suspendidos totales, nutrientes y organismos
patógenos. [18]
16Los temas importantes de los humedales son la hidrología, la hidráulica, la
bioquímica, los efectos de la temperatura, las características de los componentes
y la especie vegetal. [18]
1.3.1 Hidrología. [18] Ésta a menudo es considerada el factor más importante en el
mantenimiento y funcionamiento del humedal (Trabajo desarrollado por Mitsch and
Gosselink, 1993; Hammer, 1992; Kusler an Brooks, 1998). La hidrología del
humedal influye y controla directamente los factores abióticos, como la
disponibilidad de nutrientes, condiciones aerobias y anaerobias, las condiciones
del suelo, la profundidad y velocidad del agua. En cambio, los componentes
bióticos de un humedal influyen directamente en la hidrología del humedal a través
de procesos, como la transpiración, la precipitación y el desarrollo de cambios de
temperatura en el interior del humedal.
1.3.2. Selección de la especie vegetal [7]. El mayor beneficio de las plantas es la
transferencia física en el sistema (los tallos, las raíces, y rizomas). En los
humedales FWS las proporciones sumergidas de las hojas y tallos muertos se
degradan y se convierten en lo que se llama restos de vegetación.
Las plantas emergentes que frecuentemente se encuentran en la mayoría de los
humedales para aguas residuales incluyen:
• Typhas: La espadaña se ubica en distribución robusta, capaz de crecer bajo
diversas condiciones medioambientales, algunas tienen una relativa baja de
penetración en grava de 0.3m, por lo que es recomendable para sistemas
SFS.
• Scirpus: Son de la familia de las ciperáceas, son perennes y crecen en
grupos. Los juncos son capaces de crecer bien en agua desde 5cm a 3m
17de profundidad, pueden crecer en grava hasta 0.6m por lo que son muy
utilizadas en SFS, las temperaturas deseables son 16-27ºC, y un pH de 4-9
• Phragmites: son anuales y con altos rizomas perennes extensos. Los
sistemas que utilizan carrizos pueden ser más eficaces en la transferencia
de oxigeno por los rizomas que penetran verticalmente mas profundamente
que las espadañas pero menos que los juncos 0.4m, esta especie posee
poco valor alimenticio por lo cual no son atacadas por animales o otros
tipos de plantas. [7]
En la construcción de los dos tipos de humedales, es de vital importancia
establecer la vegetación con la densidad apropiada. Sí están disponibles, deben
ser preferidas las plantas locales que estén adaptadas a las condiciones del sitio.
Aunque la siembra se puede hacer a partir de semillas, este método requiere
bastante tiempo y control estricto del agua. Adicionalmente, presenta el problema
del posible consumo de semillas por parte de los pájaros, por lo que es más
aconsejable plantar mediante transplante de rizomas al lecho previamente
preparado. [7]
En los Estados Unidos las especies vegetales dominantes en los humedales
artificiales son juncos de laguna y las espadañas o una combinación de estas dos
especies. En Europa la especie dominante son los carrizos. [7]
El jacinto de agua ha sido exitosamente desarrollado en Marruecos (Mandi, 1998)
y en una pequeña comunidad en Brasil (Roquetee et al., 1998), donde el sistema
se utiliza para tratar agua para consumo humano y aguas residuales
domésticas[52].
18Si la especie vegetal a utilizar es la (Typha Angustifolia), se deben tener en cuenta
las siguientes precauciones al momento del transplante: [28]
• No doblar las hojas ni el cuello de las plantas.
• Recortar ambos lados del rizoma con suficiente longitud (aproximadamente
15 cm a lado y lado).
• Lavar el rizoma de la planta, para no llevar tierra a la grava donde se
sembró posteriormente.
• El tiempo desde que la planta se extrajo hasta la siembra en el sistema no
debe exceder las diez horas.
Un estudio hecho a principios de 1997 donde se instaló un sistema de tratamiento
de agua residual para la federación colombiana de cultivadores de café
(FEDERACAFE) en el centro de capacitación Manuel Mejía, en la ciudad de
Chinchina, donde se trabajo con la (Typha Angustifolia) muestran observaciones
importantes como que la planta puede soportar condiciones de poca humedad por
periodos de tiempo de mas o menos dos meses, aunque se limita su reproducción
y aumenta su susceptibilidad al ataque de hongos e insectos, en condiciones de
baja exposición directa a la luz solar el cultivo desmejora notablemente. [28]
191.4. MANTENIMIENTO Y MONITOREO [58]
Es necesario para una actividad de mantenimiento identificar el periodo vegetativo,
monitorear, o realizar rutinas de observación de el sitio, ciertas acciones serán
necesarias para asegurar la eficiencia de los humedales artificiales.
Un plan de operación y mantenimiento debe ser preparado durante el proceso de
planeación y así tener un bosquejo de las actividades que serán usadas en el
mantenimiento del humedal.
Actividades de mantenimiento potencial (especificadas por la EPA 2000), incluyen:
uniformidad del agua de flujo (entrada y salida de la estructura), administración de
la vegetación, control de olor, control de animales molestos e insectos, y
mantenimiento de reboses, diques y otras estructuras de control del agua.
Independientemente de la corriente de agua residual o el tratamiento de objetivo,
los requisitos son muy similares. El control del nivel del agua es el parámetro
operacional mas crítico, está actividad asegura la función del sistema como un
humedal. Los rebordes deben ser periódicamente inspeccionados para garantizar
su integridad. Los cambios significativos en el nivel del agua deben ser
investigados inmediatamente para que no se presenten fisuras en los rebordes o
diques del sistema que contiene el humedal y no haya daños como resultado de
tormentas o taponamiento de las tuberías. Un mantenimiento adecuado de las
conexiones de entrada y salida de las tuberías asegurará que estas estructuras no
se obstruyan, así garantizamos el nivel y el flujo del agua. Asociado a las
actividades de mantenimiento de obstrucción se incluyen remoción física de
basuras o desechos de la sedimentación, lavado de las tuberías y tubo colector, y
el uso de alta presión del agua para limpiezas periódicas. [58]
20Otra actividad de mantenimiento es el control de animales molestos los cuales
incluyen: mosquitos y otros pequeños insectos. A causa de que los humedales
mantienen el agua por extensos periodos de tiempo, estos son perfectos para la
proliferación y crecimiento de mosquitos. Una cantidad alta de mosquitos puede
ser molesta para los humanos y podrían transmitir enfermedades algunas veces
fatales, para humanos, ganado y otros animales grandes.
La literatura sugiere que el mayor problema de los mosquitos en humedales
artificiales son los asociados con cargas orgánicas excesivas en el sistema.
Control de la población de mosquitos puede ser destinada a través de la reducción
de carga orgánica, conservando niveles de oxigeno disuelto alto, y mantener
depredadores como murciélagos y pájaros que pueden ser favorables in control de
la población de mosquitos, otra forma podría ser incrementar el flujo de agua en le
sistema, también el uso de pesticidas pero bajo seguras circunstancias (no es muy
preferible esta opción).
Es recomendado para la vigilancia del humedal que todos los puntos de entrada y
salida en el sistema sean monitoreados por temperatura, oxigeno disuelto, pH, y
conductividad semanalmente. Para los humedales artificiales municipales, la DQO,
SST, cloruros y sulfatos deben ser monitoreados mensualmente. Para humedales
artificiales que tratan aguas industriales, el monitoreo de DQO y SST debe ser
mensualmente, para aguas lluvias los SST deben ser monitoreados en un evento
de tormenta por mes, y el flujo de agua una vez al mes. Las plantas de la especie
dominante se pueden revisar anualmente, la caracterización de los contaminantes
orgánicos e inorgánicos es bueno un chequeo trimestral.
También se recomienda realizar un plan mínimo de revisiones en el suelo y
técnicas analíticas en el agua para que se muestre que el humedal esta
funcionando. [58]
211.5. CONSIDERACIONES AMBIENTALES Y DE SALUD PÚBLICA [7]
La protección de la salud pública es el propósito fundamental del tratamiento de
residuos y le sigue en importancia la protección del medio ambiente. Por tanto, es
responsable de los ingenieros proyectistas, investigadores científicos y gestores
públicos involucrados, asegurar que los sistemas de tratamiento logren esta meta.
El control del efluente es complicado porque los indicadores de organismos
(coliformes totales) no muestran dramáticamente la magnitud de tratamiento del
agua residual (por ejemplo remoción de organismos patógenos). Cualquier
aplicación futura de agua residual a humedales artificiales debe estar libre de
riesgos irrazonables para la salud pública. Puede controlarse el acceso público a
estos sistemas cercado, de modo que en lo referente a salud pública solo sea
necesario monitorear el efluente y tener un adecuado cuidado con los operarios de
las instalaciones.
Los principales contaminantes en el agua residual entran en las siguientes
categorías: nitrógeno, fósforo, organismos patógenos, metales pesados y trazas
orgánicas. Los patógenos incluyen bacterias, virus, protozoarios y helmintos. Los
metales pesados incluyen cadmio, cobre, cromo, plomo, mercurio, selenio y zinc.
Las trazas orgánicas incluyen compuestos sintéticos muy estables (sobre todo
hidrocarburos clorados) [7].
221.6. RENDIMIENTO ESPERADO
1.6.1. Remoción de Sólidos suspendidos [17]. Es muy efectiva en los dos tipos
de humedales. La gran parte de la remoción ocurre en los primeros metros a la
entrada, debido a las condiciones tranquilas y a la poca profundidad del agua en el
sistema. La dispersión del flujo en la entrada puede controlarse con un difusor
para mantener bajas velocidades incluso para evitar condiciones anóxicas.
Si el agua en el humedal no se protege de la luz solar con la vegetación, las algas
causan grandes fluctuaciones en los niveles de oxígeno en la columna de agua.
1.6.2. Remoción de Nitrógeno [17]. La nitrificación/desnitrificación es la principal
vía para remover nitrógeno. Remociones desde 60 a 86 por ciento. Los humedales
artificiales alimentan el proceso de desnitrificación usando fuentes de carbón
derivadas de la biomasa producida dentro del humedal. Las remociones de
nitrógeno (NKT) que han sido reportadas para tiempos de retención de 5 a 7 días
generalmente producen un efluente con NKT menor a 10 mg/L. Típicos resultados
a escala piloto se muestran en la figura 4 junto con la curva de regresión. La curva
esta en forma logarítmica y tiene un coeficiente de correlación de 0.70.
23Tomado: EPA Septiembre 1988 [17]
