Humedal artificial

Los humedales artificiales pueden utilizarse para tratar aguas residuales sin tratar, aguas pluviales y efluentes agrícolas e industriales . Estos humedales imitan las funciones de los humedales naturales para capturar aguas pluviales, reducir la carga de nutrientes y crear diversos hábitats para la vida silvestre. Se utilizan para el tratamiento de aguas residuales o aguas grises . ^{[ 6 ]}

Muchas agencias reguladoras incluyen los humedales de tratamiento como una de sus " mejores prácticas de gestión " recomendadas para controlar la escorrentía urbana . ^{[ 7 ]}

Las formas dominantes de nitrógeno en los humedales que son importantes para el tratamiento de aguas residuales incluyen nitrógeno orgánico , amoníaco , amonio , nitrato y nitrito . El nitrógeno total se refiere a todas las especies de nitrógeno . La eliminación de nitrógeno de las aguas residuales es importante debido a la toxicidad del amoníaco para los peces si se descarga en los cursos de agua. Se cree que el exceso de nitratos en el agua potable causa metahemoglobinemia en los bebés, lo que disminuye la capacidad de transporte de oxígeno de la sangre. Además, el aporte excesivo de N de fuentes puntuales y difusas a las aguas superficiales promueve la eutrofización en ríos, lagos, estuarios y océanos costeros, lo que causa varios problemas en los ecosistemas acuáticos, por ejemplo, floraciones tóxicas de algas, agotamiento del oxígeno en el agua, mortalidad de peces y pérdida de biodiversidad acuática. ^{[ 10 ]}

La eliminación de amoníaco ocurre en los humedales artificiales, si están diseñados para lograr la eliminación biológica de nutrientes, de manera similar a como ocurre en las plantas de tratamiento de aguas residuales , excepto que no se necesita la adición externa de aire (oxígeno) que consume mucha energía. ^{[ 6 ]} Es un proceso de dos etapas, que consiste en nitrificación seguida de desnitrificación . El ciclo del nitrógeno se completa de la siguiente manera: el amoníaco en las aguas residuales se convierte en iones de amonio; la bacteria aerobia Nitrosomonas sp. oxida el amonio a nitrito; la bacteria Nitrobacter sp. luego convierte el nitrito en nitrato. En condiciones anaerobias, el nitrato se reduce a nitrógeno gaseoso relativamente inocuo que pasa a la atmósfera.

El fósforo se presenta de forma natural tanto en formas orgánicas como inorgánicas. La medida analítica de los ortofosfatos biológicamente disponibles se denomina fósforo reactivo soluble (SR-P). El fósforo orgánico disuelto y las formas insolubles de fósforo orgánico e inorgánico generalmente no están biológicamente disponibles hasta que se transforman en formas inorgánicas solubles. ^{[ 13 ]}

En los ecosistemas acuáticos de agua dulce , el fósforo suele ser el principal nutriente limitante. En condiciones naturales no perturbadas, el fósforo escasea. Esta escasez natural se evidencia en el crecimiento explosivo de algas en aguas que reciben grandes descargas de desechos ricos en fósforo. Dado que el fósforo no tiene un componente atmosférico, a diferencia del nitrógeno, su ciclo puede considerarse cerrado. La eliminación y el almacenamiento de fósforo de las aguas residuales solo pueden ocurrir dentro del propio humedal artificial. El fósforo puede ser secuestrado dentro de un sistema de humedal mediante:

1. La unión del fósforo en la materia orgánica como resultado de su incorporación a la biomasa viva,
2. Precipitación de fosfatos insolubles con hierro férrico , calcio y aluminio encontrados en suelos de humedales. ^{[ 13 ]}

Los humedales artificiales se han utilizado ampliamente para la eliminación de metales y metaloides disueltos . Si bien estos contaminantes son frecuentes en el drenaje de minas, también se encuentran en aguas pluviales , lixiviados de vertederos y otras fuentes (por ejemplo, lixiviados o aguas de lavado de FDG en centrales eléctricas de carbón ), para las cuales se han construido humedales de tratamiento en minas. ^{[ 15 ]}

Los humedales artificiales no están diseñados para eliminar patógenos, sino para eliminar otros componentes de la calidad del agua, como sólidos en suspensión, materia orgánica (demanda bioquímica de oxígeno y demanda química de oxígeno) y nutrientes (nitrógeno y fósforo). ^{[ 3 ]}

Se espera que en un humedal artificial se eliminen todos los tipos de patógenos; sin embargo, se prevé una mayor eliminación de patógenos en un humedal subsuperficial. En un humedal de flujo superficial libre, se puede esperar una reducción de patógenos de 1 a 2 log10 ; sin embargo, la eliminación de bacterias y virus puede ser inferior a 1 log10 en sistemas con abundante vegetación. ^{[ 3 ]} Esto se debe a que los humedales artificiales suelen incluir vegetación que ayuda a eliminar otros contaminantes como el nitrógeno y el fósforo. Por lo tanto, la importancia de la exposición a la luz solar para la eliminación de virus y bacterias se minimiza en estos sistemas. ^{[ 3 ]}

