martes, 28 de abril de 2020

Unidad 2 Actividad 2. Problemas del agua & tecnología

Introducción.

Durante las últimas décadas las actividades humanas han crecido de una manera alarmante, esto junto con una conciencia pública por demás limitada referente a las problemáticas medioambientales, han tenido como resultado en la creciente degradación de los recursos naturales.

El objetivo primordial que tiene un tratamiento de aguas residuales es poder permitir que los efluentes tanto municipales como industriales se puedan llegar a eliminar sin causar tanto daño a la salud humana como las posibles repercusiones inaceptables para el medio ambiente. La gestión de las aguas residuales por medio de un tratamiento adecuado para su posterior reutilización se debe considerar como un requisito previo para la protección y el uso sostenible de los recursos hídricos.

A principios del siglo XX, la gran mayoría de las ciudades e industrias comenzaron a darse cuenta de que el descargar las aguas residuales directamente a los cauces de los ríos causo además de problemas de salud, la degradación de los cuerpos de aguas naturales, debido a esto se realizó la construcción de instalaciones de tratamiento de aguas residuales. Aproximadamente en este mismo tiempo, el tanque séptico se introdujo como medio para tratar las aguas residuales domésticas tanto en áreas suburbanas como de las rurales.

Desarrollo.

Descripción de la problemática.

El agua es uno de los recursos naturales que forman una parte fundamental para el desarrollo de cualquier país; es el compuesto químico más abundante del planeta, sin embargo, aunque este como compuesto es abundante no todo se puede considerar apto para uso humano, además de que resulta indispensable para el desarrollo de la vida.

Su disponibilidad conforme pasa los años es paulatinamente menor debido a la gran contaminación que sufre, todo esto a través de diversos medios, lo cual viene a representar no solo un desequilibrio ambiental, sino también económico y social.

Se considera que el agua está contaminada cuando en esta se encuentran alteradas sus características ya sean químicas, físicas, biológicas o de su composición, cuando esto sucede está pierde su potabilidad para consumo diario o para su utilización en actividades ya sean estas domésticas, industriales o agrícolas.

Las aguas residuales se definen como las aguas que tengan una composición variada, estas pueden ser provenientes de las descargas de uso municipal, industrial, comercial, de servicios, agrícolas, pecuarios, domésticos, incluyendo fraccionamientos o de cualquier otro uso, así como una mezcla de estas.

En México se genera alrededor de clip_image002 de aguas residuales, y de estas tan solo el 36% reciben tratamiento para su disposición, esto nos muestra que la infraestructura que hay en este momento es completamente ineficiente, por tanto se requiere de una mayor infraestructura y recursos humanos para poder mejorar la calidad del agua, aunado a esto se deben de instaurar propuesta innovadoras las cuales permitan implementar el tratamiento de las aguas residuales en las diversas condiciones ambientales y socioeconómicas que cuenta nuestro país.

Actualmente los procesos más usados son físicos, químicos y biológicos, dentro de estos últimos podemos encontrar los humedales artificiales, este tipo de biodigestores son usados específicamente para el tratamiento de aguas residuales del tipo doméstico, aunque también han funcionado para aguas de origen industrial.

El uso de este tipo de tratamiento fue desarrollado en Europa durante la década de los 50’s, en donde aún siguen operando con un éxito rotundo. Los humedales artificiales están definidos como un sistema que llega a simular una zona de transición entre el ambiente terrestre y el acuático, pero estos son construidos específicamente para el tratamiento de aguas residuales bajo condiciones controladas tanto de ubicación como dimensionamiento y capacidad de tratamiento.

Que son los humedales artificiales.

clip_image004Los humedales artificiales o construidos consisten básicamente en celdas o canales los cuales son impermeables, estos tienen dentro un sustrato el cual sirve como medio de anclaje de la vegetación y que al mismo tiempo sirve como filtro para el agua a tratar.

Existen dos tipos de sistemas de humedales, estos se clasifican como humedales de flujo superficial y de flujo subsuperficial.


Ventajas y desventajas de los humedales artificiales.

En general se puede observar que los humedales tanto subsuperficiales como superficiales tienen sus beneficios y desventajas. En principio podemos recalcar que son relativamente económicos de construir y de operar, además de fáciles de mantener.

También podemos ver que los humedales artificiales pueden proporcionar un tratamiento de aguas residuales de una manera eficaz, confiable y ecológicamente racional, estos pueden tolerar grandes y pequeños volúmenes de agua y niveles variables de contaminantes.

