UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO Y

COLEGIO DE CIENCIAS Y HUMANIDADES PLANTEL SUR PRESENTAN

MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DEL HUMEDAL ARTIFICIAL DEL CCH PLANTEL SUR, CON ACTIVIDADES DIDÁCTICAS PARA EL BACHILLERATO UNAM

Autores Dra. María del Carmen Durán Domínguez Dra. Marisela Bernal González Dra. María del Refugio González Sandoval Quím. Agustín Arreguín Rojas* Dr. Salvador Alejandro Sánchez Tovar *Coordinador

México D.F. Octubre de 2012

© UNAM Universidad Nacional Autónoma de México

Colegio de Ciencias y Humanidades Plantel Sur y Facultad de Química / College of Sciences and Humanities South Campus and Faculty of Chemistry

Publicación obtenida de la realización del Proyecto INFOCAB SB201608 de la Dirección General de Asuntos del Personal Académico de la UNAM

Responsables de la edición / Edition Responsible Persons: Agustín ARREGUÍN-ROJAS, Salvador Alejandro SÁNCHEZ-TOVAR, María del Refugio GONZÁLEZSANDOVAL, María del Carmen DURÁN-DOMÍNGUEZ-DE-BAZÚA

México D.F. México (Primera edición 2010, 10 ejemplares) México D.F. México (Segunda edición 2012, libro electrónico)

Nota: este libro usa el punto decimal de acuerdo con la NOM-002-SCFI-2002 “Sistema General de Unidades de Medida” (Jueves 24 de septiembre de 2009 DIARIO OFICIAL, Primera Sección)

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ÍNDICE Página Presentación

4

Introducción ¿Qué es el agua?

7 8

¿Por qué químicamente el agua puede contaminarse fácilmente? Bondades de los sistemas basados en los principios de la naturaleza

14

1.

Los humedales naturales

17

2. 2.1. 2.2. 2.3. 2.4.

Introducción a los humedales artificiales Humedales de flujo superficial (SFW) Humedales de flujo subsuperficial (SsF) Humedales con plantas flotando sobre la superficie del agua Tipos y funciones de las plantas usadas en los humedales artificiales superficiales y subsuperficiales

20 21 23 23 23

3. 3.1. 3.2. 3.3.

Sitio de construcción Características de la zona donde se localiza el humedal: Topografía y clima Elección y localización del sitio

25 25 26 26

4. Bases de diseño, descripción y mantenimiento del sistema 4.1. Parámetros y ecuaciones de diseño 4.1.1. Factores de diseño de un humedal artificial 4.1.2. Ecuaciones de diseño de los humedales artificiales 4.2. Descripción general del proceso y diagrama de flujo y de proceso (DFP) 4.2.1. Fosa séptica (FS-101) 4.2.1.1. Mantenimiento 4.2.2. Bomba sumergible (BS1) 4.2.2.1. Mantenimiento 4.2.3. Tanque dosificador (TC-101) 4.2.4. Bomba centrífuga de alimentación al filtro percolador (BS3). 4.2.4.1 Mantenimiento: 4.2.5. Filtro Percolador FP-101 4.2.5.1 Mantenimiento: 4.2.6. Distribuidor hidráulico (DH-101) 4.2.6.1 Mantenimiento: 4.2.7. Humedad artificial 4.2.7.1. Lecho rocoso 4.2.7.2. Pendiente del humedal 4.2.7.3. Geomembrana 4.2.7.4. Vegetación del humedal 4.2.7.5. Cárcamo de salida 3

28 28 28 30 32 32 33 35 36 36 36 36 36 37 37 38 38 38 39 39 39 40

4.2.7.6 Mantenimiento 4.2.8. Fosa de almacenaje y desinfección TD-101 4.2.9. Bomba extractora de lodos (BS2) 4.2.9.1. Mantenimiento 4.3. Muestreo para el control de calidad del sistema 4.3.1. Toma de muestras de agua (influente, efluente) 4.3.2. Manejo de las muestras, cadena de custodia, análisis in situ y en el laboratorio 4.3.3. Evaluación de los datos experimentales

40 40 41 41 41

5.

Importancia de las aplicaciones de estos sistemas en los procesos enseñanza-aprendizaje. Aplicaciones al proceso enseñanza-aprendizaje del sistema prototipo construido en el Colegio de Ciencias y Humanidades Plantel Sur

44

5.1. Uso de reactores a escala de laboratorio que simulan la operación del humedal prototipo 5.2. Visita guiada y Práctica de campo 5.3. Aplicación de los Talleres para prácticas e investigación de campo en el prototipo de humedal artificial del CCH Sur 5.3.1. Taller 1. Manejo del prototipo humedal artificia del CCH Sur. 5.3.2. Taller 2. Control de población vegetal y del sustrato del humedal del CCH Sur. 5.3.3. Taller 3. Investigación con “reactores” o humedales piloto 5.3.4. Taller 4. Análisis fisicoquímico del efluente del humedal del CCH Sur. 5.3.5. Taller 5. Curso de microbiología y medios de cultivo 5.3.6. Taller 6. Información y publicidad del humedal artificial del CCH Sur.

44

5.4. Importancia de las medidas de seguridad y protección ambiental en el laboratorio y en campo (CDD-MBG)

66

Bibliografía

71

Anexo: Memorias de cálculo

74

4

42 42

46 59 60 61 62 63 64 65

PRESENTACIÓN Estimado lector: Con la idea de mostrarte que en la Universidad los retos difíciles se pueden lograr, te comentamos acerca del origen de nuestro humedal artificial, construido en el Plantel Sur del CCH. Esto inicia en el año de 2002, cuando profesores del CCH Sur, asistimos a la Facultad de Química – UNAM al evento “Reunión Internacional de Los Humedales”, organizada por la Dra. María del Carmen Durán de Bazúa quien en esa fecha reinauguraba un Humedal piloto para depuración de aguas negras de una sección del Centro Cultural Universitario (Av. Insurgentes Sur 3000). La experiencia adquirida en este evento nos llevó a proyectar un humedal piloto (con actividades didácticas) en nuestro plantel, el cual, con una población promedio de 14,000 personas, genera un enorme caudal de aguas negras, las cuales son vertidas al manto freático porque nuestro Plantel está situado en el área volcánica “Pedregal de San Ángel” y, al igual que en los fraccionamientos residenciales de esta zona, no es factible económicamente instalar una red de drenaje y, por lo tanto, las aguas negras son desechadas a través de grietas que se localizan entre la roca. Es posible que existan muchos proyectos semejantes, dirigidos a resolver este problema del manejo de las aguas negras y que éstos se deben haber encontrado muchos inconvenientes para su realización. En nuestro caso fuimos favorecidos por varias instituciones y sus directivos, quienes nos han apoyado en puntos importantes del desarrollo del proyecto: 1. En el diseño del proyecto contamos con la asesoría, experiencia y entusiasmo de la Dra. María del Carmen Durán Domínguez de Bazúa, Profesora Titular “C” de la Facultad de Química de la UNAM, miembro del Sistema Nacional de Investigadores desde su fundación en 1984. 2. El apoyo técnico en todo momento del Dr. Salvador Alejandro Sánchez-Tovar, Doctorado por la UNAM en Ciencias Químicas (Ingeniería Química) e investigador de la empresa Tecnología Intercontinental S. A. de C. V., quien ha participado con la Ingeniería del Proceso de este humedal, así como la supervisión de la construcción y del arranque, realizando también la gestión de las donaciones mencionadas abajo. 3. El Programa INFOCAB1 por medio del cual se obtuvo presupuesto para la adquisición de equipo de laboratorio, audiovisual y de cómputo, además de equipo auxiliar para el proceso automático del humedal. Este programa fue el punto de arranque del proyecto. 4. La DGOE2 - UNAM, a través del Ing. Xavier Palomas Molina, Director General, quien apoyó este proyecto con la construcción de la base piramidal en la que se instaló el humedal y actualmente aceptó conectar los efluentes del Edificio de Idiomas para aumentar el volumen de agua tratada. 1 2

INFOCAB: Iniciativa para Fortalecer la Carrera Académica en el Bachillerato de la UNAM DGOE: Dirección General de Obras Externas de la UNAM

5

5. Las empresas “Tecnología Intercontinental S.A. de C.V.”; “INVENTEC S.A. de C.V.” y “CONDISMARQ S.A. de C.V.”, de las cuales hemos recibido apoyo en especie, como servicio técnico y donativos de equipo y materiales, allanando el camino para la instalación del humedal. 6. Desde luego, este proyecto ha contado desde el inicio con el apoyo del Lic. Jaime Flores Suaste, Director del Plantel Sur, del Lic. Sergio Garita Hernández, Secretario Administrativo y del Biol. Sabel René Reyes Gómez, Secretario Técnico del SILADIN3. ¿Cómo está organizado este Manual? El propósito de este manual es proporcionar al lector los conceptos básicos de un humedal artificial y la información técnica necesaria para la comprensión del sistema, su arranque, operación y mantenimiento. Este manual está dirigido al personal de mantenimiento, profesores responsables de proyectos relacionados con el humedal y cualquier miembro del colegio o visitantes que estén interesados en el humedal. Adelante y mucho éxito.

