GUIA
PARA
EL DISENO Y CONSTRUCTION
DEUN
HUMEDAL CONSTRUIDO
CON FLUJOS SUBSUPERFICIALES
U.S. EPA - REGION 6
DIVISION DE MANEJO DE AGUAS
RAMA DE INSTALACIONES MUNICIPALES
SECCION TECNICA
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GUIA
PARA
EL DISENO Y CONSTRUCCION
DEUN
HUMEDAL CONSTRUIDO
CON FLUJOS SUBSUPERFICIALES
U.S. EPA - REGION 6
DIVISION DE MANEJO DE AGUAS
RAMA DE INSTALACIONES MUNICIPALES
SECCION TECNICA
AGOSTO DE 1993
This publication Is printed on recycled paper
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INDICE
Prefacio
I Tecnologia de humedales construidos con flujos
subsuperf iciales (SFCW) ............... 1
Vision General ..... ............... 1
SFCW .......... . .............. 3
Clases de tratamiento precedente ......... . . 4
II Factores capaces de influenciar las expectativas de
rendimiento ./....: ............... 5
III Consideraciones para el diseno
y construction de humedales construidos con flu jo
subsuperficial .................... 9
Requisites para calcular el diseno .......... 9
Consideraciones de diseno y construccion
recomendadas ..................... 17
IV Factores operatives que deben tomarse en cuenta ... 22
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PREFACIO
Este manual tiene el fin de proporcionar una guia para la
selecci6n, diseno, construccibn, y operacidn de humedales
construidos con flujos subsuperficiales. La informacion
instructiva que contiene este documento se considera necesaria
debido a la proliferaci6n en el uso de esta tecnologia,
especialinente en comunidades pequenas, en donde se ha estado
llevando a cabo un esfuerzo notable para construir y mantener las
instalaciones de tratamiento con un factor significative de costo-
beneficio, aprovechando los requisites minimos de energia que tiene
dicha tecnologia.
Esta tecnologia tanibien se considera una alternativa atractiva para
ser utilizada en areas sin red de alcantarillado, tales como los
proyectos de las colonias a lo largo de la frontera de Mexico-
Estados Unidos. Ademas, tambien puede utilizarse en otras
situaciones similares a nivel internacional.
Se reconoce que con el uso de esta tecnologia nan surgido problemas
en algunas instalaciones. En este manual se discutiran las
posibles causas de estos problemas y se dara orientacion para
tratar de evitar que se repitan dichos problemas.
El material instructive que contiene este documento es el resultado
de la experiencia practica y de la observacion de humedales
construidos con flujos subsuperficiales que existen en el area de
la Region 6, asi como del trabajo llevado a cabo por el Sr. Herwood
C. Reed, P.E., bajo contrato con la Agencia de Proteccion
Ambiental.
Se agradece la contribucion del Sr. Ancil A. Jones quien
reconocio el valor que tenia la utilizacion de esta
tecnologia. El Sr. Jones se dedico al uso de tecnologias
nuevas e innovativas por sus caracteristicas de ahorro de
energia y de costos, especialmente para ser utilizadas en
comunidades pequenas. El Sr. Jones reconocio el potencial
que tenia el uso de la tecnologia de los humedales
construidos con flujos subsuperficiales cuando entro en
contacto con el trabajo experimental que llevaba a cabo la
Administracion Nacional de Aeronautica y del Espacio, para su
posible uso en estaciones espaciales. Respetuosamente se
dedica este manual al Sr. Jones quien fallecio durante la
preparacion del, mismo en marzo de 1993."
Para mayor informacidn, dirijase a:
Jefe, Rama de Instalaciones Municipales (6W-M)
Divisidn de Manejo de Aguas
Agencia de Proteccion Ambiental de los Estados Unidos, Region 6
Dallas, Texas 75202-2733
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CAPITULO I
TECNOLOGIA DE HUNEDALES CONSTRUIDOS CON
FLUJOS SUBSUPERFICIALES
VISION GENERAL
El observador lego se preguntara, "£Que es un humedal construido,
con flujos subsuperficiales?" La respuesta a esta pregunta es la
siguiente:
Un humedal construido con flujos subsuperficiales (SFCW), tal y
como se discute en este manual, consiste en un lecho de estructura
de piedra estratificada que tiene, en un extreme del lecho de.
piedra, un instrument© afluente que introduce las aguas residuales
en,forma distribuida y un instrumento efluente de recoleccion, en
el extreme opuesto del lecho, para recoger y descargar el
efluente tratado del lecho. Tambien se puede utilizar vegetacion
en forma de plantas, las que se colocan estrategicamente en la
superficie del lecho de piedra.
Los microbios se adhieren a la estructura de piedra y, si se
utilizan plantas, al sistema de raices de las plantas. Estos
microbios son utiles ya que al sintetizar los organicos disueltos
en las aguas residuales las estan tratando. Los organicos
disueltos son sintetizados por los microbios para proporcipnar
crecimiento celular. Se cree que algo de oxigeno es proporciohado
a traves del sistema de raices de las plantas, pero hasta el
momento no se sabe a ciencia cierta la cantidad de oxigeno que
estas proveen.
