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Humedales para el tratamiento de aguas residuales: preguntas y respuestas (I)

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  • Humedales tratamiento aguas residuales: preguntas y respuestas (I)

Sobre el blog

Juan José Salas
MÉDICO DEL AGUA y DOCTOR EN QUÍMICA. Director de Servicios Tecnológicos de la Fundación CENTA. 36 años de experiencia en el tratamiento de las aguas residuales, especialmente de los vertidos generados en las pequeñas aglomeraciones urbanas.
Global Omnium
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Los humedales constituyen en la actualidad la tecnología extensiva mas implantada a nivel mundial para el tratamiento de las aguas residuales generadas en las pequeñas aglomeraciones urbanas. Esta importancia se ha visto reflejada en los posts que he ido escribiendo en los últimos años y que recojo al final de la entrevista.

Para seguir profundizando en la materia, he tenido la oportunidad de entrevistar a uno de los mayores expertos mundiales en la materia, el Dr. Carlos Arias.

Carlos es Ingeniero Civil por la Universidad Militar Nueva Granada (Colombia), MSc en Ingeniería por la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC) y PhD en Ciencias Naturales por la Universidad de Aarhus (Dinamarca).

A lo largo de sus más de 25 años de experiencia investigando sobre aguas residuales, en especial sobre humedales, cuenta con 90 publicaciones indexadas y con más de 150 presentaciones en conferencias especializadas. También es profesor visitante en China, India, Perú, Chile, México, España y Colombia. A todo ello añado, que es amigo. Comencemos.

Médico del Agua (MdA).- Carlos, por empezar por el principio, ¿hablamos de humedales artificiales o de humedales construidos?

Carlos Arias (CA).- las acepciones de la RAE del adjetivo “artificial” son:

  • Hecho por mano o arte del hombre.
  • No natural, falso.
  • Producido por el ingenio humano.

Mi opinión es que el adjetivo tiene connotaciones negativas, que sin duda pueden afectar a la percepción de la tecnología por parte de los usuarios. Por otra parte, construidos implica que se establecen en un sitio donde no existían y que tienen una función ingenieril específica. Pero Dr., ¿qué tal si seguimos la tendencia mundial y empezamos a usar humedales para tratamiento, que de alguna manera le da más valor a tu condición de Médico del Agua?

(MdA).- Acepto la propuesta y cambio el título que tenía previsto para la entrevista. Continuando con tu trayectoria profesional, ¿desde cuándo trabajas con esta tecnología de tratamiento y cómo han ido evolucionando tus investigaciones en la materia?

(CA).- Toda mi carrera profesional ha estado ligada a las aguas. Primero con temas de hidráulica, pero en el año 96 del siglo pasado llegué a la UPC de Barcelona con la intención de profundizar mis conocimientos en reutilización de aguas tratadas. Sin embargo, los planes cambiaron y hubo una oferta para trabajar en un tema emergente, humedales para tratamientos de aguas domésticas, y terminé aprendiendo sobre depuración de aguas residuales usando esa “nueva tecnología”. De ahí tuve la oportunidad de venir a Dinamarca a trabajar con el Profesor Brix en eliminación de fósforo.

Posteriormente, y gracias a los cambios de legislación en Dinamarca, iniciamos un proyecto para determinar y producir guías de diseño y construcción de sistemas de tratamiento descentralizados para el país (humedales, filtros biológicos de arena, sistemas evaporativos). Terminé mi doctorado en Dinamarca y continué en la Universidad de Aarhus como investigador.

A medida que van cambiando las necesidades ambientales y los requisitos para la descarga de las aguas tratadas van siendo más exigentes, se hace preciso que los tratamientos evolucionen, mejorando su capacidad y, a veces, cambiando los objetivos de la depuración. La tecnología se debe optimizar, esa oportunidad la hemos aprovechado y en esto hemos trabajado los últimos 20 años.