Los autores

Fotografía del área aprobada por las autoridades para instalar el humedal artificial

3

SILADIN: Sistema de Laboratorios de Investigación, UNAM

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INTRODUCCIÓN

¿Qué es el agua?

¿Por qué químicamente el agua puede contaminarse fácilmente? A continuación se presenta este extracto del inicio del capítulo 2 del libro del Dr. Stanley E. Manahan “Introducción a la química ambiental”, coeditado por la UNAM y Editorial Reverté en 2007: El agua, H2O, es un compuesto químico asombroso. Es el verdadero medio de la vida. Las formas de vida tempranas se desarrollaron en el agua y sólo mucho más tarde, en su evolución, se aventuraron fuera de ella, pero nunca muy lejos. Nuestros propios cuerpos están constituidos principalmente por agua. Nuestra sangre es una disolución acuosa de cloruro de sodio y otras sales esenciales, en la que se encuentran suspendidos los glóbulos rojos de tamaño coloidal, que llevan oxígeno de los pulmones a lo largo del cuerpo. Incluso aquellos organismos que se atreven a vivir en áreas con escasez de agua — camellos, monstruos de Gila, cactus y algunos seres humanos — deben tener mecanismos elaborados para conservar, almacenar y obtener las pequeñas cantidades de agua de sus alrededores. Lo que hace tan especial al agua es su estructura molecular. El átomo de oxígeno de la molécula de agua tiene un octeto estable de electrones de valencia (última órbita). Estos 8 electrones están agrupados en 4 pares. Dos de estos pares se comparten con los dos átomos de hidrógeno y los otros dos son pares no compartidos. Entonces, los pares de electrones se repelen entre sí, colocándose alrededor de la superficie esférica de la molécula de agua de forma que quedan tan alejados como sea posible. Si se visualiza una esfera con 4 objetos dispuestas alrededor de su superficie tan lejos como sea posible, se comprueba como éstas forman ángulos de algo más de 100 grados. De hecho, el ángulo Figura 1. La molécula de agua (izquierda) es formado por dos líneas, uniendo cada centro de un eléctricamente polar y tiene 2 pares de átomo de H y al centro del átomo de O en la molécula de electrones de valencia en los enlaces H-O y 2 agua es de 105º.

pares no compartidos, los cuales se muestran cuando se gira la molécula

Así, la primera característica significativa de la molécula de agua es que tiene una estructura arqueada con los dos átomos de H, no en los lados opuestos del átomo de O, sino localizados en un ángulo algo mayor que un ángulo recto. Una 7

segunda característica de la molécula de agua es que ese ángulo de 104.5º da como resultado una molécula asimétrica y con esto, se forma un dipolo en el que el lado de la molécula en que se encuentra el átomo de O, está relativamente cargado más negativamente que el lado con los dos átomos de H, tal como se muestra en el lado izquierdo en la Figura 1.

Si se gira la molécula de agua 90º alrededor de su eje vertical, como se muestra en la segunda estructura de la Figura 1, se ve un átomo de H, pero éste oscurece el otro átomo de H. Pueden verse los dos pares de electrones no compartidos, los cuales son importantes porque pueden atraer a los átomos de H de otras moléculas de agua con un tipo de enlace especial llamado enlace o puente de hidrógeno, tal como se muestra en el lado derecho en la Figura 1. Las moléculas de agua en el agua líquida y en el hielo están conectadas entre sí a través de esta característica propia del “puente” de hidrógeno, el cual tiene profundos efectos en las propiedades del agua. Además, por la polaridad de la molécula de agua, éstas pueden formar enlaces de hidrógeno con moléculas disueltas en el agua, reforzando grandemente las propiedades del agua como disolvente para algunos tipos de substancias, incluyendo muchas de importancia biológica. ¡Ésta es una de las razones por las que el agua se contamina tan fácilmente con sustancias indeseables!

Debido a la naturaleza polar del agua, sus moléculas rodean cationes (+) y aniones (-) de compuestos iónicos disueltos en el agua. A este proceso se le conoce como solvatación de un ión (Figura 2). Los extremos negativos de las moléculas de agua se orientan hacia los cationes positivos y los extremos positivos de las moléculas de agua hacia los aniones negativos. Esto hace al agua un buen disolvente para los compuestos iónicos. Propiedades importantes del agua El agua tiene varias propiedades importantes que son cruciales en su papel como disolvente, como medio de vida, en el comportamiento ambiental y en usos industriales, basadas en las siguientes características de su molécula:   

la asimetría de la molécula la naturaleza polar de la molécula de agua la capacidad de formar enlaces o puentes de hidrógeno 8

Figura 2. Se muestra la solvatación de un ión

El agua es un disolvente excelente para varias sustancias, incluyendo las sales, ácidos, bases y substancias que tienen átomos de H, O y N capaces de formar “puentes” de hidrógeno. En consecuencia, el agua es el disolvente en los fluidos biológicos como la sangre y la orina; actúa desgastando a los minerales y transportándolos disueltos por la geosfera; transporta los nutrientes a las raíces de las plantas en el suelo, para ser absorbidos por las plantas a través del proceso de ósmosis. El agua también, tiene muchos usos industriales, como regulador de temperatura de procesos (enfriando o calentando los materiales e las reacciones) en procesos de hidratación o deshidratación, etcétera. El agua tiene una tensión superficial muy alta y el agua líquida, como la de las gotas de lluvia, actúa como si estuviera cubierta por una membrana delgada. Los patos o los insectos usan esta característica del agua porque les permite flotar en su superficie. Un pato se hundiría en agua a la que se le haya añadido detergente para bajar la tensión superficial. El agua es transparente a la luz visible y a la fracción de la radiación ultravioleta de mayor longitud de onda. Esto permite que ocurra la fotosíntesis en las algas suspendidas bajo la superficie del agua. El agua, que se congela a 0ºC, tiene su máxima densidad como líquido a 4ºC. Esto ocasiona que los cuerpos de agua se estratifiquen con las capas más frías, más densas, en el fondo. Posiblemente, la propiedad física más importante del agua es su comportamiento con el calor. El agua líquida tiene una capacidad calorífica de 4.184 joules por gramo por ºC (J/g ºC), lo que significa que se requieren 4.184 joules de energía calorífica para elevar la temperatura de 1 gramo de agua líquida en 1ºC. Esta elevada capacidad calorífica estabiliza las temperaturas de las regiones cercanas a los reservorios de agua. La elevada capacidad calorífica del agua se debe al hecho de que las moléculas de agua están fuertemente ligadas por enlaces o puentes de hidrógeno. Se requiere mucha energía calorífica para romper estos enlaces y permitir a las moléculas de agua moverse más rápidamente a temperaturas más altas. El agua tiene un calor de fusión muy alto, de 334 joules por gramo (J/g). Esto significa que se requiere una cantidad muy grande de calor para separar las moléculas de agua en forma de hielo, mantenidas en posiciones fijas por los enlaces de hidrógeno, para convertir estas moléculas de agua a estado líquido. Cuando el hielo se funde, mientras estén presentes tanto el hielo sólido como el agua líquida, la temperatura permanece constante a la temperatura de fusión, 0ºC. El calor adicionado al sistema se emplea en separar las moléculas en el hielo (agua sólida), en lugar de elevar su temperatura.

