SANEAMIENTO DE AGUAS CONTAMINADAS POR LA MINERÍA
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1 SANEAMIENTO DE AGUAS CONTAMINADAS POR LA MINERÍA Diseño de un sistema de tratamiento de drenaje ácido de minas con humedales construidos Nataly Stephanía Vela Pérez Asesor: Manuel Rodríguez Susa
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SANEAMIENTO DE AGUAS CONTAMINADAS POR LA MINERÍA
Diseño de un sistema de tratamiento de drenaje ácido de minas con humedales construidos
Nataly Stephanía Vela Pérez Asesor: Manuel Rodríguez Susa
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CONTENIDO
1. PROBLEMA: Drenaje ácido de minas ........................................................................................ 3
2. SOLUCIONES: Métodos activos y pasivos de tratamiento de aguas de mina ........................... 4
3. CÓMO FUNCIONAN LOS HUMEDALES: Humedales Construidos .............................................. 4
4. CÓMO DETECTARLO .................................................................................................................. 6
5. ELECCIÓN DE LOS SISTEMAS DE TRATAMIENTO ....................................................................... 6
6. ELEMENTOS REQUERIDOS ........................................................................................................ 8
7. DISEÑO DE LOS SISTEMAS ....................................................................................................... 10
7.1 Humedal anaerobio SAPS .................................................................................................. 10
7.2 Tanque de sedimentación ................................................................................................. 11
7.3 Humedal Aeróbico............................................................................................................. 11
8. DIMENSIONES DE LOS SISTEMAS ............................................................................................ 12
9. CONSTRUCCIÓN ...................................................................................................................... 15
10. MANEJO Y MANTENIMIENTO................................................................................................ 16
10.1 ACTIVIDADES DE ARRANQUE .......................................................................................... 16
10.2 MONITOREO .................................................................................................................... 17
10.3 ACTIVIDADES DE MANEJO POCO FRECUENTES............................................................... 18
10.4 MANEJO Y MANTENIMIENTO A LARGO PLAZO ............................................................... 19
12. ANEXOS ................................................................................................................................. 21
Selección de especies de plantas ............................................................................................ 21
Recomendaciones de plantación ............................................................................................ 22
Recomendaciones de diseño de celdas en humedales aerobios ............................................ 23
Regla para transformación de unidades de caudal ................................................................. 24
Bibliografía .................................................................................................................................. 25
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1. PROBLEMA: DRENAJE ÁCIDO DE MINAS
La minería es una fuente de recursos que puede generar abundantes ingresos económicos. Sin
embargo, ésta puede ocasionar una grave contaminación sobre los componentes del medio
ambiente que la rodea. Uno de los grandes afectados son los cuerpos de agua y toda la vida que
en ellos habita debido a la generación de drenaje ácido (Geller & Schultze, 2013; Lottermoser,
2010).
El drenaje ácido de minas (AMD por sus siglas en inglés) puede definirse como una corriente de
agua contaminada por diversos minerales desprendidos de la tierra debido a ciertas reacciones
químicas. Se forma cuando algunos minerales que contienen sulfuros son expuestos a
condiciones oxidantes, es decir, a una combinación de agua y aire. Principalmente, ocurre en
minas a cielo abierto de carbón y de metales como oro, cobre y níquel (Lottermoser, 2010).
Las corrientes de agua se contaminarán con este proceso por cientos de años. El drenaje ácido
puede desestabilizar toda la estructura de los ecosistemas, reduciendo y eliminando
completamente las especies y sus hábitats (Dave & Tipre, 2012). Adicionalmente, las personas
que anteriormente consumían agua de corrientes afectadas ya no podrán tomarla debido a que
se volverán toxicas.
DRENAJE ÁCIDO
Acidez pH < 4.5
Precipitados de hierro
100-1000 mg/L
Metales pesados
0.01-1000 mg/L
Solidos Disueltos TDS
100 a >10000 mg/L
(Lottermoser, 2010)
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2. SOLUCIONES: MÉTODOS ACTIVOS Y PASIVOS DE TRATAMIENTO DE AGUAS DE MINA
Existen muchos métodos para remediar la generación de drenaje ácido de minas, como:
prevención, reducción, tratamiento en la fuente y finalmente tratamientos activos o pasivos
(Johnson & Hallberg, 2005).
La prevención y remediación de la contaminación se realiza en tres etapas: con el control en la
fuente, con el control de migración o transporte y, de no ser posible en las etapas anteriores,
con la recolección y tratamiento del drenaje ácido. Las alternativas de tratamiento se clasifican
en activas y pasivas. (Dave & Tipre, 2012; Brown, Barley, & Wood, 2002).
Los tratamientos activos son sistemas que tratan químicamente los efluentes. Los principales
son: modificación de pH, intercambio de iones, tratamientos biológicos, tratamientos con
adsorción, tratamientos electroquímicos y tecnologías de procesos físicos (Dave & Tipre, 2012).
