Humedal artificial de flujo vertical

En los humedales artificiales de flujo superficial vertical, la aplicación de agua se efectúa de forma intermitente para preservar y estimular al máximo las condiciones aerobias (CONAGUA 2015). La frecuencia de aplicación del agua residual se calcula considerando que no quede agua en la superficie procedente de la aplicación del riego anterior (DELGADILLO et al 2010). Al dosificar de forma intermitente el humedal (de 4 a 10 veces al día), el filtro pasa por las etapas de saturado y no saturado, estimulando el suministro de oxígeno al agua contaminada, lo que hace posible la degradación microbiana aerobia y permite la eficiente remoción de contaminantes (TILLEY et al. 2018; CONAGUA 2015; SEGURA 2017).

Durante la fase de arrastre, las aguas residuales percolan hacia abajo a través del lecho no saturado. Conforme el lecho drena, el aire es atraído al interior y el oxígeno tiene tiempo para disiparse por los medios porosos. El medio filtrante remueve los sólidos, fija las bacterias y sirve de base para la vegetación. La capa de más arriba se planta y la vegetación puede desarrollar raíces anchas y profundas que permean el medio filtrante. La vegetación transfiere una pequeña cantidad de oxígeno al área de raíz para que las bacterias aeróbicas puedan colonizar el área y degradar los orgánicos. Sin embargo, el principal papel de la vegetación es mantener la permeabilidad del filtro y proporcionar un hábitat para los microorganismos. Los nutrientes y los materiales orgánicos son absorbidos y degradados por las densas poblaciones microbianas. Al forzar a los organismos a pasar por una fase de inanición entre las fases de dosificación, se puede disminuir el crecimiento excesivo de la biomasa y aumentar la porosidad (TILLEY et al. 2018).

Hay registros de aplicación de esta tecnología en el Centro de Investigaciones Biológicas y Acuícolas de Cuemanco en la Ciudad de México, en donde en 2017, estudiantes y personal académico de la Facultad de Química de la UNAM instalaron un humedal de flujo horizontal y vertical combinados para tratar las aguas de las chinampas y poder reutilizarlas en el riego de cultivos (UNAM 2017).  En el medio rural, se ha utilizado en la localidad de Cucuchucho, en la ribera del Lago de Pátzcuaro, en combinación con dos humedales de flujo subterráneo horizontal y una laguna de maduración (RIVAS s.f).

El humedal artificial de flujo vertical se puede diseñar como una excavación poco profunda o una construcción sobre un suelo impermeable o un suelo revestido con geomembrana. Se rellena con un sustrato inerte en el cual se planta vegetación. Un tubo de ventilación conectado al sistema de drenaje puede ayudar con las condiciones anaerobias en el filtro. Al fondo se coloca una capa de grava para el drenaje (al menos de 20 cm), seguido por capas de arena y grava (TILLEY et al. 2018). A profundidad total del sustrato debe estar comprendida entre 45 y 90 cm (DELGADILLO et al. 2010). Dependiendo del clima, algunas opciones comunes de plantas para esta tecnología son: Phragmites australis (carrizo), Typha SP (totora) o Echinochloa pyramidalis; es posible que sea necesario hacer pruebas para determinar la idoneidad de las plantas disponibles localmente con las específicas aguas residuales (TILLEY et al 2018).

El diseño y el tamaño del humedal dependen de las cargas hidráulicas y orgánicas. Generalmente, se requiere una superficie de 1 a 3 m2 por persona (TILLEY et al. 2018; SEGURA 2017).  Para facilitar las actividades de operación y mantenimiento, se recomienda diseñar un humedal con al menos dos celdas de tratamiento (CONAGUA 2015). Cada celda debe tener un revestimiento impermeable y un sistema de recolección del efluente (TILLEY et al. 2018). La pendiente del lecho del humedal debe ser de alrededor de 1% (DELGADILLO et al. 2010).

Debido a la adecuada transferencia de oxígeno, los humedales de flujo vertical pueden generar nitrificación, pero la des-nitrificación es limitada ya que en toda la profundidad del lecho, hay condiciones aeróbicas (GARCÍA et al 2008). Con el fin de crear una secuencia de tratamiento de nitrificación-desnitrificación esta tecnología puede combinarse con un humedal artificial de flujo superficial o un humedal artificial de flujo horizontal subsuperficial (TILLEY et al. 2018). Las obstrucciones son un problema común; por lo tanto, el afluente debe estar bien asentado con tratamiento primario antes de desembocar en el humedal (TILLEY et al. 2018).

