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CINÉTICA E HIDRODINÁMICA APLICADAS, EN CONDICIONES
AMBIENTALES LOCALES, A HUMEDALES DE FLUJO SUBSUPERFICIAL A
ESCALA PILOTO
DIANA LUCINA HINCAPIÉ MARÍN
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA
FACULTAD DE TECNOLOGÍA PROGRAMA DE QUÍMICA INDUSTRIAL
PEREIRA MAYO DE 2007
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CINÉTICA E HIDRODINÁMICA APLICADAS, EN CONDICIONES
AMBIENTALES LOCALES, A HUMEDALES DE FLUJO SUBSUPERFICIAL A
ESCALA PILOTO
DIANA LUCINA HINCAPIÉ MARÍN
Trabajo de grado
Requisito para optar al título de Químico Industrial
Director
Juan Mauricio Castaño Rojas
Magíster Scientiae en Ingeniería Sanitaria y Ambiental
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA FACULTAD DE TECNOLOGÍA
PROGRAMA DE QUÍMICA INDUSTRIAL PEREIRA
MAYO DE 2007
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Nota de aceptación:
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__________________________________
______________________________________________
Jurado
______________________________________________
Jurado
______________________________________________
Director
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CONTENIDO
pag.
1 Introducción .................................................................................................................................1 1.1 Justificación del problema ...................................................................................................2
1.2 Planteamiento del problema................................................................................................4
1.3 Objetivos .............................................................................................................................5
1.3.1 Objetivo general .........................................................................................................5 1.3.2 Objetivos específicos ..........................................................................................................5
2 Marco Conceptual........................................................................................................................6 2.1 Marco referencial ................................................................................................................6
2.2 Marco teórico ....................................................................................................................12
2.2.1 Humedal ...................................................................................................................12 2.3 Definición de humedal.......................................................................................................14
2.4 Componentes del humedal ...............................................................................................15
2.2.1 Agua .................................................................................................................................15 2.2.2 Suelo.................................................................................................................................16 2.2.3 Plantas ..............................................................................................................................172.2.4 Organismos.......................................................................................................................18
2.5 Tipos de humedales ..........................................................................................................19
2.5.1 Humedales de flujo subsuperficial (SSF)..................................................................19 2.6 Evaluación hidrodinámica de humedales de flujo subsuperficial.......................................20
2.6.1 Cinética en los humedales de flujo subsuperficial ....................................................29 3 Metodología ...............................................................................................................................31
3.1 Fases de la investigación ..................................................................................................31
3.2 Consideraciones previas a la realización del experimento................................................32
3.2.1 Características del lecho empacado.........................................................................32 3.2.2 Característica del agua residual ...............................................................................32 3.2.3 Dimensiones físicas de los humedales.....................................................................33
3.3 Descripción del experimento .............................................................................................33
3.3.1 Montaje a escala piloto.............................................................................................33 3.3.2 Caracterización del agua residual ............................................................................34 3.3.3 Evaluación hidrodinámica (Objetivo especifico 1) ....................................................35 3.3.4 Descripción del experimento ....................................................................................35
4
3.3.5 Evaluación de cuatro tipos de trazadores a escala de laboratorio (objetivo específico 2) 37 3.3.6 Estudio cinético (objetivo específico 3.)....................................................................39
4 Resultados y análisis de resultados...........................................................................................42 4.1 Caracterización del agua residual .....................................................................................42
4.1.1 Fase I .......................................................................................................................42 4.1.2 Fase II ......................................................................................................................43 4.1.3 Fase III .....................................................................................................................44
4.2 Evaluación hidrodinámica de los humedales ....................................................................45
4.2.1 Distribución de tiempos de residencia (DTR) para el Humedal Arena.....................45 4.2.2 Distribución de tiempos de residencia (DTR), para el humedal grava......................47
4.3 Resultados del estudio de cuatro tipos de trazadores......................................................49
4.4 Evaluación cinética de los humedales...............................................................................51
4.4.1 Evaluación cinética para el Humedal arena..............................................................51 4.4.2 Evaluación cinética Humedal Grava.........................................................................52
5 Conclusiones .............................................................................................................................535.1 Evaluación hidrodinámica de los humedales a escala piloto.............................................53
5.2 Evaluación de cuatro tipos de trazadores a escala de laboratorio ....................................53
5.3 Evaluación de la cinética en humedales de flujo subsuperficial a escala piloto ................54
6 Recomendaciones .....................................................................................................................56 7 BIBLIOGRAFÍA..........................................................................................................................57 8 ANEXOS....................................................................................................................................59
5
1 Introducción
Un humedal es un área compuesta por agua, plantas, suelo y un sin número de
organismos vivientes. Todos estos interactúan entre sí para formar un ecosistema,
el cual desde hace varios años se ha venido usando como una tecnología alterna
en el tratamiento de aguas residuales.
¿Por qué los humedales?
Los humedales son los ecosistemas de mayor productividad biológica en la tierra,
estos están frecuentemente habitados por plantas nativas y en ellos viven multitud
de animales incluyendo mamíferos, aves, reptiles, anfibios y peces, estos últimos
no son comunes en otros ecosistemas. Aunque las plantas están rodeadas de
agua en abundancia, estas pueden soportar su escasez y también pueden
soportar la ausencia de elementos esenciales como el oxigeno. Por esto los
humedales son el mayor grupo de ecosistemas en la tierra. Al poseer esta alta
tasa de productividad biológica, los humedales pueden transformar muchos de los
compuestos contaminantes presentes en las aguas residuales, en otros menos
dañinos y lo que es mejor pueden hacer que estos formen parte de los procesos
biológicos del humedal. (Kadlec &Knight, 1996). Por estas razones los humedales
están siendo usados en los proyectos de depuración de aguas residuales, ya que
son muy eficientes a bajos costos de mantenimiento y consumo de energía.
Aunque en Colombia se están empezando a implementar este tipo de tecnologías,
en la mayoría de los casos el éxito de estos tratamientos biológicos depende en
gran parte de la climatología del sitio. Con este estudio se pretende evaluar
parámetros de diseño, de tres humedales construidos a escala piloto, bajo
condiciones ambientales locales y así dar soporte a los proyectos a emplear en un
futuro.
1
1.1 Justificación del problema
El tratamiento de aguas residuales se lleva a cabo en tanques o depósitos de
diferentes tipos y formas bajo condiciones controladas de flujo y carga de
alimentación. Estos depósitos se denominan reactores y en su interior ocurren
transformaciones químicas o biológicas. En la mayoría de los casos en que el
agua residual contiene contaminantes de tipo orgánico se puede emplear el
tratamiento biológico como alternativa para la descontaminación. Uno de los
proyectos de tratamiento biológico que se puede emplear es el de terrenos
pantanosos artificiales, conocidos como humedales artificiales, estos pueden ser
de dos tipos: de flujo libre y de flujo subsuperficial. (Metcalf & Eddy, 1995)
Generalmente los humedales de flujo subsuperficial se diseñan de acuerdo con
modelos de reactores de flujo pistón en los que se llevan a cabo reacciones de
degradación con cinética de primer orden (Kadlec, 1999)
Este diseño se realiza a partir del planteamiento de una relación básica,
asumiendo periodos de flujo estable:
Ce/Co=e-KT
t (1)
Los parámetros que se tienen en cuenta esta relación son:
Co = concentración de carga en el afluente, referida a la DBO5
Ce = concentración de carga en el efluente, referida a la DBO5
KT = constante de velocidad
t = tiempo de retención hidráulica, que se puede calcular a partir de los
caudales de entrada y salida, profundidad, ancho y largo del humedal y la
porosidad del medio (Lara, 1998)
En la práctica los resultados de este modelo, que se supone un reactor de flujo
pistón con reacciones cinéticas de primer orden, no siempre se ajustan al
2
comportamiento real, sobre todo porque es incierto el desarrollo de flujo del agua
residual dentro del humedal y a demás de eso la elección de la cinética del
proceso se basa en escoger reacciones de velocidad que casi siempre están
referidas a información contenida en la literatura (Rojas, 2005)
Este proyecto pretende estudiar básicamente dos cosas: la primera es el
comportamiento hidrodinámico que describe el sistema para así ajustarlo a
modelos de reactores que pueden ser de flujo pistón o mezcla completa o bien
combinaciones de los dos y la segunda, hallar, a las condiciones ambientales
locales, los coeficientes cinéticos de la reacción de degradación de la DBO5. Este
último factor es determinante en el diseño de los sistemas de tratamiento en la
región debido a que en la mayoría de los casos todos los parámetros utilizados en
el desarrollo de estos proyectos están basados en datos obtenidos en países
como Estados Unidos o los europeos
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1.2 Planteamiento del problema
En Colombia existen muchos sistemas de tratamiento biológico de aguas
residuales, que han sido diseñados a partir de modelos de reactores con
coeficientes de diseño para orden y velocidad de reacción de degradación de la
DBO5, obtenidos en condiciones ambientales de países que presentan climas
extremos en invierno y verano. Esto hace que se incurra fácilmente en sobre
diseños innecesarios, ya que estos coeficientes están calculados para considerar
el efecto de las épocas frías, en las cuales se modifica la cinética de reacción de la
DBO5, lo que ocasiona que el valor numérico de dichos coeficientes sea pequeño
y además, estos son generalmente obtenidos a partir de un modelo simplificado de
flujo pistón que no tiene en cuenta la dispersión aportada por factores climáticos,
químicos e hidráulicos de marcada influencia en la hidrodinámica de estos
sistemas. (Castaño, 2005)
Surge entonces la necesidad de realizar este proyecto, que pretende obtener los
coeficientes de diseño para orden y velocidad de reacción bajo diferentes
circunstancias climáticas que se presenten a lo largo del periodo de estudio, para
las condiciones de estudio.
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1.3 Objetivos
1.3.1 Objetivo general
Evaluar el comportamiento hidrodinámico y cinético de los humedales de flujo
subsuperficial a escala piloto, bajo diferentes condiciones ambientales locales
1.3.2 Objetivos específicos
1. Evaluar modelos (PFR1 y CSTR2) que describan el comportamiento
hidrodinámico de los humedales de flujo subsuperficial.
2. Evaluar a escala de laboratorio cuatro tipos de trazadores3 utilizados en el
estudio hidráulico de reactores.
3. Obtener expresiones o valores de los coeficientes cinéticos (cinética de primer
orden para reactores PFR1 Y CSTR2) para la degradación de materia orgánica.