Se informa que la eliminación en un humedal de flujo superficial de agua libre diseñado y operado adecuadamente es menor a 1 a 2 log10 para bacterias, menor a 1 a 2 log10 para virus, 1 a 2 log10 para protozoos y 1 a 2 log10 para helmintos. ^{[ 3 ]} En humedales de flujo subsuperficial, se informa que la eliminación esperada de patógenos es de 1 a 3 log10 para bacterias, de 1 a 2 log10 para virus, 2 log10 para protozoos y 2 log10 para helmintos. ^{[ 3 ]}

Las eficiencias de remoción en escala logarítmica base 10 que se informan aquí también pueden entenderse en términos de la forma común de informar las eficiencias de remoción como porcentajes: 1 remoción en escala logarítmica base 10 equivale a una eficiencia de remoción del 90%; 2 en escala logarítmica base 10 = 99%; 3 en escala logarítmica base 10 = 99,9%; 4 en escala logarítmica base 10 = 99,99%, y así sucesivamente. ^{[ 6 ]}

En los humedales artificiales de flujo subsuperficial, las aguas residuales fluyen entre las raíces de las plantas y no afloran a la superficie (se mantienen bajo la grava). Como resultado, el sistema es más eficiente, no atrae mosquitos, es menos oloroso y menos sensible a las condiciones invernales. Además, se necesita menos superficie para purificar el agua. Una desventaja del sistema son las tomas de agua, que pueden obstruirse fácilmente , aunque el uso de grava de mayor tamaño suele solucionar este problema.

Los humedales de flujo subsuperficial se pueden clasificar además en humedales artificiales de flujo horizontal o de flujo vertical. En el humedal artificial de flujo vertical, el efluente se mueve verticalmente desde la capa plantada hacia abajo a través del sustrato y hacia afuera (requiriendo bombas de aire para airear el lecho). ^{[ 20 ]} En el humedal artificial de flujo horizontal, el efluente se mueve horizontalmente por gravedad, paralelo a la superficie, sin agua superficial, evitando así la reproducción de mosquitos. Los humedales artificiales de flujo vertical se consideran más eficientes y requieren menos área en comparación con los de flujo horizontal. Sin embargo, necesitan carga intermitente y su diseño requiere más conocimientos técnicos, mientras que los humedales artificiales de flujo horizontal pueden recibir aguas residuales de forma continua y son más fáciles de construir. ^{[ 4 ]}

Debido a la mayor eficiencia, un humedal artificial subterráneo de flujo vertical requiere solo unos 3 metros cuadrados (32 pies cuadrados ) de espacio por persona equivalente , hasta 1,5 metros cuadrados en climas cálidos. ^{[ 4 ]}  

El "Sistema Francés" combina el tratamiento primario y secundario de las aguas residuales brutas. El efluente pasa por varios lechos filtrantes cuyo tamaño de grano disminuye progresivamente (desde grava hasta arena). ^{[ 4 ]}

Los humedales de flujo superficial, también conocidos como humedales artificiales de superficie de agua libre, pueden utilizarse para el tratamiento terciario o pulido de efluentes de plantas de tratamiento de aguas residuales . ^{[ 21 ]} También son adecuados para tratar el drenaje de aguas pluviales.

Los humedales artificiales de flujo superficial siempre presentan un flujo horizontal de aguas residuales a través de las raíces de las plantas, en lugar de un flujo vertical. Requieren una superficie relativamente grande para purificar el agua en comparación con los humedales artificiales de flujo subsuperficial y pueden presentar olores más fuertes y un rendimiento inferior en invierno.

Los humedales de flujo superficial tienen una apariencia similar a los estanques para el tratamiento de aguas residuales (como los " estanques de estabilización de residuos "), pero en la literatura técnica no se clasifican como estanques. ^{[ 22 ]}

Los patógenos se destruyen por descomposición natural, depredación de organismos superiores, sedimentación e irradiación UV, ya que el agua está expuesta a la luz solar directa. ^{[ 3 ]} La capa de suelo debajo del agua es anaeróbica, pero las raíces de las plantas liberan oxígeno a su alrededor, lo que permite reacciones biológicas y químicas complejas. ^{[ 23 ]}

Los humedales de flujo superficial pueden sustentarse en una amplia variedad de tipos de suelo, incluyendo lodo de bahía y otras arcillas limosas .

Plantas como el jacinto de agua ( Eichhornia crassipes ) y las especies de Pontederia se utilizan en todo el mundo (aunque Typha y Phragmites son altamente invasoras).

Sin embargo, los humedales artificiales de flujo superficial pueden favorecer la reproducción de mosquitos. Además, pueden presentar una alta producción de algas que reduce la calidad del efluente y, debido a la presencia de mosquitos en la superficie del agua y a los malos olores, resulta más difícil integrarlos en un entorno urbano.