Figura 4. Curva de regresión de NKT vs. Tiempo de retención en el efluente de un
sistema alterno gravilla/Typha.
1.6.3. Modelo de remoción para Nitrógeno [7]. Para cualquiera de los dos
sistemas el diseño para esta remoción es un procedimiento complicado, ya que el
nitrógeno puede estar presente en una variedad de formas. La remoción de
nitrógeno es usualmente el parámetro de diseño limitante cuando se tiene
restricciones en el vertido, tanto de nitrógeno amoniacal como total. Es
aconsejable asumir que todo el nitrógeno Kjeldah (NKT) que entra al sistema se
convierte en amoniaco.
241.6.4. Remoción de Fósforo [17]. En muchos humedales la remoción no es muy
efectiva porque el contacto entre el agua residual y el suelo (cuando el sistema
esta en contacto con la tierra) es limitada. Por lo tanto se puede diseñar lechos
sumergidos que sirvan de material de soporte. La presencia de arcilla, hierro y
aluminio aumenta el potencial para remover fósforo. El uso de tal medio, sin
embargo, reduce la capacidad hidráulica y requiere un área más grande para el
tratamiento.
1.6.5. Remoción de Metales [17]. Hay pocos datos disponibles sobre la capacidad
de remoción de los humedales FWS; porque el mecanismo de remoción es similar
al descrito anteriormente para el fósforo, la respuesta no es muy efectiva.
En sistemas SFS la remoción de metales puede ser muy efectiva porque hay más
oportunidad de contacto y absorción. El mecanismo de remoción predominante en
el humedal artificial es atribuido al fenómeno de precipitación-absorción. La
precipitación aumenta con el metabolismo del humedal el cual incrementa el pH
del agua ácida afluente para alcanzar la neutralización. La remoción de Cu, Zn y
Cd son del 99, 97 y 99 por ciento respectivamente, para un tiempo de detención
de 5.5 días en humedales en Santee, California.
252. MODELOS DE DISEÑO PARA UN HUMEDAL DE FLUJO LIBRE
2.1. EPA, DESIGN MANUAL; CONSTRUCTED WETLANDS AND AQUATIC
PLANT SYSTEMS FOR MUNICIPAL WASTEWATER TREATMENT. Septiembre
1988. [17]
Los humedales pueden reducir significativamente la demanda biológica de
oxigeno (DBO ), los sólidos suspendidos (SS), el nitrógeno, los metales y
5
patógenos. Los mecanismos básicos del tratamiento son la sedimentación, la
precipitación química, la adsorción, las interacciones microbianas y la ayuda de la
vegetación.
2.1.1. Remoción de DBO . En este tipo de humedal, la remoción de la DBO
5 5
soluble se debe al crecimiento microbiano adherido a las raíces de las plantas,
tallos y hojas pequeñas que han caído al agua. Las fuentes de oxígeno para esta
reacción están en la aireación de la superficie del agua y la transferencia de
oxígeno a través de las plantas desde la atmósfera.
El criterio presentado a continuación esta desarrollado para cargas orgánicas
bajas y moderadas. La carga orgánica debe ser distribuida sobre una porción de
área y no aplicada a un solo punto. La profundidad del agua debe ser de 0.6m o
menor para asegurar la adecuada distribución de oxígeno, en los meses de verano
podría recircularse parte del efluente para evitar las pérdidas por evaporación con
el fin de mantener los niveles de oxigeno y los flujos de diseño.
26La remoción de DBO en un humedal ha sido descrita por un modelo de primer
5
orden como se enuncia a continuación:
C
e = exp( − K ·t) (1)
C T
o
donde
C : DBO efluente, mg/L
e 5
C : DBO afluente, mg/L
o 5
K : constante de reacción de primer orden dependiente de la temperatura, d-1
T
t: tiempo de residencia hidráulico, d
El tiempo de residencia hidráulico puede expresarse así:
L·W ·d
t = (2)
Q
donde
L: longitud del sistema
W: ancho del sistema
d: profundidad
Q: caudal promedio (entrada y salida)
En un humedal FWS, una porción del volumen disponible estará ocupado por la
vegetación, por lo tanto el tiempo de detención real será una función de la
porosidad, la cual puede ser definida como el área de sección transversal restante
disponible para el flujo.
V
n = V (3)
V
27donde
n: porosidad
V : volumen de espacios
V
V: volumen total
Combinando las ecuaciones (2) y (3) con la ecuación (1) resulta:
C  L·W·d·n
e = A·exp−0.7·K ·A 1.75 ·  (4)
C   T V Q  
o
donde
A: fracción de DBO no removida como sólidos sedimentables cerca de la
5
entrada del sistema, fracción decimal
A : área superficial específica para actividad microbiana, m2/m3
V
La constante de velocidad dependiente de la temperatura es calculada a partir de
la constante de velocidad para 20ºC K y el factor de corrección de 1.1. La
20
constante de velocidad K (en d-1) a la temperatura del agua T (en ºC) esta
T
definida por la siguiente ecuación.
·1.1(T−20)
K = K (5)
T 20
Los demás coeficientes de la ecuación (4) han sido estimados.
A: 0.52
K : 0.0057 d-1
20
A : 15.7 m2/m3
V
n: 0.75
28La ecuación (4) es una expresión matemática necesaria para propósitos de
diseño. Se examinó la sensibilidad de la ecuación (C /C ) con el área especifica
e o
superficial para actividad microbiana (A ), y con la temperatura del agua (T).
V
La figura 5 muestra la sensibilidad de la relación C /C con A ; esta indica que,
e o V
para valores de A entre 12 y 16 m2/m3, con un diámetro de tallo promedio para el
V
junco de 12 a 16 mm, la relación C /C puede tomar valores desde 0.18 a 0.098 en
e o
un canal de 335 m. Para un diámetro de tallo de 12mm y un volumen de
vegetación del 5%, se estimo que el área especifica superficial es de 15.7 m2/m3.
Este es un parámetro que no puede ser medido directamente en un humedal real.
Este representa el área superficial de todas las plantas que se caen en la columna
de agua que incluye además los tallos, hojas y raíces. La sensibilidad de la
ecuación con el coeficiente del área específica no es alta. Si la ecuación (4)
resulta ser sensible con el área específica, esto significa que el coeficiente A
V
tendría que conocerse con exactitud, lo cual no es posible, y la ecuación tendría
que ser de valor limitado.
La sensibilidad de la ecuación (4) con la temperatura fue calculada para el rango
de 5 a 25ºC. Como se muestra en la figura 6, el grado de tratamiento a 5ºC se
reduce comparado con uno a 25ºC. Esto indica que la ecuación es sensible con la
temperatura por lo tanto la temperatura debe ser supuesta para usarla en la
ecuación. En invierno la profundidad del humedal debe incrementarse por la
formación de hielo.
29Tomado: EPA Septiembre 1988 [17].
Figura 5. Sensibilidad de la relación C /C con A
e o V
Tomado: EPA Septiembre 1988 [17].
Figura 6. Sensibilidad de la relación C /C con T
e o
302.2. BORRERO JAIME, DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES
MUNICIPALES CON HUMEDALES ARTIFICIALES. Mayo 1999. [7]
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.
Los modelos de diseño presentados aquí son los sugeridos por Sherwood C. Reed
en su libro Natural Systems for Waste Management and tratment.
Es crítico para el éxito del rendimiento del humedal. Todos los modelos de diseño
que se usan actualmente asumen condiciones uniformes de flujo a pistón y que
además no existen restricciones para el contacto entre los constituyentes del agua
residual y los organismos responsables del tratamiento.
En un humedal SFS este concepto es necesario para asegurar que las
condiciones de flujo subsuperficial se mantienen en circunstancias normales
durante el periodo de funcionamiento del sistema. Esto solo es posible a través de
un cuidadoso diseño hidráulico y unos métodos constructivos apropiados.
El flujo a través del humedal debe superar la resistencia por fricción del mismo
sistema. Esta resistencia es impuesta por la vegetación y la capa de sedimentos
en los FWS, y el medio, las raíces de las plantas y los sólidos acumulados en los
SFS. La energía necesaria para superar esta resistencia viene dada por la pérdida
de carga entre la entrada y la salida del sistema. La mejor solución en lo referente
a la construcción, es proveer al humedal de un fondo con una inclinación que sea
suficiente para permitir un drenaje completo cuando sea necesario y una salida de
altura variable con el nivel del agua.
31La relación largo:ancho tiene gran influencia en el régimen hidráulico y en la
resistencia al flujo. En teoría grandes relaciones largo:ancho 10:1 o mayores
asegurarían un flujo a pistón, pero tiene el inconveniente de que en la parte alta
del sistema se desborda el agua debido al incremento en la resistencia al flujo
causado por la acumulación de residuos de vegetación principalmente en sistemas
FWS. Por tanto relaciones de 1:1 hasta aproximadamente 4:1 son aceptables. Los
cortocircuitos pueden ser minimizados con una cuidadosa construcción y
mantenimiento del humedal, con el uso de múltiples celdas y con la intercalación
de zonas abiertas (sin vegetación) para la redistribución del flujo.
2.2.1 Diseño hidráulico. El flujo de agua en un humedal FWS es descrito por la
ecuación de Manning, que define el flujo en canales abiertos. La velocidad del flujo
en el humedal es descrita en la ecuación (6), depende de la profundidad del agua,
de la pendiente de la superficie del agua y de la densidad de la vegetación. Otras
aplicaciones de la ecuación de Manning para canales abiertos suponen que la
resistencia por fricción solamente ocurre en el fondo y en las paredes del canal.
En los humedales FWS la resistencia esta distribuida sobre la totalidad de la
columna de agua, ya que las plantas emergentes y los restos de vegetación están
presentes en todo el espacio. La ecuación de Manning también asume flujo
turbulento, lo que no es completamente válido pero es un a aproximación
aceptable.
1 2 1
v = ·y3 ·s2 (6)
n
donde
v: velocidad de flujo, m/s
n: coeficiente de Manning, m/s
y: profundidad del agua en el humedal, m
s: gradiente hidráulico o pendiente de la superficie del agua, m/m
32Para 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 esta definida por:
a
n = (7)
1
y2
donde:
a: factor de resistencia, s·m1/6
0.4 para vegetación escasa y y > 0.4 m
1.6 para vegetación moderadamente densa con y ≈ 0.3 m
6.4 para vegetación muy densa con y ≤ 0.3m
En muchas situaciones, con vegetación emergente típica, es aceptable asumir
para propósitos de diseño valores de a entre 1 y 4. Sustituyendo la ecuación (7) en
la ecuación (6) tenemos.
1 7 1
v = ·y6 ·s2 (8)
a
Para determinar la longitud del humedal se debe tener en cuenta las siguientes
definiciones:
Q Q A m · y A · y · n
V = = W = S S = t = S (9a, b, c, d)
W · y A L L Q
T
33donde
Q: caudal, m3/d
m: pendiente del humedal, % expresado como decimal
W: ancho del humedal, m
A : área transversal del humedal, m2
T
A : área superficial del humedal, m2
S
L: longitud del humedal, m
Reemplazando las anteriores relaciones se obtiene:
2
 8 1 3
A · y3 · m2 
L= S 86400 (10)
 