La tecnologia SFCW, en la forma en que se utiliza en las
aplicaciones de sistemas de tratamiento de aguas residuales, se
atribuye generalmente al trabajo experimental efectuado por la
Administracion Nacional de Aeronautica y del Espacio, por los
esfuerzos que esta ha realizado para reciclar aguas residuales en
las estaciones espaciales.
El uso de la tecnologia SFCW por comunidades pequenas y otras
entidades relativamente pequenas que buscan un metodo de
tratamiento de aguas residuales relativamente sencillo, costo-
eficiente y con rendimiento energetico, ha dado como resultado la
proliferacion en el uso de dichos sistemas. Con el paso del
tiempo, muchos de estos sistemas han experimentado problemas en su
rendimiento constante. Este manual intenta identificar las
posibles causas de los problemas que han ido surgiendo y recomendar
el diseno, construccion y las caracterlsticas de operacion con el
fin de evitar las areas que presentan problemas.
Cuando no se usan plantas en un SFCW, en la Region 6 esto se conoce
coiminmente como un filtro de roca microbiano (MRF) . Si en un SFCW
se usa vegetacion en forma de plantas, esto se conoce como filtro
microbiano de roca con plantas (MRPF).
-------
HUMEDAL TIPICO CONSTRUIDO CON FLUJO SUBSUPERFICIAL
VISTA DEL PLANO
AFLUENTE
EFLUENTE
\
\
_ o
_a
__ 0
FLUJO
T°
—* 10
-OCio
,10'
o
0
0
O.C.,
o
o
o
o
o
o
o
a
o
o
o
o
0
o
o
0
o
o
o
o
0
0
o
o
o
NOTA:
SE DEBE MANTENER LA DENSIDAD
DE LAS PLANTAS COMO SE MUESTRA
SE DEBEN ELIHINAR LAS PLANTAS
ADICIONALES QUE PUEDAN
DESARROLLAR Y REDUC1R LA
SEPARACION ORIGINAL ENTRE
LAS PLANTAS.
ILUSTRACION 1
SECCION LONGITUDINAL
6 PULG. CAPA DE PIEDRA DE 3/« PULG. - 1 1/2 PULG. ^
AREA SIN PLANTAS *x I V V
W
2-5 PULG. PIEDRA
'*' >k
AREA SIN PLANTAS
TUBO PERFORADO DE ENTRADA
BANDA DE ANCLAJE I I TUBO PERFORADO DE SAL IDA
ANCLAS
VOLUMEN - UN H1NIHO DE 24 HORAS DE RETENCION
EL ESPACIO VACIO ENTRE ROCAS DE 2 PULG.-5 PULG.
ES DE 35X CUANDO SE USAN PLANTAS Y DE 4SX CUANDO
NO SE USAN PLANTAS. SE SUGIERE QUE LAS PLANTAS SE
COLOQUEN A 10 PIES ENTRE LOS CENTROS.
ILUSTRACION'2
-------
CONFIGURACION DEL SFCW
El SFCW en el que se utilizan plantas, esta representado en forma
esquematica en las Ilustraciones 1 y 2. En un principio se creia
que era necesaria una mayor proporcion largo-ancho, en el orden de
10 a 1 o mas, para evitar la posibilidad de un corto circuito de
las aguas residuales a traves del filtro. La experiencia ha
demostrado que una mayor proporcion largo-ancho puede afectar
adversamente el gradiente hidraulico del lecho de piedra.
Actualmente se prefieren menores proporciones largo-ancho,
especialmente en los sistemas mas grandes. Se puede prevenir el
corto circuito si se divide el SFCW en componentes paralelos mas
pequenos.
La profundidad del lecho de piedra ha sido normalmente de 24 a 30
pulgadas (61.0 a 76.2 cms.). Existe alguna evidencia que indica
que la profundidad del lecho puede ser de 18 pulgadas (47.5 cms.)
y posiblemente evitar asi condiciones anerobicas en el fiondo o
cerca del fondo del lecho.
El instrumento del afluente es tipicamente un tubo plastico
perforado o con ranuras que se extiende a traves de lo ancho del
lecho para distribuir el flujo a traves de lo ancho del sistema.
Se recomienda que el tubo este ubicado ya sea sobre la parte
superior o bien cerca de la parte superior del lecho de piedra. Es
muy importante el diseno del tubo afluente, ya que es necesario que
el flujo se distribuya uniformemente a traves de lo ancho del
lecho. i
El instrumento efluente de recoleccion es generalmente un tubo
plastico perforado o con ranuras que se extiende a traves de lo
ancho del lecho para que recoja el efluente en forma uniforme. Se
recomienda que el tubo este ubicado en el fondo o cerca del fondo
del lecho de piedra. Se recomienda que el tubo de salida que esta
al extreme del efluente del SFCW, tenga la capacidad de ajustar la
elevacion, la cual permita que se aumente o disminuya el nivel del
agua en el lecho de piedra.
