El tratamiento biológico de aguas residuales es una operación mediante el cual se utiliza la capacidad de ciertos microorganismos o plantas para depurar las aguas residuales, mediante mecanismos de adsorción, filtración y degradación de materia orgánica, nutrientes y elementos patógenos contenidos en estas aguas. Son muy empleados para el tratamiento del agua residual en comunidades pequeñas o zonas rurales debido a su consumo casi nulo de energía y que no requieren de mayor mantenimiento.

De estos sistemas quizás los más difundidos, por su versatilidad y facilidad de operación, son los humedales artificiales. En estos se aplican procesos propios desarrollados en la naturaleza para llevar a cabo, en conjunto entre plantas y microorganismos, la depuración del agua residual. Según el flujo del agua, los humedales artificiales generalmente se pueden clasificar en dos tipos: de flujo superficial, en los que el agua circula entre las plantas y expuesta a la atmosfera, y de flujo subsuperficial, en los que el agua circula a través de las raíces de las plantas y el sustrato al cual se hayan adheridas (generalmente grava de mediano tamaño). Estos sistemas han demostrado tener una gran eficiencia en la remoción de contaminantes como materia orgánica, nutrientes como fósforo y nitrógeno, bacterias e incluso metales pesados.

Tipos de humedales artificiciales según el flujo del agua.

Fuente: propia. Imagen elaborada en Powerpoint y animada con AnytoGif.

Estos sistemas son diseñados utilizando ecuaciones cinéticas, comparando los humedales con reactores de flujo pistón, debido a que la experencia ha demostrado que la degradación de la materia orgánica ocurre siguiendo una ley de velocidad de primer orden, ajustandose a la siguiente expresión:

Dónde. La concentración de materia orgánica se puede expresar en términos de la Demanda Bioquímica de Oxigeno o DBO₅, tanta para el afluente (Co) como el efluente del sistema (Ce), k es la constante cinética o constante de velocidad de degradación y t es el tiempo de retención hidráulica.

Una de las cosas que he notado, es que es muy frecuente que en trabajos de diseño, realizados no solo por estudiantes sino también por ingenieros, se tome la constante cinética reportada en la literatura como referencial para hacer el dimensionamiento del sistema. Sin embargo, por lo general la literatura encontrada es en esencia del exterior, y por lo cual estos datos no son de sistemas adaptados a nuestras condiciones climáticas.

Por ello, con el propósito de que estos sistemas de tratamiento logren la eficiencia esperada, se debe implementar la tecnología con coeficientes adaptados a las condiciones del lugar donde será puesta en marcha. Entonces, con el fin de lograr parámetros de diseño propios, comparto con ustedes una metodología sencilla que pueden realizar con el fin de encontrar una constante cinética adaptada a sus condiciones locales para el diseño de un humedal artificial, o adaptable a otro tipo de sistema de tratamiento biológico.

Metodología

Características del agua residual

El agua residual empleada para el estudio provino de una estación de bombeo de la ciudad de Punto Fijo, que por roptura de una tubería ha generado una laguna de agua residual, lo que facilito su captación.

Sitio de muestreo del agua residual urbana

Fuente: propia

En la misma se monitorearon los parámetros cuyos resultados son reflejados en la siguiente tabla.

Resultados de la caracterización del agua residual empleada en el estudio

Fuente: propia.

Sistema piloto

El procedimiento inicia implementando un reactor piloto, el empleado para esta evaluación fue construido de forma rectangular con bloques de concreto, con las dimensiones de 1,5 m de largo, 0,5 m de ancho, utilizando un geotextil para evitar filtraciones. La alimentación del sistema se realizó mediante gravedad, ingresando agua desde un contenedor por medio de una tubería de pvc con una válvula para controlar el caudal, manteniendo un nivel de 60 cm de profundidad. En el mismo fueron dispuestas plantas de la especie de macrófita Typha dominguensis, dado que estas plantas son las más comúnmente encontradas humedales naturales y ya han reportado altos valores de remoción de contaminantes. Las plantas fueron recolectadas de una zona inundada cercana al área de estudio, posteriormente las plantas fueron resembradas en el sistema utilizando agua recogida del mismo ambiente natural. Para aclimatar a las plantas al efluente a tratar, el mismo se fue incorporando paulatinamente hasta sustituir completamente el agua que contenía inicialmente el sistema. Este periodo de climatización duró aproximadamente 15 días, y fue seguido mediante la remoción de la DBO₅ hasta obtener valores relativamente constantes.