1 PFR: reactor flujo pistón 2 CSTR: reactor mezcla completa 3 Trazadores usados: Cloruro de Litio, Rhodamina WT, Rhadamina B y Cloruro de Sodio
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2 Marco Conceptual
2.1 Marco referencial
Aerobio: un proceso que ocurre en presencia del oxígeno, tal como la digestión
de la materia orgánica por las bacterias en una charca de oxidación.
Afluente: agua residual u otro líquido que ingrese a un reservorio, o algún proceso
de tratamiento.
Aguas negras: aguas que contiene los residuos de seres humanos, de animales
o de alimentos. Agua de abastecimiento de una comunidad después de haber sido
contaminada por diversos usos. Puede ser una combinación de residuos, líquidos
o en suspensión, de tipo doméstico, municipal e industrial, junto con las aguas
subterráneas, superficiales y de lluvia que puedan estar presentes.
Así se denomina a las aguas contaminadas con desechos orgánicos humanos.
Aguas residuales que provienen de las casas habitación y que no han sido
utilizadas con fines industriales, comerciales, agrícolas o pecuarios.
Aguas residuales: agua que contiene residuos, es decir, materias sólidas o
líquidas evacuadas como desechos tras un proceso industrial. Fluidos residuales
en un sistema de alcantarillado
Ambiente anaerobio: proceso desarrollado en ausencia de oxígeno molecular.
Anaerobio: un proceso que ocurre en ausencia de oxígeno, tal como la digestión
de la materia orgánica por las bacterias en un UASB-reactor
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Biopelícula: película biológica adherida a un medio sólido que lleva a cabo la
degradación de la materia orgánica.
Carga orgánica: producto de la concentración media de DBO por el caudal medio
determinado en el mismo sitio; se expresa en kilogramos por día (kg/d).
Carga superficial: caudal o masa de un parámetro por unidad de área y por
unidad de tiempo, que se emplea para dimensionar un proceso de tratamiento (
m³/(m² día), kg DBO/(ha día).
Conductividad hidráulica: propiedad combinada de un medio poroso y saturado
y del fluido que lo atraviesa, que determina la relación, llamada ley de Darcy, entre
el caudal específico y el gradiente hidráulico que lo origina. El ratio con el que el
agua puede moverse a través de un medio permeable
Contaminación:
Introducción en el agua de sustancias no deseables, no presentes normalmente
en la misma, por ejemplo microorganismos, productos químicos, residuos o
vertidos que la hacen inadecuada para el uso previsto
Ciclo geoquímico del agua: el agua, que con el concurso de la energía solar se
evapora de los mares, arrastra cantidades notables de sales, en especial de
cloruro sódico. El agua de lluvia disuelve diversas sales y gases que se
encuentran en la atmósfera. En un agua de lluvia se han encontrado los iones
siguientes: sodio, potasio, calcio, magnesio, bicarbonatos, cloruros, bromuros,
yoduros, sulfatos, nitratos, fosfatos, amonio, anhídrido carbónico, argón, etc. Al
llegar a la tierra, el agua disuelve las sales solubles que se encuentran en las
litofacies que lava. Es particularmente interesante la disolución de anhídrido
carbónico presente en la zona de infiltración y que tiene su origen en la
descomposición de la materia orgánica. Este anhídrido carbónico facilitara la
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disolución de otras sales, en especial los carbonatos. Por último, el agua regresa a
la atmósfera por evaporación, dejando en el mar o en la tierra las sales minerales
disueltas.
Ciclo hidrológico: sucesión de fases por las que pasa el agua en su movimiento
de la atmósfera a la tierra y en su retorno a la misma: evaporación del agua del
suelo, mar y aguas continentales, condensación del agua en forma de nubes,
precipitación, acumulación en el suelo o en masas de agua y reevaporación.
Ciclo natural del agua que ocurre en el ambiente, incluyendo la evaporación,
condensación, retención y escorrentía.
Carga hidráulica: cantidad de agua que absorbe un sistema por unidad de
tiempo. El término se suele expresar en metros cúbicos de agua por metro cúbico
de volumen del sistema por unidad de tiempo, para expresar la presión ejercida
por el agua en un punto determinado
Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) ó Demanda de oxígeno: cantidad de
oxígeno usado en la estabilización de la materia orgánica carbonácea y
nitrogenada por acción de los microorganismos en condiciones de tiempo y
temperatura especificados (generalmente cinco días y 20 ºC). Mide indirectamente
el contenido de materia orgánica biodegradable.
Demanda Química de Oxígeno (DQO): medida de la cantidad de oxígeno
requerido para oxidación química de la materia orgánica del agua residual, usando
como oxidantes sales inorgánicas de permanganato o dicromato en un ambiente
ácido y a altas temperaturas.
Hidrodinámico: se refiere al movimiento, debido al peso y fuerza de los líquidos,
así como la acción desarrollada por el agua.
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Ley de Darcy: fórmula que expresa la proporcionalidad entre el caudal específico
de un líquido que fluye a través de un medio poroso y el gradiente hidráulico, en
régimen laminar (números bajos de Reynolds).
Ley de Stoke: método para calcular el ratio de caída de partículas a través de un
fluido, basado en la densidad, viscosidad y tamaño de partículas
Permeabilidad: la habilidad de un fluido para pasar a través de un medio bajo
presión. Caudal que pasa por una sección unidad de acuífero bajo un gradiente
también unidad a una temperatura fija o determinada. Se considera el coeficiente
de Darcy. Capacidad variante con la que el agua penetra en el suelo bajo la fuerza
de la gravedad. Por consiguiente expresa la intensidad de la percolación
Planta de tratamiento de aguas: una estructura construida para tratar el agua
residual antes de ser descargada al medio ambiente.
Planta piloto: planta de tratamiento a escala de laboratorio o técnica, que sirve
para el estudio de la tratabilidad de un desecho líquido o la determinación de las
constantes cinéticas y los parámetros de diseño del proceso.
Porosidad: relación entre el volumen de intersticios en una muestra dada de un
medio poroso, por ejemplo suelo, y el volumen bruto del medio poroso, incluidos
los huecos
Porosidad efectiva: cantidad de espacios porosos interconectados que permiten
la transmisión de fluidos. Se expresa como la relación entre el volumen de
intersticios interconectados y el volumen total del medio poroso, incluidos los
huecos
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Pretratamiento del agua: proceso utilizado para reducir o eliminar los
contaminantes de las aguas residuales antes de que sean descargadas
Tiempo de detención: tiempo actual que una pequeña cantidad de agua está en
una base de deposición o base de floculación. En reservorios de Almacenamiento,
esto significa la longitud de tiempo que el agua debe ser almacenada
Tiempo de retención de agua: tiempo teórico durante el cual las aguas o aguas
residuales permanecen en un elemento de depuración o sistema, calculado como
una función de una determinada velocidad de corriente
Tiempo de retención hidráulica: tiempo medio teórico que se demoran las
partículas de agua en un proceso de tratamiento. Usualmente se expresa como la
razón entre el caudal y el volumen útil.
Tierras pantanosas: zonas de tierra con mucha agua, entre otras los pantanos,
las marismas, los humedales, las ciénagas y las turberas. Estas zonas cumplen
muy variadas funciones, como por ejemplo: ayudar a controlar crecidas, purificar el
suministro de agua, proteger de la erosión la línea de la costa y bloquear los
sedimentos que puedan contaminar las vías fluviales, los canales y lagos
Transpiración: proceso por el cual el agua de la vegetación pasa a la atmósfera
en forma de vapor. El proceso por el cual el vapor de agua es liberado a la
atmósfera después de la transpiración de las plantas vivas.
Tratamiento de aguas residuales: procesos por el cual se modifican las
características de las aguas residuales para mejorar su calidad (remover sólidos,
microorganismos, materia orgánica, sales disueltas, etc).
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Tratamiento primario del agua: decantación primaria con o sin adición de
reactivos antes de cualquier otro proceso y después del pretratamiento
Tratamiento secundario del agua: depuración de aguas residuales por procesos
biológicos, como los lechos de oxidación o lodos activados, o por procesos físico-
químicos seguidos por una sedimentación.
Tratamiento terciario del agua: aplicación de procesos de depuración
complementarios para disminuir aún más los contaminantes restantes en aguas
residuales que han sido sometidas a una depuración primaria y secundaria
Tratamiento de agua avanzado: es el nivel de tratamiento de aguas que requiere
una reducción del 85 por ciento en la concentración del agente contaminador,
también conocido como tratamiento terciario
Trazador: material fácilmente detectable que puede añadirse en pequeñas
cantidades al agua superficial o subterránea en movimiento para hacer patentes
las trayectorias o ayudar en la medición de características del flujo, por ejemplo
velocidad, tiempos de tránsito, edad, dilución, etc.
Volumen poroso: relación entre el volumen de intersticios en una muestra dada
de un medio poroso, por ejemplo suelo, y el volumen bruto del medio poroso,
incluidos los huecos.
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2.2 Marco teórico
2.2.1 Humedal
El control de la contaminación puede ser efectivo a través de la prevención y a
través del tratamiento. Es preferible tener la primera línea de control,
implementando prácticas como el reciclaje o la conservación de energía y así las
sociedades tendrían un mayor ahorro en sus economías, pero la línea de
tratamiento, aunque resulte ser más costosa, es la escogida para el control de la
contaminación.
Para el control de la contaminación de aguas se han desarrollado e implementado
muchas tecnologías las cuales utilizan agentes químicos o biológicos en el
proceso. De esta forma se distinguen dos grandes grupos de tratamiento de
aguas, los fisicoquímicos y los biológicos.
Para llevar a cabo estos procesos se usan plantas de tratamiento de aguas
residuales las cuales en general tienen la siguiente configuración: pretratamiento,
tratamiento primario, tratamiento secundario y tratamiento terciario o avanzado.
En muchos casos se utilizan unidades de tratamiento biológico para realizar el
tratamiento secundario y terciario del agua residual. Los humedales hacen parte
del proceso del tratamiento terciario o avanzado.