Las clases de plantas que se nan utilizado en los sistemas SFCW de
la Region 6 incluyen las siguientes:
Anea del Sur (scirpus californicus)
Cana (phragmites communis)
Hierbas pontederiaceas como el camalote (pontederia
cordata)
Sagitaria (sagitaris spp.) ^
Junco (juncus effusus)
Lirio acuatico (iris pseudacorus)
Lenteja de Agua (sagittaria falcata)
Nenufar (canna flaccida)
Aralia (zantedeschia aethiopical)
Arundinaceas (dealbata y divericata)
-------
No hay informacion disponible sobre la cantidad de oxigeno que
puede liberarse en el area de las raices de las plantas. Se cree
que se libera algo de oxigeno y que eso ayuda a mantener una
condicion aerobica en las aguas residuales del lecho de piedra.
CIASES DE TRATAMIENTO OUE PUEDEN PRECEDER A UN SFCW
Tratamiento Precedente de Laguna
En un sistema de laguna que precede a un SFCW, los trabajos de
tratamiento de laguna deben disenarse y construirse para lograr un
grado maximo de tratamiento factible de acuerdo con los criterios
aceptables para los sistemas de laguna. Se recomienda que se
organicen trabajos efluentes para minimizar la descarga de
materiales solidos de las lagunas al SFCW, y que se consulten las
fuentes de informacion apropiadas sobre el diseno de sistemas de
laguna a traves de las agencias estatales correspondientes. El
Manual de Diseno de la EPA, "Estanques de Estabilizacion de Aguas
Residuales Municipales", EPA-62511-83-015 es recomendado como una
fuente digna de confianza que puede usarse.
Tratamiento Precedente de Tanque Septico
Se pueden utilizar los tanques septicos como un proceso de
tratamiento precedente. Se deben tomar las dimensiones apropiadas
de los tanques para llevar al grado maximo la reduccion de
materiales solidos que se asientan revisandolos a intervalos
adecuados para mantener la eficiencia de eliminacion. Se debe
consultar a la agencia estatal apropiada con respecto al diseno y
construccion de tanques septicos. For lo general, la concentracion
de organicos en los efluentes de los tanques septicos sera mucho
mayor que la concentracion de organicos en el efluente de las
lagunas. Entre mas alta sea la concentracion en los efluentes de
los tanques septicos se necesitaran mayores periodos de retencion
en el SFCW para lograr la calidad deseada en los efluentes.
-------
CAPITULO II
FACTORES CAPACES DE INFLUENCIAR LAS EXPECTATIVAS DE RENDIMIENTO
Basandose en la informacion reunida de las instalaciones
existentes, como se muestra en la Tabla 1, el rendimiento del SFCW,
Filtro Microbiano de Roca con Plantas (MRPF), parece muy atractivo.
Sin embargo, se debe tomar en cuenta que mucha de la informacion
gue aparece en la Tabla 1 fue obtenida en un periodo de uno a dos
anos despues de gue se inicid la operacidn de las instalaciones.
Desde gue se obtuvo dicha informacidn, el rendimiento de algunas de
estas instalaciones se ha deteriorado. Es importante notar gue
muchos de estos primeros sistemas posiblemente fueron disenados de
acuerdo a informacion empirica y sin hacer referencia a
procedimientos de diseno racionales y fueron construidos con
gradientes hidraulicos inadecuados, con materiales gue no
proporcionaban la conductividad hidraulica suficiente, y con
practicas de construccion gue despues fueron perjudiciales en el
rendimiento eficiente a largo plazo. Estas areas de posibles
problemas no fueron detectadas cuando se concibio o construyo el
proyecto y solo se han ido descubriendo conforme ha ido aumentando
la experiencia, como sucede con cualguier tecnologia relativamente
nueva.
Se cree gue las causas de algunos de los trastornos en el
rendimiento fueron el control inadecuado de la estratificacion y
dimension de la estructura de piedra; la estructura de una clase
incorrecta de piedra; el no haberle guitado las particulas finas a
la estructura de piedra, lavandola previo a la construccion;
practicas incorrectas de construccion tales como poner a funcionar
repetidamente eguipo pesado soBre la estructura de piedra despues
de gue ya se habia colocado; el no haber revestido la estructura
del lecho con un forro impermeable; el no haber protegido los
taludes laterales de la erosion, dando como resultado gue se
filtrara material fino en la estructura de piedra, lo cual
contribuia a gue se atascara; gradiente hidraulico inadecuado para
acomodar el volumen del flujo; colocacion impropia de las
instalaciones del afluente y efluente; el no haber separado
, correctamente las plantas, lo gue pudo haber contribuido a gue se
atascara la estructura de piedra; el no haber guitado el detritus
de las plantas de la estructura de piedra; el haber tornado las
dimensiones de los SFCW incorrectamente permitiendo asi, con el
tiempo, la perdida de espacios vacios, o vanos, en la estructura.
Se cree gue el deterioro en el rendimiento de algunos de los
sistemas, con el paso del tiempo, ha sido el resultado de una
combinacion de las causas arriba mencionadas. Debe hacerse notar
gue algunas de las instalaciones gue presentan deterioro en su
rendimiento aun estan cumpliendo con sus reguisitos de efluente.
-------
Las caracteristicas correspondientes al diseno de las instalaciones
que contiene la Tabla 1, se muestran en la Tabla 2. Es
significative que existira un gradiente hidraulico muy piano en
aquellas instalaciones con una profundidad en el filtro del lecho
de 2 pies o menos y una mayor proporcion largo-ancho. Los sistemas
que tienen mayores proporciones largo-ancho no proveen el gradiente
hidraulico suficiente para forzar el flujo de aguas residuales a
traves de una estructura de piedra y de las raices de las plantas,
y con el tiempo muchos han experimentado deterioro en su
rendimiento.