a · Q
 
 
El área superficial del humedal se determina primero mediante el modelo de
diseño de remoción del contaminante limitante. La ecuación (10) permite el cálculo
directo de la longitud máxima aceptable de una celda del humedal.
2.2.2. Modelo de remoción de DBO. Todos los sistemas de humedales
artificiales pueden ser considerados como reactores biológicos y su rendimiento
puede aproximarse al descrito por la cinética de primer orden de un reactor de
flujo pistón.
El modelo se basa en la experiencia con sistemas aplicados sobre suelo y filtros
percoladores.
2
C  0.7·K ·A 1.75 ·L·w·y·n
e = A·exp− T V  (11)
C  Q 
o
34donde
C : concentración de DBO en el efluente, mg/L
e 5
C : concentración de DBO en el afluente, mg/L
o 5
A: fracción de DBO no removida como sólidos sedimentables cerca de la
5
entrada del sistema, fracción decimal
K : constante de reacción de primer orden dependiente de la temperatura, d-1
T
A : área superficial específica para actividad microbiana, m2/m3
V
L: longitud del sistema, m
W: ancho del sistema, m
y: profundidad promedio del sistema, m
n: porosidad del sistema, fracción decimal
Q: caudal promedio en el sistema, m3/d
La ecuación (11) se considera teóricamente correcta, pero tiene el problema para
evaluar los factores A y A . El valor de A recomendado por algunas publicaciones
V V
es de 15.7 m2/m3, ya que es difícil medirlo en un humedal funcionando.
Dependiendo del nivel de tratamiento que se desee el factor A puede tomar
diferentes valores, para efluentes primarios 0.52, para secundarios 0.75 y 0.90
para efluentes terciarios.
Reorganizando los términos de la ecuación (11) se obtiene una expresión para
estimar el área superficial requerida para el humedal en metros cuadrados (A ).
S
( )
Q· lnC −lnC −ln A
A = o e (12)
S K ·y·n
T
(T−20)
K = K ·1.06 (13)
T 20
35El valor de K es de 0.2779 d-1 y el rango de porosidad, n, es de 0.65 a 0.75.
20
Debido a las dificultades para evaluar A y A , se ha realizado una segunda
V
aproximación a partir del análisis de los datos de rendimiento de sistemas de este
tipo en operación.
C
e = exp( − K ·t) (14)
C T
o
Para calcular el coeficiente K se utiliza la ecuación (13). El valor de K es de
T 20
0.678 d-1.
El área superficial del humedal se determina así:
( )
Q· lnC −lnC
A = o e (15)
S K ·y·n
T
2.2.3. Modelo de remoción para Sólidos Suspendidos Totales. En este sistema
la remoción de sólidos se debe a procesos físicos. Debido a que la remoción de
SST es rápida en comparación con la de DBO, no se lo considera como un
parámetro de diseño.
Una regresión lineal de datos obtenidos en humedales en Estados Unidos
proporciona las ecuaciones que pueden servir para estimar la concentración de
SST a la salida del humedal. Estas ecuaciones son válidas para cargas hidráulicas
entre 0.4 y 0.75 cm/d, para valores que no estén en este rango se pueden tener
resultados incorrectos.
36C = C ·( 0.1139 + 0.00213 ·CH) (16)
e o
Q
CH = (17)
A
S
donde
C : concentración de SST en el efluente, mg/L
e
C : concentración de SST en el afluente, mg/L
o
CH: carga hidráulica, cm/d
Q: caudal promedio en el sistema, m3/d
A : área superficial del humedal, m2
S
2.2.4. Modelo de remoción para Nitrógeno. La principal fuente de oxígeno para
la nitrificación en estos humedales es la aireación atmosférica en la parte más
cercana a la superficie del agua y la fuente de carbono para la desnitrificación es
la capa de restos de vegetación que se encuentra sumergida.
Nitrificación. El modelo de diseño recomendado asume que la remoción
•
de amoniaco se da completamente por la vía de la nitrificación. Las
siguientes ecuaciones se aplican para la remoción de amoniaco en
humedales FWS expresadas en términos de concentraciones de amoniaco.
C
e = exp( − K ·t) (18)
C T
o
( )
Q· lnC −lnC
A = o e (19)
S K ·y·n
T
(T−20)
K = 0.1367·1.15 (20)
T
(T−20)
K = 0.2187·1.048 (21)
T
37donde
A : área superficial del humedal, m2
S
C : concentración de amoniaco en el efluente, mg/L
e
C : concentración de NKT en el afluente, mg/L
o
K : constante de reacción de primer orden dependiente de la
T
temperatura, d-1
y: profundidad del agua en el humedal, m
t: tiempo de retención hidráulico, d
n: porosidad del sistema, fracción decimal
Q: caudal promedio en el sistema, m3/d
La ecuación (20) se utiliza para el rango de temperatura entre 1 y 10ºC y la
ecuación (21) para temperaturas mayores de 10ºC. La porosidad para la
ecuación (19) debe estar entre 0.65 a 0.75.
Desnitrificación. La mayor parte de nitrato del humedal FWS puede
•
desnitrificarse y ser removida dentro del área prevista para la nitrificación.
C
e = exp( − K ·t) (22)
C T
o
( )
Q· lnC −lnC
A = o e (23)
S K ·y·n
T
La porosidad para la ecuación (23) debe estar entre 0.65 a 0.75.
(T−20)
K = 1.00·1.15 (24)
T
38donde
A : área superficial del humedal, m2
S
C : concentración de nitratos en el efluente, mg/L
e
C : concentración de nitratos en el afluente, mg/L
o
K : constante de reacción de primer orden dependiente de la
T
temperatura, d-1
y: profundidad del agua en el humedal, m
t: tiempo de retención hidráulico, d
n: porosidad del sistema, fracción decimal
Q: caudal promedio en el sistema, m3/d
Nitrógeno total. Cuando se requiere la desnitrificación, es generalmente
•
porque se tiene un límite de descarga para el nitrógeno total NT. El
nitrógeno total en el efluente del sistema es la suma de los resultados de
las ecuaciones (18) y (22). La determinación del área requerida par
alcanzar el nivel específico de NT en el efluente es un procedimiento
iterativo usando las ecuaciones (19) y (23).
1. Se asume un valor para el amoniaco residual (C ) y se resuelve la
e
ecuación (19) para obtener el área requerida para nitrificar,
determinándose así el tiempo de retención hidráulico.
2. Tome la diferencia (C - C ) como nitrato producido por la nitrificación y
o e
use este valor como el del afluente en la ecuación (22). Determine la
concentración de nitratos en el efluente con la misma ecuación.
La concentración de NT en el efluente es la suma de los valores de C
e
obtenidos en las ecuaciones (18) y (22). Si no se alcanza el valor de NT
exigido se necesita otra iteración.
392.2.5. Modelo de remoción para Fósforo. Basándose en el análisis de los datos
de la North American Data Base, Kadlec propuso una constante de primer orden
igual a 2.74 cm/d para estimar la remoción de fósforo.
C −2.74
e = exp  (25)
C  CH 
o
b·Q [ln(C /C )]
As = o e (26)
2.74
Q
CH = (17)
A
S
donde
C : concentración de fósforo en el efluente, mg/L
e
C : concentración de fósforo en el afluente, mg/L
o
As: área superficial del humedal, m2
b : factor de conversión, 100 cm/m
Q : caudal de diseño, m3/d
CH : carga hidráulica, cm/d
El modelo puede ser válido para predecir el fósforo removido para cualquiera de
los dos sistemas.
402.3 EPA, FREE WATER SURFACE WETLANDS FOR WASTEWATER
TREATMENT A TECHNOLOGY ASSESSMENT. Junio 1999 [19]
Los humedales artificiales FWS son reconocidos como un proceso viable para
tratar agua residual. Uno de los tópicos más importantes para la discusión es la
hidráulica del humedal, ésta es el término aplicado al movimiento del agua a
través del humedal. Un diseño hidráulico erróneo puede causar problemas en el
transporte del agua, la calidad del agua, olores y vectores.
2.3.1. Tiempo de retención hidráulico. El tiempo de retención hidráulico teórico
es la relación entre el volumen del humedal disponible para el flujo, que incluye los
efectos de reducción del volumen por vegetación (porosidad) y el caudal.
V ⋅ε
t = (27)
Q
AVE
Q +Q
Q = i o (28)
AVE 2
donde
t: tiempo de retención hidráulico, [t]
V: tiempo de retención hidráulico, [L3]
ε: porosidad del sistema, fracción decimal
Q : caudal promedio en el sistema, [L3/t]
AVE
Q: caudal de entrada en el sistema, [L3/t]
i
Qo: caudal de salida en el sistema, [L3/t]
412.3.2. Carga hidráulica.
Q
q = (29)
A
donde
q: carga hidráulica en la entrada, [L/t]
Q: caudal, [L3/t]
A: área superficial del humedal, [L2]
2.3.3. Modelos de remoción. Estos modelos ayudan a los ingenieros en el
proceso de diseño de un humedal FWS para predecir la calidad del agua efluente,
en términos de DBO.
Varios métodos de diseño de humedales han sido propuestos para predecir
remociones de constituyentes en humedales FWS. Los métodos incluyen
fundamentalmente relaciones equivalentes y ecuaciones. El diseño ha sido usado
para predecir las reacciones (degradación o generación) de DBO, SST, NT, NH ,
4
NO , fósforo y coliformes. También se puede hacer una estimación del área
3
superficial reorganizando y resolviendo las relaciones para el área del humedal
según el nivel de remoción.
Los modelos mostrados a continuación contienen modificaciones propuestas por
Gearheart y otros. (1998).
• Reed et al. (1995)
C
e = exp( − K ·t) (30)
C VT
o
42donde
C : concentración del efluente, g/m3
e
C : concentración del afluente, g/m3
o
K : constante de velocidad de reacción volumétrica de primer orden
VT
dependiente de la temperatura, d-1
t: tiempo de residencia hidráulico teórico, d
• Kadlec y Knight (1996)
C − C*  K 
e = exp− AT  (31)
 