Los tratamientos pasivos, a diferencia de los activos, no requieren la entrada constante de
materiales y recursos financieros. Pueden ser químicos, entre los cuales se encuentran
tratamiento anóxico con caliza (carbonato de calcio), canales de cal abiertos y canales abiertos
modificados, y biológicos como los humedales construidos (Dave & Tipre, 2012).
Entre los anteriores tipos de tratamiento se destacan los humedales artificiales debido a sus
bajos costo y necesidad de mantenimiento. Pese a que los humedales son una alternativa
altamente preferida, aún requieren mayor entendimiento de los procesos químicos, físicos y
microbiológicos para una mejor integración de la ingeniería ecológica en los principios de
restauración (Kalin, 2004).
3. CÓMO FUNCIONAN LOS HUMEDALES: HUMEDALES CONSTRUIDOS
Los humedales naturales son básicamente ecosistemas constituidos por cuerpos de agua con
plantas que mantienen gran diversidad de microorganismos. En el área del humedal existe una
alta actividad e interacciones debido a energías naturales del sol, viento, suelo, plantas y
animales. La gran dinámica biológica que poseen en comparación con la mayoría de los
ecosistemas, les permite transformar muchos de los contaminantes en subproductos
inofensivos (Geller & Schultze, 2013; Dave & Tipre, 2012; Lottermoser, 2010; Kadlec & Wallace,
2009).
Entre las funciones ecosistemicas de los humedales se encuentran la captura de carbono,
purificación de agua, retención de nutrientes, prevención de inundaciones, mitigación de
tormentas, soporte de poblaciones de especies, asimilación de desechos y mitigación del cambio
climático (LePage, 2011). Los beneficios más destacados son económicos, como el
mejoramiento de la calidad del agua y la producción sostenible de biomasa, y ecológicos, como
aprovechamiento estético de la belleza natural del humedal para recreación y ecoturismo
(Nyman, 2011).
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Los humedales construidos son ecosistemas diseñados artificialmente que pretenden imitar y
aprovechar los procesos de transformación naturales para tratar cuerpos de agua
contaminados. El objetivo es acondicionar un medio con los elementos principales del humedal,
como plantas, raíces y sustrato, por el cual transiten cuerpos de agua que requieran tratamiento
(Kadlec & Wallace, 2009).
Si están adecuadamente establecidos, estos medios tienen una integridad ecológica que les
permite autorregularse y mantenerse a largo plazo con poca intervención humana. Por esto, son
sistemas muy convenientes económica y operativamente (Kadlec & Wallace, 2009).
Cuando las condiciones del agua son inadecuadas para la dinámica de transformación se
requiere complementar con sistemas adicionales para facilitar el tratamiento. En especial, el
tratamiento del drenaje ácido de minas en ocasiones requiere acompañamiento de elementos
que le proporcionen alcalinidad, aireación y sedimentación (Kadlec & Wallace, 2009).
Tabla 1. TIPOS DE HUMEDALES
TIPO DE HUMEDAL
AERÓBICO ANAERÓBICO
FLUJO FLUJO SUPERFICIAL FLUJO SUB-SUPERFICIAL
UTILIZADO PARA
AGUAS NETAMENTE ALCALINAS AGUAS NETAMENTE ÁCIDAS
ESQUEMA
Esquema humedal aeróbico. Adaptado de PIRAMID Consortium (2003 ).
Esquema humedal anaerobio flujo sub-superficial. Adaptado de PIRAMID
Consortium (2003 ).
DESCRIPCIÓN
En estos humedales el agua fluye sobre la superficie de un sustrato orgánico o tierra. Se utiliza para aguas netamente alcalinas, es decir, cuya alcalinidad es mayor que su acidez. Benefician la oxidación y precipitación de metales en forma de hidróxidos (Lottermoser, 2010).
En estos humedales el agua fluye a través de un sustrato permeable, orgánico y anóxico de mayor profundidad; aproximadamente un metro. Se utiliza para aguas netamente ácidas, es decir, cuya acidez es mayor que su alcalinidad. Este tipo de humedal se basa principalmente en la reducción de compuestos, por bacterias sulfato-reductoras o por materia orgánica reactiva. Su efectividad se controla por medio de la cantidad de sustrato orgánico. (Lottermoser, 2010).
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4. CÓMO DETECTARLO
Es probable que se generen drenajes ácidos en una mina de carbón o metales, a cielo abierto y
con paso de agua. Cuando el suelo entra en contacto con el agua y el oxígeno del aire, se
producen reacciones químicas que liberan los minerales del suelo. Con estas reacciones se baja
el pH, generando un medio adecuado para que vivan bacterias que generan aún más acidez.
Luego el agua absorbe los contaminantes y la acidez, para posteriormente transportarlos
consigo hacia cuerpos de agua. Estas aguas contaminadas son conocidas como Drenaje Ácido de
Minas (Kadlec & Wallace, 2009).