Los procesos biológicos para el tratamiento de aguas residuales, pueden ser de
dos tipos, convencionales y naturales, la diferencia entre ellos radica en la forma
como obtienen la energía para el proceso, por una parte, los primeros necesitan
fuentes de energía externas como lo son la aireación forzada o la mezcla
mecánica, mientras que los segundos, aunque necesitan de la misma energía
para degradar cada kilogramo de contaminante, obtienen la energía de la
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naturaleza, por ejemplo aprovechan la fuerza de gravedad, la energía del sol, del
viento y la energía potencial del suelo. (Kadlec & Knigth, 1996). Por esta razón el
tratamiento de agua residual mediante humedales es atractivo, ya que se genera
un ahorro en los costos de mantenimiento.
El término humedal describe un diverso espectro de sistemas ecológicos, la
definición científica de un humedal esta referida a varios aspectos funcionales y
estructurales de estos ecosistemas y estos se van describiendo mejor a través de
los acelerados esfuerzos de investigación, ya que de estos escenarios se
perdieron funciones originales, debido a los procesos de urbanización en los
cuales los humedales fueron drenados para obtener terrenos secos. (Kadlec &
Knight, 1996).
En general los humedales son terrenos con agua poco profunda o con suelos
saturados, en todos se presenta la acumulación de material orgánico que al
descomponerse lentamente, provee soporte a una variedad de plantas y animales
adaptados a condiciones saturadas. Entonces la definición de un humedal se
puede dar con base a tres componentes:
Agua. Esta siempre esta presente, ya sea superficial o subsuperficial, debe
saturar el suelo
Suelo. Los humedales tienen un suelo muy característico y esto hace que
se diferencien de otros sistemas
Vegetación. El humedal provee soporte a la vegetación la cual esta
adaptada a condiciones húmedas y estas especies de plantas junto con el
suelo, albergan un sin numero de organismos.
Teniendo en cuenta estos tres componentes se puede ilustrar la definición de un
humedal a través de la figura 1. El clima y la geomorfología definen la existencia
de los humedales, pero el punto de partida es la hidrología la cual afecta fisico-
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quimicamente al ambiente, luego se incluye el suelo que determina junto con la
hidrología cuanta vida se puede encontrar en el humedal.
Figura 1. Componentes básicos que definen un humedal
Tomado de Mitsch & Gosselink, 2000
2.3 Definición de humedal
Técnicamente el termino humedal incluye varios rangos de ecosistemas, desde las
áreas de terreno que nunca están inundadas hasta las áreas que están
profundamente inundadas y todo esto al mismo tiempo. Las áreas no inundadas
pueden ser clasificadas como humedal debido a que pueden tener agua bajo el
suelo, ya sea todo el tiempo o durante algún periodo del año. Los humedales con
un alto grado de inundación son imperceptiblemente ecosistemas acuáticos y la
profundidad del agua excede la altura de la vegetación emergente. Así pues los
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humedales pueden ser desde un área seca hasta un área profundamente
inundada (Kadlec & Knight, 1996). Es probable que se forme un humedal en
donde se acumule una pequeña capa de agua sobre la superficie del terreno o
donde exista un terreno permeable al agua pero que tenga una capa impermeable
que no deje pasar agua al subsuelo (Lara, 1999)
2.4 Componentes del humedal
Los humedales construidos artificialmente para el tratamiento de aguas residuales
tienen como componentes, agua suelo y plantas, los microorganismos e
invertebrados acuáticos se desarrollan naturalmente, (Lara, 1999). Todo esto se
junta en estructuras construidas, previamente diseñadas, para controlar la
dirección del flujo, el tiempo de retención hidráulico y el nivel del agua. (E.U.EPA,
2000)
2.2.1 Agua
El agua es el principal componente del humedal y es la que brinda el soporte a
todos los procesos biológicos que se desarrollan dentro de este.
La hidrología es el factor de diseño mas importante en un humedal construido,
porque reúne todas las funciones del humedal y porque es a menudo el factor
primario en el éxito o fracaso del humedal. Mientras la hidrología de un humedal
artificial no es muy diferente a la de otras aguas naturales, difiere en algunos
aspectos:
Pequeños cambios en la hidrología pueden tener efectos importantes en el
humedal y en la efectividad del tratamiento
Debido al área superficial del agua y a que en un humedal construido el
nivel del agua es poco profundo (1 m, aproximadamente), el sistema actúa
fuerte y recíprocamente con la atmósfera a través de la lluvia y la
evapotranspiración (la pérdida combinada de agua por la evaporación y la
transpiración de las plantas).
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A medida que aumenta la densidad de población del humedal, se afecta la
hidrología, primero porque el recorrido del agua dentro de este, resulta ser
mas sinuoso porque tiene que moverse por entre la red de tallos, hojas,
rizomas y raíces, y segundo porque el crecimiento de las plantas bloquean
la exposición del humedal al viento y al sol, (Lara, 1999)
2.2.2 Suelo
El suelo en un humedal es el sitio en el cual muchas de las trasformaciones
químicas del sistema tienen lugar y es el primer lugar de almacenamiento de las
sustancias que van a usar las plantas. Estos suelos son llamados suelos hídricos y
se definen como: suelos que generan condiciones anaerobias al estar inundados o
saturados de agua todo o durante parte del periodo anual. Existen dos tipos de
suelos: suelos minerales o suelos orgánicos estos últimos poseen material
orgánico que representan más del 30 % en peso en un análisis de suelo seco,
debajo de este valor se consideran suelos minerales (Mitsch & Gosselink, 2000)
El suelo causa modificaciones físicas, químicas y biológicas en un humedal, este
puede ser depósitos sedimentados, grava, arena y rocas. El suelo de los
humedales es igual a otros suelos, solamente que estos se ven influenciados por
el agua la cual cambia sus características ya que reduce su exposición a la
atmósfera con lo que ocasiona la disminución de las condiciones aerobias. El
conocimiento apropiado de las características del suelo, es importante en la
planeación, diseño y mantenimiento de un humedal porque las propiedades de
este pueden afectar el crecimiento de las plantas y la asimilación de los
constituyentes del agua residual a ser tratada, (Kadlec & Knigth, 1996).
Una de las características del suelo en el humedal es que dentro de este el
oxigeno no se disuelve fácilmente por la saturación del agua, esto genera que la
materia orgánica se acumule y se reduzca la actividad microbiana y la
descomposición orgánica (Kadlec & Knigth, 1996), pero este proceso es
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importante para la remoción de contaminantes como el nitrógeno y los metales,
porque esto da lugar al intercambio de materia, la fijación de microorganismos y es
una fuente de Carbono, la cual es una fuente de energía para el desarrollo de
algunas de las reacciones biológicas mas importantes dentro del humedal (Lara,
1999).
2.2.3 Plantas
Las plantas en el humedal tienen como función:
Estabilizar el suelo y limitar el flujo dentro del canal
Al limitar el flujo permiten menor velocidad de este lo que genera que el
material suspendido se sedimente
Toman CO2, nutrientes y trazas de elementos y los incorporan en su
estructura
Permiten la transferencia de gases entre la atmósfera y los sedimentos
La perdida de oxigeno desde las raíces de la planta, genera micro sitios
oxigenados donde el substrato se puede ubicar
Permiten la formación de biopelículas
Alteran los procesos de oxido-reducción del substrato y esto afecta la
capacidad de proceso del humedal4
Proveen un pretratamietno al agua residual, al retener material flotante.
Las raíces de las plantas ayudan a la estabilización del suelo, con lo que se
previene la formación de canales de erosión en el humedal
Reducen la velocidad del viento con lo que se evita la resuspensión de
sólidos
Disminuyen el flujo de agua dentro del humedal, reduciendo la
sedimentación
4 E.U. ENVIROMENTAL PROTECTION AGENCY, Handbook of constructed wetlands, EPA.
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Junto con el suelo, ayudan a la formación de biopelículas y es en estos
sitios donde ocurre el tratamiento del agua residual
Las raíces de las plantas, permiten la oxigenación del suelo
El mismo proceso biológico de la planta permite la desnitrificación del agua
residual, ya que ayuda a las bacterias a fijar el nitrógeno. (Brix, 2007)
2.2.4 Organismos
Una característica fundamental de los humedales es que sus funciones están
altamente reguladas por los microorganismos y sus metabolismos.
Al generarse condiciones anaerobias dentro del humedal, los diferentes
organismos que allí habitan deben adaptarse a este difícil ambiente, esta
adaptación requiere de un gasto importante de energía generando que estos
trabajen con menos eficiencia. A nivel celular todos los organismos tienen una
adaptación similar, sin embargo los organismos unicelulares son los que muestran
mejores resultados. La adaptación de estos organismos incluye la habilidad para
respirar anaerobicamente, depurar los productos finales del metabolismo
anaerobio, usar los productos orgánicos reducidos como fuentes de energía y usar
los elementos minerales de los sedimentos como aceptores de electrones, cuando
el oxigeno no esta presente.
Las plantas y animales multicelulares han desarrollado estrategias complejas de
vida al desplegar sistemas que permiten la labor del cuerpo. Por ejemplo una
adaptación importante al ambiente anóxico por parte de las plantas, es que estas
han desarrollado poros en la parte blanda de la corteza, los cuales permiten la
difusión del oxigeno hacia las partes que lo necesiten, de esta manera las raíces
suplen esta deficiencia. Los animales por su parte, se han adaptado tanto física
como estructuralmente, al desarrollar gradientes de flujo de oxigeno hacia el
cuerpo, permitiendo una mejor circulación y eficiencia de respiración (Mitsch &
Gosselink, 2000).
18
2.5 Tipos de humedales
Los humedales son un complejo ensamble de agua, substrato, plantas, residuos
(principalmente, el material vegetal que cae), invertebrados (mayormente larvas de
insectos y gusanos) y un sin número de organismos (los más importantes
“bacterias”), todo esto trabaja en función de la descontaminación del agua. Hay
varios tipos de humedales: humedales de flujo superficial, humedales de flujo
subsuperficial y sistemas híbridos que incorporan flujo superficial y subsuperficial.
Ambos sistemas pueden ser combinados con tecnologías convencionales de
tratamiento. (USEPA, Handbook)
2.5.1 Humedales de flujo subsuperficial (SSF)
Estos sistemas son canales de flujo cerrado con un substrato poroso que puede
ser grava, roca o arena. Están diseñados para que el flujo circule por debajo de la
superficie del suelo y el flujo puede ser horizontal o vertical.
