Humedales para tratar el agua
19 January, 2021

Los humedales artificiales son sistemas vivos que utilizan procesos naturales para remover contaminantes de aguas pluviales o residuales. Se diseña un ecosistema rico y diverso para permitir degradar sedimentos, cargas orgánicas y otros agentes contaminantes. También aporta un elemento de paísaje que embellece los espacios.

Fuente: El Humedal Valle de Bravo

Para generar este proceso de tratamiento del agua y absorción de nutrientes, se desarrolla un diseño hidráulico y biológico que permite integrar las funciones de las plantas, fauna, microorganismos y el ambiente.

Los elementos básicos que componen los humedales son: agua, sustrato y plantas emergentes. Otros componentes como los microrganismos y los invertebrados acuáticos se desarrollan naturalmente. Si se diseña de forma adecuada es un sistema confiable, que se auto regular en su estructura gracias a la diversidad de especies que componen su ecosistema.

Los procesos de tratamiento y remoción de contaminantes se llevan a cabo en las fronteras de transición entre el suelo y el agua que circula secuencialmente de forma superficial y sub superficialmente. Estos sistemas se sustentan de forma autónoma y no requieren de la intervención humana para purificar y limpiar el agua.

Los Humedales artificiales son sistemas de baja velocidad que incorporan la interacción de diversos procesos físicos, químicos y bióticos que suceden de manera simultánea: precipitación, adsorción, absorción, reacciones químicas, crecimiento bacteriano. A través de estos procesos se puede tratar con eficiencia superior al 90% niveles altos de trazas orgánicas, SS, DBO, patógenos, virus y nitrógeno. De igual forma, pueden remover metales pesados e incluso tiene la capacidad para degradar algunos fármacos, considerados compuestos recalcitrantes. El agua resultante obtendrá características organolépticas similares a las naturales (sin olor, color, ni sabor), segura para el contacto humano y una fuente constante de agua para el riego u otros usos no potables.

Esta tecnología, en apariencia simple, requiere de un conocimiento profundo de los diferentes componentes, así como de los criterios de diseño para que su construcción y funcionamiento sean adecuados.

Basados en la experiencia de más de 8 años de El Humedal de Valle de Bravo, el funcionamiento de los humedales artificiales que nosotros proponemos se fundamenta en tres elementos básicos que permiten la adecuada eliminación de materiales disueltos y suspendidos en el agua residual que ingresa al sistema:

1) La actividad bioquímica de microorganismos

Las funciones de los humedales son reguladas por los microorganismos (bacterias, levaduras, hongos y protozoarios) y sus metabolismos. La biomasa microbiana consume gran parte del carbono orgánico y muchos nutrientes. Transforma un gran número de sustancias orgánicas e inorgánicas en sustancias inocuas e insolubles.

2) El aporte de oxígeno a través de la biota y los elementos hidráulicos.

La aireación en los humedales de tratamiento es un factor importante para obtener eficiencias de remoción de contaminantes aceptables. El ingreso de oxígeno al sistema a través de la vegetación es un proceso indispensable (Shubiao et al., 2014). Las plantas (macrófitas) transportan oxígeno desde las partes aéreas hacia las raíces y estas en su interacción con los microrganismos del suelo (rizósfera), producen un microambiente oxigenado que estimula la descomposición de materia orgánica y el crecimiento de bacterias (Gersberg et al., 1986; Brix y Schierup, 1990; Tanner et al., 2002; Zhang et al., 2014).

3) El apoyo físico de un lecho inerte que sirve como soporte para el enraizamiento de las plantas, además de servir como material filtrante.

La importancia del sustrato radica en que soporta a los organismos vivos, influye en el movimiento del agua a través del sistema, además de que las transformaciones microbianas tienen lugar principalmente dentro del sustrato y de que éste almacena muchos contaminantes y acumula los restos de la vegetación; la resistencia hidráulica del medio se relaciona con la velocidad de flujo y el caudal a tratar (Arias, 2004).

Fuente: El Humedal de Valle de Bravo

DISEÑO DE HUMEDALES

La eficiencia de cualquier tipo de humedal construido depende del sistema hidráulico, así como de otros factores, entre los que se incluyen: precipitación pluvial, infiltración, evapo-transpiración, carga hidráulica y profundidad del agua. Todos estos factores pueden tener un efecto en la remoción de contaminantes orgánicos, nutrientes y elementos traza, no sólo por la alteración en el tiempo de detención, sino por el efecto de concentración o dilución de contaminantes, por lo cual, se recomienda llevar a cabo un balance hidráulico. Existen sobre todo dos tipos de diseño de humedales, en algunos casos se pueden combinar para obtener una mayor remoción de contaminantes.

Humedales de Flujo Superficial: son similares a los humedales naturales y consisten básicamente, en una laguna o canales de poca profundidad a través de los cuales se desplaza el agua a baja velocidad sobre o por debajo del sustrato.