El calor de vaporización del agua es de 2,259 J/g. Esto significa que se requieren 2,259 joules de energía calorífica para vaporizar un gramo de agua líquida. Éste es el calor más alto de vaporización de cualquier líquido común. Tiene una influencia enorme en los reservorios de agua, conocidos en México y otros países de habla hispana como “cuerpos de agua”, y en la meteorología. Absorbiendo tanto calor en el cambio de líquido a vapor, el agua estabiliza las temperaturas atmosféricas. Sin embargo, el calor latente contenido en el vapor de agua se libera cuando el vapor se condensa, que es lo que sucede durante la lluvia. Esta descarga de 9

calor calienta masas de aire haciéndolas elevarse y es la fuerza impulsora tras las tormentas y huracanes. El calor latente en forma de vapor de agua que se evapora de los océanos cerca del Ecuador es conducido lejos de éste incorporado en masas de aire y liberado cuando el vapor de agua se condensa para formar la lluvia.

El agua se disocia según la reacción

(1)

Distribución del agua y suministro La disponibilidad de agua es un factor que determinará el desarrollo de la civilización en las décadas futuras. Gran parte del mundo padece escasez de agua. Sólo como un ejemplo, el área norte de México y el sudoeste de los Estados Unidos son regiones con escasez crónica de agua. La demanda de agua del Río Bravo o Grande, como lo llaman en los EEUU, en esta región ha causado que virtualmente se seque durante algunos periodos del año. El acceso al agua es causa frecuente de desavenencias entre los intereses de México (Estados Unidos Mexicanos) y de los Estados Unidos. Por demás está hablar del río Colorado, otro motivo de problemas entre los gobiernos de ambos países, ya que el agua que llega al Golfo de California contiene muchos compuestos indeseables provenientes de su uso desde su nacimiento en las montañas de lo que ahora es la parte suroeste de los EEUU, creándose problemas a la biosfera de la zona, donde sobrevive la “vaquita”, un mamífero marino en peligro de extinción.

Aunque durante tres cuartas partes del siglo pasado, el uso del agua en EEUU aumentó en forma sostenida, el desarrollo fue más favorable cuando su utilización se estabilizó alrededor de 1980 y disminuyó un poco en las últimas dos décadas del siglo, aunque la población aumentó. Esta tendencia alentadora fue el resultado de esfuerzos de conservación del agua, sobre todo en la industria y la agricultura. Muchos de los consumidores industriales de agua se han convertido en diestros recicladores, incluyendo los usos que requieren progresivamente más baja calidad del agua. La irrigación empleaba gran número de aspersores que rociaban el agua hacia el aire, donde la mayor parte se evapora o la transporta el viento lejos. Estos sistemas han sido principalmente reemplazados por sistemas que aplican el agua directamente al suelo. Lo último en eficacia de irrigación es el riego por goteo, que suministra la cantidad exacta del agua requerida directamente a las raíces de las plantas. No obstante, la irrigación a largo plazo 10

sin el escurrimiento adecuado para alejar los residuos de sal puede causar un exceso de acumulación de sales en los suelos. El control exacto del uso del agua por computadora ha ayudado a conservar el agua en el sector industrial e incluso está ayudando en la irrigación.

Esto sería importante de hacer en México también con objeto de usar este recurso más eficientemente.

El ciclo hidrológico Uno de los principales ciclos de la naturaleza es el ciclo hidrológico (Figura 3). Los océanos constituyen un inmenso depósito de agua con aproximadamente 97% del agua de la Tierra. La mayoría del agua restante está en forma de hielo y nieve sólida, predominantemente en Groenlandia y en ambos polos. Esto deja considerablemente menos del 1% del agua de Tierra como vapor de agua y nubes en la atmósfera, agua superficial en lagos, arroyos y depósitos y agua subterránea en los acuíferos subterráneos.

Figura 3. El ciclo hidrológico, cantidades de agua en miles de millones de litros por día (Aguasdecima, 2012)

11

Organismos vivos en el agua Un sistema acuoso normal es el hábitat de gran número de organismos, desde las algas unicelulares hasta los peces (Figura 4). Tal sistema de agua puede considerarse como un ecosistema, normalmente basado en el suministro de alimentos constituidos por la biomasa producida fotosintéticamente por las algas y plantas que viven en él:

Energía solar 6CO2 + 6H2O



C6H12O6 + 6O2

(2)

La fotosíntesis produce glucosa, C6H12O6, que puede convertirse a otras formas de biomasa. Esta reacción produce oxígeno elemental y, durante el día, cuando ocurre la fotosíntesis, puede contribuir substancialmente al contenido de oxígeno disuelto de la parte superior de los cuerpos de agua (conocida científicamente como epilimnio, de epi parte superior y limnos, lago o laguna). La Figura 5 muestra las capas que se dan en un cuerpo de agua dependiendo de la temperatura y contenido de oxígeno disuelto. Mientras que las algas son productores o autótrofos (que se autoalimentan) que generan biomasa a partir de elementos o compuestos Figura 4. Importancia del agua en la simples, otros organismos, los heterotróficos (que se biodiversidad (Fuente: Madigan et al., 1999) alimentan de otros), desde las bacterias en el agua hasta los seres humanos, metabolizan la biomasa de esos organismos autótrofos. EL caso clásico de la respiración con oxígeno molecular en los seres humanos es un ejemplo de una reacción heterótrofa:

C6H12O6

+

6O2



6CO2

+

(3)

Figura 5. Epilimnio, termoclina e hipolimnio en un cuerpo de agua

12

6H2O

+

Energía

En el agua, las bacterias especializadas pueden utilizar como fuente de oxígeno a las especies químicas oxidadas con alto contenido de este elemento en otra forma que no es la de O2 molecular. Una de estas fuentes es el ión nitrato, NO3- , que actúa como agente oxidante en la biodegradación bacteriana de la biomasa

C6H12O6

+

3NO3

-

+

+ 6H



6CO2

+

3H2O

+

+ 3NH4

(4)

produciendo ión amonio (o amoníaco, NH3). Mediante reacciones químicas como la anterior, los microorganismos, particularmente las bacterias, determinan grandemente la química que ocurre en el agua. Por ejemplo, las bacterias en el hipolimnio, deficiente de oxígeno, convierten las formas oxidadas NO3- y SO42 a las formas reducidas NH4+ y H2S, mientras que las bacterias en el epilimnio rico en oxígeno convierten las formas reducidas NH4+ y H2S a las formas oxidadas NO3- y SO42-. La especie fundamental que determina los procesos biológicos y químicos en el agua es el oxígeno disuelto. Los peces no pueden vivir en aguas donde el oxígeno disuelto es demasiado bajo. Los contaminantes orgánicos en forma de materia orgánica biodegradable pueden no ser directamente tóxicos, pero producen la muerte de los peces debido a su alta demanda bioquímica de oxígeno, DBO, que es una medida de la cantidad de oxígeno consumido en la biodegradación de la biomasa contaminante.

Procesos químicos en el agua

Muchas reacciones químicas y bioquímicas en el ambiente ocurren en el agua. Éstas se discuten aquí con base en su clasificación química. La reacción de fotosíntesis que utiliza la energía de la luz solar para producir biomasa

Energía 2HCO3

-

solar

{CH2O} + O2 + CO3

2-

(5)

corresponde a la conversión del carbono inorgánico del ión disuelto HCO3- a carbono orgánico (biomasa), abreviada como {CH2O}. Esta reacción produce biomasa aprovechable químicamente por otros organismos para formar la base de varios procesos bioquímicos importantes en el agua. El ión carbonato, CO32-, generado por fotosíntesis reacciona con el agua

13

CO3

2-

HCO3 + OH

+ H2 O 

(6)

quitando un ión hidrógeno, H+, de la molécula de agua y produciendo el ión OH-. Las reacciones que implican el intercambio de H+ o la generación o consumo de OH- son reacciones ácidobase. Esta reacción genera iones OH-, por lo que hace más básica al agua. El ión carbonato generado por fotosíntesis puede involucrarse en otro tipo de reacción como se ejemplifica en su reacción con el ión calcio, Ca2+, disuelto en el agua,

Ca

2+

+ CO3

2-



CaCO3(s)

(7)

para producir CaCO3 sólido. Ésta es una reacción de precipitación. El CaCO3 es la calcita o espato calizo o caliza, producida a partir del CO32- generado por fotosíntesis, responsable de las grandes formaciones de piedra caliza en todo el mundo. En las aguas naturales son comunes las reacciones de oxidación-reducción, normalmente llevadas a cabo por las bacterias. La reacción del ión sulfato SO42- producida por bacterias, actuando como un agente oxidante en las regiones profundas, deficientes de oxígeno, de un reservorio de agua, para oxidar la materia orgánica biodegradable, {CH2O}

2{CH2O} + SO4

+ + 2H 

H2S(g) + 2H2O

+ 2CO2(g)

(8)

es una en la que el ión sulfato pierde oxígeno (se reduce). El H2S gaseoso al ascender en pequeñas burbujas a través del agua, puede entrar en contacto con oxígeno molecular y otras clases de bacterias, experimentando la siguiente reacción en la que el azufre se oxida con la adición de átomos de oxígenos para producir el ión SO42-:

H2S

+

2O2



2SO4

+

+

2H

(9) A continuación se verá cómo usando sistemas que simulan a los naturales es posible revertir los problemas de contaminación del agua.

