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Humedales construidos
Comparados con sistemas convencionales de tratamiento, los humedales
construidos para tratamiento de agua son de bajo costo, fácil operación y
mantenimiento. Sin embargo, no han sido usados ampliamente debido a la falta
de conocimiento y experiencia local para desarrollar la tecnología adecuada.
Diego Paredes Cuervo
D
e acuerdo con las cifras que maneja la
Organización Panamericana de la Salud
(2001), la situación de saneamiento básico
en América Latina es crítica:
El 23% de la población no tiene acceso a
saneamiento básico adecuado.
49% de la población no tiene acceso a sistemas de alcantarillado.
Solo el 15% de las aguas residuales colectadas son conducidas a plantas de tratamiento
y, de las existentes, la gran mayoría no funciona satisfactoriamente.
En Colombia, la situación no difiere significativamente de lo que se encontró en Latinoamérica:
el país trata sólo el 9% de sus aguas residuales,
a pesar de contar con una capacidad instalada
que permitiría tratar hasta un 32%, y existe la necesidad de construir 900 sistemas más.
Muchos factores pueden señalarse como causantes de esta situación; sin embargo, los más importantes se pueden resumir en que las tecnologías
seleccionadas no consideran las características y
condiciones económicas de los municipios, don-
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de hay ausencia de capacitación y falta de capital. Es claro entonces
que se deben plantear y adelantar trabajos de investigación y desarrollo tecnológico en sistemas de tratamiento acordes con la realidad de
los distritos colombianos.
Comparados con sistemas convencionales de tratamiento, los
humedales construidos (HC) son de bajo costo, fácil operación y
mantenimiento, y con un enorme potencial para la aplicación en
países en desarrollo, particularmente para pequeñas poblaciones rurales. Sin embargo, estos sistemas no han sido usados
ampliamente debido a la falta de conocimiento y experiencia local para desarrollar la tecnología en condiciones propias.
En los países desarrollados, los HC han sido diseñados para imitar los sistemas de humedales naturales, a fin de tratar varios
tipos de agua residual. En contraste, el promedio de adopción
de esta tecnología en países en vías de desarrollo ha sido bajo,
pese a que alrededor de la mitad de humedales naturales del
planeta se encuentra en los trópicos. Además, la mayor parte de
los países en desarrollo tienen condiciones climáticas que son
propicias para la alta actividad bacteriana y biológica, mejorando
ostensiblemente el desempeño de estos sistemas y aprovechando la riqueza biótica que ofrecen estas regiones.
Los HC se basan en los procesos naturales
que ocurren en la vegetación, suelo
y población microbiológica asociada,
como mecanismos de remoción de
contaminantes. Están diseñados para
tomar ventaja de los mismos medios que
ocurren en humedales naturales, pero en
un ambiente más controlado.
Los HC tienen costos de inversión similares o incluso ligeramente mayores que los sistemas tradicionales. La diferencia está en
los precios de operación y mantenimiento. Debe considerarse
que estos valores iniciales pueden ser más altos en países desarrollados, donde el precio de la mano de obra es mayor que
en países en vías de desarrollo. Al respecto, la Universidad Tecnológica de Pereira está adelantando un modelo de costos que
permita determinar hasta qué punto la tecnología es viable para
las condiciones locales.
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Tipos de humedales construidos
El tratamiento de aguas residuales con plantas acuáticas ha sido
utilizado por el hombre durante siglos, para responder más a la
necesidad de alejar y disponer los residuos líquidos que al
tratamiento como tal. Los humedales naturales sirvieron para este
propósito cuando se encontraban cerca de los asentamientos
humanos, hasta que, en muchos casos, descargas no controladas de aguas residuales ocasionaron alteraciones irreversibles en
estos ecosistemas.
En el caso de los humedales construidos habría que incluir,
además, la pregunta de cuál es el objetivo del tratamiento. Los
humedales para el tratamiento de aguas residuales pueden clasificarse de acuerdo con el tipo de plantas acuáticas que se
usen y según el patrón hidráulico de aplicación y distribución
del agua residual. La clasificación más usada se basa en la
dirección y tipo de flujo en los humedales (figura 1), con las
siguientes denominaciones:
Los humedales construidos pueden utilizarse con un mayor grado de control. Permiten regular el efecto que diferentes tipos de
plantas, suelos y patrones hidráulicos tienen sobre los mecanismos de remoción y transformación de agentes contaminantes.
Adicionalmente, tienen otras ventajas en comparación con el uso
de humedales naturales, como la selección del sitio, la flexibilidad
en las dimensiones y, quizá el elemento más importante, el control
sobre el régimen hidráulico y los tiempos de retención.
Humedal superficial de flujo horizontal: puede tener plantas acuáticas emergentes, sumergidas o flotantes. En este tipo
de sistemas, el agua residual por tratar está expuesta al aire y
la dirección del flujo es horizontal.
Humedal subsuperficial de flujo horizontal: similar al anterior, pero el agua residual por tratar está por debajo del medio, es decir, el agua se mueve a través del medio de soporte
de las plantas en dirección horizontal.