El agua tratada con humedal es limpia y puede ser reutilizada con fines productivos; de hecho, el proceso de tratamiento de humedales puede incorporar usos productivos. Pueden ser estéticamente agradables y proporcionar hábitat para la vida silvestre y el disfrute humano.

Sin embargo, también podemos ver ciertas desventajas:

Dependiendo del diseño, los humedales construidos pueden requerir un área de tierra más grande que una planta tratadora de aguas residuales. Sin embargo, como se mencionó con anterioridad está tierra se puede usar productivamente para fines adicionales además de tratar las aguas residuales, esto marca una diferencia palpable con respecto a las plantas convencionales de aguas residuales.

Los humedales artificiales, si se diseñan o implementan incorrectamente pueden exponer el olor de la corriente de desechos, esto se puede deber a que tenga una capa de tierra demasiado delgada sobre los canales, que dichos canales corran por una pendiente demasiado empinada, etc. Pero si estos se encuentran diseñados y construidos de una manera adecuado los humedales no tienen ningún olor.

Los procesos biológicos de un humedal construido no se comprenden bien, por lo tanto, podemos decir que en teoría son impredecibles, sin embargo, en la práctica son simples y muy estables cuando se diseñan e instalas adecuadamente cumpliendo con sus especificaciones tales como que tengan una capacidad suficiente, la longitud adecuada de canales de tratamiento, protección contra inundaciones y congelación, uso correcto de las etapas anaeróbicas y aeróbicas, entre otras.

Si bien los nutrientes se cambian a formas inofensivas durante todo el año por las bacterias de los humedales, la eliminación real de nutrientes se lleva a cabo principalmente durante las estaciones de crecimiento, ya que está eliminación de nutrientes se logra mediante el crecimiento activo de las raíces de las plantas. Este problema puede resolverse de manera parcial o incluso completamente, al menos a pequeña escala, pasando la corriente de desechos a través de un invernadero donde los nutrientes desechado pueden llegar a ser absorbidos y utilizados productivamente durante todo el año, o almacenando agua del punto final en estanque grandes y poco profundos donde las algas pueden eliminar nutrientes durante todo el año.

En climas con inviernos fríos, las bacterias y plantas que viven en el suelo del humedal construido llegan a morir. Esto no solo ralentiza o detiene la eliminación de nutrientes, sino que puede a ver liberaciones de nutrientes sustanciales a medida que los organismos que previamente eliminaban y almacenaban nutrientes mueren en invierno y liberan sus propios nutrientes nuevamente en el sistema.

Tabla comparativa ente diferentes sistemas de flujo humedal. (Moncada Suaza, 2016)

 

Flujo superficial

Flujo subsuperficial

Tratamiento

Tratamiento de flujos secundarios (lagunas, biodiscos, lodos activados, etc.)

Para tratar flujos primarios (tanque Imhoff, pozos sépticos).

Operación

Opera con baja carga orgánica

Opera con altas cargas orgánicas.

Olor

Puede ser controlado

No existe

Insectos

Control caro

 No existe

Protección térmica

Mala, bajas temperaturas afectan el proceso de tratamiento

Buena. (por acumulación de restos vegetales y el flujo subterráneo del agua mantiene una temperatura constante).

Área

Superficie de mayor tamaño

Superficie de menor tamaño

Costo

Menor costo en relación con el subsuperficial.

Mayor costo debido al medio granular que puede incrementar su precio hasta en un 30% en comparación con el superficial.

Valor ecosistema

Mayor vida salvaje, agua accesible a la fauna

Agua difícilmente accesible a la fauna.

Usos generales

Son de restauración y de creación de nuevos ecosistemas

Tratamientos de aguas residuales de poblaciones menores a 200 habitantes.

Operación

Tratamiento adicional a los sistemas convencionales (tratamiento terciario y mejoramiento de la calidad del agua)

Se usa como tratamiento secundario.


Recopilación de ventajas y desventajas de los humedales frente a diversos sistemas de tratamiento biológico de aguas residuales. (Moncada Suaza, 2016)

 

Humedal artificial de flujo subsuperficial vertical

Lodos activados

Filtro biológico

Biodiscos

Lagunas.

Ventajas

·         No genera lodos.

·         Son autónomos, una vez establecidos funcionan por sí solos.

·         La energía necesaria depende del sistema de bombeo.