Bondades de los sistemas basados en los principios de la naturaleza En general, los sistemas de tratamiento de aguas residuales, que son las aguas que ya se han usado en las diferentes actividades humanas y se han contaminado al disolverse sustancias 14

provenientes de esas actividades humanas, se basan justamente en esas características del agua de poder reaccionar con seres vivos y sustancias químicas. Hay especies que tienen la capacidad de asimilar sustancias relativamente tóxicas debido a diferentes mecanismos bioquímicos de sobrevivencia y son justamente éstas las que se aprovechan para crear sistemas hechos por el hombre.

Uno de ellos es el sistema conocido como humedal que, se describirá en el Capítulo 1 de este Manual, tiene la bondad de permitir la coexistencia de especies vegetales con microorganismos depuradores, los que toman justamente a los contaminantes disueltos en el agua y los estabilizan químicamente logrando en algunos casos transformarlos hasta CO2 y H2O y en otros, mantenerlos en formas estables poco reactivas.

Estos sistemas hechos por el hombre se denominan humedales artificiales y, en el Capítulo 2 de este Manual, se describe su operación y, en particular, la construcción de uno a escala prototipo, en el propio Colegio de Ciencias y Humanidades Plantel Sur.

Lo mejor de ellos es que gracias a que estos sistemas bioquímicos trabajan como ocurre en los sistemas naturales, su durabilidad es de varios años (a veces, hasta 30 años) y solamente requieren de recibir aguas residuales clarificadas, esto es, que no tengan sólidos suspendidos. Por ello, es importante contar con sistemas previos que separen los sólidos en suspensión para que el agua residual clarificada llegue al humedal artificial sin ellos evitando su azolve.

Finalmente, la mayor bondad es que los compuestos carbonosos se transforman en glucosa y ésta en celulosa, como parte de las plantas que coexisten en ellos. Por esto, es posible cosechar esta biomasa de las plantas acuáticas para producir composta o incluso artesanías, como las que acostumbraban los aztecas construir con ellas (esteras o petates, del náhuatl, sombreros, muebles, etc.).

A continuación, en la Figura 6 se presenta esquemáticamente cómo funciona un sistema depurador de aguas residuales, sea basado en métodos químicos o en métodos bioquímicos.

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Biogas / Biogases Suspended matter or sludge / Material en suspensión o lodo Dissolved matter / Material en disolución Non biodegradable matter / Material no biodegradable pensión

Physical separation Separación física

Método bioquímico Biochemical method Método químico Chemical method Chemical or biochemical precipitation and/or gasification Precipitación y/o gasificación química o bioquímica

Agua limpia / Clean Water

Figura 6. Diagrama esquemático del tratamiento de aguas residuales por métodos químicos y/o bioquímicos

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CAPÍTULO 1 LOS HUMEDALES NATURALES A estos terrenos se les conoce con muchos y muy variados nombres: ciénagas, pantanos, marismas, lagunas costeras, rías, esteros, cenagales, petenes, tintales, tulares, carrizales, selvas bajas inundables, tasistales, aguadas, sabanas y otros más. Pero hay un término que los engloba a todos: humedales. Y a todos ellos excepto quizá a los tintales - . Los humedales presentan condiciones de saturación del suelo que van de estacionales a permanentes. Dicha saturación causa anoxia en el suelo lo que altera sus características químicas y biológicas y da como resultado que tanto su biota como la dinámica de muchos de sus procesos y su papel en la dinámica de los ecosistemas sea especial. Existen diferentes definiciones de los humedales y distintas clasificaciones para distinguirlas dependiendo de la fuente de agua que los alimenta, de su posición en el paisaje y de otros factores. Por la presencia de un período seco se reconocen dos tipos de humedales: estacionales y permanentes. Los primeros se encuentran generalmente en depresiones del paisaje con suelos con drenaje pobre lo que produce acumulación de agua durante la época de lluvias. En ellos la dinámica a que da lugar la alternancia de períodos secos y húmedos produce la liberación de nutrientes lo que los convierte en ecosistemas muy productivos (Horn y Goldman, 1994; Maul y Cooper, 2000). También ocupan diferentes posiciones dentro de las cuencas hidrográficas. Algunos humedales se encuentran en las partes bajas, como los asociados a lagos o las marismas que se localizan en estuarios. En otros casos podemos hallarlos en las partes altas de las cuencas, asociados a ríos o aisladas, sin una conexión aparente con ríos, lagos o lagunas. Sin embargo, esta apariencia de aislamiento puede ser engañosa, pues la mayoría de los humedales se encuentran relacionados con los cuerpos de agua a través del flujo sub-superficial de agua y los mantos freáticos. En muchos casos los humedales son comunidades transicionales entre los sistemas terrestres y los sistemas 17

acuáticos. Las plantas que habitan en los humedales han desarrollado una serie de adaptaciones que les permiten tolerar las condiciones especiales de este hábitat, en particular las bajas concentraciones de oxígeno en el suelo y en el caso de los estuarios la tolerancia a las altas concentraciones de sal. Entre las plantas de los humedales destacan aquéllas que emergen sobre la superficie del agua y que son el elemento dominante en muchos de ellos, como los tules (Typha spp.) o diferentes especies de árboles. El exceso de agua es una limitante porque reduce la disponibilidad de oxígeno para las raíces, debido a que la difusión del oxígeno en el agua es alrededor de 10,000 veces más lenta en el agua que en el aire y porque existen muchos compuestos químicos en el agua que al oxidarse consumen su oxígeno (Whitlow y Harris, 1979). Una de las adaptaciones a las condiciones de anegación es el aerénquima, tejido esponjoso que permite el intercambio gaseoso entre las partes aéreas de las plantas y las raíces. Una adaptación notable a las condiciones de anaerobiosis de los suelos de los humedales lo encontramos en los manglares, que presentan raíces aéreas. Estos ambientes proporcionan servicios ecosistémicos de gran importancia (cuadro 1), entre los que destaca la capacidad de retener nutrientes y pequeñas cantidades de sedimento, lo que protege a los cuerpos y fuentes de agua. Esta capacidad de los humedales es resultado de las condiciones que se dan en el suelo anegado. Los suelos de los humedales pueden ser originariamente de naturaleza predominantemente mineral u orgánica, aunque con el tiempo las condiciones de anegación y anaerobiosis ocasionan que la materia orgánica se acumule. Por lo anterior estos suelos poseen una serie de características químicas especiales, entre las que destacan una alta eficiencia para atrapar muchos compuestos químicos, en particular metales pesados y fosfatos. Otra característica importante desde el punto de vista químico, es que presentan muchos

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estados de oxidación lo que favorece la transformación química de muchos compuestos. Las poblaciones microbianas tienen una gran influencia en la química de dichos suelos, siendo de particular importancia las transformaciones de los compuestos de nitrógeno que, como consecuencia de la actividad microbiana bajo condiciones anóxicas, dan como resultado la desnitrificación, es decir, la transformación de nitrato en nitrógeno molecular que es liberado a la atmósfera. Estas propiedades químicas y biológicas del suelo de los humedales actúan como “filtros”, reduciendo las concentraciones de nutrientes y otros compuestos químicos que son arrastrados de las partes altas de las cuencas, purificando el agua y, en muchos casos, protegiendo a los cuerpos de agua asociados de la eutrofización. Estas propiedades purificadoras se utilizan para el tratamiento de aguas residuales cuando se construyen humedales para este fin (Kadlec y Knight, 1996; Cronk, 1996; Hey, 2002). Sirven de área de reproducción para algunos moluscos (ej. ostras y caracoles), peces y crustáceos (ej. camarones, langostas y cangrejos) de importancia económica, pues son fuentes de alimento para el hombre. Otra función de gran importancia que brindan estas áreas es la de proveer refugio y alimento a aves acuáticas residentes y migratorias tales como patos y gansos. También proveen de áreas de anidación para varias especies amenazadas de tortuga marina, son hábitat de otras como el manatí y el cocodrilo, y en sus sistemas habitan especies terrestres muy diversas, tales como tapires, jaguares, monos, varias especies de rapaces, pelicanos y flamencos, entre otros Se les ha considerado tradicionalmente sitios carentes en absoluto de valor, meros obstáculos para la construcción de caminos, la agricultura o la urbanización. Sin embargo, constituyen uno de nuestros más valiosos recursos naturales y hay que tomar medidas para protegerlos y conservarlos, porque su destrucción puede tener serias consecuencias para la pesca, el turismo y otras actividades. Algunos humedales en el interior del país, como las milenarias pozas de Cuatro Ciénegas en el estado norteño de Coahuila, son de gran importancia ecológica, por la 19