Humedal subsuperficial de flujo vertical: la alimentación
del agua residual se hace por la parte superior del sistema, y
la recolección del agua residual tratada se lleva a cabo por la
parte inferior. Su requerimiento de área es menor, pero es un
poco más complejo su diseño, construcción y operación.
Sistemas combinados o híbridos: basados en el uso de dos
o más sistemas de los descritos anteriormente.
Como es normal cuando se habla de sistemas de tratamiento, han
surgido discusiones sobre qué tipo de humedal es el más conveniente
o el más efectivo. También ha habido debates sobre los sistemas aerobios y anaerobios para el tratamiento biológico de aguas residuales.
En ambos casos, la respuesta es la misma: depende de las características del agua residual por tratar y de las condiciones locales.
Humedal superficial de flujo horizontal con plantas flotantes
Humedal subsuperficial de flujo horizontal
Humedal superficial de flujo horizontal con plantas sumergidas
Humedal superficial de flujo horizontal con plantas emergentes
Figura 1. Tipo de humedales construidos
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Humedal subsuperficial de flujo vertical
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Componentes
Los humedales construidos son sistemas diseñados y erigidos por
el hombre. Se basan en los procesos naturales que ocurren en la
vegetación, suelo y población microbiológica asociada, como mecanismos de remoción de contaminantes. Están diseñados para
tomar ventaja de los mismos procesos que ocurren en humedales
naturales, pero en un ambiente más controlado.
Algunos de ellos son construidos con un solo propósito: el tratamiento de aguas residuales, mientras otros son concebidos con múltiples
intenciones, como la creación y restauración de hábitats para la vida
silvestre. Un humedal construido consta, entonces, de plantas, material filtrante y agua.
Un aspecto importante en este tema es que se requiere un pretratamiento básico que remueva los sólidos suspendidos presentes en el desecho. Al respecto existen experiencias en Colombia
con clarificadores primarios, tanques sépticos y filtros anaerobios
como tratamientos antes del uso de algún humedal construido.
Las plantas
En el pasado se pensaba que las plantas eran las únicas responsables de los diferentes procesos que se daban en el sistema.
Hoy se sabe que esto depende de la fuerte interacción con los
otros componentes, como son suelo, agua y microorganismos,
donde estos últimos tienen una importante función.
En los humedales construidos, las plantas permiten la liberación
de oxígeno y nutrientes en la rizósfera, elementos indispensables para el crecimiento microbiológico. Como mecanismo de
defensa, algunos vegetales acumulan gradualmente elementos
tóxicos, como metales pesados, principalmente en la zona radicular. Una menor recolección se da en el tallo, y otra mínima en
las hojas. Esta acumulación depende de varios factores, como la
forma o estado del contaminante.
No todas las plantas pueden acumular sin ser afectadas por el elemento tóxico. Hasta la fecha no se ha podido comprobar que las
plantas liberan antibióticos en sus exudados radiculares ni que estos sean responsables de la remoción de organismos patógenos.
Más bien se atribuye a mecanismos biológicos, como decaimiento
y predación por bacteriófagos y protozoarios.
Algunos de los HC son construidos con un solo
propósito: el tratamiento de aguas residuales,
mientras otros son concebidos con múltiples
intenciones como la creación y restauración
de hábitats para la vida silvestre.
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Las plantas tienen un impacto fuerte en la distribución hidráulica
gracias a la evapotranspiración. Y, según si esta última es alta o
baja, las líneas de flujo o patrón hidrodinámico cambiarán. Este fenómeno es de gran importancia en los sistemas de flujo superficial
y en sistemas de flujo subsuperficial de baja profundidad.
El crecimiento radicular de las plantas no permite aumentar la conductividad hidráulica del sistema. Por tanto, el tratamiento debe
diseñarse con base en la conductividad hidráulica del medio filtrante. Se recomienda usar el 10 por ciento del valor para efectos
de seguridad en el diseño. La liberación de oxígeno por parte de
las plantas es limitada, y depende del tipo de planta, intensidad
solar y potencial redox; si los valores de este último son bajos, la
liberación de oxígeno es mayor.
En lo posible, debe trabajarse con especies nativas de la zona en
donde se va a construir el sistema, para evitar algún tipo de
impacto sobre los ecosistemas naturales. Este punto aumenta su
validez e importancia en la medida en que se dé un valor agregado
a la biomasa producida. Si la planta sirve de soporte para la
actividad microbial, ¿por qué no usar plantas que tengan alguna
utilidad productiva? Existen ejemplos claros como el caso de la
lenteja de agua aplicada en sistemas lagunares, también denominados humedales de flujo superficial con plantas flotantes.
En los HC las plantas permiten la
liberación de oxígeno y nutrientes en la
rizósfera, elementos indispensables para
el crecimiento microbiológico.
La Universidad Tecnológica de Pereira ha adelantado trabajos con
guadua y heliconias en humedales de flujo subsuperficial, con resultados comparables a los obtenidos con plantas de uso tradicional. La siguiente fase es trabajar a escala piloto para hacer evaluaciones económicas más precisas.