Dandosele la atencion adecuada a las caracteristicas de diseno
hidraulico, y teniendo la capacidad de eliminaci6n de organicos,
los sistemas deberan proporcionar la eliminacion de la demanda de
oxigeno bioquimico (BOD) entre un 85% y un 90%. Esto se traduce en
cualidades anticipadas de efluente tan bajas como 5 mg/l BOD
dependiendo del BOD del afluente hacia el SFCW. Con el diseno
hidraulico y capacidad de eliminacion de organicos adecuados, la
seleccion apropiada de piedra " para la estructura, tamano y
estratificacion, lavado adecuado de la piedra de la estructura, la
preparacion adecuada y el recubrimiento del lecho del filtro, la
proteccion contra la erosion de los taludes laterales, el colocar
cuidadosamente la piedra en la estructura durante la construccion,
la colocacion apropiada de los instrumentos de recoleccion del
afluente y el efluente, y la separacion adecuada de las' plantas
dara como resultado un sistema capaz de desempenarse a largo plazo
con muy poco deterioro en su rendimiento con el paso del tiempo.
Tambien es importante reconocer que se necesitan ciertas practicas
en su manejo para asegurar un rendimiento continue a largo plazo.
Pueden ser necesarias practicas tales como la ^eliminacion del
detritos de las plantas de la superficie de la estructura de
filtro, y recortes periodicos de las plantas. Tambien puede ser
necesario quitar periodicamente la vegetacion superf lua no deseada.
Para ayudar a que las, plantas continuen creciendo sera necesario
que se poden cierto tipo de plantas. Si existe la capacidad de
ajustar la elevacion del instrumento de recoleccion del efluente,
ajustes periodicos del mismo ayudaran al rendimiento del sistema.
Se recomienda que el SFCW tenga la capacidad de recircular el
efluente de regreso al tratamiento precedente o al extreme del
afluente del SFCW.
La atencion adecuada a los factores anteriores que influencian el
rendimiento del SFCW, debera dar como resultado un sistema con
capacidades de tratamiento eficientes y duraderas.
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TABUV 1
FILTRO MICROBIANO DE ROCA CON PLANTAS - DATOS DE LOS SISTEMAS
(Extraido del Borrador del Informe de febrero de 1993, Preparado por Sherwood C. Reed, P.E.)
II
I
jl MUNICIPALIDAD
Subdivision Greenl eaves
(Mandeville, Luieiana)
Corporaci6n DeGussa
(Mobile, Alabama)
» Phillips High School
,1 (Bear Creek, Alabama)
i!
1 Monterey, Virginia
Denham Springs, Luisiana
, Benton, Luisiana
i
1 Haughton, Luisiana
i
i Carville, Luisiana
Mandeville, Luisiana
Benton , Kentucky
Hardin, Kentucky
(Lado Phragnites)
Hardin,' Kentucky
(Lado Scirpus)
Utica, Mississippi (Norte)
Utica, Mississippi (Sur)
BOD. TOTAL
DEL
AFLUENTE
mg/1
36
S
13
39
25
18
12.5
20
41
26
51
51
38
31
BODB TOTAL
DEL
EFLUENTE
mg/1
12
4
1
15
10
6
2
8
10
9
9
4.1
14
11
TSS DEL
AFLUENTE
mg/1
42
23
60
32
48
57
47
93
59
56
118
118
52
32
TSS DEL
EFLUENTE
mg/1
10
4
3
7
14
4.
14
17
7
4
17
9.4
23
11
NH3-N DEL
AFLUENTE
mg/1
1
4.2
10.0
9.3
0.7
0.6
1.1
4.8
1.4
5.1
10.1
10.1
6.7
5.6
NH3-N DEL
EFLUENTE
mg/1
2.3
2.0
8.0
10.0
2.8
7.2
5.1
2.1
7.4
9.9
8.3
2.9
3.1
N03 DEL
AFLUENTE
mg/1
26.0
0
4.4
14.4
0.5
0.5
0.3
0.3
NO- DEL
EFLUENTE
mg/1
6.0
0
0.8
9.8
0.3
0.3
0.2
0.2
COL I FORMES
FECALES
8/100 ml
10
3800
'
700
-------
TABLA 2
FILTRO MICROBIANO DE ROCA CON PLANTAS - DATOS DE LOS SI3TEMAS
(Extrafdo del Borrador del Informe de febrero de 1993, Preparado por Sherwood C. Reed, P.E.)
i
MUNICIPALIDAD
1 Subdivision
j Greenl eaves
i (Mandeville, LA.)
1
Corporacidn DeGussa
(Mobile, Alabama)
Phillips High
School
(Bear Creek, Ala. )
1 Monterey, Virginia
1
Denham Springs,
! Luisiana
1
1
| Benton, Luisiana
1
. Haughton, Luis.
I
Carville, Luisiana
Mandeville, LA.