singularidad de su biodiversidad. Lo aislado y estable de estos humedales complejos, ha ocasionado la evolución de especies únicas en el lugar, entre las que podemos mencionar peces, caracoles, algas y tortugas. En general, los humedales tienen una alta producción pesquera, son refugio de flora y fauna silvestres y nos brindan una gran variedad de bienes, servicios y funciones de gran valor. Son fuente de agua para uso humano, recargan los mantos acuíferos, filtran el agua y mejoran su calidad, pueden ser utilizados como fuente de energía, barreras contra huracanes, vías de comunicación, etc. Ayudan a controlar las inundaciones y erosiones, y protegen las costas. Actualmente la importancia de estos ecosistemas es reconocida, y diferentes organizaciones nacionales e internacionales trabajan para su protección y recuperación.

CAPÍTULO 2 INTRODUCCIÓN A LOS HUMEDALES ARTIFICIALES Un humedal artificial (HA) se puede definir como un área que se encuentra saturada por aguas superficiales o subterráneas con una frecuencia y duración tal, que sea suficiente para mantener estas condiciones de saturación. Tienen tres funciones básicas que los hacen tener un atractivo potencial para el tratamiento de aguas residuales: Fijar físicamente los contaminantes en la superficie del suelo y la materia orgánica. Utilizar y transformar los elementos por intermedio de los microorganismos. Lograr niveles de tratamiento consistentes con un bajo consumo de energía y mínimo mantenimiento.

Los humedales artificiales pueden emplearse como un sistema complementario en una planta de tratamiento de aguas existente para mejorar la calidad del agua (pulimento) y pueden usarse también como el principal sistema de tratamiento en pequeñas comunidades (Durán de Bazúa, 2004). Esta tecnología constituye una opción técnica, económica y ambientalmente viable ya que requiere poca especialización del personal para su manejo, posee bajo costo de mantenimiento, crea nuevos hábitats para la vida silvestre y protege de manera indirecta la salud de la población (Rivas-Hernández et al., 2005). 20

Como sistema de tratamiento de aguas residuales, un humedal artificial consta de un material de soporte (grava, arena o escoria volcánica), plantas (plantas vasculares) y microorganismos (bacterias, hongos principalmente) separados del entorno circundante (suelos adyacentes) mediante una membrana impermeable. Estos elementos interactúan entre sí para remover los contaminantes de un agua residual mediante complejos procesos, físicos, químicos y biológicos (Guido-Zárate, 2006). Algunos de estos procesos se describen más adelante en este capítulo. Los humedales artificiales pueden clasificarse dependiendo de su hidráulica, en humedales de flujo superficial (en inglés Surface Flow Wetlands o Free Water Surface Wetlands, SFW), flujo sub-superficial (Submerged Bed o Subsurface Flow, SsF) y con plantas flotando sobre la superficie del agua (Ruiz-López, 2009).

2.1. Humedales de flujo superficial (SFW) Tienen como característica principal que el agua se expone a la atmósfera, por lo que la alimentación se realiza por la superficie de un canal o estanque que contiene una capa de agua no muy profunda, generalmente de unos 30 cm, aunque puede llegar a ser más de 1 m (Figura 2.1). Consisten normalmente de uno o más canales de poca profundidad que tienen un recubrimiento de fondo para prevenir la percolación hacia el agua freática susceptible de contaminación y, una capa sumergida de suelo para las raíces de la vegetación macrófita emergente seleccionada. Cada sistema cuenta con estructuras adecuadas de entrada y descarga para asegurar una distribución homogénea del agua residual.

Figura 2.1. Humedal artificial de tipo superficial (Kadlec y Knight, 1996)

2.2. Humedales de flujo subsuperficial (SsF) En estos humedales, el agua se hace pasar por debajo de la superficie del sistema. La característica principal de este tipo de sistemas es que no hay, como tal, una columna de agua continua, sino que el influente circula a través de un medio inerte, que consiste en un lecho de arena y/o grava de grosor variable, que sostiene la vegetación la cual puede ser del tipo hidrófito o higrófito. Este lecho se diseña de modo que permita la circulación del agua residual tanto horizontal como verticalmente a través del sistema radicular de las macrófitas acuáticas (Figura 2.2).

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Figura 2.2. Humedal artificial de tipo subsuperficial (Kadlec y Knight, 1996)

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Las ventajas que se presentan al utilizar este tipo de sistemas son: a) menos área requerida, ya que las áreas superficiales para la absorción, filtración y los biofilmes son mucho más altos; y b) se reducen los insectos y los problemas del olor, puesto que las aguas residuales permanecen debajo de la superficie de grava (EPA, 2000b). La principal desventaja que pueden llegar a presentar es la saturación de los espacios libres del lecho a causa del gran crecimiento de las raíces y rizomas de las macrófitas, lo que puede derivar en la formación de caminos preferenciales para el agua, con lo que se reduce el tiempo de residencia hidráulica y, por lo tanto, la capacidad de depuración del humedal (Manual de fitodepuración, 2007).

2.3. Humedales con plantas flotando sobre la superficie del agua Finalmente, los humedales con plantas flotando sobre la superficie del agua, consisten en canales o estanques de profundidad variable (0.4 a 1.5 m) alimentados con agua residual pretratada, en los que se desarrollan las plantas que flotan de modo natural (Figura 1.3). Se utilizan plantas del tipo jacinto de agua (Eichomia crassipes) y lenteja de agua (Lemna spp.), conocida en la cuenca de México como chichicaxtle.

Figura 2.3. Humedal artificial con plantas flotantes (IWA, 2000)

2.4. Tipos y funciones de las plantas usadas en los humedales artificiales superficiales y subsuperficiales La vegetación emergente más utilizada en los humedales artificiales superficiales y subsuperficiales incluye a las espadañas o tule (Typha spp.), los juncos (Scirpus spp.) y los carrizos (Phragmites spp.). Las funciones más importantes de las plantas para el tratamiento de aguas residuales en un HA son los efectos físicos y químicos que originan dichas plantas (Brix, 1994, 1997). Las plantas estabilizan el material de empaque, proporcionan un excelente medio para la filtración, impiden que el material de empaque se azolve y proveen de una gran área superficial para la adhesión de los microorganismos.

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Las plantas también aportan oxígeno al humedal, generado por el proceso de la fotosíntesis. Los tallos, las hojas y, principalmente, las raíces, liberan oxígeno a través de sus rizomas a la rizósfera donde, se establece una relación simbiótica entre los microorganismos presentes y con esto se favorece la degradación de la materia orgánica y, a su vez, intercambian gases como CO2 y CH4 desde la zona radicular hacia la atmósfera por los espacios gaseosos dentro de la planta. Otro beneficio de las plantas es que cuando mueren, sirven como fuente de nutrientes para los microorganismos saprofitos y forman una biopelícula fija que contribuye también a la degradación de los contaminantes del agua residual. La Figura 1.4 detalla los efectos principales de las partes de una planta.

