Los humedales artificiales

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Sobre el blog

MON arquitectura y biología
MON arquitectura + biología es un equipo integrado por doctores en biología y arquitectos. Blog, Linkedin.

MON arquitectura + biología participó en el V ENCUENTRO DE LA PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DEL AGUA (PTEA), celebrado los días 27, 28 Y 29 de noviembre de 2012 (Pamplona, Navarra) con la exposición oral titulada “Humedales artificiales para la depuración de lixiviados de diferentes orígenes” dentro del taller de Ideas y Proyectos del V Encuentro Europeo de I+D+i del Agua.

Los humedales artificiales. Componentes y tipos

Según el Convenio Ramsar, un humedal es una zona de la superficie terrestre que está temporal o permanentemente inundada, regulada por factores climáticos y en constante interrelación con los seres vivos que la habitan.

Siguiendo el artículo 1 del párrafo 1, se consideran humedales, "las extensiones de marismas, pantanos y turberas, o superficies cubiertas de aguas, sean éstas de régimen natural o artificial, permanentes o temporales, estancadas o corrientes, dulces, salobres o saladas, incluidas las extensiones de agua marina cuya profundidad en marea baja no exceda de seis metros".

En los humedales crecen y se desarrollan diferentes tipos de vegetales, animales y microorganismos adaptados a estas condiciones de inundaciones temporales y/o permanentes. En este tipo de ecosistema se desarrollan también determinados procesos físicos y químicos capaces de depurar el agua ya que eliminan grandes cantidades de materia orgánica, sólidos en suspensión, nitrógeno, fósforo e incluso productos tóxicos.

Básicamente, los humedales artificiales son zonas construidas por el hombre en las que se reproducen, de manera controlada, los procesos físicos, químicos y biológicos de eliminación de contaminantes que ocurren normalmente en los humedales naturales.

Componentes de un humedal artificial tipo.

Principalmente están compuestos por:

  • un sustrato o material granular: sirve de soporte a la vegetación y permite la fijación de la biopelícula bacteriana que interviene en la mayoría de los procesos de eliminación de contaminantes presentes en las aguas a tratar.
  • la vegetación: principalmente compuesta por macrófitas emergentes que contribuyen a la oxigenación del sustrato a nivel de la rizosfera, a la eliminación de nutrientes por absorción/extracción y al desarrollo de la biopelícula bacteriana.
  • el agua a tratar o influente: circula a través del sustrato y la vegetación.

Los mecanismos por los que este tipo de sistemas son capaces de depurar las aguas residuales se basan en los siguientes principios:

  • Eliminación de sólidos en suspensión gracias a fenómenos de filtración que tienen lugar entre el sustrato y las raíces.
  • Eliminación de materia orgánica gracias a la acción de los microorganismos (principalmente bacterias). Los microorganismos que se desarrollan pueden ser aerobios (con O2) o anaerobios (sin O2).
  • Eliminación de nitrógeno bien por acción directa de las plantas, bien por procesos de nitrificación-desnitrificación desarrollados por los microorganismos antes mencionados.
  • Eliminación de fósforo principalmente debido a los fenómenos de adsorción sobre los componentes del sustrato.
  • Eliminación de patógenos mediante la adsorción sobre partículas del sustrato, la toxicidad producida por las raíces de las plantas y la acción depredadora de bacteriófagos y protozoos.

Existen diferentes tipos de humedales artificiales en función del sentido de circulación del flujo de agua:

  • Humedales artificiales de flujo libre o superficial: el agua circula por encima del sustrato continuamente. Se favorecen las condiciones aerobias al estar el agua directamente expuesta a la atmósfera. Se emplean para tratar efluentes procedentes de tratamientos secundarios y para crear y restaurar ecosistemas acuáticos.
  • Humedales artificiales de flujo subsuperficial: el agua circula a través del sustrato.
  • En la mayoría de los casos se usan para el tratamiento de aguas residuales generadas en núcleos de población de menos de 2000 habitantes. En función del sentido del flujo, pueden ser horizontales o verticales.
  • Humedales artificiales de flujo subsuperficial vertical: el agua circula verticalmente a través del sustrato de manera intermitente. Se suelen incluir chimeneas de aireación para favorecer las condiciones aerobias. Se suelen desarrollar procesos de nitrificación, entre otros.
  • Humedales artificiales de flujo subsuperficial horizontal: el agua circula horizontalmente a través del sustrato de manera continua. Se favorecen las condiciones anaerobias al mantenerse el nivel del agua por debajo del sustrato. Se suelen desarrollar procesos de desnitrificación, entre otros.

La elección de instalar un tipo de humedal frente a otro radica en la composición de las aguas residuales. En muchas ocasiones se utiliza una combinación de diferentes tipos de humedales. Por ejemplo, si queremos eliminar nitrógeno lo más conveniente sería hacer pasar el agua residual primero por un humedal de flujo subsuperficial vertical (nitrificación) y después por un humedal de flujo subsuperficial horizontal (desnitrificación).

