HUMEDALES PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

HUMEDALES CONSTRUIDOS PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES: CRITERIOS DE DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y EXPLOTACIÓN
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Joan García¹, Jordi Morató² y Josep M. Bayona³

¹Laboratorio de Ingeniería Sanitaria y Ambiental, Departamento de Ingeniería Hidráulica, Marítima y Ambiental, Universitat Politècnica de Catalunya

²Laboratorio de Microbiología Sanitaria y Medioambiental, Departamento de Óptica y Optometría, Universitat Politècnica de Catalunya

³Departamento de Química Ambiental, Centro de Investigación y Desarrollo de Barcelona, CSIC

1. Introducción

Los humedales construidos son sistemas de depuración sencillos que no requieren de energía externa para funcionar. Se distinguen dos tipologías, de flujo subsuperficial o de flujo superficial. Los de flujo superficial se suelen utilizar en programas de restauración ambiental donde la depuración es un valor añadido. En este caso suelen recibir efluentes que ya han sido tratados intensamente en estaciones depuradoras y por tanto el sistema de humedales tiene como objetivo realizar un afino de la calidad del agua (García y Mujeriego, 1997). Los de flujo subsuperficial, en cambio, se suelen construir para tratar aguas simplemente pretratadas y constituyen por tanto la unidad de proceso clave en la instalación de depuración. Este tipo de instalaciones se suelen utilizar para depurar las aguas residuales de pequeños municipios, aunque hay numerosas aplicaciones documentadas (aguas de papeleras, farmacéuticas, industria del petróleo, lixiviados vertederos, etc). En este artículo se describen los proyectos y avances que los autores han alcanzado con sistemas de flujo subusperficial.

Los humedales de flujo subsuperficial están constituidos por balsas generalmente construidas por excavación, rellenas de un medio granular con suficiente conductividad hidráulica (grava) y plantadas con vegetales característicos de las zonas húmedas, como el carrizo o la espadaña. El agua circula a nivel subterráneo en contacto con el medio granular y las raices y rizomas de los vegetales (Figura 1). La eliminación de los contaminantes sucede gracias a una sinergia de procesos físicos, químicos y bioquímicos, aunque los principales son los bioquímicos asociados a la biopelícula que crece adherida al medio granular y a las partes subterráneas de las plantas. El principal papel de los vegetales en estos sistemas es el de crear alrededor de sus partes subterráneas un ambiente adecuado para que crezcan y se desarrollen comunidades microbianas que después van a degradar o transformar los contaminantes. Los sistemas de flujo subsuperficial se pueden clasificar en horizontales si el agua fluye horizontalmente de un extremo a otro (sería el caso de la Figura 1) o verticales si el agua fluye de arriba a abajo (García et al., 2004a).

2. Planta Piloto de Can Suquet

Gracias a la financiación obtenida mediante un proyecto Feder se contruyó a inicios de los años 2000 una planta piloto que trata parcialmente las aguas de la urbanización Can Suquet, en les Franqueses del Vallés (Barcelona). Esta planta se construyó en colaboración con el Consorcio del Besós y el Ayuntamiento de Les Franqueses. La planta entró en servicio en primavera de 2001 y se tiene previsto que siga en marcha por lo menos hasta 2008. La planta está constituida por un tratamiento primario en un tanque Imhoff, seguido de 8 humedales en paralelo con la misma superficie (56 m² cada uno), que reciben el mismo caudal de agua residual y que tienen diferentes características de diseño (relación largo-ancho, tamaño del medio granular y profundidad) (Figuras 2, 3 y 4). El diseño de la planta piloto ha permitido estudiar la influencia de estas variables de diseño sobre la eficiencia del sistema, además de la carga orgánica aplicada (que se regula a través del caudal de agua bombeado a los humedales). Desde la puesta en marcha hasta la actualidad se ha evaluado la eficiencia de los humedales para eliminar una amplia gama de contaminantes, incluyendo contaminantes convencionales como la DQO, DBO y nutrientes, tensioactivos aniónicos, ácidos grasos de cadena corta, sulfuros, productos farmacéuticos de uso común y microorganismos indicadores de la contaminación fecal como E. coli, esporas de Clostridium perfringens y enterococos fecales entre otros. También se han estudiado aspectos más básicos como las características hidrodinámicas de los humedales, las reacciones bioquímicas responsables de la degradación de la materia orgánica, y la dinámica y composición de la biopelícula.