Este drenaje se puede detectar a través de los siguientes indicadores:
Características visibles como (Lottermoser, 2010): Flora y fauna afectada. Sólidos precipitados ricos en hierro, que se distinguen por su color amarillo-rojo-café,
cubriendo las camas y bancos de corrientes acuáticas. Aguas decoloradas, turbias o excesivamente claras. Algas abundantes (de color verde o café) y capas de material bacteriano.
Pruebas en el sitio: Temperatura del agua, oxígeno disuelto, pH<5.5, y conductividad
(Kadlec & Wallace, 2009).
Pruebas de laboratorio: Calidad del agua incluyendo solidos suspendidos, orgánicos,
nutrientes, patógenos, metales y toxicidad (Kadlec & Wallace, 2009).
De los anteriores, los parámetros más importantes para el diseño del sistema de tratamiento
son: caudal, pH, acidez, alcalinidad, concentración de hierro, manganeso, sulfatos, metales y
oxígeno disuelto.
5. ELECCIÓN DE LOS SISTEMAS DE TRATAMIENTO
Las corrientes de drenaje ácido tienen características muy particulares según las condiciones de
la mina y el medio ambiente en que estén ubicadas. Por esta razón, cada una requiere el diseño
de un tratamiento específico que varía tanto en sus dimensiones como en los elementos que
contiene.
La información mínima necesaria para decidir qué tratamiento usar debe contener los
parámetros: acidez, alcalinidad y caudal de la corriente de agua. Como se puede observar en el
diagrama de flujo a continuación, si el agua es netamente ácida será necesario utilizar además
de un humedal aeróbico un humedal anaeróbico seguido de un tanque de sedimentación.
(Diagrama diseñado a partir de información de Lottermoser (2010), Skousen & Ziemkiewicz
(2005), PIRAMID Consortium (2003), Brown, Barley, & Wood (2002) y Hedin, Nairn, & Kleinmann
(1994).
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Ilustración 2. Esquema sistemas de tratamiento.
Netamente
ácida
HUMEDAL
AEROBIO
Realizar ANÁLISIS DEL AGUA:
Acidez-alcalinidad
Caudal
Si el agua es
Ilustración 1. Diagrama de flujo para la elección de los sistemas de tratamiento.
Netamente
alcalina
HUMEDAL
ANAERÓBICO SAPS
+ TANQUE DE
SEDIMENTACIÓN
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6. ELEMENTOS REQUERIDOS
Los elementos que se pueden requerir para el diseño de un sistema incluyen (Kadlec & Wallace,
2009; EPA, 1995):
LUGAR AMPLIO Y CERCANO CON BUENA PENDIENTE
Según la EPA (1995) es recomendable la selección de un sitio con las siguientes características:
Cercanía a la fuente
Con suficiente espacio
Topografía que permita una pendiente adecuada
Suelos compactados
No estar sobre una zona con recursos naturales amenazados, como reservas ecológicas
o valores arqueológicos
Los estudios que se pueden realizar para definir el terreno son topográficos, geotécnicos e
hidrogeológicos.
PLANTAS
Las plantas acuáticas pueden ser de tres tipos: emergentes, flotantes y sumergidas. Para los
sistemas sugeridos se recomienda utilizar plantas emergentes. La vegetación se puede obtener
por tres métodos, preferiblemente de fuentes locales (Kadlec & Wallace, 2009; Cronk &
Fennessy, 2001; EPA, 1995):
Recolección de plantas completas.
Sembrado de semillas:
o Dispersar semillas en el viento
o Diseminar o enterrar las semillas en la tierra
o Disolver semillas en agua
Plantación de material vegetal. Se hace cuando se desea propagar ciertas especies en
un corto periodo de tiempo. Existen varias estructuras o partes en las plantas llamadas
propágulos, que al separarlas pueden desarrollarse para formar nuevas plantas por si
solas. Los propágulos pueden ser:
o Retoños
o Raíces o rizomas.
o Tubérculos
o Estolones y bulbos
Material de
propagación
Semillas Raíces / rizomas /
tubérculos
Retoños
COSTOS $ $$ $$$
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MATERIAL PARA CAPAS DE SUSTRATO Los materiales para las capas de sustrato son suelo, arena, grava, material orgánico como compost
y caliza (EPA, 1995).
SUELO COMPOST CALIZA
ESTRUCTURAS DE TRANSPORTE
Las estructuras son celdas, tuberías, canales, entradas, salidas y estructuras de control (EPA,
1995). Los canales para el tránsito de agua entre los sistemas deben ser impermeables. Para
esto se pueden utilizar (Kadlec & Wallace, 2009):
Tuberías de plástico PVC (3 pulgadas de grosor) para distancias pequeñas (<1 hectárea).
Tuberías de HDPE (media pulgada de grosor) para distancias mayores (> 1 hectárea).
Revestimiento de arcilla para distancias de varias hectáreas.