Figura 3. Humedal de flujo subsuperficial (SSF)
Vegetación
Suelo
Impermeabilización
Suelo natural
Tomado de E.U. ENVIROMENTAL PROTECTION AGENCY, Handbook of constructed wetlands,
EPA. p. 18
Una de las características de este sistema es que su hidráulica es influenciada por
el suelo, por esto para una mejor operación del humedal el agua residual debe
19
tener relativamente bajas concentraciones de sólidos suspendidos y el flujo debe
estar bajo condiciones uniformes. Los humedales de flujo subsuperficial usan
frecuentemente 5 días para reducir la demanda bioquímica de oxígeno (DBO), de
las aguas residuales domésticas.
La ventaja de estos sistemas es que tienen gran tolerancia al frío, los problemas
de olor y pestilencia se minimizan y tienen un mayor potencial de asimilación por
unidad de área que los humedales de flujo superficial, porque los poros del
substrato permiten una mayor superficie de contacto para el tratamiento del agua
residual, siendo entonces más pequeños y de igual eficiencia. Además como el
flujo de agua esta por debajo del suelo, esta no tiene contacto alguno con el
público, por esto muchos de estos sistemas están construidos en parques. La
desventaja es que su construcción es más costosa, esto ocasiona que estos
humedales se utilicen para pequeños flujos. También presentan dificultad en
cuanto a la regulación del flujo, los costos por conceptos de mantenimiento y
reparación son más altos que en los humedales de flujo superficial y numerosos
sistemas presentan taponamientos por el desconocido comportamiento del flujo
subsuperficial.
2.6 Evaluación hidrodinámica de humedales de flujo subsuperficial
Generalmente los humedales de flujo subsuperficial se diseñan, como reactores
que siguen un modelo de flujo ideal (en pistón).
En la realidad el comportamiento del flujo dentro del humedal es incierto, porque
dentro de este se pueden generar zonas de estancamiento o de recirculación.
Cuando una sustancia inerte a reaccionar dentro del reactor, se introduce al
proceso, esta sale con el tiempo de tal forma que se puede dar un vistazo al
20
comportamiento del flujo dentro del reactor, esto se conoce como evaluación
hidrodinámica.
Un buen ejemplo para comprender en qué consiste esta evaluación, es imaginar
que el reactor es una calle por la cual se va a realizar una maratón, inicialmente se
tienen a todos los concursantes en la línea de partida, (estímulo: introducción de
una sustancia inerte), cuando se oye el disparo (inyección instantánea, en escalón
o arbitraria de la sustancia), todos salen a correr en lote, pero empieza realmente
la competencia, los más veloces avanzan más rápidamente sobre la vía, mientras
que otros se irán cansando y puede que otros ya no quieran seguir, empiezan a
llegar a la meta, llega el ganador, el segundo lugar, el lote de participantes y otros
pocos que terminan, llegan con mucha dificultad. ¿Cuál fue el tiempo de llegada
de cada participante?, ¿cuántos participantes llegaron al mismo tiempo?
podríamos hacer una gráfica tiempo de llegada contra participantes.
Analógicamente: la vía de la competencia es el humedal o reactor, los
concursantes son la sustancia que se desea inyectar y como van llegando a la
meta es la Distribución de Tiempos de Residencia (DTR).
Los elementos de un fluido siguen diferentes caminos dentro del reactor, por lo
tanto tienen tiempos distintos para pasar a lo largo de él, la distribución de estos
tiempos de residencia del fluido, se conoce como distribución de la edad a la
salida “E” o “F” comúnmente esta distribución se grafica y estas gráficas se
conocen como curvas DTR (Distribución de tiempos de residencia).
Las curva E o F, se obtiene dependiendo de la forma como es inyectada la
sustancia inerte dentro del reactor, si la solución se inyecta instantáneamente se
obtiene la curva E y se inyecta en escalón se obtiene la curva F.
Figura 4. Inyección instantánea de la sustancia inerte o trazador
21
El objetivo de la evaluación hidrodinámica del humedal es comparar la curva E
normalizada con curvas E normalizadas para patrones de flujo ideal, reactores de
flujo en pistón (PFR) o reactores de mezcla completa, conectados en serie
(CSTR), dependiendo de qué tanto se acerque la curva E a alguno de estos
modelos, se asume que el comportamiento dentro del reactor es de flujo en pistón
o n reactores de mezcla completa conectados en serie, esto puede aclarar las
desviaciones que tenga el flujo dentro del reactor respecto del flujo ideal
inicialmente propuesto.
Figura 5. Tipos de flujo no ideal que podrían presentarse en diversos equipos de
proceso
Tomado de LEVESPIEL, 2004. p. 258
22
Obtención de las curvas DTR
Inicialmente se estimula el sistema con una sustancia inerte a él, esta sustancia se
conoce como trazador, posteriormente se espera la respuesta del sistema al
estímulo, los datos obtenidos son la concentración de la sustancia respecto al
tiempo. Si esta relación se grafica se obtiene la curva C impulso
Figura 6. Curva C impulso
Tomado de LEVESPIEL, 2004. p. 263
(2)
Donde
C: Concentración del trazador en el tiempo
M: masa de trazador inyectada
v: flujo volumétrico de entrada al humedal
La curva E se crea multiplicando cada valor de C impulso por v/M y graficando
cada resultado contra el tiempo. El área bajo la curva E es igual a 1
23
(3)
Figura 7. Transformación de la curva C en una curva E
Tomado de LEVESPIEL, 2004. p. 263
Para realizar la comparación de la curva E obtenida del comportamiento del
reactor real, con las curvas E de comportamiento de patrones de flujo ideal, esta
se debe normalizar respecto al tiempo es decir:
(4)
Donde
t: tiempo de retención hidráulica y se obtiene
(5)
Y E normalizada se grafica respecto al tiempo normalizado :
(6)
24
Dependiendo del flujo dentro del reactor la curva E normalizada adoptará las
siguientes formas:
Figura 8. Curva E para varios patrones de flujo. Las curvas se construyen en
función de unidades de tiempo ordinaria y adimensionales.
Tomado de LEVESPIEL, 2004. p. 266
Comparación de la curva E normalizada del reactor real respecto a curvas E
normalizadas para patrones de flujo ideal
Cuando se tiene la curva E normalizada se aplican modelos de flujo ideal
evaluándolos en el tiempo de retención hidráulico obtenido experimentalmente,
estos modelos se sobreponen en la curva E del reactor para observar a cual de
ellas se asemeja, de esta forma se concluye que el flujo dentro del reactor tiende a
ser flujo pistón o n tanques agitados en serie
25
Figura 9. Curva E normalizada para un humedal de flujo subsuperficial
Curva E normalizada
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 0,5 1 1,5 2 2,5
Tiempo normalizado
E n
orm
aliz
ada
Figura 10. En violeta, Curva E normalizada para PFR.
Curva E normalizada
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 0,5 1 1,5 2 2,5
Tiempo normalizado
E n
orm
aliz
ada
Curva E normalizada PFR
Modelo de reactores de mezcla completa en serie (CSTR)
Para n reactores:
(7)
26
Figura 11. En amarillo, curva E normalizada para 1 CSTR
Curva E normalizada
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 0,5 1 1,5 2 2,5
Tiempo normalizado
E n
orm
aliz
ada
Curva E normalizada PFR 1 CSTR
Figura 12. En verde, curva E normalizada para 2 CSTR
Curva E normalizada
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 0,5 1 1,5 2 2,5
Tiempo normalizado
E n
orm
aliz
ada
Curva E normalizada PFR 1 CSTR 2 CSTR
Figura 13. En vinotinto, curva E normalizada para 3 CSTR
Curva E normalizada
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 0,5 1 1,5 2 2,5
Tiempo normalizado
E n
orm
aliz
ada
Curva E normalizada PFR 1 CSTR 2 CSTR 3 CSTR
La interpretación de estas gráficas, es que si la curva E normalizada, se asemeja a
alguna de las curvas E normalizadas para los patrones de flujo ideal, se dice que
el reactor tiende a comportase como PFR, 1 CSTR, 2 CSTR, 3 CSTR, etc.
27
Diagnóstico de fallas en reactores
A partir de las curvas RTD, se puede observar fallas al interior del reactor
Figura 14. Mal comportamiento de reactores de flujo pistón
Tomado de LEVESPIEL, 2004. p. 288
t = tiempo de retención hidráulica teórico;
(8)
V = Volumen de reactor (m3)
v = Flujo volumétrico o caudal que entra al reactor (m3/d)
tobs = tiempo de retención hidráulica obtenido experimentalmente
28
(9)
C = concentración puntual del trazador
!t = diferencia de tiempos
2.6.1 Cinética en los humedales de flujo subsuperficial
Supóngase que se requiere diseñar un humedal para el tratamiento de un agua
residual doméstica, generada por una población de 600 habitantes. Para poder
desarrollar el proyecto se deben tener los datos iniciales de:
Concentración inicial del compuesto a tratar = Co
Concentración final del compuesto = Ce
Valor del coeficiente cinético = K
Para hallar el tiempo de retención hidráulico con el cual se puede dimensionar el
tamaño del humedal, ahora supongamos que los datos iniciales son:
Co = 250 Kg DQO/m3-d
Ce = 50 Kg DQO/m3-d
K = 1,89 d-1( )5
Usando la ecuación = Ce/Co=e-KT
t (1)
El tiempo de retención hidráulica para el humedal es = 0,85 d
Se sabe que el tiempo de retención hidráulica para el humedal es = Volumen del
reactor (m3) / Flujo volumétrico de entrada del agua residual (m3/d)
Si en este ejemplo se asume que el flujo volumétrico es = 86,4 m3/d
5 Tomado de Romero 1999, p. 900
29
El volumen del reactor será = 0,85 d * 86,4 m3/d = 73,4 m3
El costo del humedal a partir del modelo de costos propuesto en Quintero, zapata
& Guerrero, 20066, asciende aproximadamente a los $ 90.000.000.
Ahora, la variación de las características físicas del humedal, se puede observar,
cambiando el valor numérico del coeficiente cinético por los valores reportados en:
Tabla 1. Valores del coeficiente cinético para la reacción en términos de la BBO7
K20 C Fuente
1.104 Reed (1993)
0.805 Leclerc & Jules (1999)
Para un coeficiente cinético de 1,104, el volumen del humedal es = 126 m3, la
dimensión del humedal aumenta en un 60 % aproximadamente, lo que quiere
decir que el costo asciende a $ 144.000.000, es decir que con este valor se tienen
que invertir $ 54.000.000, más para ejecutar el proyecto.