Para futuros trabajos es importante también evaluar especies nativas con alta tasa de evapotranspiración, con lo cual se optimizarían los procesos y se generarían remociones del 100% en cargas
contaminantes (sistemas evaporativos). En este sentido, la experiencia en países escandinavos es un buen referente.
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El medio filtrante
Además de servir como soporte de las plantas, el medio filtrante
es base de los microorganismos y de los procesos de remoción.
Este componente define el tamaño del sistema: aquellos medios
filtrantes con pequeños diámetros de partículas llevan a altos requerimientos de área debido a la baja conductividad hidráulica.
Medios filtrantes de mayor diámetro implican menores requerimientos de área por la mayor conductividad hidráulica. De otra
parte, los procesos de remoción son más eficientes en sistemas
basados en medios filtrantes de mayor diámetro, pues los de menor diámetro son susceptibles al taponamiento.
Muchos de los procesos o mecanismos de remoción dependen
del suelo y especialmente de la capacidad de adsorción del medio,
pues cuentan con una mayor superficie. Las plantas ayudan a aumentar o mantener esta capacidad de adsorción; sin embargo, es
factible que al cabo de un tiempo la eficiencia de la remoción disminuya, puesto que la capacidad de generación de nuevas áreas
de adsorción es menor que la fijación de contaminantes.
Sistemas de tratamiento de humedales basados en la capacidad
de adsorción del suelo requerirán cambio del material filtrante,
algo que no se indica claramente al promocionar la tecnología relacionada. Por eso, es preferible usar como medio filtrante gravas
o cantos rodados con diámetros entre 0,5 y 2,5 cm., para evitar las
mezclas de suelos y arenas finas, porque estos materiales generarán obstrucciones a los pocos meses.
Propiedades
Si la retención dura entre 1 y 2 días, los humedales de flujo horizontal y vertical pueden remover entre 1 y 2 unidades log de E. coli
(patógenos), mientras que la combinación de un sistema vertical
con uno horizontal, de acuerdo con las experiencias obtenidas en
Pereira, permiten alcanzar valores de remoción comprendidos entre 4 y 5 unidades log, con la ventaja adicional de una reducción
significativa en el requerimiento de área.
Con esta misma duración de la retención hidráulica pueden alcanzarse remociones de DBO5 (Demanda Biológica de Oxígeno a los
5 días) superiores al 90% tanto en sistemas horizontales como verticales, aunque estos últimos requieren menos área. Los sistemas
de flujo horizontal no remueven eficientemente nitrógeno, pero la
combinación de un sistema vertical con uno horizontal permite
remociones superiores al 90%.
Erróneamente se ha dicho que no hay producción de lodo en humedales construidos. Al contrario, esta formación sí se genera y se
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acumula inicialmente cerca de la entrada del sistema. Con el paso
del tiempo, los intersticios o poros del medio filtrante se empiezan
a llenar, afectando la conductividad hidráulica. Luego, la extensa
área superficial del medio filtrante es rápidamente colonizada por
biopelículas microbianas, compuestas por células microbianas,
generalmente muy porosas, con alta capacidad de adsorción y con
un contenido de agua de hasta 95% de agua.
Como resultado inmediato, esta membrana contiene una gran
fracción de materiales adsorbidos y entrapados, tales como solutos
y partículas inorgánicas. En la medida en que este ecosistema se
establece, envejece y muere, ellos empiezan a formar parte del lodo
inorgánico. En general, las paredes celulares de bacterias, algas y
otros microorganismos son bastante complejas y refractarias, y, por
tanto, difíciles de biodegradar. Un buen diseño permitirá operar el
sistema sin problemas; sin embargo, hay que pensar y desarrollar
métodos no invasivos y simples para remover estos sólidos.
Aunque en apariencia son relativamente sencillos, los procesos y
mecanismos de transformación de los contaminantes en humedales
construidos son complejos. El conocimiento de su tecnología aumenta cada día, y hoy es posible saber cuáles son los diferentes factores que afectan el comportamiento del sistema en el largo plazo.
Muchos de los mecanismos de remoción
dependen del suelo y especialmente de la
capacidad de adsorción del medio filtrante,
la cual es aumentada por las plantas.
Los desarrollos futuros también deben considerar las condiciones locales y los parámetros que se quieren remover. Para esto
es necesario elaborar guías técnicas de planificación, diseño,
construcción y operación de estos sistemas, así como
capacitar y transferir la tecnología necesaria, con el fin de evitar que
personal sin capacitación ni experiencia realice los diseños. Hay
que profundizar en modelos de costos y en el uso de especies
vegetales con potencial económico.
Autor
Diego Paredes Cuervo. Ing. Sanitario, M.Sc., Dr. Ingeniería Grupo de Investigación en
Agua y Saneamiento, Facultad de Ciencias Ambientales, Universidad Tecnológica de
Pereira. www.aguaysaneamientoutp.info
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