C − C*  q 
o
donde
C : concentración del efluente, g/m3
e
C : concentración del afluente, g/m3
o
C*: concentración de fondos; parámetro de ajuste de curva, g/m3
K : constante superficial de velocidad de reacción de primer orden
AT
dependiente de la temperatura, d-1
q: carga hidráulica nominal, m/year
El modelo mencionado anteriormente fue aplicado por Stone K, Hunt P,
Szögi A, en la investigación “Constructed wetland design and performance
for swine lagoon waste water treatment. Annual International Meeting
Sponsored. Julio 2000.”[55], construyendose un humedal para el tratamiento
de aguas residuales de cerdos en Duplin county (Norte de Carolina USA).
43Este humedal obtuvo una eficiencia mayor al 75% en el tratamiento de
Nitrógeno total y amoniacal, pero no presenta buena remoción de fósforo.
Los parámetros de diseño fueron calculados basados en las ecuaciones
superficiales de primer orden.[55]
• Modelo de retraso (discutido en Crites y Tchobanoglous, 1998)
− K 
C = C ⋅exp VT  + C (32)
e o  1+α⋅t   D
donde
C : concentración del efluente, g/m3
e
C : concentración del afluente, g/m3
o
C : concentración de DBO en fondos; debido a los residuos de las
D
plantas, g/m3
K : constante de velocidad de reacción volumétrica de primer orden
VT
dependiente de la temperatura, d-1
α: constante de retraso dependiente de la temperatura
t: tiempo de residencia hidráulico teórico, d
• Modelo secuencial (Gearheart, 1999)
C = C ⋅exp( − K ⋅t) + C ⋅exp( − K ⋅t) + C (33)
e o V1 1 V2 D
44donde
C : concentración del efluente, g/m3
e
C : concentración del afluente, g/m3
o
C : concentración de DBO en fondos; debido a los residuos de las
D
plantas, g/m3
C : concentración de DBO debido a la solubilización de SST y DBO
1
residual total (1 a 65 días), g/m3
K : velocidad de remoción de DBO
V1
K : velocidad de remoción volumétrica de DBO disuelto dependiente de
V2
la temperatura
t: tiempo de residencia hidráulico teórico, d
Las ecuaciones de regresión han sido usadas para resumir el funcionamiento del
sistema para una variedad de constituyentes y parámetros físicos. Las ecuaciones
son para predecir remociones de SST, DBO, nitrógeno, fósforo y coliformes.
Para utilizar uno de los métodos de diseño de humedales FWS, es necesario
estimar o asumir varios parámetros. Generalmente, la concentración del afluente y
la concentración del efluente deseada o esperada
452.4. EPA, MANUAL; CONSTRUCTED WETLANDS TREATMENT OF
MUNICIPAL WASTE WATERS. Septiembre 2000. [16]
Los humedales artificiales son sistemas de tratamiento de agua residual
compuestos de una o más celdas diseñadas y construidas para mejorar la calidad
del agua antes de que se efectué la descarga a un cuerpo de agua. Los
humedales han sido usados para tratar muchos tipos de agua residual a diferentes
niveles de tratamiento, pero en este manual se enfoca en mejorar el tratamiento
secundario para agua residual doméstica.
2.4.1 Hidráulica. Para tratar un tipo de agua residual doméstica, las principales
variables de diseño son: el área, la profundidad, el tiempo de retención hidráulico,
el tipo de vegetación y en general la forma y dimensiones del humedal.
Desde la perspectiva de diseño, la hidráulica del humedal define el movimiento del
agua a través del sistema. Un humedal tipo FWS con un diseño hidráulico pobre
puede causar problemas con la calidad del agua efluente.
El volumen de un humedal artificial FWS es la cantidad potencial de agua (sin
vegetación y residuos) que podría circular en el sistema.
V = A ·h (34)
W W
donde
V : volumen del humedal
W
A : área superficial
W
h: profundidad promedio del agua
El caudal a manejar en el humedal será un promedio de los caudales de entrada y
salida en el sistema.
46Q + Q
Q = o e (35)
AVE 2
donde
Q : caudal promedio de agua residual a tratar
AVE
Q : caudal de entrada
o
Q : caudal del efluente
e
El tiempo de residencia hidráulico puede expresarse así:
V ·ε
t = W (36)
Q
AVE
donde
t: tiempo de retención hidráulico
V : volumen del humedal
W
ε: porosidad
Q : caudal promedio de agua residual a tratar
AVE
La carga hidráulica para este humedal puede ser escrita así:
Q
q = o (37)
A
W
donde
q: carga hidráulica
Q : caudal de entrada
o
A : área superficial
W
47Para humedales FWS, es necesario medir la pérdida de energía entre la entrada y
la salida del sistema, ya que el humedal debe diseñarse para manejar flujos sin
crear problemas significantes de estancamiento e inundación. La ecuación de
Manning define flujo en canales abiertos, y puede ser adaptada para estimar la
pérdida de energía en humedales FWS.
1 v
S2 = (38)
1 2
·h3
n
donde
v: velocidad promedio del flujo, L/T
n: coeficiente de resistencia de Manning, (T/L1/3)
h: profundidad promedio del humedal, L
S: gradiente hidráulico o pendiente de la superficie del agua, L/L
2.4.2. Modelo de remoción para Coliformes Fecales.
C 1
e = (39)
C ( 1 + t ·K )N
o P
(T−20)
K = 2.6·1.19 (40)
P
donde
C : concentración de coliformes fecales en el efluente, cfu/100mL
e
C : concentración de coliformes fecales en el afluente, cfu/100mL
o
N: número de zonas de agua abiertas
t: tiempo de retención hidráulico, T
K : constante de la velocidad de remoción de coliformes fecales, T-1
P
T: temperatura, °C
482.4.3. Modelo de remoción para DBO.
C 1
e = (41)
C ( 1 + t ·K )N
o P
(T−20)
K = 0.15·1.04 (42)
b
donde
C : concentración de DBO en el efluente, mg/L
e
C : concentración de DBO en el afluente, mg/L
o
N: número de zonas de agua abiertas
t: tiempo de retención hidráulico, T
K : constante de la velocidad de remoción específica de DBO, T-1
b
T: temperatura, °C
492.5 WALLACE SCOTT D. UNIVERSITY CURRICULUM DEVELOPMENT FOR
DECENTRALIZED WASTEWATER TREATMENT; CONSTRUCTED
WETLANDS: DESIGN APPROACHES. Diciembre 2003. [62]
Este texto maneja diferentes métodos de diseño de humedales que se utilizan en
Estados Unidos. Cada uno de los métodos que se presentan a continuación tienen
sus propias suposiciones y diferentes ecuaciones.
Para describir el movimiento del agua a través del humedal se utiliza un modelo de
flujo pistón, el cual es una aproximación que sigue el sistema FWS. La velocidad
del flujo de agua en el sistema puede calcularse con una ecuación modificada de
Maninng.
1 7 1
v = ·d ·s2 (43)
6
a w
donde
v: velocidad de flujo, ft/s
n: coeficiente de Manning, s/ft1/3
d : profundidad del agua en el humedal, ft
w
s: gradiente hidráulico o pendiente de la superficie del agua, ft/ft
a: factor de resistencia, s.ft1/6
0.487 para vegetación escasa y d > 1.3 ft
w
1.949 para vegetación moderadamente densa con d ≈ 1 ft
w
7.795 para vegetación muy densa con d ≤ 1 ft
w
502.5.1. Small and Decentraliced Wastewater Management Systems, R. Crites &
G. Tchobanoglous. 1998.
• Diseño del humedal para la DBO. Se propone una ecuación de remoción
basada en 4 reactores de tanque agitado (CSTR).
 
 
 
V 1 n
t = =  − 1⋅ (44)
Q  1  k
C n o
 n  
 
 C 
 o  
donde
t: tiempo de retención para la remoción de DBO, d
V: volumen total del humedal, ft3
Q: caudal, ft3/d
C : concentración de DBO en el efluente del reactor n, mg/L
n
C : concentración de DBO en el afluente, mg/L
o
n: número de reactores de mezcla completa en serie (se recomienda 4)
k : constante de velocidad de remoción de la DBO total, d-1 (1.01 para
o
20°C)
Para el tiempo de retención se recomienda utilizar un factor de seguridad
de 15 a 25%.
La DBO efluente calculada por C es la DBO residual (DBO ) resultante de
n RIW
la carga de la DBO afluente. La DBO total efluente (DBO ) es la suma de
ECW
la DBO más la DBO de “fondos” (DBO ) que resulta de los residuos de
RIW PD
las plantas.
DBO = DBO +DBO (45)
ECW PD RIW
51donde
DBO : DBO efluente del humedal, mg/L
ECW
DBO : DBO que resulta de los residuos vegetales, mg/L (5mg/L)
PD
DBO : DBO residual del agua residual afluente, mg/l
RIW
La constante de velocidad de reacción, k , puede ser corregida.
o
k
2 = θ (T 2−T 1) (46)
k
1
donde
k : constante de velocidad de reacción de la DBO a una temperatura 2
2
k : constante de velocidad de reacción de la DBO a una temperatura 1
1
θ: factor de corrección por temperatura, 1.02 – 1.06
La carga orgánica debería ser menor que 100 lb DBO/ac.d (110 Kg
DBO/ha.d) para mantener condiciones aerobias.
C ⋅d ⋅η⋅F
L = o w 1 (47)
org t⋅F
2
donde
L : carga orgánica, lb DBO/ac.d
org
C : concentración de DBO en el afluente, mg/L
o
d : profundidad del agua, típicamente 1.25 ft
w
η: porosidad, típicamente 0.65 a 0.75
F : factor de conversión, 8.34 lb/[Mgal. (mg/L)]
1
t: tiempo de retención, d
F : factor de conversión, 3.07 ac.ft/Mgal
2
52El área superficial requerida puede ser calculada después de ser calculado
el tiempo de retención.
Q ⋅t⋅3.07
A = AVE (48)
d ⋅η
w
donde
Q : caudal promedio diario a través del humedal, Mgal/d
AVE
A : Área, ac
Por lo general se utiliza un caudal promedio, esto se debe a la influencia de
la evaporación.
Q + Q
Q = in out (49)
AVE 2
donde:
Q : caudal de entrada al humedal, Mgal/d
in
Q : caudal de salida al humedal, Mgal/d
out
Se recomienda una relación de longitud:ancho entre 2:1 y 4:1; grandes
relaciones (mayores de 10:1) requerirán un gradiente significante para
forzar el flujo a través de la densa vegetación.
2.5.2. Constructed Wetlands Treatment of Municipal Wastewaters, EPA. 2000.
• Diseño del humedal para Patógenos. La reducción de coliformes fecales
pueden ser estimados usando ecuaciones que se desarrollaron para
lagunas.
N
N = i (50)
e 1+K ⋅t
b
[ ]
2.6⋅1.19(T−20)
K = (51)
b
53donde
N: número de coliformes fecales en el afluente, cfu/100mL
i
N : número de coliformes fecales en el efluente, cfu/100mL
e
K : constante de velocidad de reacción de primer orden, d-1
b
T: temperatura del agua, °C
t: tiempo de retención, d
2.5.3. Treatment Wetlands. R. kadlec & R. Knight. 1996. Y Constructed
Wetlands for Pollution Control. IWA 2000. Esta referencia presenta un modelo
de flujo pistón de primer orden para la remoción de varios contaminantes. Las
constantes de velocidad desarrolladas en Treatment Wetlands son extraídas de
una base de datos que cubre diferentes localizaciones geográficas. La forma
general del modelo es:
C − C*  K
ln e  = − AT (52)
 