Benton , Kentucky
Hardin, Kentucky
(Lado Phragmites)
Hardin, Kentucky
(Lado Scirpus)
Utica, Mississippi
L (Norte)
'
Utica, Mississippi
(Sur)
FLU JO
MGD
0.149
1 .78
0.0155
0.022
1.73
0.1
0.1
0.1228
1 .224
0.1881
0.062
0.0492
0.05
0.11
AREA DE LA
SUPERFICIE
DEL FILTRO
ACRES
1.1
2.2
0.502
0.056
15.2
1.2
1.5
0.64
4.56
3.6
0.79
0.79
1.5
2.0
LONGITUD
DEL
FILTRO
PIES
457
475
175
74
1050
900
934
528
470
1092
475
475
280
315
ANCHO DEL
FILTRO
PIES
105
28
125
33
630
58
72
62
207
144
72
72
140
158
PROPORCION
L:W
4.4:1
17.0:1
1.4:0
2.2:1
5.0:1
15.5:1
13.0:1
8.5:1
2.0:1
7.6:1
6.6:1
6.6:1
2.0:1
2.0:1
PROFUNDIDAD
DEL FILTRO
PIES
2
2
1
3
2
2
2.5
2.5
2
2
2
2
2.1
2.1
AREA
TRANSVERSAL
DEL FILTRO
PIES2
210
56
125
99
1260
116
180
155
414
288
144
144
294
332
CARGA
TRANSVERSAL
BOD DEL
FILTRO
LB/DIA/PIE2
0.213
1 .3
1.68
0.07
0.29
0.13
0.058
0.13
1.01
0.14
0.18
0.15
0.05
0.09
AREA DE LA
SUPERFICIE
DEL FILTRO-
CARGA
HIDRAULICA
GAL/DIA/PIE2
3.1
133.8
0.71
9^.0
2.62
1.9
1.49
3.75
12.6
1.15
1.81
1.44
1.28
2.21
TRATAMIENTO
PRELIMINAR
Laguna
Ai reada
Zanja de
Oxidacidn
>Aireaci6n
Extend i da
Tanque
Imhoff
Laguna
Facul tativa
Laguna
Facul tativa
Laguna
Facul tativa
Laguna
Ai reada
3 Celdas
Ai readas
Laguna
Facul tativa
Estabi 1 i za-
cidn de
Contacto
Estabi 1 i za-
ci6n de
Contacto
Laguna
Facul tativa
Laguna
Facul tativa
]
DISEftO
HRT i
OIAS
1 .0
1.0
3.9
0.9
1-0
2.1
4.5
1 .4
0.7
5.0
3.3
4.2
5.0
3.7
-------
CAPITULO III
CONSIDERACIONES PARA EL DISENO Y CONSTRUCCION
DE HUMEDALES CONSTRUIDOS CON FLUJO SUBSUPERFICIAL
La informacion en este capitulo tiene que ver con los
procedimientos que se sugieren para el diseno y la construccion de
un SFCW para la reducci6n de la demanda de oxigeno bioquimico (BOD)
y el total de solidos suspendidos (TSS). A pesar de que en esta
informacion no hay ecuaciones de diseno especificas relacionadas
unicamente a la eliminacion de TSS, historicamente la concentracion
de TSS en el ef luente del SFCW ha demostrado una relacion estrecha
a la concentracion de BOD en el efluente.
w
Este capitulo no incluye sugerencias para los procedimientos en el
diseno para eliminar el amoniaco, lograr la desnitrificacion, la
reduccion de fosforo o la reduccion de.coliforme fecal. Para
establecer los elementos a usarse en dichos procedimientos de
diseno sera necesario llevar a cabo una mayor investigacion.
Las caracteristicas hidraulicas juegan un papel vital para tener
exito en el sistema SFCW. La importancia de la distribucion
uniforme del flujo afluente a traves de la seccion transversal del
lecho de piedra es imperativa. El gradiente hidraulico a traves
del sistema debe ser suficiente para impulsar el flujo a traves de
la estructura en una forma subsuperficial. La estratificacion de
la estructura debe tener suficiente espacio vacio o vano, para
acomodar la cantidad del flujo. For lo consiguiente, deben hacerse
las provisiones adecuadas para permitir algo de perdida de vanos
debido al crecimiento de las raices, si es que se utilizan plantas,
y para la acumulacion de algunos solidos.
REOUISITOS PARA CALCULAR EL DISENO
El proceso para disenar un SFCW implica varies pasos, los cuales se
discuten en los siguientes parrafos. El tamano final del filtro
puede necesitar varias iteraciones de este proceso. Las
sugerencias de criterios especificos estan basadas en los
resultados observados en las instalaciones existentes en la Region
6.
1. Determinar las condiciones existentes (BOD, TSS del afluente,
/ temperatura promedio de las aguas residuales en el invierno,
promedio del flujo diario del afluente).
2. Determinar la calidad deseada del efluente (BOD y TSS).
3. Seleccionar la profundidad del lecho (se sugiere un maximo de
2 pies [0.62 m] de la estructura de filtro), tipo de
estructura, y tamano (use una roca dura e insoluble de 2-5
pulgadas de diametro).