Pero por supuesto que la investigación no sólo depende de las necesidades ambientales, sino también de la disponibilidad de recursos económicos, que bien sabemos son limitados, pero surgen cuando hay nuevas necesidades. Gracias a esto, he tenido la oportunidad de trabajar con diferentes temas y sistemas de tratamiento de aguas, que incluyen: recuperación de nutrientes, eliminación de contaminantes emergentes y sus metabolitos, escorrentía urbana, detección de contaminantes en tiempo real en aguas de abastecimiento, uso de sistemas basados en bacterias electroactivas, eliminación de pesticidas y contaminantes persistentes, sistemas evaporativos, etc.

Creo que en nuestros botiquines tú y yo disponemos de muchas medicinas útiles para nuestras aguas, que cada vez se ven más afectadas por causas antropogénicas. Siguiendo estrictamente las terapias que formulemos, podremos combatir las “hidrodolencias”, y estoy seguro que en algo podremos aliviarlas.

En nuestros botiquines disponemos de muchas medicinas útiles para nuestras aguas


Predicando con el ejemplo.

(MdA).- Hablando del diseño de los humedales, los de flujo horizontal cuentan con métodos para su dimensionamiento bastante establecidos (Reed, Kadlec), sin embargo, los de flujo vertical han venido diseñándose más mediante datos empíricos. ¿Nos podrías indicar que método empleas para el diseño de este tipo de humedales?

(CA).- El diseño de humedales de flujo vertical no saturados presenta retos que son inherentes a su condición de no saturar de agua el sustrato filtrante. La hidráulica cambia dependiendo de la granulometría del material de relleno, del régimen de carga y de la temperatura del sitio del sitio de establecimiento, lo cual condiciona los tiempos de residencia hidráulica y, por tanto, la oportunidad del agua de estar en contacto con los microorganismos el suficiente tiempo para ”aprovechar” el oxígeno presente dentro del lecho.

Tienes razón cuando dices que el cálculo para dimensionar estos humedales no está del todo establecido. De hecho, en la literatura he encontrado al menos 15 fórmulas empíricas y además varias referencias que basan el cálculo en carga por superficie, variando entre 20 a 80 g DBO5/m2.d, lo cual es un rango muy amplio.

Nosotros también hemos probado usando el modelo PkC*, que todos conocemos, pero una vez más, la determinación de la constante cinética k depende de la hidráulica del sistema y esto afecta a la constante P. Hemos logrado calcular esta constante, pero para sistemas construidos en Dinamarca donde la granulometría está establecida por norma nacional, y conocemos las características de las aguas residuales y el régimen climático.

Lo que hemos calculado es consistente con lo que vemos en el campo, donde los humedales de flujo vertical no saturado son entre 10 y 15 veces más eficientes degradando materia orgánica comparados con los humedales saturados (caso de los humedales de flujo horizontal), pero además producen efluentes nitrificados.

Los humedales de flujo vertical no saturado son entre 10 y 15 veces más eficientes degradando materia orgánica comparados con los humedales saturados

Otra manera de dimensionar este tipo de humedales es determinando la demanda de oxígeno del agua a tratar. Si determinamos la concentración de DBO5 y de NH4-N de las aguas a tratar, estequiométricamente podemos determinar las necesidades de oxígeno y, conociendo la granulometría del medio de relleno y la frecuencia de carga, podemos determinar la cantidad de oxígeno disponible entre pulso y pulso de la alimentación al humedal.

(MdA).- Carlos, existe bastante discrepancia con la cantidad de oxígeno que aportan pos sus raíces y rizomas las helófitas que normalmente se emplean en los humedales ¿cuál es tu opinión al respecto?

(CA).- Dr. tiene usted mucha razón. Hay múltiples estudios de diferentes autores, con distintos métodos y mucha discrepancia en los resultados con respecto a la cantidad de oxígeno que las plantas transfieren a la zona radicular. Está probado que las plantas helófitas transfieren oxígeno, pero la cuantía y el régimen de esta transferencia varía según la especie vegetal y de acuerdo a las condiciones climáticas (temperatura, luz, humedad relativa).