La importancia de la cinética en el diseño de sistemas de tratamiento de aguas
residuales, radica en los costos.
De lo anterior se podría concluir, que el principal ahorro o gasto en este tipo de
sistemas de tratamiento esta en el valor numérico del coeficiente cinético y en
general este valor se adquiere de la literatura y en muchos casos estos, han sido
calculados en países que presentan estaciones climáticas donde deben tener en
cuenta que en las épocas muy frías este valor tiende a ser pequeño. Esto
ocasiona sobrediseños innecesarios, (Castaño, Juan M. 2005)
6 SALAS QUINTERO, Diana; ZAPATA, Mario A y GUERRERO ERAZO, Jhonniers G. Modelo de costos para el tratamiento de las aguas residuales en la región. En: Scientia et Technica Año XII. Pereira. No. 32; Diciembre de 2006; pag. 4 7 CASTAÑO ROJAS, Juan Mauricio. Hidrodinámica y cinética en humedales de flujo subsuperficial. Grupo de investigación
en agua y saneamiento básico, Facultad de Ciencias Ambientales, Universidad Tecnológica de Pereira. Pereira. 2005. p. 1-
5
30
3 Metodología
Este proyecto se desarrollo en tres fases de investigación y tuvo una duración de
35 semanas, las unidades de estudio están localizadas en la planta de tratamiento
de aguas de la Universidad Tecnológica de Pereira.
3.1 Fases de la investigación
Cuadro 1. Fases de la investigación
Fase Actividades realizadas
Parámetros analizados
Observaciones
Estudio cinético, sin siembra
DQO, DBO total y soluble
I Análisis de
trazador
Medición de fluorescencia de la Rhodamina
WT
Carga orgánica suministrada:COS = 40 Kg DBO5 / ha día
Estudio cinético, sin siembra,
DQO, DBO total y soluble
Siembra Siembra de
Papiro Estudio cinético,
con siembra DQO, DBO total
y soluble II
Análisis de trazador
Medición de fluorescencia de la Rhodamina
WT
Carga Orgánica suministrada:COS = 120 Kg DBO5 / ha día
Estudio cinético con siembra
DQO, DBO total y soluble
III Análisis de
trazador
Medición de fluorescencia de la Rhodamina
WT
Carga orgánica suministrada:COS = 240 Kg DBO5 / ha día
A lo largo de todas las fases de investigación semalamnte se realizó una caracterización del agua residual del sistema, con base a los siguientes ensayos: DQO, DBO, SST, Nitrógeno Kjeldahl y Fósforo Total.
31
3.2 Consideraciones previas a la realización del experimento
3.2.1 Características del lecho empacado
Las características del lecho empacado se determinaron experimentalmente8.
Cuadro 2. Características del lecho empacado.
Valor hallado Parámetro
Metodología empleada para hallar el valor experimental del parámetro Arena Grava
Coeficiente de uniformidad
Análisis granulométrico, utilizando para la grava tamices con abertura de 1½’, 1’, ¾’,½’ y ¼’ y para arena, los tamices 6, 12, 20, 30, 40, 50, 70, 100, 140 y 200
2,78 2,29
Factor de forma
Se determina experimentalmente la velocidad de precipitación de las partículas de grava y arena, utilizando como fluidos aceite SAE 50 y agua respectivamente. Utilizando la ecuación de Stokes, se despeja el valor del factor de forma
0,639 0,302
Conductividad hidráulica (m/s)
Se realiza un montaje a escala piloto en el laboratorio 0,0013 0,21
Porosidad del medio
Esta consiste en llenar un recipiente con el material de relleno del lecho empacado y posteriormente llenar con agua el espacio vacío que queda por entre las partículas. La porosidad del medio será entonces = volumen vacío/volumen ocupado
0,35 0,50
3.2.2 Característica del agua residual
Durante toda la fase práctica de la investigación se usó agua residual sintética. Cuadro 3. Composición del agua residual sintética.
Componentes Cantidad /m3
Volumen de sangre, ml 1507,1Nutrientes, ml 1019,5 KH2PO4 , grs 37,7 K2HPO4 ,grs 96,4 Na2HPO4.7H2O, grs 148,0 NH4Cl, grs 7,5
8 La descripción de los métodos para la determinación de las características del lecho empacado se aprecian en los anexos
32
3.2.3 Dimensiones físicas de los humedales
Cuadro 4. Dimensiones de los humedales
Humedal Dimensión
Arena Grava Blanco Largo (m) 2,96 2,95 2,95 Ancho (m) 0,66 0,68 0,67 Profundo (m) 0,74 0,79 0,85 Altura del lecho (m) 0,56 0,61 0,59 Altura nivel del agua (m) 0,41 0,46 0,44 Ancho de muro (m) 0,18 0,18 0,18 Borde libre (m) 0,18 0,18 0,26 Área (m2) 1,95 2,01 1,98 Volumen de celda (m3) 1,45 1,58 1,68 Volumen de empacado (m3) 0,80 0,92 0,87 Porosidad del medio 0,35 0,50 0,50 Volumen de vacios (m3) 0,28 0,46 0,43 Caudal afluente (ml/min) 104 104 104
TRH teórico (d) 1,87 3,08 2,90
3.3 Descripción del experimento
3.3.1 Montaje a escala piloto
El montaje costa de un depósito para el almacenamiento del agua residual
sintética, la cual es alimentada al sistema mediante una bomba peristáltica , esta
es inicialmente tratada por dos filtros anaerobios de flujo ascendente (FAFA)
dispuestos en serie, luego el efluente de los filtros se distribuye mediante un
vertedero a los humedales a escala piloto, ubicados en paralelo. Dos de las tres
unidades se empacaron con grava y la tercera con arena (ver cuadro 4). Se
sembraron solo dos unidades y se dejo una tercera como control. Estas unidades
se denominaron: humedal arena, humedal grava y humedal blanco (control).
33
Figura 15. Esquema Planta piloto
3.3.2 Caracterización del agua residual
A lo largo de las semanas de investigación se realizó la toma de muestras de los
diferentes puntos del sistema:
Punto 3: Efluente FAFA 2, afluente humedales
Punto 4: Efluente humedal arena
Punto 5: Efluente humedal grava
Punto 6: Efluente humedal blanco
Para todas las muestras se realizó un muestreo compuesto de alícuotas
proporcionales al caudal, tomadas cada veinte minutos.
34
En el laboratorio se analizaron los parámetros de Demanda Química de Oxigeno
(DQO), Demanda Bioquímica de Oxigeno (DBO), Nutrientes Fósforo y Nitrógeno,
Sólidos Suspendidos Totales (SST)
3.3.3 Evaluación hidrodinámica (Objetivo especifico 1)
3.3.3.1 Unidad Experimental
Humedales de flujo subsuperficial, usados como tratamiento después de los filtros
anaerobios, del montaje a escala piloto. Ver numeral 3.3.1
3.3.3.2 Materiales, equipos y reactivos
! Solución al 20 % de Rhodamina WT
! Agua residual, afluente de los humedales
! Fluorometro
! Medidores de caudal (cronómetro + probeta)
3.3.4 Descripción del experimento
! Preparación de la solución trazadora: la solución inicial de Rhodamina WT,
viene con un 20% de principio activo, de esta se toma un volumen, para
preparar otra solución de concentración conocida.
! Información de la inyección de la solución trazadora: Ver cuadro 5
! Inyección del trazador: esta debe ser instantánea
! Toma de muestras: dependiendo del tiempo de retención hidráulica, la toma
de muestras se va ha hacer de tres a cinco veces este tiempo. Se debe
efectuar un programa de toma de muestra
! Medición del trazador: se mide la concentración del trazador con el
fluorometro calibrado
35
! Medición del caudal: siempre que se tome la alícuota para medir la
concentración del trazador, se debe medir el caudal
! Medición del tiempo: cuando se toma la muestra hay que asociarle un
tiempo, este va aumentando a medida que avanza el tiempo de muestreo
! Datos esperados: al final de la parte práctica se debe haber obtenido datos
de concentración del trazador, caudal y tiempos asociados a ese dato de
concentración
! Tratamiento de datos: con los datos obtenido realizar las curvas DTR
! Conclusiones: evaluación del comportamiento hidrodinámico
Cuadro 5. Información sobre la inyección de la solución trazadora
Fase I HUMEDAL ARENA
HUMEDAL GRAVA
HUMEDAL BLANCO
Volumen agregado de solución trazadora ( mL ) 10 10 10
Masa de trazador aplicada ("g) 170640 170640 170640
Concentración del trazador inyectado ("g/L) 17064000 17064000 17064000
Concentración inicial del agua residual ("g/L) 1,394 0,567 0,253
Tiempo de retención hidráulico teórico (h) 44,88 73,92 69,6
Fase II HUMEDAL ARENA
HUMEDAL GRAVA
HUMEDAL BLANCO
Volumen agregado de solución trazadora ( mL ) 330 330 330
Masa de trazador aplicada ("g) 34188 34188 34188
Concentración del trazador inyectado ("g/L) 103600 103600 103600
Concentración inicial del agua residual ("g/L) -0,62067 -0,66833 -0,604
Tiempo de retención hidráulico teórico (h) 44,88 73,92 69,6
Fase III HUMEDAL ARENA
HUMEDAL GRAVA
HUMEDAL BLANCO
Volumen agregado de solución trazadora ( mL ) 330 330 330
Masa de trazador aplicada ("g) 34188 34188 34188
Concentración del trazador inyectado ("g/L) 103600 103600 103600
Concentración inicial del agua residual ("g/L) 0,0317 -0,6027 -0,0477
Tiempo de retención hidráulico teórico (h) 44,88 73,92 69,6
36
3.3.5 Evaluación de cuatro tipos de trazadores a escala de laboratorio (objetivo específico 2)
Diseño experimental.
Unidad experimental
La unidad experimental es un humedal a escala de laboratorio, ubicado en el
laboratorio de procesos biológicos de la Facultad de Ciencias Ambientales de La
Universidad Tecnológica De Pereira.
Esta unidad se encuentra funcionando en estado estable flujo estable, lo cual
permite simular en ambiente natural el desempeño de los tazadores
Características de la unidad experimental:
Alto
(m)
Ancho
(m)
Largo
(m)
Porosidad
Volumen
efectivo
(L)
Caudal
suministrado
(mL/min)
Tiempo de
retención
hidráulica
0,35 0,3 0,8 0,4 33,6 105 320 min.