TUBERÍAS - CANALES
ESTRUCTURAS DE CONTROL
Las estructuras requeridas para el control de los sistemas son (Kadlec & Wallace, 2009; EPA,
1995):
Distribución de entrada (tuberías, divisores y tuberías perforadas)
Recolección de salida (cámaras de infiltración y tuberías perforadas)
Control de nivel del agua (tubería flexible, presas de puerta ajustable y bombas)
VÁLVULAS
ESTRUCTURAS DE SOPORTE
De la misma forma que para el transporte, se requiere impermeabilizar el fondo de los sistemas
y dar soporte, por consiguiente se debe utilizar arcilla, material plástico o geo-membranas.
PREPARACIÓN DEL SITIO
Se requiere adecuar las superficies, realizar excavaciones, tanto para los sistemas como para dar
el nivel requerido al control hidráulico, y hacer caminos de acceso.
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7. DISEÑO DE LOS SISTEMAS
A continuación se realiza una descripción de los sistemas mencionados para el tratamiento y se
sugieren las dimensiones recomendadas.
7.1 Humedal anaerobio SAPS
Este sistema combina un humedal anaerobio de flujo vertical con un sistema generador de
alcalinidad. Como se puede observar en la ilustración 3, funciona a través de tres zonas por
donde transita el agua (Skousen & Ziemkiewicz, 2005):
Espacio libre: Donde se acumula el agua que va entrando.
Capa superior: Se consume el oxígeno disuelto para crear condiciones anaerobias.
Capa inferior: En condiciones anaerobias, se adiciona alcalinidad al sistema y se cultivan
bacterias sulfato-reductoras que, con sus productos metabólicos, permitirán elevar el
pH y posteriormente precipitar metales.
En la capa superior se acostumbra sembrar las plantas, pues se desea que las raíces no lleguen
a la capa inferior. El contenido de las capas es materia orgánica (compost) y piedra caliza con
una composición de carbonato de calcio mayor al 80% y con diámetro de partícula de 25 a 50mm
(Watzlaf et al., 2003; Younger et al., 2002).
Los porcentajes para cada capa pueden variar, pero se recomienda (PIRAMID Consortium,
2003):
CAPA SUPERIOR Un contenido de 80% de materia orgánica y un 20% de caliza. Con una profundidad de 0.5 m (Watzlaf et al, 2003).
CAPA INFERIOR Un contenido de 80% de caliza y 20% de materia orgánica. Con una profundidad de 0.5 m (Watzlaf et al., 2003; Younger et al., 2002).
Ilustración 3. Diagrama Humedal Anaerobio SAPS. Adaptado de Skousen & Ziemkiewicz (2005), PIRAMID
Consortium (2003), Watzlaf et al. (2003) y Younger, Banwart, & Hedin (2002).
.
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7.2 Tanque de sedimentación
El tanque de sedimentación es un sistema que va inmediatamente después del humedal
anaerobio SAPS. El objetivo permitir la precipitación de metales en forma de sulfuros, hidróxidos
y carbonatos, que será posible gracias a la alcalinidad generada en el SAPS (Skousen &
Ziemkiewicz, 2005).
Está constituido por un tanque donde el agua transitará lentamente mientras los sólidos se van
depositando en el fondo. Típicamente la profundidad del tanque es de 3 metros dando espacio
libre de 1 metro, como se puede ver en la ilustración 4 (PIRAMID Consortium, 2003 ).
En términos operativos se recomienda utilizar varios tanques de sedimentación en paralelo.
Además, cuando la concentración de hierro es muy alta, se recomienda adicionar una serie de
cascadas de aireación en el medio (una cascada por cada 30 mg/L - 50 mg/L de hierro) (PIRAMID
Consortium, 2003 ).
Ilustración 4. Diagrama Tanque de sedimentación. Adaptado de PIRAMID Consortium (2003).
7.3 Humedal Aeróbico
Los humedales aeróbicos pueden recibir aguas netamente alcalinas con pH de mínimo 5 y en su
condición aerobia es capaz de remover diversas concentraciones de metales. Por lo tanto, si el
agua es netamente ácida, debe pasar primero por el humedal anaerobio SAPS y el tanque de
sedimentación (Skousen & Ziemkiewicz, 2005).
Como se mencionó, este sistema está constituido por suelo y plantas que crecen en él. El suelo
puede tener unos 30 cm de profundidad y debe tener un sustrato con nutrientes adecuados,
puesto que los drenajes de mina tienen poca materia orgánica. Sobre el suelo se extiende una
superficie libre de agua que puede ser de 1 m de alto. El nivel del agua se debe controlar
conforme las plantas van creciendo para que puedan tener suficiente oxígeno en su desarrollo.
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Ilustración 5. Humedal Aerobio. Adaptado de PIRAMID Consortium (2003) y Hedin, Nairn, & Kleinmann (1994).
8. DIMENSIONES DE LOS SISTEMAS
Si bien las alturas para cada sistema están definidas, es necesario calcular las áreas según el
caudal y las concentraciones de acidez y metales como el hierro.
A continuación, se presentan “nomogramas” y “reglas de cálculo” con los cuales se puede
estimar las áreas necesarias para cada sistema.