Humedales de Flujo Sub-superficial: el agua fluye horizontal o verticalmente a través del sustrato.

El Humedal de Valle de Bravo ha identificado 6 elementos claves que deben estar presente en los Humedales artificiales y a partir de los cuales basamos nuestros diseños:

Imagen 5. Elementos clave para el diseño de humedalesFuente: El Humedal de Valle de Bravo

1) Capacidad hidráulica: El humedal se diseña en función del caudal de agua que va a recibir. El humedal es un ser vivo por lo tanto es fundamental asegurar un suministro continuo y constante de agua con nutrientes para que el ecosistema pueda hacer sus procesos biológicos, si no se tiene, existe el riesgo de que el agua se quede estancada y termine generando putrefacción.

Este factor se define en función de la disponibilidad y calidad del agua a tratar. El diseño hidráulico se realiza para determinar la circulación del agua por las islas de tratamiento y el tiempo de retención que se requiere. Se agregan elementos para manejar el flujo como: canales, vertedores, cascadas, zonas de almacenamiento. La proyección física del sistema es diseñada para minimizar al máximo cortos circuitos y zonas muertas.

2) Calidad de agua: es indispensable reconocer y medir los contaminantes que se requiere remover y la calidad final esperada. Para lo cual se requiere una caracterización previa del agua que va a entrar al proceso de tratamiento. A partir de estos datos, se desarrolla tanto el diseño hidráulico como la selección de la paleta vegetal y la colocación de las islas de tratamiento.

Una consideración importante, antes del vertido del agua residual bruta, es implementar un pretratamiento para eliminar los elementos gruesos, las arenas sedimentables, las materias sólidas en suspensión y las grasas/aceites.

3) Orografía: se realiza un modelo a la medida que se adapta a las condiciones del terreno: topografía del sitio, espacio disponible, clima. Se diseña el punto idóneo en donde se va a instalar el sistema con la idea de permitir que el agua fluya por los distintos procesos biológicos, según los tiempos de retención adecuados y con la mínima cantidad de energía externa para mantener funcionando el sistema.

4) Selección de paleta vegetal: se diseña a partir de la función biológica de fitoremediar el agua de acuerdo con la calidad y los contaminantes que se quiere remover, se elige el número de islas de vegetación, la secuencia y la densidad.

La función de las plantas colocadas en las diferentes islas, distribuidas a lo largo de los trenes de tratamiento, tienen la finalidad de asimilar de forma directa los nutrientes (en especial Nitrógeno y Fósforo) y metales, que son retirados del medio e incorporados a los tejidos vegetales. Todos los elementos de la biota diversa: plantas (tallos, raíces, hojas), microorganismos, invertebrados y el sustrato, aportan para remover los diversos elementos y contaminantes presentes en el agua que se va a tratar: patógenos, virus, bacterias, etc. Incluso degradan fármacos de nueva generación.

5) Dimensiones: tanto los espacios como las islas de tratamiento se diseñan de acuerdo con los tiempos de contacto y retención del agua. Se seleccionan los elementos que permitan generar el movimiento pausado por las islas para manejar el volumen, así como trazar los recorridos para reducir las velocidades.

6) El Monitoreo: de las características fisicoquímicas y biológicas del agua, antes durante y después del proceso de tratamiento nos indicará si nuestro sistema está cumpliendo con el propósito para el cual fue creado. Generar una biodiversidad nutrida en el punto final (Larvas, renacuajos, peces) también permiten evaluar la calidad del agua por medio de los organismos vivos.

Fuente: El Humedal de Valle de Bravo

De esta forma, se garantiza en la propuesta que con estas condiciones se entrega un agua organoléptica sin helmintos ni coliformes, para garantizar que no va a ser un factor de riesgo para la población.

Si estos puntos básicos no se consideran, con toda seguridad se generará un problema mayor al que se pretende solucionar, generando un espacio idóneo para la acumulación de basura, agua maloliente, hábitat de fauna nociva que puede generar riesgos incluso de salud pública.

PROPUESTA DE VALOR

Los humedales pueden ser considerados como los riñones de las cuencas hidrológicas y tienen tres funciones básicas que les confieren atractivo potencial para el tratamiento de aguas residuales: fijan físicamente los contaminantes en la superficie del suelo y la materia orgánica, utilizan y transforman los elementos por medio de los microorganismos y logran niveles de tratamiento consistentes con un bajo consumo de energía y poco mantenimiento.

Se sustentan generalmente en una rica biodiversidad, y en muchos casos constituyen hábitats para especies amenazadas. Su importancia radica tanto en sus peculiaridades biológicas –vegetación y fauna especializada– como en las funciones que desempeñan en el ciclo del agua y de la materia orgánica, reciclado de nutrientes, mantenimiento de redes tróficas y estabilización de sedimentos.