-------
4. Seleccionar un valor para los espacios vacios dentro de la
estructura de roca.
n «= 0.35 si se usan plantas
n - 0.45 si no se usan plantas
R Una oroporcidn inicial de largo-ancho del SFCW debe ser
seLccionada basandose en el area calculada para alcanzar la
reducciSn deseada de BOD. Se sugiere que *nicialinente se
seleccione una proporci6n de largo-ancho de 2:1. La
p?opo?ciSn final global del largo-ancho dependera de los
factores hidraulicos.
« calcular el area de la superficie necesaria utilizando la
eSuaciln de elLinaci6n de BOD de primer orden que se presenta
como Ecuaci6n 1.
AS ~ (L) (W) *= Q [In (C0/Ce)] + Ktdn (Ecuacion l)1
Kt - K20 (6) =
K20= 1.104
© = 1.06
febrero de 1993.
10
-------
En donde:
As = Area de superficie del SFCW (Pie2) [m2]
L = Longitud (Pie) [m]
W = Ancho (Pie) [m]
Q = Flujo (Pies3/dia) [m3/dia]
C0 = BOD afluente (mg/1)
Ce = BOD efluente (mg/1)
Kt = Proporcidn de la constante de temperatura
de las aguas residuales T°C
K20= Proporci6n de la constante de temperatura
de las aguas residuales T = 20°C
d = Profundidad promedio del agua en el filtro (Pie) [m]
n = Porosidad de la estructura de filtro (% como decimal)
7. Despues de detenninar el area de la superficie y las
dimensiones correspondientes basadas en la proporcidn inicial
de largo-ancho, use la Ecuacibn de Darcy para detenninar la
capacidad del diseno para conducir el flu jo a traves del SFCW.
Q = KSAS (Ecuacion 2)2
En donde:
Q = Flujo capaz de pasar a traves del SFCW (Pie3/dia)
[itr/dia]
Ks = Conductividad hidraulica de una unidad de area de la
estructura (para una estructura de 2-5 pulgadas [50.8-127mra]
KS = 328 100
PieJ/Pie /dia [100,000 mj/m /diaj) (se sugiere usar 0.3 Ks
como factor de seguridad)
S - Gradients hidraulico de la superficie del agua en el
sistema (d/L) (se sugiere usar 0.1 del maximo de S como un
factor de seguridad)
A = Area transversal del SFCW (Pie2) [m2]
Si Q en la Ecuaci6n 2 no es igual o excede el flu jo del diseno, la
proporci6n largo-ancho debe ajustarse para disminuir la longitud,
mientras se aumenta el ancho para mantener el area de la superficie
determinada por la Ecuacion 1. Se repite este proceso hasta que el
flu jo del diseno sea menor o igual al flu jo determinado por la
Ecuacion 2.
2 Ibid
11
-------
NOTA: Siempre que se ajusta la proporcion de largo-ancho,
se debe reyisar la capacidad hidraulica del flujo con la
Ecuacion de Darcy (Ecuacion 2).
En algunos casos, las instalaciones grandes necesitaran un ancho
mayor que el largo. En estos casos, se sugiere que el filtro se
divida en varias unidades de filtros mas pequenas, para que
individualmente cada filtro sea mas largo que ancho. Esto ayudaria
a prevenir un corto circuito dentro del filtro.
Los siguientes son ejemplos en los que se ban utilizado los
procedimientos de diseno arriba mencionados :
Ejemplo 1 - Construcci6n de un nuevo sistema con tratamiento
precedente de laauna
Una pequena comunidad sin red de alcantarillado debe construir un
sistema de alcantarillado para tratar sus aguas residuales. La
Oficina Estatal de Control de la Contaminacion del Agua les exige
que descarguen aguas residuales que contengan un mdximo de 20 mg/1
BOD y 20 mg/1 TSS. El flujo que ge calcula que entrar£ a la planta
de tratamiento es de 50,000 galones/dia [189.3 m3/dia] y el
promedio de la temperatura de aguas residuales durante el invierno
es de 4.5*C. Aderoas se debe suponer que el tratamiento precedente
se hace en una laguna de 2 celdas que estd disenada para producir
un efluente de 30 mg/1 BOD y 90 mg/1 TSS (que exige el Estado) .
tamano de SFCW se necesitaria?