Materiales y reactivos
Previo al ensayo de trazadores se debe realizar una solución compuesta por los
cuatro tipos de trazadores, en agua del efluente del humedal. Para saber la
composición de la solución respecto a los trazadores, se debe conocer el tipo de
técnica a usar para cuantificarlos. Una vez conocida la técnica, hay que establecer
lo máximo de concentración que se puede determinar de trazador según el
método, esto debe ser lo esperado en el efluente del humedal.
37
Parámetros a analizar
hodamina B: Absorbancia a 530 nm; medida con fotómetro
hodamina WT: Fluorescencia; medida con fluorometro
loruro de Sodio: Conductividad "s/cm; medida con conductímetro
e Litio: emisión a 670 nm; medida con espectrofotómetro de absorción tómica
uadro 6. Información sobre la inyección
R R C Cloruro da C
Trazador Método De
Cuantificación Co a ncentración Máxim
Según El Método
Concentración En La Solución Usada Para Calibración
Masa A Aplicar9
Rhodamina B
absorbancia llegue a 0,8
10 ppm 336 mg Fotometría de absorción atómica, #=530nm
Debe ser tal que la
Rhidamina WT Medición de la fluorescencia,
Usando el fluorometro10, hasta 300 ppm
600 ppb 20160 "g
Cloruro de sodio
idad eléctrica
xima del equipo 50 ms/cm
de
17100 mg Conductiv Lectura má 500 ppb, para obtener una conductividad1000 "s/cm
Cloruro de litio rorción
atómica
l de
calibración, 2 ppm
0,0122 g 560 mg Espectrofotometía de abs
Máxima concentración deestándar de la curva
9 Al humedal que se requiere estudiar 10 Turner desings
38
.3.6 Estudio cinético (objetivo específico 3.)
diseño de los humedales, de tal forma que se
semejen a la siguiente figura:
3
En este estudio se realiza el
a
Figura 16. Esquema de diseño de la unidad piloto
la
de la materia orgánica, referida a DBO5, sigue una
lanteando un balance de masa sobre el sistema, se tiene:
ale + Genera = Acumula (4)
os términos indivi
Con esto se asume que el flujo dentro del reactor es idealmente flujo en pistón y
cinética de descomposición
cinética de primer orden.
P
Entra – S
L duales son:
dt
dNVrFF AAZZAZA "#$
! (5)
n condici
E ones de periodo estable, flujo estable:
0"!# !
VrFF AZZAZA (6)
39
Entonces:
VrFF AZAZZA "# ! (7)
Reemplazando el volumen (V) por la multiplicación de b*h* Z, se tiene:
ZhbrFF AZAZZA "# ! (8)
El volumen, es el volumen efectivo de reacción, esto significa que el volumen del
recipiente se debe multiplicar por la porosidad del medio filtrante. (Levespiel, 2004)
Dividiendo por Z y reemplazando r por kC ! se tiene:
A A
$ZZAZAkbhC
Z
FF"
A
! !
ara cualquier F, que sea función continúa y suave de Z se cumple que: lim Z"0 es
(9) P
$A
A kbhCdF
"dz (10)
Linealizando la anterior expresión:
$$ AA LnCLnkbh
dFLn !"
dz (13)
ma de muestra a lo largo del
umedal, como se muestra en la siguiente figura:
Se puede evaluar k y !, usando puntos de to
h
40
Figura 17. Puntos de muestreo para el estudio cinético
Una vez realizada la toma de muestras se efectúan sobre ellas los ensayos de
DQO total y soluble, y DBO total y soluble. Cuando se realiza el muestreo se toma
el dato de volumen inicial agregado al humedal y volumen final obtenido; con esto
se calcula la perdida de agua sobre el sistema por evapotranspiración, luego con
el dato de evapotranspiracion se obtiene el caudal en cada punto, haciendo la
diferencia entre el caudal de entrada menos la evapotranspiración por el área
transversal, teniendo en cuenta que la porosidad del medio determina el área
transversal efectiva. Con los caudales obtenidos se calcula el flujo másico para
cada punto de toma de muestra y se grafican los datos de flujo másico, obtenido,
en los diferentes ensayos, contra la distancia. Seguidamente se procede a
iferenciar el flujo másico respecto a la distancia. Finalmente esta relación se
linealiza y se grafica ln Ca contra ln (dFa/dz).
d
41
4 Resultados y análisis de resultados
4.1 Caracterización del agua residual
4.1.1 Fase I
Gráfica 1. Comportamiento del caudal FASE I
50
70
90
110
130
150
170
190
Qin ARENA Qout ARENA Qin GRAVA Qout GRAVA Qin BLANCO Qout BLANCO
Cau
dal
(m
L/m
in)
Gráfica 2. Comportamiento de la temperatura FASE I
15
17
19
21
23
25
27
29
31
Tin Tout ARENA
Tout GRAVA
°C
Gráfica 3. Comportamiento del pH FASE I
6,60
6,80
7,00
7,20
7,40
7,60
7,80
pHin pHout ARENA pHout GRAVA
pH
pHout BLANCOTout BLANCO
Gráfica 4. Eficiencias de remoción de los humedales en la FASE I
-20,0
0,0
20,0
40,0
60,0
80,0
100,0
DQO DQO sol DBO SST NTK PT
Parámetros
% d
e R
emo
ció
n
Arena
Grava
Blanco
42
4.1.2 Fase II
Gráfica 5. Comportamiento del caudal FASE II
50
60
70
80
90
100
110
120
130
QinARENA
QoutARENA
QinGRAVA
QoutGRAVA
QinBLANCO
QoutBLANCO
mL
/min
Gráfica 7. Comportamiento de la Temperatura FASE II
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
Tin Tout ARENA Tout GRAVA Tout BLANCO
°C
Gráfica 6. Comportamiento del pH FASE II
6,40
6,60
6,80
7,00
7,20
7,40
7,60
7,80
pHin pHout ARENA pHout GRAVA pHout
BLANCO
pH
Gráfica 8. Eficiencias de remoción de los humedales en la FASE II
-60,0
-40,0
-20,0
0,0
20,0
40,0
60,0
80,0
100,0
DQO DQO sol DBO SST NTK PT% d
e R
emo
ció
n
Arena
Grava
Blanco
43
4.1.3 Fase III
Gráfica 9. Comportamiento del caudal FASE III
50
60
70
80
90
100
110
120
130
Qin ARENA Qout ARENA Qin GRAVA Qout GRAVA Qin BLANCO QoutBLANCO
Cau
dal
(m
L/m
in)
Gráfica 10. Comportamiento de la Temperatura FASE III
18
20
22
24
26
28
30
Tin Tout ARENA ToutGRAVA
ToutBLANCO
°C
Gráfica 11. Comportamiento del pH FASE III
6,80
6,90
7,00
7,10
7,20
7,30
7,40
7,50
7,60
7,70
7,80
pHin pHoutARENA
pHoutGRAVA
pHoutBLANCO
pH
Gráfica 12. Eficiencias de remoción de los humedales en la FASE III
-40,0
-20,0
0,0
20,0
40,0
60,0
80,0
100,0
DQO DQO sol DBO SST NTK PT
% d
e R
emo
ció
n
Arena
Grava
Blanco
44
4.2 Evaluación hidrodinámica de los humedales
El objetivo de este estudio es la modelación del comportamiento real del flujo al
interior del humedal, para esto se realizan las curvas de distribución de tiempos de
residencia RTD.
4.2.1 Distribución de tiempos de residencia (DTR) para el Humedal Arena
DTR Humedal arena, Fase I
0
0,5
1
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Tiempoo normalizado
Cu
rva
E n
orm
aliz
ada
Curva E normalizada para HA, Fase I PFR 1 CSTR 2 CSTR 3 CSTR
DTR Humedal arena, Fase II
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 0,5 1 1,5 2 2,5
Tiempo normalizado
Cu
rva
E n
orm
aliz
ada
3
Curva E normalizada para HA, Fase II PFR 1 CSTR 2 CSTR 3 CSTR
45
DTR Humedal arena Fase III
0
0,5
1
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3
Tiempo normalizado
Cu
rva
E n
orm
aliz
ada
,5
Curva E normalizada HA, Fase III PFR 1 CSTR 2 CSTR 3 CSTR
% Tiempos de retención hidráulica, obtenidos, para el Humedal arena:
Fase I = 286 h
Fase II = 354 h
Fase III = 397 h
% Tiempo de retención hidráulica, teórico del Humedal arena: 44,8 h
% Curva C, para el Humedal arena
Curva C para el humedal arena
020406080
100120140160180
0 100 200 300 400 500 600
Tiempo (h)
Conce
ntr
ació
n (ug/L
)
Fase I Fase II Fase III TRH Teórico TRH Obs. Fase I TRH Obs. Fase II TRH Obs. Fase III
46
4.2.2 Distribución de tiempos de residencia (DTR), para el humedal grava
DTR Humedal grava, Fase I
0,0
0,5
1,0
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Tiempo normalizado
Cu
rva
E n
orm
aliz
ada
Curva E normalizada HG, Fase I PFR 1 CSTR 2 CSTR 3 CSTR
DTR Humedal grava, Fase II
0,0
0,5
1,0
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Tiempo normalizado
Cu
rva
E n
orm
aliz
ada
Curva E normalizada para HG, Fase II PFR 1 CSTR 2 CSTR 3 CSTR
DTR Humedal grava, Fase III
0,0
0,5
1,0
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Tiempo normalizado
Cu
rva
E n
orm
aliz
ada
Curva E normalizada HG, Fase III PFR 1 CSTR 2 CSTR 3 CSTR
47
% Tiempos de retención hidráulica, obtenidos, para el Humedal grava:
Fase I = 208 h
Fase II = 195 h
Fase III = 193 h
% Tiempo de retención hidráulica, teórico del Humedal arena: 73,9 h
% Curva C, para el Humedal grava
Curva C para el Humedal Grava
0
50
100
150
200
0 50 100 150 200
Tiempo (h)
Co
nce
ntr
ació
n (
ug
/L)
Fase I Fase II Fase III TRH Teórico TRH Obs. Fase I TRH Obs, Fase II TRH Obs. Fase II
48
4.3 Resultados del estudio de cuatro tipos de trazadores
Curva E normalizada para el humedal a escala de laboratorio usando Rhodamina WT como trazador
00,20,40,60,8
11,2
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6
Tiempo normalizado
E n
orm
aliz
ada
E normalizada PFR 1 CSTR 2 CSTR 3 CSTR
Curva E Normalizada del humedal a escala de laoratorio usando NaCl como trazador
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 0,5 1 1,5 2 2,5
Tiempo normalizado
E n
orm
aliz
ada
E normalizada PFR 1 CSTR 2 CSTR 3 CSTR
Curva E normalizada para el humedal a escala de laboratorio usando LiCl como trazador
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 0,5 1 1,5 2 2,5
Tiempo normalizado
E n
orm
aliz
ada
E normalizada trazador LiCl PFR 1 CSTR 2 CSTR 3 CSTR
El trazador Rhodamina B no se detectó
49
Las curvas E normalizadas para el humedal a escala de laboratorio, se realizaron
teniendo en cuenta el tiempo de retención hidráulica obtenido con cada trazador,
por esto se observa que la curva E usando Rhodamina WT no esta por mínimo
tres veces el tiempo de retención hidráulica teórico.