En la Tabla 1 se resumen los resultados obtenidos para algunos de los contaminantes analizados. En la Tabla se han agrupado los datos de los efluentes de los humedales por tipos. Como puede observarse los mejores resultados se obtienen con los humedales de tipo D para todos los contaminantes. Estos humedales tienen una profundidad menor (0,3 m en media) que el resto (0,6 m en media). Este resultado es sorprendente ya que al tener menor profundidad y recibir el mismo caudal que los otros, su tiempo de permanencia es menor. Sin embargo, diversos estudios realizados por nuestros equipos han demostrado que las condiciones reinantes en su interior son más oxidantes, lo que redunda en una mayor eficiencia (García et al., 2003).

En la actualidad con humedales de laboratorio experimentales cuya profundidad es de forma constante 0,3 m (en los de Can Suquet de tipo D la profundidad de 0,3 m es una media, hay zonas con más profundidad y otras con menos) se están obteniendo resultados espectaculares con DBO₅ y amonio efluentes menores de 5 mg/L. Los humedales de tipo D también han demostrado un mejor comportamiento en cuanto a eliminación de enterococos fecales, esporas de Clostridium perfringens y recuento de bacterias aerobias (HPC, 22ºC), con reducciones en algunos casos de hasta 3 log o superiores. En cambio, la reducción de los coliformes totales y Escherichia coli ha sido ligeramente superior en los humedales de tipo C.

Table 1. Medias y desviaciones estándard de algunos de los contaminantes químicos medidos en el afluente y los efluentes de los humedales de la planta piloto de Can Suquet (agrupados por tipo de humedales según su forma). Los humedales de tipo D, además de ser los más largos son los menos profundos.
	Afluente	Humedales tipo A	Humedales tipo B	Humedales tipo C	Humedales tipo D
DQO, mg/L (a)	200±82	80±32	79±32	78±32	51±27
DBO5, mg/L (a)	140±54	58±26	56±27	56±27	28±23
N amoniacal, mg N/L (a)	45±16	34±13	34±12	32±12	23±13
Ortofosfato, mg P/L (a)	7.2±3.3	7.2±3.1	7.1±2.9	7.1±2.7	6.6±2.8
LAS, mg/L (b)	3.7±0.97	2.8±0.79	2.7±0.80	2.7±0.85	1.4±0.75
SPC, mg/L (b)	0.54±0.32	0.86±0.54	0.82±0.49	0.87±0.50	0.65±0.37
Acido acético, mg/L (c)	25±27	14±11	13±8.2	10±9.8	9.7±11
Ácido isovalérico, mg/L (c)	0.90±0.38	0.24±0.14	0.25±0.15	0.26±0.13	0.13±0.13
Dimetilsulfuro, μg/L (c)	2.2±1.6	1.9±1.2	2.1±1.1	1.7±1.3	1.2±1.0

a) Datos de García et al. (2004b, 2004c), (b) Datos de Huang et al. (2004), (c) Datos de Huang et al. (2005).

3. Conclusiones: criterios de diseño, construcción y explotación

Las investigaciones realizadas en Can Suquet han demostrado toda una serie de características a tener en cuenta para el diseño y construcción cuando la tecnología de flujo subsuperficial horizontal se pretende aplicar en nuestro país: 1) la forma no es crítica, aunque no deben ser más cortos que anchos y cuanto más largos en principio mejor, 2) el medio granular debe ser resistente al ataque ácido (por ejemplo material granítico) y se pueden utilizar diámetros de 3 a 10 mm, cuanto menor sea el diámetro mejor se desarrolla la cubierta vegetal (con diámetros de 3 a 5 mm el desarrollo es excelente), 3) para su dimensionado no se deben superar cargas orgánicas superficiales de 6 g DBO/m².dia (esto al final viene a representar unos 5 m² por habitante equivalente), 4) con una profundidad media de 0,3 m es suficiente. La explotación es muy sencilla y queda limitada a trabajos de limpieza y jardinería (nuestros propios equipos realizan la explotación de la planta piloto). Estos sistemas son susceptibles a colmatarse, por tanto no son indicados para tratar vertidos con concentraciones elevadas de grasas y aceites.