Está claro que nuestros pacientes (aguas residuales), por lo general tienen una demanda de oxígeno considerable (deben reducir la concentración de DBO5 y nitrificar NH4-N), y las plantas, por más generosas que sean con nosotros, no transportaran más oxigeno del que ellas necesitan. Al contrario de nosotros, no invierten energía en labores innecesarias.

Adicionalmente, los humedales de flujo vertical generalmente se diseñan con los lechos no saturados y si están bien diseñados y operados debe haber suficiente oxígeno para producir efluentes con baja materia orgánica y nitrificados.

Esto no quiere decir que las plantas sobren, por el contrario, sin ellas no habría humedal, y tienen funciones adicionales como evitar la colmatación de los lechos, hospedar biopelículas que hacen el tratamiento más eficiente, e inclusive las raíces exudan sustancias que pueden favorecer procesos de depuración (caso de la desnitrificación).


Funciones de la vegetación en los humedales para el tratamiento de las aguas residuales.

(MdA).- La correcta selección del material filtrante es la clave para el correcto funcionamiento de esta tecnología de tratamiento. A este respecto ¿qué tipos de materiales y tamaños los que generalmente empleas?

(CA).- Sin duda parte del éxito de un humedal que trata aguas contaminadas es la integración de todos los componentes del sistema. Hablar de una selección que cumpla todas las necesidades en humedales de flujo subsuperficial es imposible. Cada caso y tipo de humedal exigen una selección específica del material filtrante a emplear, no debemos usar los mismos materiales y las mismas granulometrías en todos los humedales.

Acá en Dinamarca, la construcción de humedales de flujo subsuperficial saturados ya no ocurre. La norma danesa de descarga de aguas tratadas exige nitrificación de al menos el 90% y una concentración no mayor de 5 mg/L de NH4-N, lo cual descarta el uso de humedales saturados. La legislación danesa acepta el empleo de humedales de flujo vertical no saturados con pretratamiento (aun no el sistema francés), y las normas de diseño y construcción indican el uso de arena gruesa de diámetro entre con d10 entre 0,25 a 1,3 mm y d60  de 0,9 a 4,0 mm y con un coeficiente de uniformidad del orden de 3,5.

Para los humedales que hemos diseñado y construido en otros países, inclusive para humedales saturados con granulometrías más gruesas, tratamos de usar material local disponible para reducir costos, pero siempre con ensayos de conductividad hidráulica, dureza del material  y calculado las cargas superficiales para evitar la colmatación.

Para humedales de flujo vertical, cuando diseño en otros países soy más conservador con respecto a los que usamos en Dinamarca, pues la gestión de los pretratamientos, o de los tratamientos primarios cambian y son menos estrictos que en Dinamarca. La selección del material en este caso debe tener en cuenta no comprometer la eficiencia del tratamiento.

Para eliminar nutrientes y otros compuestos hay materiales que son reactivos a contaminantes específicos. En particular hemos usado Filtralite® Nature P, zeolitas, materiales con recubrimientos y arenas de distintos orígenes.

 

Muchas gracias Carlos, lo dejamos aquí y en la próxima entrega hablaremos de:  la eliminación de nutrientes en humedales; de cómo se comportan los humedales en climas fríos y cuando tratan aguas residuales diluidas; del grado de implantación de los humedales en Dinamarca y otros países y acabaremos conociendo tu opinión sobre las causas que motivan el bajo grado de aplicación de esta tecnología de tratamiento en nuestro país.

GLOSARIO

Coeficiente de uniformidad. Se utiliza para evaluar la uniformidad del tamaño de las partículas de un suelo o de los áridos. Se expresa como la relación entre d60 y d10.

d60. Diámetro, o tamaño, por debajo del cual queda el 60% del peso de una muestra particulada.

d10. Diámetro, o tamaño, por debajo del cual queda el 10% del peso de una muestra particulada.