·         Bajo costo de operación y mantenimiento.

·         Vida útil entre 15 y 20 años.

·         Impacto paisajístico positivo.

·         Flexibilidad de diseño.

·         Flexibilidad de operación.

·         Alta eficiencia de remoción de carga orgánica.

·         Mínima presencia de olores e insectos.

·         Posibilidad de regulación de energía consumida.

·         Generación de lodos secundarios “estabilizados”.

·         Alta eficiencia de remoción de sólidos en suspensión y microorganismos.

·         Efluente apto para reúso agrícola.

·         Efluente parcialmente nitrificado.

·         No requiere sofisticado equipo electromecánico.

·         Fácil mantenimiento.

·         Tempos de retención cortos.

·         Costos bajos de operación y mantenimiento.

·         Generalmente no hay recirculación de efluente ni lodos.

·         Requiere menor área

·         Bajo consumo de energía.

·         Fácil operación.

·         Requiere mínima atención del operador.

·         Requiere escaso control operacional.

·         Bajo costo de mantenimiento y no es requerido frecuentemente.

·         En climas áridos o semiáridos se reducen las perdidas por evaporación.

Desventajas.

·         Requiere de mayores espacios para su implementación em comparación con tratamientos fisicoquímicos.

·         Requiere de un proceso de puesta en marcha y adaptación.

·         Requerimientos técnicos sofisticados y mantenimiento continuo

·         Dependencia con la temperatura del efluente a tratar y condiciones de entrada como pH y presencia de compuestos tóxicos.

·         Altos costos de operación, principalmente asociados a los requerimientos de aireación activa (aire).

·         Costo elevado operacional, de equipamiento e infraestructura.

·         Requiere operadores capacitados.

·         Producción de lodos inestables.

·         Requerimiento de un tiempo muy largo para alcanzar la estabilidad y el crecimiento de la película microbiana.

·         No son efectivos cuando el agua residual contiene altas concentraciones de metales y ciertos pesticidas, herbicidas y compuestos orgánicos fuertemente clorados debido a la inhibición de la actividad microbiana

·         Olores desagradables.

·         Presencia de vectores infecciosos.

·         Altos tiempos de retención necesarios para obtener altas eficiencias.

·         Grandes volúmenes.

·         Requerimiento de grandes extensiones de terreno.


Matriz comparativa de tratamientos biológicos de aguas residuales. (Moncada Suaza, 2016)

Criterios

Lodos activados

Filtro biológico

Biodiscos

Sistemas de lagunaje

Humedal artificial de flujo vertical

Costos

Inversión

Elevados

Bajos

Bajos

Depende del precio del terreno

Depende del precio del terreno

Operación y mantenimiento

Elevados

Bajos

Bajos

Bajos

Bajos

Técnicos

Eficiencia de remoción

DBO5 de 90 -90%

DBO5 

Tasa baja: 80 – 85%

Media: 50 – 70%

Alta: 65 – 80%

Muy alta: 65 – 85%

DBO mayores del 90%

DBO 70 – 95%

DBO entre 50 y 98%

Generación de residuos

Altos

Inestables

Bajo

Bajo

Bajo

Requerimientos de insumos químicos

Bajo

No aplica

Bajo o nulo, depende de las características fisicoquímicas del agua residual

No aplica

No aplica

Requerimientos de energía (bombeo, agitación, movimiento mecánico

Alto

Medio

Bajo

Bajo o nulo

Bajo o nulo

Operaciones unitarias necesarias

Básicas + tratamiento y recirculación de lodos

Básicas

Básicas

Básicas

Básicas

Necesidades de automatización

No

No

No

No

No

Complejidad en la construcción y equipamiento

Alto

Medio

Bajo

Bajo

Bajo

Vida útil

20 años

20 años

Depende del tipo de agua residual a tratar y material de los discos, eje y rodamientos