Humedal anaerobio SAPS
Para estimar el área del humedal anaerobio SAPS se ofrecen dos opciones mostradas a
continuación.
La primera opción, se utiliza cuando se desconoce la concentración de acidez del agua. Para el
cálculo simplemente se ubica el caudal (m3/día) conocido en la franja roja superior y se lee el
área (m2) equivalente en la franja azul inferior.
Ilustración 6. Regla para cálculo de área para humedal SAPS. Opción 1. Adaptado de PIRAMID Consortium (2003).
En la segunda opción, es necesario ubicar y señalar la concentración conocida de acidez (mg/L)
en la línea roja y el caudal conocido (m3/día) en la línea verde. A continuación, con una regla se
traza una línea recta que cruce los puntos señalados, de tal forma que el punto por donde corte
la línea azul corresponderá al área (m2) requerida para el sistema específico.
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Ilustración 7. Nomograma para cálculo de área para humedal anaerobio SAPS Opción 2. Adaptado de PIRAMID
Consortium (2003).
Para el humedal SAPS la relación largo:ancho es poco importante para la eficiencia del
tratamiento puesto que la carga es vertical y se distribuirá uniformemente (Kadlec & Wallace,
2009). Se recomienda utilizar una relación en el rango de 2:1 a 10:1.
Tanque de sedimentación
Para determinar el área que requiere el tanque (m2), a partir del caudal conocido (m3/día)
ubicado en la franja superior roja, se lee el valor correspondiente en la franja inferior azul.
Ilustración 8. Regla para cálculo de área para tanque de sedimentación. Adaptado de PIRAMID Consortium
(2003).
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Para el tanque de sedimentación la relación largo:ancho debe estar en el rango 2:1 a 5:1 para
evitar los posibles contraflujos o corrientes rápidas (PIRAMID Consortium, 2003 ).
Humedal Aeróbico
En este caso, el área del humedal se estima de la misma forma como se explicó para el humedal
Anaeróbico SAPS (ilustración 7): en primer lugar, se ubican los valores conocidos de
concentración de hierro (mg/L) y caudal (m3/día) en las líneas roja y verde respectivamente; a
continuación, se traza una línea que una estos dos puntos para obtener un valor en la línea azul
central.
Ilustración 9. Nomograma para cálculo de área para humedal Aerobio. Adaptado de PIRAMID Consortium (2003)
y Hedin, Nairn, & Kleinmann (1994).
Para el humedal aerobio la relación largo:ancho debe estar en el rango de 2:1 a 10:1. Para
asegurar la eficiencia del tratamiento se debe asegurar una buena distribución, para lo cual se
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sugiere utilizar la mayor longitud posible en relación al ancho y seguir las recomendaciones de
diseño de celdas de humedales aerobios mencionadas en los anexos. (Kadlec & Wallace, 2009).
9. CONSTRUCCIÓN
En general, para la construcción todos los sistemas requieren (PIRAMID Consortium, 2003 ):
Adecuación y limpieza del terreno.
Excavación a los niveles necesarios para desplazamiento hidráulico y para obtener la
profundidad necesaria según cada diseño.
Impermeabilización y soporte, la cual se puede obtener con arcilla, un material plástico
o geo-membranas. Las paredes de los sistemas deben tener pendientes internas
mínimas de 2:1 para asegurar la estabilidad.
Implementación de estructuras de control, entrada y salida. Se recomienda una
dispersión tanto a la entrada como a la salida de los sistemas para promover un flujo
uniforme y evitar zonas de estancamiento.
Adición de elementos propios de cada sistema, como relleno de camas y plantación.
A continuación se dan recomendaciones para cada sistema (PIRAMID Consortium, 2003 ):
Humedal anaerobio SAPS Sellar bien tubería de salida para evitar erosión y liberar lixiviados.
Adicionar una tubería de limpieza en la salida, la cual debe tener una válvula que permita sacar sedimentos de hidróxidos metálicos precipitados e inertes con buena presión.
Diversificar el contenido de compost, por ejemplo utilizando estiércol de diferentes animales en su preparación.
Tener en cuenta para el control de niveles, que en la capa de compost se puede perder
al menos 1.5 m de cabeza hidráulica.
Tanque de sedimentación Utilizar una forma rectilínea puesto que es la más efectiva hidráulicamente.
La longitud debe ser 2 a 5 veces mayor que el ancho.
Usar un factor de seguridad para la reducción del volumen efectivo, por el que puede
transitar el agua, con el tiempo por la acumulación de sólidos.
Adicionar series de cascadas de aireación en el medio si la concentración de hierro
ferroso es mayor de 50 mg/L. Se puede incluir una cascada por cada 30 a 50 mg/L de
hierro oxidable.
Distribuir los tanques en paralelo.
Construir camas de secado de lodos cerca, con bases de grava. Estas camas permiten
secar los sólidos por peso un 30% o más, aunque pueden tardarse algunos meses.
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Humedal aerobio Estructuras de entrada y salida: Deben permitir la variación del nivel del agua entre el
nivel de la etapa de crecimiento y la altura final de diseño.