1. Condiciones existentes
a. Calidad del afluente
BOD - 30 mg/1
TSS - 90 mg/1
Flujo - 50,000 gal/dia = 6,684 Pie3/dia [189.3 m3/dia]
b. Calidad del efluente
BOD - 20 mg/1
TSS - 20 mg/1
2. a. Profundidad del lecho - 2 pies [0.61 m]
b. Parametros para el tamano de la piedra en la estructura -
2-5 pulgadas [50.8-127mm] de diametro de granito
c. Porosidad de la estructura - 35% (con plantas)
d. Proporcion inicial largo-ancho - 2:1
12
-------
3. Calcule el area de superficie necesaria para eliminar el BOD
(Ecuacion 1)
As = (L) (W) = Q [ln(C0 /Cc) ] -i- Ktdn (Ecuacion 1)
En donde:
Kt - K20 (6)T'20°C T = 4.5°C
9 = 1.06
K2o = 1'104
Kt = 1.104 (1.06) 4-5°-20°
Kt = 0.447
d = profundidad promedio del agua en el filtro
d = 1 Pie [0.305 m]
n = 0.35
Basandose en estos valores, los calculos de la longitud y del ancho
seran los siguientes:
LxW= (6,684 Pie3/dia) [In (30/20)] + (0.447) (1 Pie) (0.35)
L x W = 17,322 Pies2
L = 2W
2W x W = 17,322 Pies2
W = (17,322 Pies2 -r 2) °'5
W = 93 Pies [28.3 m] ,
L = 2W
L = 2(93 Pies)
L = 186 Pies [56.7 m]
4. Calcule el flujo hidraulico usando la Ecuacion de Darcy
Q = K AS (Ecuacion 2)
S
13
-------
En donde:
Ks = 328,100 Pies3/Pies2/dia [100,000 m3/m2/dia] (Use 0.3 Kg
como factor de seguridad)
K = 109,366 Pies3/Pies2/dia [33,335 m3/m2/dia]
S = 2 Pies -5- 186 Pies = 0.011 (Use 0.1 S como factor de
seguridad)
S = 0.0011
A = 2 Pies x 93 Pies = 186 Pies2
Q = (109,366 Pies3/Pies2/dia) (186 Pies2) (.0011)
Q = 22,376 Pies3/dia [633.6 m3/dia]
Tome nota que en este ejemplo, la capacidad hidraulica del filtro
disenado es de 22,376 pies3/dia [633.6 m3/dia] mientras que el
promedio del flujo diario es de 6,684 pies3/dia [189.3 m3/dia].
Cuando existe una disparidad tan grande como esta entre el diseno
y la necesidad, el disenador debera revisar el area transversal del
filtro para aproximarse al diseno optimo.
Usando la Ecuacion 2, con una profundidad de 1.5 pies, calcule la
capacidad hidraulica:
Q = Ks AS
Ks = 328,100 Pies3/Pies2/dia x 0.3
Ks = 109,366 Pies3/Pies2/dia
S = 1.5 Pies -5- 186 Pies
S = 0.008
0.1 S = 0.0008
A = 1.5 Pies x 93 Pies
A = 140 Pies2
Q = (109,366 Pies3/Pies2/dia x 140 Pies2) x (0.0008)
Q = 12,249 Pies3/dia [347 m3/dia]
La capacidad hidraulica de 12,249 es avin mucho mayor que la
necesaria de 6,684. Continuando con este proceso de revision nos
dara la configuracion optima de diseno de 186 pies de largo, 93
pies de ancho, y 1.25 pies de profundidad con una capacidad
hidraulica de 8,881 pies3/dia.
14
-------
Se sugiere que en donde sea posible, se divida el SFCW en celdas
multiples, que esten separadas por bermas lo suficientemente anchas
para acomodar el equipo pesado. Esto permitiria la colocacion de
la estructura de piedra y el mantenimiento del SFCW sin tener que
poner el equipo pesado sobre la estructura en si. Dicha division
tambien ayudaria un flujo uniforme dentro de cada una de las celdas
para facilitar el tratamiento y para permitir que por lo menos una
celda pueda ser excluida mientras se le da mantenimiento.
Al usar esta sugerencia con el ejemplo anterior, el SFCW podria
diyidirse en tres celdas, siendo cada'una de 31 pies x 186 pies,
con una profundidad en la estructura de piedra de 1.25 pies.
En resumen, se debe hacer notar que para cada diseno se tendra que
seguir el proceso descrito en el ejemplo anterior. Tomara varies
pasos el determinar la dimension optima para una instalaclon, pero
si se toman en cuenta cuidadosamente estas sugerencias y
procedimientos, esto minimizara los problemas que han ocurrido en
instalaciones ya existentes.
Tiempo de Retencion
El calculo del tiempo de retencion teorico es el siguiente:
Tiempo de retencion = (Volumen x espacio vacio) -s- (Flujo)
= {(186 Pies) (93 Pies) (2 Pies) x 0.35} + 6,684 Pies3/dia
Tiempo de retencion = 1.81 dias
Enemplo 2 - Disene un SFCW para recibir el efluente de un tanque
septico
Se propone agregar un SFCW a un tanque septico. Este sistema in-
situ debera tener las dimensiones para una tipica familia de cuatro
y un flujo efluente per capita de 80 GPD [0.303 m3/dia] . La
calidad del efluente que se desea obtener del SFCW es de 20 mg/1
BOD y 20 mg/1 TSS. La temperatura promedio de aguas residuales
durante el invierno es de 4.5°C.