C − C* q
 
o
donde
C : concentración del efluente deseada, mg/L
e
C : concentración del afluente, mg/L
o
C*: concentración de fondos, mg/L
K : constante superficial de velocidad de reacción de primer orden, d-1
AT
q: carga hidráulica, m/yr
Reorganizando la ecuación (52) se obtiene una expresión para el área requerida
para un contaminante particular.
0.0365⋅Q C − C* 
A =  ⋅ln i  (53)
   
 K  C − C* 
A e
54donde
A: área requerida, ha
Q: caudal del agua, m3/d
La constante de la velocidad de reacción, K , puede ser corregida con respecto a
A
la temperatura.
(T−20)
K = K θ (54)
A,T A,20
donde
K : constante superficial de velocidad de reacción a temperatura T, °C
A, T
K : constante superficial de velocidad de reacción a 20°C
A, 20
θ: factor de corrección por temperatura
T: Temperatura del agua en el humedal, °C
Tabla 1. Parámetros de diseño FWS (Kadlec and Knight, 1996)
Parámetro K , m/yr θ C*, mg/L
A, 20
DBO 34 1 3.5 + 0.053C
i
SST 1000 1 5.1 + 0.16C
i
Nitrógeno orgánico 17 1.05 1.5
Nitrógeno amoniacal 18 1.04 0
Nitrógeno NO 358 1.09 0
X
Nitrógeno total 22 1.05 1.5
Fósforo total 12 1 0.02
Coliformes totales 75 1 300 cfu/100mL
Tomado: WALLACE Scott D [62].
Stone K. y otros en su investigación titulada in–stream wetland design for non–
point source pollution abatement [56], presentan la validación del anterior método,
en donde analizaron los datos de un humedal para calcular las constantes de la
expresión de la velocidad de reacción de primer orden, θ, K para nitrógeno
A,20
total y nitrógeno orgánico, encontrándose valores cercanos a los expuestos por
kadlec & R. Knight.
553. MODELOS DE DISEÑO PARA UN HUMEDAL DE FLUJO SUBSUPERFICIAL
3.1. EPA, DESIGN MANUAL; CONSTRUCTED WETLANDS AND AQUATIC
PLANT SYSTEMS FOR MUNICIPAL WASTEWATER TREATMENT. Septiembre
1988. [17]
3.1.1 Remoción de DBO . La principal fuente de oxigeno para los componentes
5
subsuperficiales (suelo, piedras, gravilla, y otro medio, en zanjas o lechos), es el
oxigeno transmitido por la vegetación a la zona de las raíces. En muchos casos el
sistema de flujo subsuperficial es diseñado para mantener el flujo debajo de la
superficie del lecho, por lo tanto puede ser muy poca la reareacion directa con la
atmósfera. Además la selección de la especie vegetal es un factor importante.
Trabajos en un humedal piloto en Santee, California indicó que muchas de las
raíces de crecimiento horizontal de las espadañas, midieron 300 mm. La zona de
raíces del carrizo se extendió a más de 600 mm y los juncos 760 mm. En el clima
frío de Europa occidental la zona efectiva de raíces de los carrizos es también
considerada de 600mm. El lecho de gravilla del sistema en Santee fue de 760mm
de profundidad, el nivel del agua se mantuvo justo debajo de la superficie. La
remoción de DBO observada en unidades con juncos, espadañas, carrizos en
5
Santee reflejaron la expansión de la zona aerobia hecha posible por la penetración
de raíces de varias plantas.
La remoción de DBO en sistemas de flujo subsuperficial puede ser descrita con la
5
cinética de primer orden de un flujo pistón como se describe en la ecuación (55),
para sistemas de flujo libre. La ecuación (55) puede ser reorganizada y usada para
estimar el área superficial del SFS.
56C
e = exp( − K ·t) (55)
C T
o
[ ]
Q·(lnC −C )
A = o e (56)
S K ·d·n
T
donde
C : DBO efluente, mg/L
e 5
C : DBO afluente, mg/L
o 5
K : constante de velocidad de reacción de primer orden, d-1
T
t: tiempo de residencia hidráulico, d
Q: caudal promedio a través del sistema, m3/d
d: profundidad, m
n: porosidad del lecho, como una fracción
A : área superficial del sistema, m2
S
El área de sección transversal para el flujo a través de un sistema subsuperficial
es calculado acorde a la siguiente ecuación:
Q
A = ·S (57)
C k
S
donde
A : área de sección transversal del lecho del humedal, perpendicular a la
C
dirección de flujo, m2
d: profundidad del lecho, m
W: ancho del lecho, m
k : conductividad hidráulica del medio, m3/(m2·d)
S
S: pendiente del lecho, o gradiente hidráulico (como una fracción decimal).
57El ancho del lecho es calculado por la siguiente ecuación.
A
W = C (58)
d
El área de sección transversal y ancho del lecho son establecidos por la ley de
Darcy.
Q=k ·A ·S (59)
S S
El área de sección transversal y ancho del lecho son independientes de la
temperatura (clima) y de la carga orgánica puesto que ellos son controlados por
las características hidráulicas del medio.
El valor de K , puede ser calculado usando la ecuación (5) y un K conocido para
T 20
el sistema de flujo subsuperficial. El valor aproximado de K para los tipos de
20
medio de soporte que van de arena mediana a gruesa es 1.28 d-1. Basados en
datos europeos y datos de Santee, California, el valor de K se presenta en la
20
tabla 2. El efecto de utilizar un medio de tamaño mayor (con un valor de porosidad
pequeño), y bajas temperaturas representa un sistema que no ha sido estudiado y
las ecuaciones anteriores no pueden predecir exactamente los resultados. Las
porosidades (n) y la conductividad hidráulica son mostradas en la tabla 2.
Tabla 2. Características del material de soporte
Max 10% Conductividad
Porosidad
Tipo medio Tamaño del Hidráulica, (k ) K
N S 20
grano, mm m3/(m2·d)
Arena Media 1 0.42 420 1.84
Arena Gruesa 2 0.39 480 1.35
Arena Gravosa 8 0.35 500 0.86
Tomado: EPA Septiembre 1988[17]
583.2. EPA, SUBSURFACE FLOW CONSTRUCTED WETLANDS FOR
WASTEWATER TREATMENT; A TECHNOLOGY ASSESSMENT. Julio 1993. [21]
Este documento presenta una guía completa respecto al diseño de humedales
artificiales únicamente de tipo flujo subsuperficial usados para tratar agua residual
doméstica.
3.2.1. Diseño hidráulico. Para las condiciones del flujo en el lecho del humedal
SFS se puede utilizar la ley de Darcy, la cual describe régimen de flujo en un
medio poroso.
Q = k ·A·S (60)
S
donde
Q: caudal promedio, m3/d
k : conductividad hidráulica de una unidad de área del humedal perpendicular a
S
la dirección del flujo, m3/(m2·d)
A: área de sección transversal perpendicular al flujo, m2
S: gradiente hidráulico de la superficie del agua en el sistema, m/m
La ley de Darcy es una aproximación que describe el comportamiento del
humedal. Se tiene restricciones como la de asumir condiciones de flujo laminar, y
que el flujo en el sistema es constante y uniforme.
A continuación se presenta un resumen de las características típicas para
diferentes tipos de medio que han sido utilizados en humedales SFS.
59Tabla 3. Características del material de soporte en humedales SFS
Conductividad
Tamaño efectivo Porosidad
Tipo de medio hidráulica k ,
D , mm n, % S
10 m3/(m2·d)
Arena 2 32 1000
Arena gravilla 8 35 5000
Grava fina 16 38 7500
Grava media 32 40 10000
Piedra 128 45 100000
Tomado: EPA Julio 1993[21]
3.2.2. Modelo de remoción para la DBO . Muchos de los sistemas existentes en
5
Estados Unidos y Europa fueron diseñados como un reactor de crecimiento
biológico usando un modelo de flujo pistón de primer orden.
C
e = exp( − K ·t) (61)
C T
o
(T−20)
K = 1.104 ·1.06 (62)
T
donde
C : DBO efluente, mg/L
e 5
C : DBO afluente, mg/L
o 5
K : constante de velocidad de reacción de primer orden, d-1
T
t: tiempo de residencia hidráulico, d
T: temperatura del líquido en el sistema, ºC
El tiempo de residencia hidráulico en la ecuación (61) puede ser definido como:
n·L·W ·d
t = (63)
Q
60donde
n: porosidad efectiva del medio, fracción decimal
d: profundidad promedio del líquido en el lecho, m
L: longitud del lecho, m
W: ancho del lecho, m
Q: Caudal promedio a través del lecho, m3/d
Combinando las ecuaciones (61), (62) y (63)
C − K ·L·W ·d·n
e = exp T  (64)
 