Imagen del sistema piloto

Fuente: propia.

Evaluación cinética

Una vez completado el volumen del sistema con agua residual y aclimatadas las plantas, se operó el sistema con un periodo de retención de 48 horas, recolectando muestras del efluente y del afluente cada dos días para su análisis, determinando así la DBO5 inicial y final durante un periodo de 10 días. El cálculo de la constante cinética se efectuó asumiendo que la depuración sigue una reacción de primer orden, estimando la constante mediante la siguiente ecuación:

Resultados y discusión

Comportamiento de la DBO₅ de la Typha dominguensis en el sistema a escala piloto.

Fuente: propia.

En la gráfica se puede observar el comportamiento que presentó la Typha dominguensis durante su evaluación; la cual, presentó una disminución significativa de DBO₅ con el transcurrir del tiempo, en la entrada del sistema con respecto a la salida. Evidenciando así, que la especie macrófita se adaptó rápidamente al cambio del medio en el que se desarrollaba.

En cuanto a la constante cinética se obtuvieron resultados en función de los promedios de la DBO₅ para la etapa de estabilización del sistema. Asumiendo como concentración inicial la DBO₅ obtenida al momento de la inyección del agua residual (entrada) y como concentración final la DBO₅ obtenida luego de dos días del suministro (salida). Los resultados se muestran en la siguiente tabla.

Constante cinética de la especie Typha dominguensis en el sistema

Fuente: propia.

La constante cinética obtenida, asumiendo un proceso de remoción ajustado a una reacción de primer orden para las condiciones del estudio fue de aproximadamente 0,3271 d^-1. En la literatura, Reed y otros autores^[1] indican que este valor solo depende de la temperatura, recomendando para su cálculo la siguiente ecuación:

Para la cual k₂₀ es la constante de velocidad del sistema a 20 ºC y tiene un valor de 0,678 d^-1 en humedales de flujo superficial, y T es la temperatura expresada en ºC. Al emplear esta ecuación se obtiene un valor para la constante cinética de:

Lo cual difiere considerablemente de los resultados obtenidos. Los valores experimentales son más bien comparables con los reportados por Metcalf y Eddy^[2] para las aguas residuales domesticas, los cuales reportan un valor de 0,4 días^-1. Por lo que se puede evidenciar que hay diferencias entre las fuentes encontradas en la literatura para los valores de k en estos sistemas.

Conclusiones

El valor de la constante cinética depende del tipo de sistema, un valor grande de k indica un consumo más rápido de la materia orgánica.

Para las condiciones del estudio el efluente presentó valores de k menor que los reportados en la literatura, es decir, se degradan a una velocidad menor que la estimada de forma teórica.

El diseño de unidades de tratamiento biológico debe tener en cuenta la ubicación del sistema y el tipo de vegetación a emplear, por lo que utilizar una constante cinética adaptada a esta situación permitirá optimizar el diseño, con la finalidad de no sub-dimensionar una planta de tratamento.

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Hasta aquí la presente publicación amigos, gracias por tomarse el tiempo de pasar a leer, espero que la información presentada les sea de utilidad. ¡Hasta la próxima!

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Referencias

1. Pérez de Agreda, C. (2003). Humedales construidos. Estado del arte (II). Ingeniería hidráulica y ambiental, vol. XXIV, nº 3.

2. Metcalf y Eddy (1995). Ingeniería de aguas residuales. Tratamiento, vertido y reutilización. 3º edición. McGraw-gil, España.