E normalizada para el humedal
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6
Tiempo normalizado
E n
orm
ali
zad
a
E normalizada, trazador NaCl E normalizada, trazador Rhodamina WT E normalizada, trazador LiCl
% Tiempo de retención hidráulica del humedal = 320 min
% Tiempo de retención hidráulica del humedal usando Cloruro de Litio
como trazador = 226 min
% Tiempo de retención hidráulica del humedal usando Cloruro de Sodio
como trazador = 230 min
% Tiempo de retención hidráulica del humedal usando Rhodamina WT
como trazador = 412 min.
50
4.4 Evaluación cinética de los humedales
4.4.1 Evaluación cinética para el Humedal arena Gráfica 19. Determinación de la ecuación de la recta, para definir el orden de reacción y el coeficiente cinético, del humedal arena
Evaluación cinética del Humedal arena
y = 0,997x - 2,477
R2 = 0,909
y = 0,486x - 3,5577
R2 = 0,9386
y = 0,9849x - 2,5761
R2 = 0,9127
y = 0,8541x - 2,856
R2 = 0,9915
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
ln Ca
ln (dFa/
dz)
Evaluación 1; cinética con respecto a la DQO soluble Evaluación 2; cinética respecto a la DBO soluble
Evaluación 3; cinética respecto a la DQO soluble Evaluación 4; cinética respecto a la DBO total
Lineal (Evaluación 1; cinética con respecto a la DQO soluble) Lineal (Evaluación 2; cinética respecto a la DBO soluble)
Lineal (Evaluación 3; cinética respecto a la DQO soluble) Lineal (Evaluación 4; cinética respecto a la DBO total)
En el lado derecho de la gráfica se muestran las ecuaciones de la línea recta,
halladas por regresión lineal, la pendiente es el orden de reacción y el término
independiente se relaciona con el coeficiente cinético; estas están dispuestas en
orden, lo mismo se puede ver en el análisis del humedal grava (ver numeral 4.4.2)
Evaluación de la cinética del Humedal arena
Evaluación 1
Evaluación 2
Evaluación 3
Evaluación 4
Promedio
Constante cinética (d-1)
0,8869 0,3010 0,8032 0,6071 0,6500
Orden de reacción
0,997 0,486 0,985 0,854 0,831
51
4.4.2 Evaluación cinética Humedal Grava
Gráfica 20. Determinación de la ecuación de la recta, para definir el orden de reacción y el coeficiente cinético, del humedal grava
Evaluación del comportamiento cinético para el Humedal grava
y = 1,0185x - 1,9787R2 = 0,9697
y = 1,0485x - 2,3615R2 = 0,9783
y = 1,4152x - 1,1151R2 = 0,9779
y = 1,05x - 2,4168R2 = 0,9
-10
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
ln Ca
ln (
dF
a/d
z)
Evaluación cinética 1; DQO soluble Evaluación cinética 2; DBO total
Evaluación cinética 3; DQO soluble Evaluación cinética 4; DQO soluble
Lineal (Evaluación cinética 1; DQO soluble) Lineal (Evaluación cinética 2; DBO total)
Lineal (Evaluación cinética 3; DQO soluble) Lineal (Evaluación cinética 4; DQO soluble)
Evaluación de la cinética del Humedal arena
Evaluación 1
Evaluación 2
Evaluación 3
Evaluación 4
Promedio
Constante cinética (d-1)
0,8839 0,6028 2,096 0,5704 1,0382
Orden de reacción
1,019 1,0485 1,4152 1,050 1,133
52
5 Conclusiones
5.1 Evaluación hidrodinámica de los humedales a escala piloto
% En las curvas DTR para los humedales a escala piloto, se puede apreciar
que el trazador no es el adecuado para la evaluación del comportamiento
hidrodinámico de humedales de flujo subsuperficial, ya que los tiempos de
retención hidráulica observados son mucho mayores que el tiempo de
retención hidráulica teórico para cada uno.
% Sin embargo la modelación del comportamiento hidrodinámico se realizó
con base en el tiempo de retención hidráulica teórico, con lo que se puede
concluir a través de las gráficas de distribución de tiempos de residencia
(numerales 4.2.1 y 4.2.2) que los humedales tienden a comportarse como
dos reactores de tanque agitado conectados en serie.
5.2 Evaluación de cuatro tipos de trazadores a escala de laboratorio
% Comparando la curva E normalizada de tres de los cuatro trazadores se
observa el retrazo por parte del trazador Rhodamina WT, esto ocasiona
errores en la medición del Tiempo de retención hidráulica obtenido
experimentalmente. Como lo sucedido con el estudio hidrodinámico
aplicado a los humedales de flujo subsuperficial a escala piloto
% La curva E normalizada para tres trazadores usados para la evolución
hidrodinámica de un humedal a escala de laboratorio, determina que
definitivamente la Rhodamina WT no es el trazador indicado para la
evaluación hidrodinámica de humedales de flujo subsuperficial, esto puede
ser debido a que es una molécula demasiado grande para migrar fácilmente
53
por el flujo dentro del humedal, mientras que el Cloruro de Litio y el de
Sodio lo pueden hacer con mucha facilidad.
5.3 Evaluación de la cinética en humedales de flujo subsuperficial a escala piloto
Datos tomados de la literatura.
Tabla 13-21
Características típicas del medio en sistemas de flujo subsuperficial
Tipo de medio
Tamaño de grano
máximo (10%)
Porosidad
Conductividad hidráulica
ks, m3/m2.d
K20, d-1
Arena media 1 0,42 420 1,84Arena gruesa 2 0,39 480 1,35Arena gravosa 8 0,35 500 0,86
Tomado de Metcalf & Eddy, 1991. p1131
Tomado de Romero, 1999. p 900: para humedales artificiales el valor de la constante cinética es 1,839 d-1
Tabla 1. Valores típicos de k a 20C
K20&C Fuente
1.104 Reed (1993)
0.805 Leclerc & Jules (1999)
Tomado de Castaño, 2005. p 3
Datos obtenidos
Humedal arena: en promedio, coeficiente cinético = 0,6500 d-1; orden de reacción
= 0,831
Humedal grava: en promedio, coeficiente cinético = 1,0382 d-1; orden de reacción
= 1,133
54
De esta forma se puede concluir que si se requiere tratar agua residual mediante
este tipo de sistemas de tratamiento, será mejor utilizar grava como medio de
empaque, porque ahorraría en costos y prácticamente la eficiencia de remoción es
la misma en la de la grava y en la de la arena.
55
6 Recomendaciones
En la evaluación hidrodinámica de humedales es preferible usar trazadores
que migren fácilmente por el agua, por esto es recomendable usar una sal
infinitamente soluble como el Cloruro de Litio y el Cloruro de Sodio.
Aunque en el diseño de los humedales se asume que estos son reactores
de flujo pistón y siguen una cinética de primer orden, sería importante
enfocar en próximas ocasiones, el estudio cinético con base a la evaluación
del comportamiento hidrodinámico, ya que así se tendrían en cuenta, las
incidencias sobre la cinética por parte de la dispersión del flujo y el
comportamiento de este dentro del humedal.
Otro factor importante de estudio es la parte que tiene que ver con las
plantas y el suelo, sería importante evaluar sistemas que cuenten con más
de estas variables
En cuanto al contaminante, este también podría cambiarse y observar la
cinética de degradación de dicha sustancia, obteniendo así referencias para
diseños de plantas con base a otros desechos.
56
7 BIBLIOGRAFÍA
1. BRIX, Hans. The role of plants in constructed wetlands. En: SEMINARIO
HUMEDALES ARTIFICIALES. Pereira, Universidad Tecnológica de Pereira.
Marzo de 2007
2. CASTAÑO ROJAS, Juan Mauricio. Hidrodinámica y cinética en humedales de
flujo subsuperficial. Grupo de investigación en agua y saneamiento básico,
Facultad de Ciencias Ambientales, Universidad Tecnológica de Pereira.
Pereira. 2005. p. 1-5
3. ESTADOS UNIDOS. ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY.
Constructed wetlands treatment of municipal wastewaters manual. 2000
4. ________.________. A handbook of constructed wetlands
5. ________.________. Guiding principles for constructed treatment wetlands.