Los conocimientos adquiridos en la planta piloto han culminado con la organización de unas “Jornadas Técnicas Sobre el Diseño, Construcción y Explotación de Humedales Construidos como Alternativa de Bajo Coste para la Depuración de Aguas Residuales Urbanas”, que concluyeron con la edición de un libro recogiendo el “estado del arte” de estas tecnologías (García et al., 2004a).

4. Agradecimientos

Los trabajos de investigación realizados durante estos últimos años han sido posibles gracias a la ayuda obtenida de diferentes instituciones: Consorcio del Besós, Ayuntamiento de Les Franqueses y Ministerio de Educación y Ciencia.

5. Referencias

García J. y Mujeriego R. (1997). Humedales construidos de flujo superficial para tratamiento terciario de aguas residuales urbanas en base a la creación de nuevos ecosistemas. Tecnoambiente, 75, 37-42.

García, J., Ojeda, E., Sales, E., Chico, F., Píriz, T., Aguirre, P. y Mujeriego, R. (2003). Spatial variations of temperature, redox potencial, and contaminants in horizontal flow reed beds. Ecological Engineering 21, 129-142.

García, J., Morató, J. y Bayona, J.M. (2004a). Nuevos Criterios para el Diseño y Operación de Humedales Construidos. Ediciones CPET, UPC. 100 pp.

García, J., Aguirre, P., Mujeriego, R., Huang, Y., Ortiz, L. y Bayona, J.M. (2004b). Inicial contaminant performance factors in horizontal flow reed beds used for treating urban wastewater. Water Research 38, 1669-1678.

García, J., Morató, J., Bayona, J.M. y Aguirre, P. (2004c). Performance of horizontal subsurface flow constructed wetlands with different depth. En: 9th International Conference on Wetland Systems for Water Pollution Control. Avignon, France. pp. 269-278.

Huang, Y. , Latorre, A., Barceló, D., García, J., Aguirre, P., Mujeriego, R. y Bayona, J.M. (2004). Factors affecting to the linear alkylbenzene sulfonates Removal in subsurface flow constructed wetlands. Environmental Science & Technology 38, 2657-2663.

Huang, Y., Ortiz, L., Aguirre, P., García, J., Mujeriego, R. y Bayona J.M. (2005). Effect of design parameters in horizontal flow constructed wetland on the behaviour of volatile fatty acids and volatile alkylsulfides. Chemosphere, en prensa.

Descripción de los autores:

Joan García es Profesor Titular de Tecnologías del Medio Ambiente en la ETS de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de la Universidad Politécnica de Catalunya. Lleva más de 10 años realizando investigaciones aplicadas con sistemas naturales de depuración destinados a mejorar su diseño y facilitar su construcción y explotación.

Jordi Morató es Profesor Titular de Microbiología y miembro del Laboratorio de Microbiología Sanitaria y Medioambiental de la Universitat Politécnica de Catalunya. El autor está especializado en el estudio de la formación de biopelículas microbianas en diferentes comunidades naturales o artificiales y en el desarrollo de nuevas estrategias de desinfección para su control.

Josep Maria Bayona es Profesor de Investigación del Consejo Superior de Investigaciones Científicas y miembro del Departamento de Química Ambiental del Instituto de Investigaciones Químicas y Ambientales de Barcelona. El autor está especializado en la determinación de una amplia tipología de contaminantes en muestras ambientales (aguas, suelos, sedimentos, organismos).