Figura 2.4. Efecto de las plantas en los HA (Guido-Zárate, 2006)

EL HUMEDAL DEL CCH SUR ES UN HUMEDAL DE FLUJO SUBSUPERFICIAL

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CAPÍTULO 3 SITIO DE CONSTRUCCIÓN

3.1. Características de la zona donde se localiza el humedal El CCH Sur prácticamente forma parte de La Reserva Ecológica del Pedregal de San Ángel (REPSA). Esta Reserva se encuentra al suroeste de la ciudad de México, en los terrenos de Ciudad Universitaria, por lo que es custodiada y manejada por la Universidad Nacional Autónoma de México. La REPSA tiene un alto valor biológico y cultural para la conservación de la biodiversidad y representa un patrimonio importante del Distrito Federal. Esta área es uno de los pocos ecosistemas naturales del sur de la Cuenca de México y destaca por sus características físicas, químicas y biológicas muy particulares que ameritan ser conservadas (Rojo, 1994; de la Fuente, 2005). Debido a la variabilidad del sustrato y altitud, la Reserva presenta diferentes asociaciones vegetales, siendo ésta clasificada como matorral xerófilo, con dominancia de arbustos (Senecio praecox) y hierbas. Algunos árboles exóticos, como el eucalipto (Eucalyptus sp.) y el pirú (Schinus molle), son ahora abundantes (Hortelano-Moncada et al, 2009). Se han registrado 337 especies de plantas vasculares, 148 de aves, 34 de mamíferos, 23 de reptiles y 7 de anfibios (SEREPSA, 2008). El ecosistema de la REPSA, nombrado desde la Conquista como “malpaís”, es considerado uno de los espacios de mayor riqueza florística de toda la cuenca de México y un refugio de diversidad de fauna que otrora se distribuía en lo que hoy es la Ciudad de México y sus alrededores. No es aventurado decir que el ecosistema del Pedregal de San Ángel puede ser la última reserva natural del área metropolitana de la segunda megaciudad del planeta (LotHelguera, 2008).

3.2. Topografía y clima El área de la Reserva tiene 237 ha (una zona núcleo de 171 ha y una de amortiguamiento de 66 ha) y se encuentra en la delegación Coyoacán, al suroeste del Distrito Federal ( entre 19º 20’ 22’’ y 19° 13’ 25’’ N y 99° 8’ 26’’ y 99º 14’ 3’’ O, con una altitud sobre el nivel del mar, de 2,200 – 2,277 m). El sustrato de esta superficie es típicamente basáltico, producto de la erupción del volcán Xitle hace aproximadamente 2,500 años y de la accidentada topografía (HortelanoMoncada et al., 2009). Su clima es templado subhúmedo con régimen de lluvias en verano [Cb(w 1 )w]. Topográficamente la reserva se localiza entre las isotermas de 15.3 °C y 15.6 °C y entre las isoyetas de 814.7 mm y 952.7 mm, es decir, su temperatura media es de 15°C y la precipitación media anual es de 870.2 mm al año. La época de lluvias es de mayo a octubre y la época de secas de octubre a mayo (Portal REPSA, 2010). El CCH Sur cuenta con una estación meteorológica como parte del Programa de Estaciones Meteorológicas de Bachillerato 25

Universitario. Sus registros en tiempo real, diario y mensuales se pueden consultar en la página del Programa: http://pembu.atmosfcu.unam.mx/php/estaciones.php.

3.3. Elección y localización del sitio El humedal artificial del Colegio de Ciencias y Humanidades Plantel Sur se localiza dentro del espacio del Sistema de Laboratorios de Docencia e Investigación (SILADIN) (Figura 3.1).

Figura 3.1. Localización del SILADIN en el CCH-Sur

El sitio exacto de construcción elegido por el CCH-SUR, fue un jardín del mismo SILADIN, dispuesto al lado de los laboratorios de biología, quedando al norte del plantel y al este y noroeste el Jardín Botánico de la UNAM, tal como se indica en la Figura 3.2.

La razón de la elección fue porque ya se encontraba al lado del mismo terreno una antigua fosa séptica de sedimentación de sólidos, que concentra las aguas residuales de los dos edificios que conforman el SILADIN. Además, por ser una zona propicia para que los estudiantes realicen prácticas de campo e investigación, bajo la supervisión de sus profesores e investigadores. 26

Figura 3.2. Localización del humedal artificial en el espacio del SILADIN

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CAPÍTULO 4 BASES DE DISEÑO, DESCRIPCIÓN Y MANTENIMIENTO DEL SISTEMA

4.1. Parámetros y ecuaciones de diseño 4.1.1. Factores de diseño de un humedal artificial La hidrología es el factor de diseño más importante en un humedal artificial ya que reúne todas las funciones del humedal y es a menudo el factor primario en el éxito o fracaso del mismo. Puede verse afectada por la densidad de la vegetación la cual provoca movimientos sinuosos del agua a través de las raíces, rizomas, tallos y hojas. El que un humedal se encuentre saturado de forma permanente permite la formación de una zona anaerobia en la cual pueden llevarse a cabo ciertos procesos biogeoquímicos que ayudan a la remoción de contaminantes (Ruiz-López, 2009). Los tipos de sustratos que se suelen utilizar en la instalación de humedales artificiales incluyen suelo, arena, grava, roca y materiales orgánicos como el “compost”. Algunos sedimentos y restos se pueden acumular en el humedal debido a la baja velocidad del agua y la alta productividad típica de estos sistemas. Los factores por los que el sustrato, sedimentos y los restos de vegetación se consideran importantes son los siguientes:

Funcionan como soporte de muchos de los organismos vivientes en el humedal. Su permeabilidad puede afectar el movimiento del agua a través del humedal. Pueden ocurrir muchas transformaciones químicas y biológicas (sobre todo del tipo microbiano). Proporciona almacenamiento para muchos contaminantes. La acumulación de restos de vegetación aumenta la cantidad de materia orgánica en el humedal. La materia orgánica da lugar al intercambio de materia, fijación de microorganismos y es una fuente de carbono, que es la fuente de energía para algunas de las reacciones biológicas más importantes que se llevan a cabo. Las características físicas y químicas del suelo y otros sustratos pueden ser alteradas por inundaciones, ya que, el agua reemplaza los gases atmosféricos en los poros y el metabolismo 28

microbiano consume el oxígeno disponible, esto produce la formación de un sustrato anóxico, lo cual será importante para la remoción de contaminantes como nitrógeno y metales. La principal importancia del uso de vegetación en los humedales artificiales, radica en la transferencia de oxígeno a la zona radicular. Como se mencionó en el Capítulo 1, las funciones que desempeña la vegetación para el tratamiento del agua residual son las siguientes: Estabiliza el sustrato y limita la canalización del flujo. Da lugar a velocidades de agua bajas permitiendo que los materiales suspendidos se sedimenten Toma el carbono, nutrientes y elementos traza incorporándolos a sus tejidos. Transfiere gases entre la atmósfera y los sedimentos. La liberación de oxígeno desde las estructuras subsuperficiales de las plantas oxigena otros espacios dentro del sustrato. El tallo y los sistemas de la raíz dan lugar a sitios para la fijación de microorganismos. La selección de la vegetación dependerá de las condiciones climáticas de la localidad, la profundidad del agua, el diseño del humedal (ya sea que se trate de un humedal de tipo superficial, subsuperficial o de plantas flotantes) y las características del agua residual a tratar. De esta manera, se pueden utilizar plantas de tipo emergentes, sumergidas, flotantes y de raíces flotantes (Figura 4.1). Las plantas emergentes que son frecuentemente utilizadas en la construcción de humedales artificiales para tratamiento de aguas residuales son las espadañas o tule, carrizos, juncos y juncos de laguna (Ruiz-López, 2009). En la Figura 4.2 se esquematizan los elementos principales que conforman un humedal artificial.

Figura 4.1. Tipos de plantas utilizadas en un humedal artificial. De izquierda a derecha; emergentes, de raíces flotantes, sumergidas, y de libre flotación (Nyquist y Greger, 2003) Las funciones de un humedal artificial se encuentran reguladas por los microorganismos y su metabolismo. Estos incluyen bacterias, levaduras, hongos y protozoarios. La biomasa microbiana transforma un gran número de sustancias orgánicas e inorgánicas en sustancias inocuas o insolubles, altera las condiciones de potencial redox del sustrato y de esta forma 29

incide en la capacidad de proceso del humedal y, recicla los nutrientes que se encuentran en humedal (Ruiz-López, 2009). Las transformaciones microbianas pueden ser de tipo aerobio o anaerobio. Además, se pueden presentar especies de tipo facultativo, o sea, con capacidad de funcionar bajo condiciones aerobias y anaerobias en respuesta a los cambios en las condiciones medioambientales. Es importante tener cuidado con la presencia de sustancias tóxicas, como por ejemplo plaguicidas y metales pesados, ya que pueden dañar la comunidad microbiana presente en el humedal (Lara-B., 1999). El efecto que puedan tener dependerá de su concentración, combinación de elementos o sustancias tóxicas y la resistencia del sistema.