C  Q 
o
Reorganizando los términos de la ecuación (64) se obtiene una expresión que
permite el cálculo del área superficial requerida para alcanzar el nivel de remoción
de DBO .
5
C
Q·ln o
C
A = L·W = e (65)
S K ·d·n
T
donde
A : área superficial del lecho, m2
S
El diseño y dimensionamiento final del humedal SFS para remoción de DBO es
5
un proceso iterativo
1. Determinar el tipo de medio, la vegetación y la profundidad del lecho
2. Determinar en el laboratorio la porosidad y la conductividad hidráulica del
medio.
613. Determinar el área superficial del lecho requerida para un nivel deseado de
remoción de DBO .
5
4. Dependiendo de la topografía del lugar, seleccione una relación
longitud:ancho.
5. Determine la longitud y el ancho del lecho de la relación asumida
anteriormente.
6. Usando la ley de Darcy determine el caudal que pasará a través del lecho.
3.2.3. Modelo de remoción para Amoniaco. Para estimar dicha remoción se
presentan tres modelos. El primero es un análisis de regresión de datos obtenido
en sistemas de humedales SFS y FWS para condiciones anuales promedio sin
tener en cuenta el efecto de la temperatura.
0.01·Q
A = (66)
S ( 1.527·lnNH ) − ( 1.050·lnNH ) + 1.69
e o
donde
A : área superficial del humedal requerida para remover amoniaco, ha
S
NH : amoniaco afluente, mg/L
o
NH : amoniaco efluente, mg/L
e
Q: caudal promedio a través del sistema, m3/d
Basado en un trabajo a escala piloto con humedales SFS, la siguiente ecuación
presenta la remoción de amoniaco.
NH
Q·ln o
NH
A = e (67)
S K ·d·n
T
K = 0.107 ·1.03 (T − 20) (68)
T
62donde
A : área superficial requerida, m2
S
K : constante de velocidad, d-1
T
NH : amoniaco afluente, mg/L
o
NH : amoniaco efluente, mg/L
e
Q: caudal promedio a través del sistema, m3/d
n: porosidad efectiva del medio, fracción decimal
d: profundidad promedio del líquido en el lecho, m
De acuerdo a otro análisis de regresión de datos, se ha propuesto la siguiente
ecuación para remover amoniaco en humedales artificiales.
0.001831·NH ·Q
A = o (69)
S NH + 0.16063
o
donde
A : área superficial requerida, ha
S
NH : amoniaco afluente, mg/L
o
NH : amoniaco efluente, mg/L
e
Q: caudal promedio a través del sistema, m3/d
633.3. BORRERO JAIME, DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES
MUNICIPALES CON HUMEDALES ARTIFICIALES. Mayo 1999. [7]
3.3.1. Diseño hidráulico. La ley de Darcy, que esta definida en la ecuación (72),
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. El mayor nivel de turbulencia en el flujo ocurre en lechos que usan piedra
muy gruesa; entonces la ecuación de Ergun es más apropiada para este caso.
La ley de Darcy no es estrictamente aplicable a humedales SFS dadas las
limitaciones físicas en el actual sistema. Este asume condiciones de flujo laminar,
pero el flujo turbulento puede darse con grava gruesa cuando el diseño usa un
gradiente hidráulico alto. La ley de Darcy también asume que el flujo en el sistema
es constante y uniforme, pero en la realidad puede variar por la precipitación y
evaporación; así como por los cortocircuitos en el flujo que pueden llegar a
presentarse por una desigual porosidad o mala construcción. La ley de Darcy
puede dar una aproximación razonable a las condiciones hidráulicas en el
humedal SFS, si se utiliza una grava de tamaño medio o pequeño; si el sistema
está bien construido para evitar los cortocircuitos; si el sistema esta diseñado para
tener una mínima dependencia del gradiente hidráulico y si las pérdidas y
ganancias del sistema están adecuadamente reconocidas.
v = k ·s (70)
S
y dado que:
Q
v = (71)
W·y
64entonces:
Q = k ·A ·S (72)
S C
donde
Q: caudal promedio a través del humedal, m3/d
k : conductividad hidráulica de una unidad de área del humedal perpendicular
S
al flujo, m3/(m2·d)
A : área de la sección transversal perpendicular al flujo, m2
C
s: gradiente hidráulico o pendiente de la superficie del agua en el sistema,
m/m
v: velocidad de Darcy, velocidad aparente del flujo a través de la totalidad del
área de 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:
m·y A
s = L = S A = W·y (73a, b, c)
L W C
donde
W: ancho de una celda del humedal, m
A : área superficial del humedal, m2
S
L: longitud del humedal, m
m: pendiente del humedal, % expresado como decimal
y: profundidad del agua en el humedal, m
0.5
1 Q·A 
W = · S  (74)
 