15 – 20 años

15 – 20 años

Operación

Requerimientos de personal

Muy capacitado

Capacitado

Capacitado

Capacitado

Capacitado

Tolerancia a variaciones de flujo

Si

Si

Si

Si

Si

Características del terreno

Requerimiento de área

Grande

Medianamente grande

Poco

Extenso

Grande

Relieve del terreno

Plano

Plano

Plano

Plano

Plano

Características ambientales

Producción de ruido

Si

Mínimo

Mínimo

No aplica

No aplica

Contaminación visual

Mínimo

Mínima

Mínima

Si

Si

Características ambientales

Producción de ruido

Si

Mínimo

Mínimo

No aplica

No aplica

Contaminación visual

Mínima

Mínima

Mínima

Si

No

Producción de malos olores

Mínimo

Mínimo

No

Si

No

Condiciones para la reproducción de animales dañinos

Mínimo

Mínimo

Mínimo

Alto

Bajo o nulo


Analizando las ventajas y desventajas que se presentan en los diferentes tratamientos de aguas residuales, podemos puntualizar las ventajas del humedal artificial de flujo subsuperficial como extremadamente benéfico dado que sus costos y complejidad de funcionamiento son bajos, el tiempo de vida es alto, no genera olores si es usado correctamente, además de no ser foco de vectores, el gasto de energía llega a ser o muy bajo o nulo, la tasa de eficiencia es alta y no genera una contaminación paisajista. (Moncada Suaza, 2016)

Casos de humedales construidos en zonas rurales de México.

En México no se encuentra un inventario del uso de humedales construidos, tan solo unos cuantos casos existentes en la literatura, sin embargo estos demuestran la eficiencia de los humedales artificiales en materia de remoción de contaminantes, la vegetación de dichos humedales funciona como un filtro de los contaminantes, ya que parte de los compuestos que se encuentran en el agua tales como nitrógeno, fósforo, etc., son usados por la vegetación para su crecimientos, mientras que otros tantos compuestos son absorbidos por la misma vegetación, esto quiere decir que el tipo de vegetación que se encuentre en los humedales es un factor de vital importancia para su desempeño.

Actualmente se está usando en México este tipo de técnicas específicamente con ciertas plantas que se consideran como ornamentales, la adaptación de dichas plantas en humedales ha demostrado ser una buena opción para el tratamiento de aguas residuales con eficiencias de remoción de nitrógeno y fósforo superior al 50% y la demanda química de oxígeno y coliformes cercanas al 100% como lo observamos en la tabla anterior.


Tabla 1 Uso de humedales artificiales con plantas ornamentales.

Humedal

Vegetación usada

Población donde se utiliza

Área de humedal (m2)

Eficiencia de remoción

SS – FH

Typha,sp (Espadaña)

Zantedeschia aethiopica (Alcatraz)

Pinoltepec, Emiliano Zapata, Veracruz

*60

NT: 47%

PT: 33%

DQO: 67%

SS – FH

Canna hybrid (Lirio)

Alpinia purpurata (Jengibre rojo)

Hedychium coronarium (Flor mariposa)

Pastorías, Actopan, Veracruz

**3.6

F: 35 – 45%

Cl: 28 – 34%

SS – FH

Canna hybrids (Lirio)

Strelitzia reginae (Ave de paraíso)

México

*65

DQO: 86%

NT: 30 – 33%

SS – FV

Zantedeschia aethiopica (Alcatraz)

Canna indica (Chachalaca)

Ocotlán, Jalisco

**0.48

NT: 22.4%

PT: 5%

DQO: 65%

SS – FH

Zantedeschia aethiopica (Alcatraz)

Heliconia Golden Torch

Xalapa, Veracruz

**0.38

DQO: 70%

P – PO4: 76%

NO3: 76%

SS – FV

Zantedechia aethiopica (Alcatraz)

Instalaciones de Centro de Investigación Acuícola de Cuemanco (CIBAC) de UAM Xochimilco, México

*55

DQO: 92%

N – NH4: 85%

P – PO4: 80%

SS – FH

Potenderia sagittata (Lirio de laguna)

Xalapa, Veracruz

**0.90

DQO: 81%

NT: 58%

SS – FH

Strelizia reginae (Ave de paraíso)

Zantedeschia esthiopica (Alcatraz)

Canna hybrids (Lirio)

Anthurium andreanum (Anturio rojo)

Hemerocallis  (Azucena amarilla)

Dumortieri

Ocotlán, Jalisco

**0.06

DQO: >75%

P: 66%

Coliformes: > 99%

SS – FV

Heliconia psittacorum (Avecilla)

Tapachula, Chiapas

*300

DQO: 91%

Coliformes: 93%


Simbología.