Suelo
Profundidad de 30 cm.
No muchas piedras u objetos afilados.
Adición de nutrientes.
Altura de espacio libre 1 m (intentar maximizar).
Plantas
Típicamente se siembran las plantas con semillas o retoños de 9 a 20 cm de alto a una
densidad de 3 a 4 plantas cada metro cuadrado (Skousen & Ziemkiewicz, 2005; PIRAMID
Consortium, 2003; EPA, 1995).
10. MANEJO Y MANTENIMIENTO
En general, los humedales aerobios y los tanques de sedimentación requieren muy poca
frecuencia en control operacional y mantenimiento. A largo plazo se requiere la remoción de
sedimentos acumulados para evitar la colmatación. Por su parte, los humedades anaerobios
SAPS requieren un mantenimiento de cama periódico y una mayor atención en control de flujos
para evitar taponamiento (Kadlec & Wallace, 2009).
Las actividades de manejo y mantenimiento se pueden clasificar en tres grupos (Kadlec &
Wallace, 2009):
1. MODERADAMENTE FRECUENTES
Arranque o puesta en marcha
Monitoreo
Nivel del agua y manejo de flujo
2. POCO FRECUENTES
Control de animales
Manejo de vegetación
Mantenimiento de estructuras
3. MUY POCO FRECUENTES
Mantenimientos a largo plazo
10.1 ACTIVIDADES DE ARRANQUE
El arranque se basa primordialmente en el establecimiento de las plantas y el suelo hasta que
se alcance un equilibrio en los sistemas, lo cual puede tardar de pocas semanas a dos años.
Durante este periodo se da un crecimiento en la cobertura de plantas, los suelos absorben y
liberan constituyentes, se crean capas de residuos (detritos) de plantas y se establecen
biopelículas de perifiton que son bacterias, hongos, algas y protozoos que crecen en las
superficies vegetales (Kadlec & Wallace, 2009).
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Las actividades de arranque se dividen en tres periodos de establecimiento (Kadlec & Wallace,
2009):
1. PERIODO DE ARRANQUE
En este periodo se realiza la siembra inicial con un nivel bajo y se incrementa
gradualmente la profundidad del agua (2 cm diarios), para que los retoños
siempre estén sobre la superficie del agua, hasta que se alcance la profundidad
de diseño. Puede incluir recirculación.
Termina con cuatro semanas de reducción neta del contaminante objetivo.
2. PERIODO DE ESTABILIZACIÓN
En este periodo, se estabiliza el sistema a la entrada de todas las descargas de
drenaje ácido que debe tratar. Se finaliza cuando se alcanzan las
concentraciones de contaminantes deseadas. Si no se alcanzan en dos años se
debe reevaluar el sistema.
3. PERIODO DE OPERACIONES DE RUTINA
Este periodo inicia cuando se cumplen los objetivos de tratamiento y solo se
requieren operaciones rutinarias.
10.2 MONITOREO
Los parámetros más importantes a monitorear pretenden evaluar la calidad agua, nivel e
indicadores biológicos con el objetivo de determinar si se requieren cambios adicionales. Los
parámetros principales se muestran en la tabla 2 y las adiciones posibles a los sistemas incluyen
(Kadlec & Wallace, 2009):
Sistema de llenado y vaciado
Recirculación
Desviación alterna de flujo
Adición de corrientes con suplementos
Aireación
Tabla 2. Parámetros de monitoreo con ubicación y frecuencia. Tomado de (Kadlec & Wallace, 2009)
Parámetros monitoreados Lugar muestra Frecuencia muestreo
Flujo Entrada - salida Frecuente
Lluvia, evaporación, temperatura del aire Adyacente al humedal Frecuente
Etapa de agua Interior del humedal Frecuente
EN CAMPO
Temperatura del agua, oxígeno disuelto, pH, conductividad
Entrada - salida Poco frecuente
Monitoreo de plantas: Porcentaje de cobertura especies dominantes + altura promedio
Cerca de entrada y salida
Muy poco frecuente
EN EL LABORATORIO
Calidad del agua (incluyendo orgánicos, nutrientes, solidos suspendidos y patógenos)
Entrada - salida Poco frecuente
Metales, orgánicos, toxicidad Entrada - salida Muy poco frecuente
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10.3 ACTIVIDADES DE MANEJO POCO FRECUENTES
Entre las actividades de manejo poco frecuentes se encuentran (Kadlec & Wallace, 2009):
Control de insectos.
Las plantas pueden volver a crecer y tolerar insectos que no se coman sus raíces o partes
sub-superficiales. Como el sistema se puede auto-recuperar, los insectos no se
consideran un problema grave.
Las estrategias de control se basan en minimizar el número de larvas que puedan
volverse adultos utilizando:
Predadores de mosquito
Control de larvas químico (herbicidas no tóxicos en mamíferos) o biológico
(bacterias)
Manejo de la vegetación
No se recomienda la remoción de plantas porque (Kadlec & Wallace, 2009):
Las plantas muertas se descomponen, formando nuevo suelo y abasteciendo de
nutrientes al humedal a largo plazo.