y m·k
 
S
65Las ecuaciones (72) y (74) son válidas cuando el flujo es laminar a lo largo de los
espacios vacíos del medio, es decir, cuando el número de Reynolds es menor a
10. El número de Reynolds es función de la velocidad del flujo, del tamaño de los
espacios vacíos y de la viscosidad cinemática del agua, como se muestra en la
ecuación (75). En muchos casos el número de Reynolds será mucho menor que
10 y la ley de Darcy es válida. Si el flujo es turbulento, entonces la conductividad
hidráulica efectiva seria significativamente menor que la predicha por la ley de
Darcy.
v·D
N = (75)
R τ
donde
N : número de Reynolds, adimensional
R
v: velocidad de Darcy, m/s
D: diámetro de los vacíos del medio, igual al tamaño medio del medio, m
τ: viscosidad cinemática del agua, m2/s
La conductividad hidráulica varía directamente con la viscosidad del agua, que a
su vez es función de la temperatura del agua.
k µ
ST = 20 (76)
k µ
d20 T
donde
k : conductividad hidráulica a un temperatura T y a 20ºC
s
µ: viscosidad dinámica del agua a una temperatura T y a 20ºC
66Tabla 4. Propiedades físicas del agua
Temperatuta (T), Densidad (ρ), Viscosidad Viscosidad
ºC Kg/m3 dinámica x103 (µ) cinemática x106 (τ)
N·s/m2 m2/s
0 999.8 1.781 1.785
5 1000.0 1.518 1.519
10 999.7 1.307 1.306
15 999.1 1.139 1.139
20 998.2 1.102 1.003
25 997.0 0.890 0.893
30 998.7 0.708 0.800
40 992.2 0.653 0.658
Tomado: BORRERO Jaime [7]
La conductividad hidráulica también varía con el número y tamaño de vacíos en el
medio usado para el humedal. La tabla 5 presenta diferentes magnitudes
estimadas para un rango de materiales granulares que podrían ser usados en
humedales SFS. Es recomendable que la conductividad hidráulica y la porosidad
se midan en el laboratorio antes del diseño final.
Tabla 5 Características de los medios de soporte
Conductividad
Tamaño efectivo
Tipo de material Porosidad (n), % hidráulica (k ),
D , mm S
10 m3/(m2·d)
Arena gruesa 2 28-32 100-1000
Arena gravosa 8 30-35 500-5000
Grava fina 16 35-38 1000-10000
Grava media 32 36-40 10000-50000
Roca gruesa 128 38-45 50000-250000
Tomado: BORRERO Jaime [7]
Es posible usar una relación basada en la ecuación de Ergun, para estimar la
conductividad hidráulica cuando se usan gravas gruesas o rocas.
k = n3.7 (77)
S
673.3.2. Modelo de remoción de DBO. El mecanismo de remoción en un humedal
SFS es el mismo que el descrito para los FWS. Las ecuaciones (13), (14) y (15)
son modelos válidos para el diseño de humedales SFS. La única diferencia es la
magnitud de la porosidad, que puede tomarse de la tabla 5 y de la constante de
temperatura, K , que toma el valor de 1.104 d-1.
20
3.3.3. Modelo de remoción para Sólidos Suspendidos Totales. En este sistema
la remoción de sólidos se debe a procesos físicos. Debido a que la remoción de
SST es rápida en comparación con la de DBO, no se lo considera como un
parámetro de diseño.
Una regresión lineal de datos obtenidos en humedales en Estados Unidos
proporciona las ecuaciones que pueden servir para estimar la concentración de
SST a la salida del humedal. Estas ecuaciones son válidas para cargas hidráulicas
entre 0.4 y 0.75 cm/d, para valores que no estén en este rango se pueden tener
resultados incorrectos.
C = C ·( 0.1058 + 0.0014 ·CH) (78)
e o
Q
CH = (17)
A
S
donde
C : concentración de SST en el efluente, mg/L
e
C : concentración de SST en el afluente, mg/L
o
CH: carga hidráulica, cm/d
Q: caudal promedio en el sistema, m3/d
A : área superficial del humedal, m2
S
683.3.4. Modelo de remoción para Nitrógeno. La mayor fuente de carbono para
posibilitar la desnitrificación es la muerte y descomposición de las raíces y la
principal fuente de oxigeno para la nitrificación son las raíces de las plantas.
Nitrificación. No existe un consenso sobre cuánto oxígeno es transferido a
•
las raíces por cada tipo de vegetación, por lo tanto, no se sabe cuánto
oxígeno está disponible en la superficie de las raíces para la actividad
biológica. La nitrificación depende de la profundidad de penetración de las
raíces presentes en el lecho del humedal SFS.
K = 0.01854 + 0.3922 ·rz2.6077 (79)
NH
donde
K : constante de nitrificación a 20ºC, d-1
NH
rz: porcentaje de profundidad ocupado por la zona de las raíces,
fracción decimal (0 a 1)
Una vez definida la constante K es posible determinar la remoción de
NH
amoniaco, vía nitrificación.
C
e = exp( − K ·t) (80)
C T
o
( )
Q· lnC −lnC
A = o e (81)
S K ·y·n
T
(T−20)
K = K ·1.048 (82)
T NH
donde
A : área superficial del humedal, m2
S
C : concentración de amoniaco en el efluente, mg/L
e
C : concentración de amoniaco en el afluente, mg/L
o
69K : constante de reacción de primer orden dependiente de la
T
temperatura, d-1
y: profundidad del agua en el humedal, m
t: tiempo de retención hidráulico, d
n: porosidad del sistema, fracción decimal
Q: caudal promedio en el sistema, m3/d
Desnitrificación. Mucha de la producción de nitrato puede desnitrificarse y
•
ser removida dentro del área prevista para la nitrificación. El modelo de
diseño para estimar la remoción de nitratos vía desnitrificación corresponde
a las ecuaciones (83) y (84).
C
e = exp( − K ·t) (83)
C T
o
( )
Q· lnC −lnC
A = o e (84)
S K ·y·n
T
(T−20)
K = 1.00·1.15 (85)
T
donde
A : área superficial del humedal, m2
S
C : concentración de nitratos en el efluente, mg/L
e
C : concentración de nitratos en el afluente, mg/L
o
K : constante de reacción de primer orden dependiente de la
T
temperatura, d-1
y: profundidad del agua en el humedal, m
t: tiempo de retención hidráulico, d
n: porosidad del sistema, fracción decimal
Q: caudal promedio en el sistema, m3/d
70La concentración de nitratos en el afluente (C ) usada en las ecuaciones
o
(83) y (84) es la diferencia entre las concentraciones de entrada y salida
determinadas con la ecuación (80). La diferencia de las concentraciones de
la ecuación (80) puede asumirse como nitrato.
Nitrógeno total. Cuando se requiere la desnitrificación, es generalmente
•
porque se tiene un límite de descarga para el nitrógeno total NT. El
nitrógeno total en el efluente del sistema es la suma de los resultados de
las ecuaciones (80) y (83). La determinación del área requerida par
alcanzar el nivel específico de NT en el efluente es un procedimiento
iterativo usando las ecuaciones (81) y (84).
1. Se asume un valor para el amoniaco residual (C ) y se resuelve la
e
ecuación (80) para obtener el área requerida para nitrificar,
determinándose así el tiempo de retención hidráulico.
2. Tome la diferencia (C - C ) como nitrato producido por la nitrificación y
o e
use este valor como el del afluente en la ecuación (83). Determine la
concentración de nitratos en el efluente con la misma ecuación.
La concentración de NT en el efluente es la suma de los valores de C
e
obtenidos en las ecuaciones (80) y (83). Si no se alcanza el valor de NT
exigido se necesita otra iteración.
3.3.5. Modelo de remoción para Fósforo. Para la remoción de fósforo se puede
utilizar el mismo modelo que el descrito para un FWS.
713.4 SQAE CANADÁ Y OTROS, ESTUDIOS TÉCNICOS DE SUSTITUCIÓN
APLICABLES AL SANEAMIENTO DE AGUAS SERVIDAS DE PEQUEÑAS
COMUNIDADES. Noviembre 1999. [22]
3.4.1. Procedimiento de diseño de una unidad SFS. La cinética desarrollada
para simular el funcionamiento de los SFS son desarrolladas a partir de la
integración de la ley de Darcy que se utiliza para establecer la capacidad
hidráulica y la ecuación de cinética de primer orden que se aplica para la remoción
de DBO . La permeabilidad del medio filtrante se considera homogénea en toda la
5
superficie del campo. La superficie del SFS se obtiene a partir de la ecuación
integrada:
3Q(He2 − Hs2)(lnCe−lnCs)86400
S = L·b= (86)
2K P(He3 − Hs3)
t
donde
S: Superficie total necesaria de la unidad SFS (m2).
L: Longitud del sistema en el sentido del flujo (m).
b: Longitud del sistema (m).
Q: Caudal medio diario de aguas servidas (m3/s).
He: Espesor total del lecho (m)
Hs: Altura del agua en el efluente (m)
Ce: Concentración de DBO a la entrada (mg/)
5
Cs: Concentración de DBO a la salida (mg/l)
5
K: Const. cinética de primer orden dependiendo de la T(d-1)
t
K: K x 1,06(t-20).
t 20
K : Constante de primer orden a 20°C que es igual a 0.805
20
P: Porosidad del medio filtrante.
72Determinación de la longitud de flujo del lecho. El valor de L se estima
mediante la siguiente ecuación:
K(He2 − Hs2)S
L= (87)
200Q
donde:
K: Coeficiente de permeabilidad (cm/s)
Si la longitud mínima calculada es > de 3 m, entonces se mantiene este valor y se
calcula el tamaño total del sistema manteniendo S y L.
Si la longitud mínima calculada es < 3 m y se deben rehacer los cálculos para
encontrar la S necesaria que permita encontrar condiciones deseadas.
Revisión de la superficie necesaria si se establece la longitud de flujo en 3m.
Determinar S y He a partir de una condición establecida de L igual a 3 m. Debido a
que el valor de S depende de L y Hs, se debe iterar con el valor de Hs hasta
encontrar un valor de 3 en la siguiente ecuación:
3K(He2 − Hs2)2 (lnCe− LnCs)·86400
L= (88)
4·K P(He3 − Hs3)
t
Con los valores de L (3 m) y de Hs es posible determinar S en la ecuación (86).
Este modelo fue presentado en el seminario: “Humedales artificiales para el
tratamiento de aguas residuales”. Armenia – Manizales – Pereira. Septiembre 3 - 8
de 2001, por el ponente: Ing. Jhonier Guerrero Erazo. Donde se expusieron
principios, conceptos y herramientas de diseño para la gestión de sistemas de
tratamiento de agua residual por humedales artificiales. [52]
733.5. EPA, MANUAL; CONSTRUCTED WETLANDS TREATMENT OF
MUNICIPAL WASTE WATERS. Septiembre 2000. [16]
3.5.1. Estimación del nivel de agua. Un importante paso para el proceso de
diseño es estimar el nivel de elevación del agua que fluye a través del SFS.
Un importante paso en el proceso de diseño es la estimación de la elevación del
agua a través del humedal SFS, La relación entre el flujo a través del medio
poroso y el gradiente hidráulico se describe por la ley de Darcy. Esta asume flujo
laminar, no presenta modificaciones es recomendado como suficiente para estimar
el nivel del agua dentro de un SFS .
dh
Q = K·A ·S = K·W·D ·   (89)
C W dL
o, para definir la longitud del SFS,
Q·L
dh = (90)
K·W ·D
W
A = W ·D (91)
C W
donde:
Q: caudal, m3/d
K: conductividad hidráulica, m3/(m2·d)
A área de sección transversal para el flujo de agua residual, m2
c:
W: ancho del humedal SFS, m
D : Profundidad del agua, m
w
743.5.2. Determinación del área superficial.
Q·Co
As = (100)
ALR
donde:
A : área Superficial de DBO y SST
S
ARL: velocidad de carga superficial, de la DBO y SST
C : concentración del afluente, mg/L
O
Q: caudal, mg/L
3.5.3. Determinación del ancho. El ancho mínimo necesario para mantener el
flujo por debajo de la superficie, se utiliza la ecuación de Darcy, ecuación (90),
pero utilizando los valores iniciales de la zona del tratamiento.
A
Li = Si (101)
W
Sustituyendo la ecuación (69) en (66) y despejando para W tenemos:
Q·A
W2 = Si (102)
K · (dh )·D
i i WO
donde:
L Longitud de la zona de tratamiento inicial.
i:
753.5.4. Determinación de la longitud y pérdida de cabeza de la zona de
tratamiento inicial. Por medio de la ecuación (101) se tiene la longitud de la zona
de tratamiento inicial, el calculo de la perdida de cabeza se realiza por medio de
la ley de Darcy, despejando para dh.
i
Q·L
dh = i (103)
i K ·W·D
i WO
3.5.5. Determinación de la longitud y pérdida de cabeza de la zona de
tratamiento final (L). Esta es la longitud donde el total del área del SFS será
f
exactamente igual a los valores obtenidos por ALR. L es calculado por medio de la
f
ecuación (70) pero con valores de final de zona
A
L = Sf (104)
f W
El calculo de la perdida de cabeza se realiza por medio de la ley de Darcy,
despejando para dh tenemos:
f
Q·L
dh = f (105)
f K ·W ·D
f Wf
3.5.6 Determinación del punto de elevación.
E = S·(L −L ) (106)
bO i f
E = S·L (107)
bf f
donde:
E : punto de referencia de todas las elevaciones =0
be
E : Punto de elevación a la entrada
bo
E : Punto de elevación al inicio de la zona de tratamiento final
bf
763.5.7. Determinación de la elevación de la superficie del agua.
E = E +D (108)
Wf bf Wf
E = E −dh (109)
We Wf f
E = E +dh (110)
W0 Wf i
donde:
E : elevación de la superficie del agua al final de la zona de tratamiento
wf
E : elevación de la superficie del agua a la salida
we
E : elevación de la superficie del agua a la entrada
w0
3.5.8. Determinación de la profundidad del agua.
D = E −E (111)
W0 W0 b0
D = E −E (112)
Wf Wf bf
D = E −E (113)
We We be
donde
D : profundidad del agua al comienzo de la zona de tratamiento final (igual al
wf
D de diseño)
wf
D : profundidad del agua a la salida
we
D : profundidad del agua a la entrada
w0
773.6 WALLACE SCOTT D. UNIVERSITY CURRICULUM DEVELOPMENT FOR
DECENTRALIZED WASTEWATER TREATMENT; CONSTRUCTED
WETLANDS: DESIGN APPROACHES. Diciembre 2003. [62]
Este texto maneja diferentes métodos de diseño de humedales que se utilizan en
Estados Unidos. Cada uno de los métodos que se presentan a continuación
poseen sus propias suposiciones y diferentes ecuaciones.
Para describir el movimiento del agua a través del humedal se utiliza la Ley de
Darcy.
Q = k ⋅A ⋅S (114)
S C
donde
Q: caudal promedio a través del humedal, m3/d
k : conductividad hidráulica, m/d
S
A : área de la sección transversal perpendicular al flujo, m2
C
s: gradiente hidráulico o pendiente, m/m
La conductividad hidráulica del medio se relaciona con el tamaño del grano del
material de soporte. El medio “sucio”, debido a la carga orgánica, típicamente tiene
una conductividad más baja que un medio “limpio”.
Tabla 6. Conductividad hidráulica de diferentes medios
Tipo de medio Tamaño, Conductividad hidráulica, k , m/d
S
mm “Limpia”/”Sucia”
Gravilla 5 6200/600
Gravilla 6 21000/9000
Grava fina 5 - 10 34000/12000
Piedra 17 100000/44000
Tomado: WALLACE Scott D. [62]
783.6.1. Small and Decentralized Wastewater Management Systems, R. Crites &
G. Tchobanoglous. 1998.
• Diseño del humedal para la DBO. El tiempo de retención para remover DBO
es calculado por:
C
ln
C
t = − o (115)
k
AP
donde
t: tiempo de retención para la remoción de DBO, d
C : concentración de la DBO afluente, mg/L
o
C: concentración de la DBO efluente remanente de la afluente (DBO ),
RIW
mg/L
k : constante de velocidad de remoción de DBO total, dependiente de la
AP
temperatura, d-1 (1.1d-1 recomendada)
La DBO efluente calculada por C es la DBO residual (DBO ) resultante de
n RIW
la carga de la DBO afluente. La DBO total efluente (DBO ) es la suma de
ECW
la DBO más la DBO de “fondos” (DBO ) que resulta de los residuos de
RIW PD
las plantas.
Esta ecuación asume flujo pistón ideal, sin embargo la constante de
velocidad, k , se obtiene en sistemas SFS que muestran el grado de
AP
dispersión y cortocircuitos que se puedan presentar en estos humedales. La
concentración de DBO en el efluente deseada no incluye la DBO de
“fondos” (DBO ) que resulta de los residuos de las plantas. Para
PD
humedales SFS el valor de la DBO puede estar entre 2 y 3mg/L.
PD
79Una vez se calcule el tiempo de retención, el área superficial del humedal
puede ser determinada.
Q ⋅t⋅3.07
A = AVE (116)
S d ⋅η
w
donde
A : área superficial del humedal, ac
S
Q : caudal promedio, Mgal/L
AVE
t: tiempo de retención, d
η: porosidad del lecho
d : profundidad del agua, ft
w
La profundidad del medio de soporte o lecho puede estar entre 18 y 30
pulgadas, aunque las raíces de las plantas midan entre 6 y 12 pulgadas. La
profundidad del agua esta típicamente 3 a 6 pulgadas por debajo de la
superficie del lecho.
3.6.2. Treatment Wetlands. R. kadlec & R. Knight. 1996. Y Constructed
Wetlands for Pollution Control. IWA 2000. Esta referencia presenta un modelo
de flujo pistón de primer orden para la remoción de varios contaminantes. Las
constantes de velocidad desarrolladas en Treatment Wetlands son extraídas de
una base de datos que cubre diferentes localizaciones geográficas. La forma
general del modelo es:
C − C*  K
ln e  = − AT (117)
 
C − C* q
 
o
80donde
C : concentración del efluente deseada, mg/L
e
C : concentración del afluente, mg/L
o
C*: concentración de fondos, mg/L
K : constante superficial de velocidad de reacción de primer orden, d-1
AT
q: carga hidráulica, m/yr
Reorganizando la ecuación (51) se obtiene una expresión para el área requerida
para un contaminante particular.
0.0365⋅Q C − C* 
A =  ⋅ln i  (118)
   