Los humedales intervienen en funciones físicas de regulación del ciclo hídrico superficial y de acuíferos, retención de sedimentos, control de erosión y estabilización microclimática. Intervienen también en funciones químicas como las de regulación de ciclos biogeoquímicos (retención, filtración y liberación), y descomposición de biomasa terrestre, así como en la retención de dióxido de carbono (CO2).

Fuente: Source2Source

En el ecosistema de los Humedales, se pueden producir materias primas que aprovechan los nutrientes disueltos en las aguas residuales en vez de eliminarlos. Sus componentes se consideran nutrientes y no contaminantes desde un punto de vista de uso sostenible de recursos. Se puede generar valor agregado con unas exigencias técnicas y económicas de bajo costo al tener requerimientos mínimos en su mantenimiento incluyendo un bajo consumo de energía.

 

Imagen 7. Humedales Solución Holística

De este modo, se Impulsará una nueva estrategia con procesos innovadores para el mejoramiento del agua que presente múltiples beneficios sociales y ecológicos, generando una solución holística.

Entre los diversos beneficios ecológicos se pueden señalar:

Al tratar las aguas residuales generadas en la zona urbana se aportará para restaurar el ciclo hídrico, al evitar que las aguas negras sean descargadas hacia los drenajes. Se estará aprovechando el recurso en el punto y evitando que se siga contaminando y desperdiciando.

Por otra parte, a partir de la biota generada en los humedales, se puede desarrollar suelo vivo, recuperando sus nutrientes y su capacidad para absorber agua y CO2, así como para prevenir deslaves e impulsar la recuperación de un bosque biodiverso (fauna, flora y suelos vivo) y alimentar sus ciclos vitales.

Además, ofrece una zona verde para la restauración de la biodiversidad, regenerando el espacio para la anidación de aves, recuperar la flora local, reducir el efecto isla de calor, mejorar la zona forestal.

La construcción del humedal también generará beneficios sociales inherentes al proyecto. Desde la generación de una zona recreativa, de esparcimiento y de deporte. Además, se podrá generar un espacio educativo que demuestre cómo con soluciones basadas en la naturaleza se puede regenerar y recuperar un espacio natural, así como sus funciones hídricas.

Economía circular

Los beneficios que se han señalado con anticipación, demuestran que los humedales pueden desarrollar una solución integral que imitando los procesos de la naturaleza aprovecha todos los recursos disponibles y los reintegra al ciclo vital y productivo, evitando a toda costa la generación de residuos y aprovechando el uso potencial de todos los materiales generados en el sitio. Para la correcta aplicación de los sistemas de humedales en el tratamiento del agua y la integración de la comunidad, se propone implementar esquemas de economía circular.

Bajo esta visión, los humedales tienen un alto valor en las economías locales donde se implementa, porque su aplicación en conjunto con el equipamiento tecnificado evita la generación de residuos y aprovecha todo su potencial para generar nuevas materias útiles para la obtención de recursos de valor económico. En otras palabras, nada se desperdicia, todo se aprovecha y vuelve al ciclo natural, generando beneficios para la comunidad.

Esquema de Economía Circular

Fuente: Source2Source

INTEGRANTES DE LA PROPUESTA:

El Humedal de Valle de Bravo: para el desarrollo de los humedales contamos con la asesoría técnica y biológica de más de 8 años de El Humedal del Valle de Bravo, un modelo armónico de referencia para mostrar de forma viva las relaciones sinérgicas de convivencia entre la naturaleza y el ser humano. Se cuenta con el respaldo de este espacio para el intercambio de conocimiento en donde se demuestra de forma concreta cómo a través de la aplicación de un humedal para tratar aguas residuales, se generó la recuperación del bosque y un espacio vivo. Tienen experiencia en la aplicación y evaluación del comportamiento del humedal y los factores que intervienen en su adecuado funcionamiento, cuentan con un laboratorio que analiza la calidad del agua, así como la recuperación del suelo vivo. Por otra parte, poseen un huerto urbano como ejemplo de la aplicación de la economía circular.

FUENTES:

 

Source2Source Inc. (S2S): posee experiencia en el desarrollo de estas técnicas en grandes áreas abiertas y urbanas como es el caso de las aplicaciones que han desarrollado en Calgary, Canadá. Han desarrollado un enfoque integral y multidisciplinario hacia el diseño ambiental y la ingeniería hidráulica aplicada a la generación de humedales para el tratamiento del agua residual y pluvial. S2S tiene experiencia en el diseño e implementación de más de 100 sistemas de humedales de biofiltración que son altamente funcionales, operan sin la necesidad de químicos y utilizan poca energía eléctrica. Además, cuentan con múltiples patentes certificadas y procesos de aprobación en Canadá y Estados Unidos.

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