No se espera una remoción significativa de contaminantes al extraer las plantas
porque la mayoría de estos se fijan al suelo y a las partes inferiores de la planta.
No obstante, se puede remover las plantas por algún motivo, como por ejemplo (Kadlec
& Wallace, 2009):
Exceso de plantas no deseadas.
Utilizar la biomasa como una fuente de energía en plantas de incineración (Van Loo
& Koppejan, 2008).
La cosecha o remoción de plantas se realiza cortando, arrancando manualmente, con
remoción mecánica y con aplicación de herbicida. Debido al posible contenido de
contaminantes tóxicos se debe tratar las plantas cosechadas como un desecho
peligroso. Estos desechos peligrosos deben ser enviados a un relleno de seguridad o una
planta de incineración, sin embargo es ventajoso someterlos a una previa reducción de
volumen en plantas especializadas (Ali, Khan, & Sajad, 2013; Sas-Nowosielska et al.,
2004).
Los procesos de pre-tratamiento disponibles para reducir el volumen son (Sas-
Nowosielska et al., 2004):
Planta de compactación: En la cual se disponga de equipo especial y tratamiento
de lixiviados.
Planta de compostaje: En la cual se reduce el volumen y el contenido de agua, en
un proceso que tarda dos a tres meses. Nunca utilizar el compost producido como
fertilizante, a menos que un estudio demuestre que las concentraciones de
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contaminantes son mínimas y seguras (Bonanno, Cirelli, Toscano , Giudice, &
Pavone, 2013).
Planta de pirolisis: En la cual se lleva el material a alta temperatura en ausencia de
oxígeno, que genera coque (residuo toxico) y gas pirolítico aprovechables, logrando
una reducción significativa del volumen.
El material de desecho resultante, se haya pasado o no por el pre-tratamiento, se puede
manejar con los siguientes métodos de disposición final (Sas-Nowosielska et al., 2004):
Planta de incineración: Permite un aprovechamiento energético del material como
combustible, generación de cenizas aprovechables y recuperación de metales. Es
el método más ventajoso ambiental y económicamente (Van Loo & Koppejan,
2008; Vassilev, Baxter, Andersen, & Vassileva, 2003).
Disposición directa en relleno de seguridad: Es la opción más rápida pero menos
ventajosa cuando no hay una reducción previa de volumen.
Mantenimiento de estructuras
Remoción de cúmulos no acordes al diseño. Los cúmulos de tierra o residuos
son poco frecuentes, pero pueden generarse por animales y vegetación.
Seguimiento a la estructura para reparar la posible erosión, debida a olas o
lluvia.
Limpiar obstrucciones de agujeros de mantenimiento, presas, tuberías de salida
y estructuras de control. Las plantas flotantes pueden causar muchos problemas
en este sentido, por lo cual no son recomendadas.
10.4 MANEJO Y MANTENIMIENTO A LARGO PLAZO
A largo plazo, el principal aspecto que requiere mantenimiento es la colmatación de los tres
sistemas para la cual se recomienda un mantenimiento con remoción de sólidos.
En especial, el humedal anaerobio SAPS es el que requiere mayor mantenimiento. Para evitar el
taponamiento de poros se debe dar especial cuidado a las capas de la cama y procurar que no
llegue oxígeno a la capa inferior (Kadlec & Wallace, 2009).
A continuación se describe manejo para cada caso:
Tanque de sedimentación
Se recomienda la remoción de lodos cuando se llenan dos terceras partes del tanque de
sedimentación (EPA, 1995)
Humedal aerobio
Los sólidos se acumulan internamente en las zonas vegetales. La acumulación no es
uniforme y es de 1 o 2 cm por año. A partir de la altura de diseño se puede programar
el mantenimiento que consiste en la remoción de sólidos (EPA, 1995).
20
Humedal anaerobio SAPS
Para este sistema es necesario hacerle mantenimiento cada tres años para evitar la
obstrucción de la cama.
Si el problema ocurre antes del mantenimiento, se puede diagnosticar a partir de un
sobre-nivel en la entrada. Generalmente las obstrucciones se dan cerca a la entrada y a
la salida del sistema. La solución debe ser un mantenimiento de cama, puesto que
cambiar el nivel no funcionaría (Kadlec & Wallace, 2009).
Las opciones de mantenimiento son (Kadlec & Wallace, 2009):
1. Reemplazar el material de la entrada.
2. Remover el material, lavarlo y regresarlo.
3. Aplicar peróxido de hidrogeno H2O2 (30%) para oxidar químicamente bio-sólidos
in-situ.
Si es necesario se puede aumentar el tamaño de partícula de la grava de la cama,
principalmente en las zonas de entrada y salida de agua, en un rango de 50 a 200 mm
de diámetro.