Ámbitos de aplicación

  • Aguas residuales de origen doméstico o municipal (municipios urbanos y rurales, centros de salud, campamentos, instalaciones hoteleras, clubes deportivos, escuelas, casas, villas, etc…).
  • Aguas residuales de origen industrial (refinerías, fábricas de productos químicos, de papel, de curtiduría y textiles, de destilerías, mataderos, etc…).
  • Aguas residuales de origen alimentario (producción y procesado de leche, quesos, patatas o azúcar, conserveras, etc…).
  • Aguas residuales de piscifactorías.
  • Lixiviados de diferentes orígenes (de la agricultura, aeropuertos, autopistas, invernaderos, viveros, vertederos de basura, etc…).

Caso práctico: Humedales artificiales para la depuración de lixiviados de origen agrícola. Resultados

La contaminación por nitratos (NO3-), tanto del suelo como de las aguas superficiales o subterráneas, está asociada principalmente a actividades agrícolas, ganaderas y, en determinadas áreas, a actividades industriales específicas. En el caso concreto de los cultivos agrícolas, las zonas de producción son consideradas como un foco de contaminación difusa del subsuelo por NO3- debido al uso intensivo de los fertilizantes. Los lixiviados producidos por los cultivos sin suelo o en contenedor se caracterizan por tener un alto contenido en NO3-, fósforo (P) y potasio (K+) y muy bajo o nulo contenido en materia orgánica o carbono orgánico disuelto.

El mayor impacto que producen el nitrógeno (N) y el P procedentes de los fertilizantes y, por lo tanto, contenidos en los efluentes o lixiviados generados en los viveros e invernaderos, es el de causar una aceleración en la eutrofización de los ecosistemas acuáticos y el de favorecer la aparición de fitoplancton.

Muchas prácticas culturales, como la mejora en la eficiencia del riego, de la fertilización y de los tratamientos fitosanitarios, han sido adoptadas por los viveristas para limitar la pérdida de nutrientes y de pesticidas por lixiviación. En el caso de que estas prácticas no fueran totalmente efectivas, muchos viveristas optan por utilizar balsas de almacenamiento de agua para su reciclaje y así reducir el volumen de lixiviados y la carga de nutrientes y sedimentos. Otra vía para evitar la contaminación del medio por el vertido de lixiviados con alto contenido en NO3-, consiste en proceder a su tratamiento.

Los humedales artificiales se muestran como una alternativa eficaz frente a la tecnología convencional a la hora de tratar aguas con un alto contenido en NO3- como, por ejemplo, las procedentes de acuíferos contaminados, aguas residuales nitrificadas o aguas de riego recirculadas. El proceso predominante que se da en los humedales artificiales de flujo subsuperficial horizontal que tratan este tipo de aguas con un alto contenido en NO3-, es la desnitrificación.

La desnitrificación consiste en la reducción desasimilativa del NO3- por parte de bacterias heterótrofas, las cuales usan el NO3- como aceptor de electrones en condiciones anaerobias o anóxicas, y una fuente de carbono como donador de electrones (glucosa, acetato sódico, metanol, almidón, glucosa o material procedente de plantas). La desnitrificación heterótrofa es más conocida y considerada más eficiente que la desnitrificación autótrofa, de manera que el NO3- sigue la siguiente secuencia hasta transformarse a N2 gas:

  

Los principales factores que afectan a la tasa de desnitrificación en los humedales artificiales son las condiciones hidráulicas (profundidad y mezcla), la comunidad microbiana instalada, la concentración de NO3- y la cantidad y calidad de la fuente de carbono aplicada. De todos estos factores, el más limitante a la hora de iniciar y mantener el proceso de desnitrificación del efluente que nos ocupa, es la cantidad de la fuente de carbono disponible ya que, como se ha comentado anteriormente, este tipo de efluentes se caracterizan por tener un bajo o nulo contenido en carbono. Las macrófitas implantadas en los humedales tienen cierta capacidad para producir compuestos o exudados carbonados, siendo la composición de estos productos variable en función de la especie o subespecie de planta. Dichos exudados son liberados a través de las raíces al medio circundante, estimulando la desnitrificación en los humedales. Sin embargo, estos 
compuestos carbonados pueden ser insuficientes para eliminar completamente todo el NO3- contenido en el efluente a tratar, especialmente en humedales recién implantados y aún inmaduros. Por este motivo, además del carbono aportado por las macrófitas, es necesario añadir al influente una fuente de carbono externa para obtener una tasa de desnitrificación satisfactoria.

El mayor problema de la desnitrificación biológica es la contaminación potencial del agua tratada con bacterias, fuente de carbono residual y la posibilidad de formación de nitritos o de gases de efecto invernadero debido a una desnitrificación incompleta. Es por ello que para obtener un rendimiento adecuado deben ser bien considerados tanto el criterio de diseño como la dosis de carbono a añadir al efluente para promover la desnitrificación. Los lixiviados procedentes de los viveros, además de NO3-, también contienen P y K. Estos nutrientes son eliminados en los humedales artificiales mediante procesos de sedimentación, precipitación y adsorción al sustrato y a la superficie de las raíces de las plantas, y también mediante su incorporación al biofilm y a las plantas que crecen en los humedales.