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  Humedal artificial de reciente plantación
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  El mismo humedal artificial, dos años después.

Es posible combinar diferentes tipos de humedales artificiales para aprovechar las ventajas específicas de cada sistema. ^{[ 4 ]}

Un humedal artificial integrado es un humedal artificial de flujo libre y sin revestimiento, con áreas vegetadas emergentes y material de suelo local. Sus objetivos no son solo tratar las aguas residuales de granjas y otras fuentes, sino también integrar la infraestructura del humedal en el paisaje y mejorar su biodiversidad . ^{[ 24 ]}

Los humedales artificiales integrados facilitan sistemas de tratamiento más robustos en comparación con otros humedales artificiales. ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 24 ]} Esto se debe a la mayor complejidad biológica y al uso de una superficie terrestre generalmente más extensa, así como al tiempo de residencia hidráulica más prolongado asociado de los humedales artificiales integrados en comparación con los humedales artificiales convencionales. ^{[ 27 ]}

Los humedales artificiales integrados se utilizan en Irlanda , el Reino Unido y Estados Unidos desde aproximadamente 2007. Los humedales artificiales agrícolas, que son un subtipo de humedales artificiales integrados, son promovidos por la Agencia Escocesa de Protección Ambiental y la Agencia de Medio Ambiente de Irlanda del Norte desde 2008. ^{[ 27 ]}

El diseño de un humedal artificial puede afectar significativamente el entorno circundante. Se requiere una amplia gama de habilidades y conocimientos para su construcción, y una mala ejecución puede resultar perjudicial para el sitio. En este proceso de diseño se necesita una larga lista de profesionales, desde ingenieros civiles e hidrólogos hasta biólogos de vida silvestre y arquitectos paisajistas . El arquitecto paisajista puede utilizar una amplia gama de habilidades para contribuir a la construcción de un humedal, habilidades que otras profesiones quizás no consideren. Los arquitectos paisajistas ecológicos también están capacitados para crear diseños de restauración de humedales en coordinación con científicos especializados en humedales, lo que aumenta el valor y la apreciación de la comunidad por el proyecto mediante un acceso, una interpretación y unas vistas bien diseñadas del mismo. ^{[ 28 ]} La arquitectura paisajista tiene una larga trayectoria de interacción con la dimensión estética de los humedales. Los arquitectos paisajistas también asesoran sobre las leyes y regulaciones relacionadas con la construcción de un humedal. ^{[ 29 ]}

Typhas y Phragmites son las principales especies utilizadas en los humedales artificiales debido a su eficacia, aunque pueden ser invasoras fuera de su área de distribución natural.

En Norteamérica, la espadaña ( Typha latifolia ) es común en los humedales artificiales debido a su amplia distribución, su capacidad para crecer a diferentes profundidades, la facilidad de su transporte y trasplante, y su amplia tolerancia a la composición del agua (incluidos el pH, la salinidad, el oxígeno disuelto y las concentraciones de contaminantes). En otras regiones, el carrizo común ( Phragmites australis ) es común (tanto en el tratamiento de aguas negras como en sistemas de tratamiento de aguas grises para purificar las aguas residuales).

Por razones ecológicas y para un funcionamiento óptimo, las plantas suelen ser autóctonas de esa zona .

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  Humedal artificial de reciente construcción para el tratamiento de aguas residuales negras (Lima, Perú)
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  Las grandes raíces de esta planta arrancada que crece en un humedal artificial indican que se trata de una planta sana (Lima, Perú).
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  Un sistema híbrido que utiliza Flowforms en un estanque de tratamiento, en Noruega .

Se pueden añadir peces depredadores criados localmente a los humedales artificiales de flujo superficial para eliminar o reducir plagas , como los mosquitos .

Los humedales de aguas pluviales proporcionan hábitat para los anfibios, pero los contaminantes que acumulan pueden afectar la supervivencia de las etapas larvarias, lo que potencialmente los convierte en " trampas ecológicas ". ^{[ 30 ]}

El número total de humedales artificiales en Austria es de 5450 (en 2015). ^{[ 32 ]} Debido a los requisitos legales (nitrificación), en Austria solo se implementan humedales artificiales de flujo vertical, ya que logran un mejor rendimiento de nitrificación que los de flujo horizontal. Solo alrededor de 100 de estos humedales artificiales tienen un tamaño de diseño de 50 habitantes equivalentes o más. Las 5350 plantas de tratamiento restantes son más pequeñas. ^{[ 32 ]}

Como parte de los esfuerzos de remediación para eliminar la contaminación de CFB Goose Bay , uno de los vertederos de desechos se transformó en un humedal artificial. ^{[ 33 ]}

En 2023, el condado de Clearwater implementó el primer sistema de tratamiento de aguas residuales en humedales basado en biofiltros de la provincia. ^{[ 34 ]} El sistema utiliza 2 tipos de humedales artificiales subterráneos para llevar a cabo el tratamiento de aguas residuales tanto aeróbico como anaeróbico .