Esta tecnología, constituye una buena opción de saneamiento para comunidades que tienen tratamiento primario (fosa séptica, tanque Imhoff, lagunas anaerobias, etc.) pero tienen la necesidad de reducir la contaminación de los cuerpos de agua o bien buscan conseguir un efluente de calidad superior para poder reusarlo en agricultura (TILLEY et al. 2018). Tiene la ventaja de que puede operar con cargas superiores a los humedales artificiales de flujo subsuperficial horizontal y requiere menos área superficial para tratar un mismo caudal (SEGURA 2017). Cuando existe un sistema mecánico de dosificación, esta tecnología requiere personal de mantenimiento capacitado, un suministro de energía constante y repuestos.

El humedal artificial de flujo vertical forma parte del sistema de tratamiento de aguas negras con conducción de efluente (con alcantarillado libre de sólidos) y el sistema de conducción de aguas negras a tratamiento (con alcantarillado simplificado). Por tanto, esta tecnología se aplica en poblados de hasta 2500 habitantes con capacidades y recursos, con suficiente agua y con agua escasa. Puede utilizarse como estrategia de tratamiento y reutilización para aguas grises, con sistemas de flujo por gravedad, en comunidades con escasez de agua (SEGURA 2017). Además, el humedal forma parte de la batería de tecnologías para tratar el efluente de la separación líquido-sólido de los lodos en una planta de tratamiento de lodos, por lo que también forma parte del sistema de cámara simple y el sistema de tratamiento de aguas negras con infiltración. Sin embargo, esto es posible sólo si la comunidad cuenta con una entidad que vacíe las cámaras, transporte y trate el lodo.

Dado que el humedal artificial de flujo vertical puede generar nitrificación, es una tecnología apropiada para el tratamiento de aguas residuales con altas concentraciones de amonio (TILLEY et al. 2018). Los humedales artificiales de flujo vertical se adaptan mejor a climas cálidos, pero pueden diseñarse para tolerar algunos periodos de congelación y baja actividad biológica (TILLEY et al. 2018). En climas fríos, deben aplicarse cargas más altas para que el proceso de remoción de DBO y de nitrificación sea efectivo (SEGURA 2017).

Los humedales artificiales de flujo subsuperficial vertical logran la remoción de diferentes contaminantes, materia orgánica, sólidos suspendidos totales, nitrógeno, fósforo, patógenos y metales pesados. Los patógenos son eliminados por deterioro natural, depredación de organismos superiores, sedimentación y filtración (TILLEY et al. 2018; SEGURA 2017). La eficiencia en la remoción depende de la concentración del agua residual, del diseño del humedal, de las condiciones ambientales y de operación del sistema (SEGURA 2017). Este tipo de humedal reduce el riesgo de criaderos de mosquito, ya que no hay agua estancada. Es estéticamente agradable y puede integrarse áreas silvestres o parques (TILLEY et al. 2018). Debido a estas ventajas, debe normalmente ser bien aceptado por la población. Sin embargo, es importante llevar a cabo talleres con la población para garantizar la eficiente apropiación de la tecnología y lograr su buena operación y mantenimiento ya que esta tecnología es poco conocida (RIVAS et al. 2011). Debe evitarse que las personas entren en contacto con el afluente debido al riesgo de infecciones (TILLEY et al. 2018).

Durante la primera temporada de crecimiento de las plantas, es importante eliminar las malas hierbas que puedan competir con la vegetación adecuada al humedal (TILLEY et al. 2018). Una vez que las plantas están establecidas, esta operación deja de ser necesaria. En otoño de cada año, se debe segar y evacuar la parte aérea de las plantas para evitar su acumulación en la superficie de los filtros (DELGADILLO et al. 2010).

Los tubos de distribución deben limpiarse una vez al año para quitar el lodo y la biopelícula que pueda bloquear los orificios. Con el tiempo, la grava se obstruirá con sólidos acumulados y biopelícula bacteriana. Los intervalos de reposo podrían restablecer la conductividad hidráulica del lecho. Si esto no funciona, el material acumulado debe ser removido y las piezas obstruidas del material de filtración deben reemplazarse (TILLEY et al. 2018).

Las actividades de mantenimiento deben centrarse en garantizar que el tratamiento primario sea eficaz para reducir la concentración de sólidos en las aguas residuales antes de que entren al humedal. El mantenimiento además debe garantizar que no crezcan árboles en el área, ya que las raíces pueden dañar el revestimiento (TILLEY et al. 2018).