Figura 4.2. Elementos principales que componen un humedal artificial

4.1.2. Ecuaciones de diseño de los humedales artificiales Los humedales artificiales son considerados como reactores biológicos, que operan como reactores tipo pistón perfectamente mezclados y bajo una cinética de primer orden, por lo que siguen la siguiente ecuación:

Ce Ci

= e-Kt (3-1)

donde: Ce = Concentración de contaminante en el efluente (mg/L) Ci = Concentración de contaminante en el influente (mg/L) K = KT = Constante de reacción de primer orden dependiente de la temperatura (d-1) t = TRH= Tiempo de residencia hidráulica (d) 30

El tiempo de residencia hidráulica puede definirse también como:

L*W*y*n Q

TRH =

(3-2)

donde: L = Largo del humedal (m) W = Ancho del humedal (m) y = Profundidad (m) n = Porosidad o espacio disponible para el flujo del agua a través del humedal (Porcentaje expresado como decimal) Q = Caudal promedio, (m3/d) Si se combinan las ecuaciones 3-1 y 3-2, se puede calcular el área superficial, As (m2) estimada.

Q*ln(Ce /Ci ) K*y*n

As =

(3-3)

El valor de KT depende del contaminante que se quiere eliminar, en caso de no contarse con valores de la literatura puede aplicarse la siguiente ecuación:

KT = K20(1.1)(T-20)

(3-4)

En la Tabla 4.1 se muestran los valores de K20 más utilizados en el cálculo de humedales en función del material de soporte utilizado.

Tabla 4.1. Valores más usados en cálculo de humedales Material

Diámetro medio (mm)

Porosidad%

Arena mediana Arena gruesa Grava Tezontle

3.2 5-7 8 20-30

36-40 28-32 30-55 40-50

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Conductividad hidráulica ks(m3/m2*d) 10,000-50,000 1000-10000 500-5000 20000-25000

K20

1.84 1.35 0.6 2.1

La memoria de cálculo que permitió calcular el presente humedal se encuentran en el anexo al final de este documento.

4.2. Descripción general del proceso y diagrama de flujo y de proceso (DFP) Para poder describir el humedal artificial del SILADIN-CCH-Sur es necesario seguir cada paso ayudándose de las Figuras 4.3. y 4.4. En la Figura 4.3 se presenta el Diagrama de Flujo de Proceso (DFP), donde se esquematiza el proceso descrito así como las modificaciones que se realizarán a futuro. En la Figura 4.4 se encuentra el Arreglo General del Humedal Artificial que presenta las dimensiones del humedal y la distribución espacial de los equipos. En los siguientes incisos se describe la función de cada uno de los equipos y tanques así como las recomendaciones de mantenimiento.

4.2.1. Fosa séptica (FS-101) LABORATORIOS SILADIN

El proceso de tratamiento del agua residual proveniente de los edificios del SILADIN y del edificio de idiomas comienza cuando esta se descarga por gravedad a un registro anterior a la fosa séptica (FS-101).

WC

WC

Grieta del subsuelo Una vez que las aguas negras se vierten en esta unidad de separación, el material comienza a fluir bordeando las mamparas verticales y las mamparas invertidas, las cuales provocan un flujo “serpenteante” mismo que facilita la sedimentación de los sólidos “gruesos” en los primeros compartimentos y no permite el paso de los flotantes desde la primera división. Al llegar al último compartimiento el agua clarificada es enviada a la siguiente parte del proceso por medio de una bomba sumergible (BS1). La fosa está construida en concreto armado con varilla de acero cuenta con tres registros en la parte superior que permiten acceder a una bomba sumergible o a la manguera de un camión tipo “vactor” para la purga de lodos.

4.2.1.1 Mantenimiento: El retiro de lodos para composteo se realiza cada15 días para composteo mediante la bomba de achique (BS2) especial para lodos, sin embargo; el retiro de lodos mediante un tanque de vacío (camión tipo “vactor”) debe realizarse cada 6 meses. De no llevarse a cabo esta práctica, una mayor cantidad de sólidos podría mantenerse suspendidos, viajar al humedal y azolvarlo poco a poco.

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Figura 4.3. Diagrama de flujo de proceso para el humedal artificial del SILADIN-CCH-Sur

Figura 4.4. Arreglo general para el humedal artificial del SILADIN-CCH-Sur

4.2.2. Bomba sumergible (BS1) Localizada en el último compartimento de la Fosa FS-101, la Bomba sumergible BS1 bombea el agua a un Tanque dosificador TC-101. La bomba se encuentra suspendida con una cadena de acero inoxidable-316 y apenas se sumerge 0.35 m en el agua residual del último compartimiento de la fosa séptica para evitar la extracción de sólidos suspendidos. Las especificaciones de la bomba BS1 son las siguientes: Es una bomba sumergible, marca Impel, modelo CV-M2-51-M, es de tipo centrífuga, especial para alto contenido de sólidos suspendidos en aguas residuales. Está construida en acero inoxidable 316, protegida electroquímicamente de la oxidación, su motor es de 0.5 HP, 110 VAC-1F-60 Hz. Sus dimensiones y masa se indican en la Figura 4.5. Cuenta con un flotador tipo “switch” –perilla- que una vez que queda completamente vertical (90°) y apenas flotando sobre la superficie del agua, paralelo a la bomba, manda la señal de arranque al tablero de control y éste al motor de la bomba. El bombeo sigue hasta que el flotador ha caído completamente y no vuelve a activarse hasta que el flotador está de nuevo completamente erguido.

Figura 4.5. Dimensiones de la bomba sumergible (BS1) instalada en la fosa de separación (FS101)el humedal artificial del SILADIN- CCH-Sur 4.2.2.1. Mantenimiento: Junto con este manual se anexa el manual de la bomba donde el fabricante indica sobre su mantenimiento y características de operación.

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4.2.3. Tanque dosificador (TC-101) Este tanque tiene la función de homogenizar las aguas negras, funciona como punto de muestreo y para realizar algunas otras pruebas para modificar la operación del sistema. Está fabricado en polietileno de alta densidad con una capacidad nominal de 800 galones o 3,024 L, aproximadamente. En su parte inferior se localiza una válvula de bola para drenar los lodos pesados que se van sedimentando en caso de ser necesario e inclusive para funcionar como punto de muestreo. El efluente de este tanque se bombea al FILTRO PERCOLADOR mediante la bomba BS3.

4.2.4. Bomba centrífuga de alimentación al filtro percolador (BS3) Este equipo envía el afluente ya homogeneizado a la parte superior del Filtro Percolador FP-101. Esta bomba cuenta con un flotador tipo “switch” de desplazamiento en el Tanque TC-101. Cabe mencionar que la varilla es corta intencionalmente, no más 70.cm por debajo de la superficie del agua, con el objeto de que solo se bombeen los sobrenadantes y no los sólidos sedimentados, ya que estos últimos se retiran por purgado. Una vez que el agua alcanza su máximo nivel el flotador activa el “switch” hacia arriba y enciende la bomba, cuando desciende el nivel del agua por debajo de la pera del flotador esta jala por gravedad y apaga la bomba. 4.2.4.1. Mantenimiento: Este tipo de bomba (centrífuga de impulsores abiertos, de 0.5 HP y 110 volts), no requiere de mantenimiento especializado, y en algunos casos, puede ser más económico su remplazo. Algunas medidas preventivas que pueden aplicarse son: El cambio de carbones, el reembobinado del motor y el cambio de cables cada 3 meses.

4.2.5. Filtro percolador FP-101 Este filtro cuenta con un distribuidor de agua en forma de cruz para que el agua percole a través de la cama o lecho de un empaque de polietileno que permite la formación de una biopelícula que remueve parte de la materia orgánica presente en el agua. El efluente del filtro, descargado por una tubería en la parte inferior del filtro, está conectado al Distribuidor Hidráulico (DH-101) que alimenta al Humedal Artificial (HA-101) a todo lo ancho del mismo.