La mayoría de humedales artificiales existentes en España están destinados a la depuración de aguas residuales municipales y son de flujo subsuperficial horizontal. Sin embargo, se desconocen referencias acerca de la instalación y del rendimiento de estos sistemas en España para el tratamiento de los lixiviados procedentes de cultivos en contenedor.

El caso concreto que se presenta aquí es la creación de una planta piloto con humedales artificiales de flujo subsuperficial horizontal, con el objeto de evaluar su idoneidad a la hora de tratar este tipo de lixiviados y de optimizar el proceso de desnitrificación desarrollado en los mismos. El proyecto se definió dentro de la concesión de una beca predoctoral INIA (RTA2007-00034-00-00), bajo la dirección de los doctores Oriol Marfà y Rafaela Cáceres (IRTA-Cabrils).

Para ello se construyó una planta piloto en el centro de investigación IRTA, situado en Cabrils (Barcelona). La planta incluye 6 unidades de humedales artificiales de flujo subsuperficial (4.5 m2 cada uno) construidas con cemento bajo una estructura que los mantenía aislados de las condiciones meteorológicas (Fig. 2). Se realizaron 4 experimentos consecutivos, diferentes en cuanto al tipo de fuente carbonada y a la dosis añadida (acetato sódico -AcNa- o metanol -Me-) para promover la desnitrificación del influente.

Vista general de la planta piloto con humedales artificiales de flujo subsuperficial situada en el IRTA-Cabrils.

Los resultados mostraron que el diseño de la planta experimental con humedales artificiales de flujo subsuperficial horizontal fue adecuado para el tratamiento de los lixiviados. La intensidad y estabilidad del proceso de desnitrificación dependió del tipo y de la dosis de fuente carbonada añadida para alcanzar diferentes ratios C:N-NO3-. Así, la tasa de desnitrificación fue máxima durante todo el periodo de operación al aplicar AcNa en un ratio C:N-NO3- de 3:1. Sin embargo, la aplicación de este ratio y de AcNa supone la adición de carbono y de sodio en exceso al efluente final depurado, respectivamente. La calidad del efluente y el proceso de desnitrificación mejoran al aplicar Me en un ratio C:N-NO3- de 1.5:1, siendo la tasa de desnitrificación máxima a partir de los 51 días de operación.

Proyecto VERDCELONA de MON arquitectura + biología basado en la implementación de HUMEDALES ARTIFICIALES en el ámbito urbano

2º Premio del 13er concurso de ideas medioambientales de la Universidad Politécnica de Cataluña

En este caso nuestra propuesta trató de abordar retos actuales mediante la reducción de dos de los cuatros carriles de circulación de un tramo de carretera del Example de Barcelona. Es decir, propusimos un nuevo sistema viario más humano y menos contaminante, respetuoso con el medio ambiente y reduciendo la contaminación atmosférica y sonora. La propuesta pretendió aprovechar el ciclo del agua y de los materiales, reduciendo el consumo energético, es decir, una propuesta concreta que diera una respuesta global al impacto ambiental de los asentamientos urbanos.
Concretamente propusimos:

  • Fomentar el transporte público y la movilidad en bicicleta.
  • Implementar un tipo de acera con materiales drenantes, con más vegetación y con un sistema de recogida de residuos de tipo neumático.
  • Implementar un sistema de depuración de aguas grises y pluviales mediante el uso de humedales artificiales.

Aunque nuestra propuesta fue a modo de actuación puntual en un tramo de carretera, este proyecto se podría aplicar a diferentes escalas como plazas, parques, zonas universitarias o edificios públicos. Es decir, puede servir como inicio y estudio de actuaciones a mayor escala. Este proyecto da respuesta a los actuales requerimientos ambientales propuestos por las instituciones locales, autonómicas, estatales y mundiales.

Imágenes del proyecto VERDCELONA

Ejemplos de implementación de los humedales artificiales en diferentes ámbitos

Somos conscientes de que la utilización de los humedales artificiales para la depuración de aguas residuales de diferentes orígenes no es nueva. Pero la utilización de estos sistemas en España es escasa y, por este motivo, queremos fomentar su uso. Aquí mostramos algunos ejemplos de lo que ofrecen estos sistemas, de su perfecta integración en el medio que les rodea y de su funcionalidad.

Ejemplo de humedales artificiales para la depuración de aguas residuales de un centro escolar (Sidwell Friend School, Washington, D. C.). 

Ejemplo de humedales artificiales como elemento arquitectónico (Elevated Wetlands, Toronto, Canadá). 

En este caso los humedales depuran parcialmente el agua de un río. El agua tratada es devuelta al mismo. 

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