*

Sistemas de tratamiento comunitario

PT

Fósforo total

**

Sistemas de tratamiento experimentales

P

Fósforo

NT

Nitrógeno total

DQO

Demanda química de oxígeno

F

Fluoruro

Cl

Cloruro

N – NH4

Nitrógeno en forma de amonio

N – NO3

Nitrógeno en forma de nitratos

P – PO4

Fósforo en forma de fosfatos

SS – FV

Subsuperficial de flujo vertical

SS – FH

Subsuperficial de flujo horizontal

Opciones de uso del agua tratada en humedales artificiales.

El objetivo de la creación de este tipo de humedales es con la finalidad de lograr que las aguas residuales puedan ser reutilizadas, todo esto con el objetivo de minimizar la problemática de la escasez de este vital líquido.

En anteriores condiciones cuando el agua es usada ya no puede ser usada nuevamente por la gran carga de contaminantes que tiene está, en este caso cuando dicha agua es tratada por medio de los humedales este elimina la gran mayoría de los contaminantes facilitando el uso de esta, claro que cabe aclarar que dependiendo de su calidad es el destino que se le puede dar a dicha agua.

Los humedales pueden ser usados como tratamiento terciario, esto quiere decir que dichas aguas deben pasar primero por otros tratamientos tales como filtros de sólidos, desarenadores o trampa de grasas.

En el caso de que los humedales sean utilizados como único tratamiento las aguas ya tratadas pueden también tener un uso sin causar ningún tipo de perjuicio al medioambiente, a la salud tanto de personas como de animales.

En el siguiente cuadro plasmaremos los posibles usos del agua tratada por humedales como tratamiento único.

Área de uso de agua tratada

Ejemplos de uso

Acuícola

Agua tratada apta para cultivo de peces.

Agrícola

Irrigación de cultivos que no sean tubérculos, principalmente arboles de cítricos, riego en viveros y de áreas de producción floral

Áreas verdes

Riego de parques, iglesias, jardines escolares, campos de golf, cementerios, domiciliar.

Hogar

Uso en el trapeado, sanitario, lavado de banquetas y autos.

Industrial

Uso para enfriamiento de equipo, uso del agua para construcción, mezclado con otras descargas orgánicas para favorecer tratamiento

Porcícola

Agua para lavado de áreas de crecimiento de cerdos.

Recarga de acuíferos

Recarga subterránea, control de cuñas Salinas

Recreacional y ambiental

Uso en lagos y lagunas, mejora de pantanos y reservas naturales.

Usos urbanos no potables

Uso para apagar incendios, climatización, agua para uso sanitario, lavado de banquetas y canchas deportivas.

Cabe destacar que el agua que emerge de un humedal construido de una manera adecuada será más limpia que las normas mínimas de la Organización Mundial de la Salud. Sin embargo, está agua aún puede limpiarse aún más con la exposición a la luz ultravioleta, todo esto se puede hace en un estanque poco profundo de alrededor de .45 a .90cm de profundidad, en donde a los bordes de estos estanques se planten plantas acuáticas emergentes tales como las espadañas y las cañas. Dichas plantas son extremadamente eficientes para eliminar contaminantes orgánicos e inorgánicos.

Conclusión.

Al ser una tecnología de tratamiento de aguas residuales, el objetivo principal de los sistemas de humedales construidos es purificar las aguas residuales y proporcionar un efluente final de alta calidad. La degradación del medio ambiente y los ecosistemas naturales es el resultado de las diversas actividades humanas y la producción respectiva y la descarga incontrolada de aguas residuales a las aguas superficiales y subterráneas. El tratamiento de aguas residuales es hoy un proceso absolutamente necesario no solo para proteger el medio ambiente natural y el hábitat, sino también para proteger la salud humana.

La contaminación del agua es una amenaza existente para la salud humana, ya que los cuerpos de agua superficiales (por ejemplo, ríos, lagos), así como las aguas subterráneas y los acuíferos se utilizan como suministros de agua potable. Por lo tanto, es crucial que las aguas residuales generadas por las diversas y múltiples actividades humanas se traten y purifiquen antes de la descarga final, a fin de reducir y eliminar la carga contaminante. Bajo este marco, los sistemas ecológicos como los humedales construidos juegan un papel importante.

Su capacidad para proporcionar tratamiento de aguas residuales y saneamiento de manera sostenible agrega créditos a su papel en la protección de los ecosistemas y la salud humana. La mayor explotación del potencial de tratamiento de la tecnología de los humedales artificiales traerá beneficios adicionales para la sociedad, ya que contribuirá a los problemas de protección de la salud humana y la conservación del medio ambiente natural sin causar un impacto ambiental adicional.

Referencias

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