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4.2.5.1. Mantenimiento: El filtro percolador cuenta con una purga de tubo de PVC de 2.0” en la parte inferior para purgar los lodos (esta práctica deberá realizarse mensualmente; los lodos pueden compostearse o enviarse al reactor anaerobio. Las conexiones de salida pueden lavarse cada 6 meses con ácido muriático y escobillón, usando guantes, mascarilla y lentes tipo “goggle” para retirar las bacterias que se forman y se producen en forma gelatinosa tapando los tubos. La tuerca unión que une al distribuidor hidráulico con la salida del filtro se puede separa y permite desazolvar con alambre y escobillón los depósitos bacterianos que se forman en el mismo. Con respecto al medio de soporte al interior del filtro no se toca, ni se retrolava y se cambia cada 10 años. La junta de neopreno que forma la unión de la base con el tubo vertical, se cambia cada 10 años

4.2.6. Distribuidor hidráulico (DH-101) Se trata de una T de tubo de plástico semiflexible de polietileno de alta densidad de 6” de diámetro interno. Con perforaciones paralelas al fondo de un solo diámetro (1.0 a 3.0 cm, según el flujo), las cuales se espacian proporcionalmente (por ejemplo, 2 cada 25 cm, 2 cada 20 cm, 3 cada 15 cm, 3 cada 10 cm) para mantener un flujo uniforme a lo largo de todo el humedal y permitir que se descargue agua en las orillas y así evitar los caminos preferenciales. Un distribuidor hidráulico también puede construirse espaciando las perforaciones uniformemente cada X distancia, por ejemplo cada 30 cm y aumentando progresivamente los diámetros (3 de 1.0cm, 3 de 1.5 cm, 3.0 cm); arriba de 3 cm puede perderse presión y no mojar todo el perímetro del orificio de descarga. Para el caso del humedal del CCH-Sur se aplicó la primera opción El Distribuidor puede ir sobre la superficie pero se ha demostrado que es mejor sumergirlo apenas 10 cm en una cama de piedra volcánica, como en el caso del humedal del SILADIN, o de río, de 10.0 cm de diámetro promedio tal y como se muestra en la Figura 3.4. Esta pedrería se cambia cada 5 años.

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HUMEDAL ARTIFICIAL Entrada influente Bordo libre 0.50 m Grava, 0.90 m

Nivel agua, 0.80 m 6.0 m

Salida efluente

Pendiente 1.0-5 % 13.0 m

1m

Distribuidor hidráulico corte vertical CorteColocación vertical Figura 4.4. del distribuidor hidráulico sumergido

Los distribuidores pueden construirse también con charolas o con vertederos “V-Notch”, siempre y cuando la extensión del brazo no sea mayor a 5 metros 4.2.6.1. Mantenimiento: Para limpiar el distribuidor DH-101, es necesario aflojar la tuerca unión al final del codo de alimentación para separalo; luego se le quita la piedra y se lleva manualmente fuera del humedal. Puede tallarse con cepillo recto por fuera y cepillo tubular para eliminar la “lama” de los orificios y luego semi llenarse y mojarse con una solución de ácido muriático (HCl industrial al 35%), dejarlo reposar una noche y al otro día lavarlo con manguera de agua a presión, para después reacoplarlo en su sitio.

4.2.7. Humedad artificial En este apartado se describe la función de los diferentes elementos que conforman el humedal así como los cuidados que deben tenerse para su mantenimiento 4.2.7.1. Lecho rocoso: El agua residual pretratada en el filtro percolador, fluye del

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distribuidor hidráulico DH-101 a un lecho de piedra volcánica de 0.5 m de ancho x 0.30 m de altura, que los distribuye uniformemente través del lecho de humedal artificial que es de tezontle de diferentes granulometrías (10.0 cm en el fondo, 0.3 cm en la parte media y 1.0-3.0 cm en la parte superior. Es muy importante mantener la relación anterior, ya que la piedra es fuertemente sujetada por las raíces y se trata de no permitir obstrucciones y eliminar caminos hidráulicos preferenciales y mantener la uniformidad del flujo. 4.2.7.2. Pendiente del humedal: El valor típico de pendiente en los humedales es de 1% para favorecer el flujo evitando así estancamientos. En este caso, la pendiente de este Humedal es de 5% por cuestiones constructivas. 4.2.7.3. Geomembrana: El humedal, construido en concreto y acabado arquitectónico piramidal en basalto, está recubierto de una geomembrana de polietileno de alta densidad de 1.5 mm de espesor para dar la resistencia adecuada. Sobre la geomembrana se colocó una cama de gravilla o tezontle fino de 1.0 cm de diámetro promedio y altura no mayor a 15.0 cm. Nunca se debe colocar sobre o directamente la piedra grande para evitar perforaciones. A la geomembrana solo pueden soldarse tubería y accesorios de polietileno de alta densidad ya que no es compatible con otros materiales. Las uniones mecánicas deberán asegurar el sello completo. Nunca debe perforarse una membrana con tornillos o clavos, ya que estos iniciarán un punto de ruptura. Los silicones, pegamentos y resinas epóxicas son incompatibles con la misma y, por lo tanto, no produce sello. En caso de que la geomembrana llegara a requerir reparación, deberá ser realizada por un técnico especializado, porque si no se aplica el calor de fusión correctamente, ésta puede rasgarse o perforarse. 4.2.7.4. Vegetación del humedal: Está conformada por tule, carrizo, zacaltul, algunos papiros y alcatraces; el predominio de estas especies dependerá de su adaptabilidad a las condiciones ambientales del humedal. La proporción de plantas por metro cuadrado de humedal es de 8 a 10.

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4.2.7.5. Cárcamo de salida: El efluente del humedal se descarga por gravedad desde el Cárcamo de salida, CS-101, hasta la Fosa de almacenaje y desinfección TD-101, desde donde podrá descargarse al subsuelo o bien utilizarse para riego. 4.2.7.6. Mantenimiento: Aunque pareciera que el humedal trabaja por sí mismo, requiere un mínimo de mantenimiento empezando por la recolección periódica de los restos vegetales como varas y hojas muertas, operación que debe practicarse cada quince días en el verano, cada semana en el otoño y una vez al mes en el invierno. De no hacerse lo anterior los sólidos en pudrición podrían contribuir al azolvamiento del mismo. Con lo que respecta a la densidad de las plantas esta será según la especie; para el caso de carrizos (Phragmites spp.), se deberán mantener de 8 a 10 plantas /m2, para las espadañas o tule (Typha spp.), de 10 a 12 plantas, y para los juncos de 8 a 10 plantas /m2. La sobrepoblación de plantas puede llevar a que las raíces aprieten el medio y tapen los poros de las piedras. Por lo que concierne a las tuberías de desfogue para evitar inundaciones deben limpiarse en verano cada semana y en invierno cada quince días de hojas y varas, para evitar que el humedal pudiera inundarse y derramarse.

4.2.8. Fosa de almacenaje y desinfección TD-101 Fosa de almacenaje y desinfección TD-101, desde donde podrá descargarse al subsuelo o bien utilizarse para riego. Se pueden usar pastillas de cloro o lámparas ultravioleta para llevar a cabo la desinfección. La concentración de cloro no deberá ser mayor a 1 ppm (1 pastilla de ”Cloralex” de 100g por cisterna cada semana).

4.2.9. Bomba extractora de lodos (BS2) Esta bomba se usa para las purgas periódicas de lodo de la fosa, ya sea para su composteo o para la digestión o degradación anaerobia (digestión anaerobia es un pleonasmo). Este tipo de bombas están diseñadas exclusivamente para la purga de lodo.

4.2.9.1. Mantenimiento: Debe ser realizado cada año por un especialista (Ver Manuales editados por el Programa de Ingeniería Química Ambiental y de Química Ambiental de la Facultad de Química de la UNAM en 1998, 2003 y por los Laboratorios 301, 302 y 303 de Ingeniería Química Ambiental y de Química Ambiental en 2009). Nota: Por falta de recursos económicos esta bomba no ha sido adquirida todavía y los lodos son extraídos con el apoyo institucional del personal de la DGOC, de la Secretaría Administrativa de la UNAM.

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4.3.

Muestreo para el control de calidad del sistema

4.3.1. Toma de muestras de agua (influente, efluente)

La muestra se toma basándose en la Norma Mexicana NMX-AA-003-1980. Tal y como lo indica la norma citada y según la Tabla 4.2, se deben etiquetar los frascos contenedores y una vez tomada la muestra debe colocarse en una hielera con bolsas refrigerantes o hielo para su transporte al laboratorio, de preferencia a una temperatura entre los 4 y 10ºC, cuidando de no congelar las muestras.

Una vez en el laboratorio, son almacenadas en una cámara de refrigeración en oscuridad a una temperatura entre 4 y 10ºC.

Tabla 4.2. Parámetros de interés a medir en las muestras Parámetro DBOTotal (mg O2/L) DQOTotal (mg O2/L) SDT (mg/L)

Cantidad 200 mL

Envase Plástico o vidrio

Preservación 4°C

50 mL

Plástico o vidrio

pH