21
12. ANEXOS
Selección de especies de plantas
Es absolutamente recomendado utilizar especies de plantas nativas y que se encuentren en las
cercanías al sitio de construcción del humedal artificial. Esto se debe a que estas ya se
encuentran adaptadas al medio ambiente. Adicionalmente, se desea evitar el riesgo de
introducir y esparcir especies que puedan ser invasoras y alterar los ecosistemas de la zona. En
la tabla 3, se presenta una selección de especies de plantas nativas, emergentes, perennes y no
invasoras en Bogotá y el valle de Úbate que pueden ser consideradas para el establecimiento
del humedal (Guzman Ruiz, 2012; Cronk & Fennessy, 2001; Instituto Humboldt Colombia, s.f.).
Tabla 3. Lista de especies
Familia Nombre científico Nombre Común
Apiaceae Hydrocotyle ranunculoides Sombrilla de agua
Apiaceae Hydrocotyle umbrellata Sombrilla de agua
Apiaceae Lilaeopsis schaffneriana Canutillo
Asteraceae Acmelia oppositifolia Chisaca
Asteraceae Senecio carbonelli Senecio
Begoniaceae Begonia fischeri Begonia del pantano
Brassicaceae Cardamine bonariensis Berro
Cyperaceae Cyperus rufus Cortadera
Cyperaceae Eleocharis macrostachya Cebolleta de pantano
Cyperaceae Schoenoplectus californicus Junco
Juncaceae Juncus densiflorus Junco
Juncaceae Juncus effusus Junco
Juncaceae Juncus Microcephalus Junco
Limnocharitaceae Hydrocles nymphoides Loto
Lythraceae Cuphea racemosa Moradita
Marchantiaceae Marchantia polymorpha Marchantia
Onagraceae Ludwigia hexapetala Clavo de agua
Onagraceae Ludwigia peploides Clavo de agua
Orchidaceae Habenaria repens Orquidea del pantano
Poaceae Polypogon elongatus Pasto peludo
Polygonaceae Polygonum acuminatum Barbasco, tabaquillo
Polygonaceae Polygonum hydropiperoides Barcasco
Polygonaceae Polygonum sagittatum Barbasco
Polygonaceae Polygonum segetum Gualola
Rubiaceae Galium ascendens Coralito
Scrophulariaceae Calceolaria mexicna Rediculo de pantano
Scrophulariaceae Gratiola bogotensis Graciola del pantano
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Recomendaciones de plantación
Como se mencionó para la plantación de los humedales se pueden utilizar ciertas partes o
estructuras de las plantas que se puedan propagar por si solas y son conocidas como propágulos.
Los agujeros se pueden cavar con palas, insertar el propágulo y tapar el agujero (EPA, 1995).
Para humedales aerobios se recomienda (EPA, 1995):
Los propágulos se deben plantar a una profundidad suficientemente baja para que no
floten y se pierdan, pero suficientemente alta para que no se ahoguen.
Se suelen espaciar los propágulos de 0.3 - 1 m.
Se pueden plantar agrupados y en bandas o filas perpendiculares a la dirección del flujo.
El nivel agua se puede elevar cuando el nuevo crecimiento ha alcanzado 10 - 12 cm.
Si se utilizan tubérculos estos deberían tener 2-5 cm de tallo/raíz, y para plantas
maduras como juncos se recomienda cortar los tallos a 0.3 m de altura.
Ilustración 10. Recomendación de plantación de retoños. Adaptado de Kadlec & Wallace (2009).
Para humedales anaerobios se recomienda (EPA, 1995):
Si se utilizan raíces o rizomas; deben tener brotes en crecimiento de al menos 0.2 m de
largo.
Si hay plantas maduras se recomienda separarlas y cortar su tallo maduro a menos de
0.3 m antes de plantar.
Para incentivar el crecimiento a profundidad de las raíces se puede bajar el nivel agua.
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Recomendaciones de diseño de celdas en humedales aerobios
Para mejorar la eficiencia del tratamiento es altamente importante la distribución uniforme del
agua, evitando zonas de estancamiento o transito lento de agua. Por esta razón, los diseños más
adecuados se basan en celdas con múltiples entradas y salidas como se expone en la ilustración
12. Una buena opción, es utilizar tuberías con numerosas perforaciones tanto para la entrada,
redistribución o salida. En todo caso, se recomienda evadir esquinas de estancamiento como se
muestra en la ilustración 11 (Kadlec & Wallace, 2009).
Ilustración 11. Diseños de celdas individuales no recomendados debido a estancamiento. Adaptado de Kadlec &
Wallace (2009).
Ilustración 12. Diseños de celdas recomendados por sus reducidas zonas de estancamiento. Adaptado de Kadlec
& Wallace (2009).
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Regla para transformación de unidades de caudal
Teniendo en cuenta que el dimensionamiento de los sistemas depende del caudal, a
continuación se presenta una regla que permite transformar el valor del caudal en L/s (línea
azul) a las unidades utilizadas en el manual m3/día (línea roja).
Ilustración 13. Regla para transformación de unidades de caudal.
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