Oct. de 2002
6. KADLEC, Robert H. & KNIGHT, Robert L. Treatment wetlands. CRC press,
1996. ISBN: 0-87371-930-1
7. KADLEC, Robert. The inadecuacy of first-order treatment wetland models.
En: Ecological Engineering. 1999 Vol 15, pp 105-119
8. LARA, Jaime Andrés. Depuración de aguas residuales municipales con
humedales artificiales. Barcelona, Mayo de 1999, 122 p. Trabajo de grado
(Master en ingeniería y gestión ambiental). Universidad Politécnica de
Cataluña. Instituto Catalán de Tecnología
57
9. LEVESPIEL, Octave. Ingeniería de las reacciones químicas. 3 ed. México,
Limusa Wiley, 2004. p. 257-292. ISBN: 968-18-5860-3
10. METCALF & EDDY, INC. Ingeniería de aguas residuales, tratamiento vertido
y reutilización. 3 ed, Vol II. Madrid, España. Mc Graw Hill. 1991. ISBN 84-481-
1606-2. p. 1131
11. MITSCH, William & GOSSELINK, James. Wetlands. 3 ed. Estados Unidos.
Jhon Wiley and Sons, 2000. ISBN: 0-471-29232-X
12. REPÚBLICA DE COLOMBIA. MINISTERIO DE DESARROLLO
ECONÓMICO. DIRECCIÓN DE AGUA POTABLE Y SANEAMIENTO
BÁSICO. Reglamento técnico del sector de agua potable y saneamiento
básico RAS-2000. Bogota DC. Noviembre de 2002, Titulo E
13. ROMERO ROJAS, Jairo A. Tratamiento de aguas residuales, teoría y
principios de diseño. Bogota 2000. Editorial escuela colombiana de
ingeniería. ISBN 9588060-13-3. p 900
14. SALAS QUINTERO, Diana; ZAPATA, Mario A y GUERRERO ERAZO,
Jhonniers G. Modelo de costos para el tratamiento de las aguas residuales en
la región. En: Scientia et Technica Año XII. Pereira. No. 32; Diciembre de
2006; pag. 4
http://www.proteccioncivil.org/vademecum/vdm02517.htm#S: marco referencial
58
8 ANEXOS
ANEXO 1. Análisis granulométrico del substrato, determinación del
factor de forma, coeficiente de uniformidad y la porosidad
59
ANALISIS GRANULOMÉTRICO DEL SUBSTRATO, DETREMINACIÓN DEL FACTOR DE FORMA, COEFICIENTE DE UNIFORMIDAD Y LA POROSIDAD
DIANA LUCINA HINCAPIÉ MARIN
Msj. JUAN MAURICIO CASTAÑO ROJAS
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA
60
Características del lecho empacado
Clasificación de suelos
Ver anexo 1. Clasificación de suelos con base en el SUCS.
Datos análisis granulométrico
Arena
Generalidades:
% Peso de arena utilizado en el ensayo = 202 g
% Este ensayo se realizo por triplicado
% Datos obtenidos:
Tabla 1. Datos análisis granulométrico de la arena
61
Grava
Generalidades
% Peso utilizado = 2313 g
Tabla 2. Datos análisis granulométrico grava
Análisis de datos de la granulometría
1. Coeficiente de uniformidad y curvatura
De acuerdo con el resultado de la granulometría, se realiza una recopilación de
datos que se ordenan como se ve en cada tabla y se calcula el % retenido y el N,
este último significa el porcentaje de material que pasa por las mallas.
Arena.
62
Grava
Malla Diámetro
(mm)
Peso
retenido % retenido N
1 38,47 0 0 100
2 27,65 705,7 30,51 69,49
3 17,57 739,3 31,96 37,53
4 12,05 535,7 23,16 14,37
5 10,64 332,3 14,37 0,00
Se grafica Dp Vs. N y se muestra entonces la curva granulométrica
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
80,00
90,00
100,00
0,1001,00010,000100,000
Dp
N
Curva granulométrica arena Curva granulométrica grava
63
2. Porosidad del medio
Cada Fracción de la grava se introdujo en una probeta, a continuación se llenó el
espacio vacío con agua y se contabilizó esta cantidad. La porosidad del medio es:
Grava
Fraccion Volumen
ocupado
Volumen
vacío Porosidad
320 176 0,552
480 241 0,50
560 250 0,453
580 290 0,50
244 130 0,534
250 128 0,51
98 50 0,515
98 44 0,45
410 200 0,49total
410 196 0,48
Pormedio 0,50
El ensayo para la arena no resulta fácil debido a que esta se compacta cuando
recibe el agua y se vuelve impermeable, por lo que el resultado obtenido a
continuación es solo de una pequeña porción de arena
Arena
Porosidad: 0,35
64
3. Factor de forma y área de la partícula
De la granulometría se realiza un análisis acumulado de fracciones y se obtiene
una gráfica de # Vs. 1/Dp, ver tablas y graficas acontinuación
Arena
Area partículas de arena
0,0000
1,0000
2,0000
3,0000
4,0000
5,0000
6,0000
7,0000
8,0000
9,0000
10,0000
0,00
0
0,05
0
0,10
0
0,15
0
0,20
0
0,25
0
0,30
0
0,35
0
0,40
0
0,45
0
0,50
0
0,55
0
0,60
0
0,65
0
0,70
0
0,75
0
0,80
0
0,85
0
0,90
0
0,95
0
1,00
0
Fracción acumulada
1/D
p
Area partículas de arena
65
Grava
Area partículas grava
0,0000
0,0100
0,0200
0,0300
0,0400
0,0500
0,0600
0,0700
0,0800
0,0900
0,1000
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1
Fracción acumulada
1/D
p
Area partículas grava
66
Factor de forma. Datos
El factor de forma se obtiene a partir de la ley de Stokes
P
fpPf
V
gD
'
''
(
')
#" *
72
2
Donde:
$= Factor de forma
%= Viscosidad cinemática (Kg/m.s)
&= Densidad del fluido o de la partícula (Kg/m3)
g= Gravedad (m/s2)
V= Velocidad de sedimentación de la partícula (m/s)
Dp= Diámetro de partícula (m)
Velocidad de sedimentación de las partícula
Estas velocidades están medidas en dos tipos de fluidos, para partículas mas
pesadas como las de la grava y las de la primera fracción de la arena, se usó
aceite para motor SAE 50 y para las fracciones restantes de la arena se hizo el
ensayo en agua, las propiedades físicas de ambos se presentan a continuación:
Fluido Propiedad
Aceite SAE 50 Agua
Grados API 2611 ---
Viscosidad Dinámica 0,539 Kg/m.s12 0.00112 Kg/m.s2
Densidad 0,8991 g/mL 0,999 g/mL
11 Según los grados API se calcula la densidad asi : D = 141,5/(131,5 + ºAPI) y ese valor se referencia a la densidad del agua a 60 ºF = 62,38 lb/ft3, entonces la densidad del aceite es D*Dagua @ 60 ºF 12 La viscosidad se calcula de acuerdo a la clasificación SAE, para aceite monogrado. Esta viscosidad es absoluta, para hallar la dinámica se multiplica por la densidad del fluido.
67
Datos de velocidad de sedimentación
Arena
Malla 6 Malla 12 Malla 20 Malla 30 Fluido L = 21,5 cm L = 30 cm L= 30 cm L = 30 cm Aceite Agua
Tiempo en recorrer la distancia L (s) Velocidad cm/s 1,22 1,23 1,54 5,14 17,62 24,39 19,48 5,841,56 1,43 1,67 5,34 13,78 20,98 17,96 5,62
4,4 1,59 2,02 4,59 4,89 18,87 14,85 6,542,19 1,61 1,76 4,86 9,82 18,63 17,05 6,172,66 2,09 1,61 3,82 8,08 14,35 18,63 7,852,07 1,23 1,76 3,67 10,39 24,39 17,05 8,172,63 1,12 2,65 4,06 8,17 26,79 11,32 7,393,56 1,43 2,1 4,95 6,04 20,98 14,29 6,062,53 1,42 2,09 4,23 8,50 21,13 14,35 7,092,54 1,21 2,29 4,14 8,46 24,79 13,10 7,25
Promedio (cm/s) 9,58 21,53 15,81 6,80
Grava
Malla 2 Malla 3 Malla 4 Malla 5 Fluido
L= 16,4 cm L = 23,5 cm
L = 23,2 cm
L = 26,8 cm Aceite SAE 50
Tiempo en recorrer la distancia L (s) Velocidad cm/s 1,020 0,6700 1,1 1,61 16,08 35,07 21,09 16,651,042 1,2900 0,9 2,04 15,74 18,22 25,78 13,141,640 1,0400 1,12 2,18 10,00 22,60 20,71 12,291,020 1,0000 1,4 1,7 16,08 23,50 16,57 15,761,010 0,9300 1,31 1,92 16,24 25,27 17,71 13,96
1,15 1,48 20,17 18,11 1,15 1,93 20,17 13,89 2,48 2 9,35 13,40 1,51 1,8 15,36 14,89 1,4 1,62 16,57 16,54 2,01 13,33 2,58 10,39 2,28 11,75 1,97 13,60 1,89 14,18 1,87 14,33 1,92 13,96 2,2 12,18 2,2 12,18 2,64 10,15 Promedio 14,83 24,93 18,35 13,73
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Calculo del factor de forma
Arena
Grava
Dp (m) V (m/s)
(Kg/m.s)g
(m/s2) !p
(Kg/m3) !f
(Kg/m3) Factor de
forma
0,02765 0,1483 0,7775620190,01757 0,2493 0,1867700190,01205 0,1835 0,1193504180,01064 0,1373
0,539 9,81 2673 899,1
0,124365133 Promedio 0,302011897
Área de partícula
Integrando el área bajo la curva del análisis granulométrico acumulativo, el área de
la partícula es:
!
"PP
wD
dA
#$6
Arena = 2,83 mm2
Grava = 33,92 mm2
69
En resumen, las características del lecho empacado son:
Medio Parámetro
Arena Grava
Coeficiente de uniformidad 2,78 2,29
Coeficiente de curvatura 0,72 0,93
Porosidad 0,35 0,50
Factor de forma 0,639 0,302
Densidad de partícula 2,417 g/mL 2,673 g/mL
Área promedio de partícula 2,83 mm2 33,92 mm2
Conclusiones
Según la clasificación de suelos con base en el SUCS
Arena: es material mal graduado
Grava: es material mal graduado
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Bibliografía
1. Arango Vélez, Antonio. Manual de laboratorio. Mecánica de suelos. CIII
análisis granulométrico.
2. Juárez Badillo & Rico Rodríguez, 1997. Mecánica de Suelos, Tomo I,
fundamentos de la mecánica de suelos
3. Albarracin, Pedro. Medellín 1985. Lubricación industrial y automotriz.
Tomo I
4. Levenspiel, 1993. Flujo de fluidos e Intercambio de calor.
5. http://normas.imt.mx/mmpsueloterratit.htm
6. http://normas.imt.mx/NORMATIVA/l%20MMP/1%20Suelos%20y%20Terracerias/
M-MMP-1-02-03.pdf
7. http://normas.imt.mx/NORMATIVA/l%20MMP/1%20Suelos%20y%20Terracerias/
M-MMP-1-06-03.pdf
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ANEXOS
Anexo 1. Sistema Único de Clasificación de Suelos. SUCS
Anexo 2. Granulometría de materiales compactables
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