 K  C − C* 
A e
donde
A: área requerida, ha
Q: caudal del agua, m3/d
La constante de la velocidad de reacción, K , puede ser corregida con respecto a
A
la temperatura.
(T−20)
K = K θ (119)
A,T A,20
donde
K : constante superficial de velocidad de reacción a temperatura T, °C
A, T
K : constante superficial de velocidad de reacción a 20°C
A, 20
θ: factor de corrección por temperatura
T: Temperatura del agua en el humedal, °C
81Tabla 7. Parámetros de diseño SFS (Kadlec and Knight, 1996)
Parámetro K , m/yr θ C*, mg/L
A, 20
DBO 117 1.057 3
SST 43.4 1 6
Nitrógeno orgánico 35 1.05 1.5
Nitrógeno amoniacal 34 1.05 0
Nitrógeno NO 50 1.05 0
X
Nitrógeno total 10 1.05 1.5
Fósforo total 9.1 1.09 0
Coliformes totales 100 1.003 200 cfu/100mL
Tomado: WALLACE Scott D. [62]
824. DIMENSIONAMIENTO DE UN HUMEDAL PARA ESTABLECERLO EN UNA
ESTRUCTURA TÍPICA.
4.1 BORRERO JAIME, DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES
MUNICIPALES CON HUMEDALES ARTIFICIALES. Mayo 1999. [7]
4.1.1. Dimensionamiento de un humedal FWS.
Este metodo fuel seleccionado por ser uno de los mas completos y organizado,
además de haber sido validado en varias partes de los estados unidos
• Remoción de DBO en humedales FWS. Para determinar el área
superficial del humedal A se calcula por medio de ecuación (15)
S
presentada en el numeral 2.2.2, se calcula primero el valor de K por medio
T
de la ecuación (13), con un valor de K = 0.678 d-1.
20
(T−20)
K = K ·1.06 (13)
T 20
( )
Q· lnC −lnC
A = o e (15)
S K ·y·n
T
La temperatura que se trabajará será de 18ºC. El valor de la DBO y
una aproximación del caudal de agua residual por persona fue
extraído del trabajo de grado realizado en la planta El Popal. La
porosidad del humedal es 0.7 ya que el rango debe ser entre 0.65
y 0.75, según el autor. Las dimensiones del humedal están sujetas a
las dimensiones estándar de una estructura civil típica de recolección
de agua lluvias, el ancho del humedal debe ser de 30 cm. La
83profundidad viene establecida por el largo de las raíces de la especie
vegetal que en este caso será la typha Angustifolia o conocida
popularmente como enea la cual se ha utilizado en trabajos
anteriores de humedales en la ciudad de Manizales y puede ser
utilizada en la construcción de canastos, teniendo además un valor
agregado.
datos:
C : 300mg/L
o
Q: 8.64 m3/d
T: 18ºC
K : 0,6034 d-1
T
y: 0.6 m
n: 0.7
Tabla 8. Área superficial a diferentes % de remoción en un humedal FWS
Caudal, DBOin, DBOout, % de Porosidad
Kt, d-1 As, m2
m3/d mg/L mg/L remoción n
8,64 300 240 20 0,6034 0,7 7,6073
8,64 300 180 40 0,6034 0,7 17,4147
8,64 300 120 60 0,6034 0,7 31,2378
8,64 300 60 80 0,6034 0,7 54,8682
84• Diseño hidráulico. Por medio de la siguiente ecuación (9d) se puede
encontrar el valor del tiempo de retención hidráulico.
A ⋅y⋅n
t = S (9d)
Q
Después de encontrar el área se establece una relación largo:ancho, y se
obtienen los valores de la tabla 9.
Tabla 9. Dimensiones del humedal FWS
% de No. Relación As. por Q. por
t, d L, m W, m
remoción canales L:W canal canal
20 10 10:1 0,7607 0.864 0,34 2,7580 0,2757
40 14 14:1 1,2438 0.617 0,85 4,1731 0,2981
60 19 19:1 1,6441 0.454 1,52 5,5891 0,2942
80 25 25:1 2,1946 0.345 2,67 7,4073 0,2963
4.1.2. Dimensionamiento de un humedal SFS.
Se utilizan los mismos datos de caudal, temperatura, concentración de DBO y
profundidad del humedal. EL modelo de diseño para el humedal SFS también es
extraído de “Depuración de aguas residuales municipales con humedales
artificiales” [7]
• Remoción de DBO en humedales SFS. Para el calculo del área
superficial se A por la misma ecuación del modelo anterior y para K en
S T
humedales SFS se tiene un K de 1.104 d-1, el valor de porosidad es
20
85seleccionado de la tabla 5, para un diámetro de 32mm (grava media) por lo
tanto:
(T−20)
K = K ·1.06 (13)
T 20
( )
Q· lnC −lnC
A = o e (15)
S K ·y·n
T
datos:
C : 300mg/L
o
Q: 8.64 m3/d
T: 18ºC
K : 0.9825 d-1
T
y: 0.6 m
n: 0.38 (grava media 0.36-0.40)
Tabla10. Área superficial a diferentes % de remoción para un humedal FWS
Caudal, DBOin, DBOout, % de Porosidad
Kt, d-1 As, m2
m3/d mg/L mg/L remoción n
8,64 300 240 20 0,9825 0,38 8,6061
8,64 300 180 40 0,9825 0,38 19,7013
8,64 300 120 60 0,9825 0,38 35,3390
8,64 300 60 80 0,9825 0,38 62,0720
86• Diseño hidráulico. Para el tiempo de retención hidráulica se utiliza la
ecuación (9d). La pendiente viene fijada de las estructuras de aguas lluvias
las cuales poseen una pendiente de 5% tomada del libro “INVIAS. Manual
para el control de la erosión”[11], el valor de conductividad hidráulica viene
dada de la tabla5 para grava media.
A ⋅y⋅n
t = S (9d)
Q
0.5
1 Q·A 
W = · S  (74)
 
y m·k
 
S
datos:
Q: 8.64 m3/d
y: 0.6 m
K : 25000 (grava media 10000-50000)
s
m: 0.05
Para el calculo del ancho del humedal se realiza una iteración hasta llegar
al valor de 0.30m. El área superficial, el caudal, y el coeficiente hidráulico
deben ser divididos por el numero de celdas seleccionadas para utilizar la
ecuación (74), y para el calculo de la longitud del humedal se divide el área
superficial en el ancho.
Tabla 11. dimensiones del humedal SFS
% de No As. por Q. por Ks,
t, d W, m L, m
remoción celdas canal canal m3/(m2·d)
20 0,2271 2 4,3030 4,32 12500 0,2874 14,9705
40 0,5199 5 3,9402 1,728 5000 0,2750 14,3255
60 0,9325 8 4,4173 1,08 3125 0,2912 15,1681
80 1,6380 14 4,4337 0,6171 1785,71429 0,2917 15,1961
874.2 WALLACE SCOTT D. UNIVERSITY CURRICULUM DEVELOPMENT FOR
DECENTRALIZED WASTEWATER TREATMENT; CONSTRUCTED
WETLANDS: DESIGN APPROACHES. Diciembre 2003. [62]
4.2.1 Treatment Wetlands. R. kadlec & R. Knight. 1996. Y Constructed
Wetlands for Pollution Control. IWA 2000. De acuerdo con la ecuación (53) que
sirve como modelo de remoción para la DBO en cualquiera de los dos sistemas,
FWS y SFS, y con los valores reportados en las tablas 1 y 7, se obtiene el área
que necesita el humedal para un determinado nivel de tratamiento.
365⋅Q C − C* 
A =  ⋅ln o  (53)
   
 K  C − C* 
A e
donde:
C : concentración del efluente deseada, mg/L
e
C : concentración del afluente, mg/L
o
C*: concentración de fondos, mg/L
A: área requerida, m2
Q: caudal del agua, m3/d
Con la ecuación (54) se obtiene la constante de velocidad a diferentes
temperaturas para la remoción de la DBO en ambos sistemas.
(T−20)
K = K θ (54)
A,T A,20
88donde:
K : constante superficial de velocidad de reacción a temperatura T, °C
A, T
K : constante superficial de velocidad de reacción a 20°C
A, 20
θ: factor de corrección por temperatura
T: Temperatura del agua en el humedal, °C
Los datos utilizados para calcular el área superficial requerida por el humedal se
muestran en las tablas 12 y 13.
Tabla12. Sistema FWS (Kadlec and Knight, 1996)
Q, DBOin, DBOout, % K , C*,
T, ºC T A , m2
m3/d mg/L mg/L Remociòn m/yr mg/L s
8,64 18 300 240 20 34 19,4 22,3144
8,64 18 300 180 40 34 19,4 51,7573
8,64 18 300 120 60 34 19,4 95,1439
8,64 18 300 60 80 34 19,4 179,3064
Tabla13. Sistema SFS (Kadlec and Knight, 1996)
Q, DBOin, DBOout, % C*,
T, ºC K m/yr A , m2
m3/d mg/L mg/L Remociòn T mg/L s
8,64 18 300 240 20 104,7215 3 6,7959
8,64 18 300 180 40 104,7215 3 15,5865
8,64 18 300 120 60 104,7215 3 28,0531
8,64 18 300 60 80 104,7215 3 49,7088
89CONCLUSIONES.
La conclusión principal de este trabajo es que los humedales artificiales son una
tecnología viable para la depuración de aguas residuales, teniendo costos bajos
en cuanto a instalación, energía y suministro, operación y mantenimiento no
requieren un trabajo permanente.
Los diseños hidráulicos para el humedal de tipo SFS expuestos en este trabajo
son todos basados en la ley de Darcy, con pequeñas variaciones según
investigaciones del autor. Este diseño juega un papel importante en el humedal y
no se puede tomar por alto ya posee factores importantes que no son tenidos en
cuenta en el modelo cinético.
Según lo mostrado en este trabajo los autores traban con modelo de reacción de
DBO de primer orden, para el calculo del área superficial se tiene ecuaciones
similares pero con cambios en los valores de constantes, cada autor muestra
según lo encontrado en su experiencia de laboratorio.
Desafortunadamente los humedales artificiales solo han sido estudiados en
Estados Unidos, por lo cual es necesario realizar trabajos de investigación sobre la
adecuación de los modelos de diseño a las condiciones locales, como pueden ser
las plantas autóctonas, los tipos de medio granulares, etc.
Generalmente requieren grandes extensiones de terreno, comparado con los
tratamientos convencionales.
Los componentes biológicos son sensibles a sustancias como el amoniaco y los
pesticidas que llegan a ser tóxicos, requieren mínimas cantidades de agua para
sobrevivir pero no soportan estar completamente secos.
90BIBLIOGRAFÍA
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