1. Condiciones existentes
Carga organica/capita = 0.17 Ibs. BOD/cap/dia [77.1 gramos
BOD/cap/dia]
Carga = 0.17 Ibs/cap/dia x 4.0 personas/residencia = 0.68 Ibs
BOD/dia [308.4 gramos BOD/dia]
Flujo = 80 gal/cap/dia x 4.0 personas/residencia = 320 gal/dia
o
Flujo = 43.0 Pies3/dia [1.22 m3/dia]
15
-------
Concentracion de BOD al tanque septico = 0.68 Ib BOD/dia *
0.00032 MGD x 8.34 Ib/gal x 1 ppm/mg/1
Concentracion de BOD al tanque septico = 255 mg/1
Eliminacion de BOD en el tanque septico = 30% (Hipotesis)
Concentracion de BOD al filtro = 0.70 x 255 = 180 mg/1
2. Calcule el area de superficie gue se necesita para eliminar
BOD.
i
As = L X W = Q[ln(C0/Ce)] * Ktdn (Ecuacion 1)
En donde:
Kt = K2o (e)T-20°c
K20 = 1.104
e = i.oe
T = 4.5°c
Kt = (1.104) (1.06)4'5"20 = 0.447
d = 1 Pie [0.305 m]
n = 0.35
L x W = (43 Pies3) [ln(180/20)] -5- {(0.447) (1 Pie) (.35)}
L x W = 604 Pies2 [56.2 m2]
Suponiendo una proporcion largo-ancho de 10:1
L = 10W
10W x W = 600 Pies2
W = (600 -f- 10)°-5
W = 7.8 Pies [2.38 m]
Longitud = 78 Pies [23.8 m]
3. Calcule la capacidad hidraulica con la Ecuacion de Darcy
Q = K AS (Ecuacion 2)
S
En donde:
A = 2 Pies x 7.8 Pies =15.6 Pies2 [1.45 m2]
16
-------
Ks = 328,100 Pies3/Pies*/dia (use 0.3 KS como factor de
seguridad)
Ks = 1/3(328,100) = 109,366 Pies3/Pies2/dia [33,335 m*/mz/d±a]
S = d -s- L = 2 Pies -f 78 Pies
S = 0.026 (use 0.1 como factor de seguridad)
S = 0.10(0.026) = 0.0026
Q = (109,366) (15.6) (.0026)
Q =4,436 Pies3/dia [125.6 m3/dia]
Basandose en los calculos anteriores, el diseno debera obtener la
eliminaci6n necesaria de BOD y debera proporcionar la capacidad
hidraulica adecuada.
Al usar el mismo procedimiento del Ejemplo 1, la profundidad del
SFCW in-situ puede ajustarse para hacer mas favorable el volumen
del SFCW mientras se mantiene la capacidad de eliminacion de BOD.
Tiempo de Retencion
El calculo del tiempo de retencion teorico es como sigue:
Tiempo de retencibn = (Volumen x espacio vacio) -s- (Flujo)
= (7.8 Pies) (78 Pies) (2 Pies) x 0.35 -f 43
Pies3/dia
Tiempo de retention = 9.9 dias
CONSIDERACIONES DE DISENO Y CONSTRUCCION RECOMENDADAS
Al desarrollar el SFCW, se deben tomar en consideracion varias
caracteristicas de diseno y construccion con el fin de aumentar en
la instalacion ya construida, la habilidad para funcionar
adecuadamente y mejorar su capacidad operativa.
Estratificacion de la Estructura
El SFCW tiene dos capas de estructura estratificada de piedra: (1)
una capa subsuperficial a la que debe confinarse el flujo de las
aguas residuales y (2)*una capa superficial que se utiliza como
base para las plantas. La capa subsuperficial tiene un maximo de
2 pies de profundidad y la capa superficial tiene un maximo de 6
pulgadas de profundidad. Cada capa debe estratificarse de la
siguiente manera.
17
-------
Capa Subsuperficial
Con el gradiente hidraulico del SFCW relativamente piano, una
estructura con espacios vacios grandes aumenta el movimiento de las
aguas residuales a traves del SFCW. Para lograr un espacio vacio
adecuado, se recomienda gue el tamano de piedra para la estructura
sea de 2-5 pulgadas [50.8-127 mm] de diametro con la siguiente
estratificaci6n:
Estratificacion Recomendada para tina Estructura SFCW
0% Retenido
10-20% Retenido
30-40% Retenido
50-80% Retenido
100% Retenido
5.0 pulg. [125 mm] cedazo
4.5 pulg. [,106 mm] cedazo
4.0 pulg. [100 mm] cedazo
3.0 pulg. [ 75 mm] cedazo
2.0 pulg. [ 50 mm] cedazo
La estratificacibn debe verif icarse en el lugar en donde se origina
y nuevamente en el lugar de la construccion. La piedra de la
estructura debera tambien lavarse antes de gue se cologue en el
SFCW, para guitarle cualguier material fino.
Capa Superficial
La capa de seis pulgadas de roca gue va en la superficie del SFCW
debera componerse de 3/4 - Ih pulgadas [19.1-38.1 mm] de roca
lavada lo que sera la base para las plantas.
Estratificacion Recomendada para la Estructura de la
Superficie
0% Retenido
40 - 75% Retenido
85 - 100% Retenido
100% Retenido
1.5 pulg. £37.5 mm] cedazo
1.0 pulg. [25.0 mm] cedazo
f^4 pulg. [19.0 mm] cedazo
1/2 pulg. [12.5 mm] cedazo
Colocaci6n de la Piedra de la Estructura
La colocaci6n de la piedra de la estructura es critica debido a la
necesidad de mantener espacios vacios dentro del SFCW. La piedra
debe colocarse en un subsuelo seco, preferentemente sobre un forro
sintetico. El forro evita gue se transfieran hacia arriba
particulas de tierra del subsuelo. Nunca se debe permitir equipo
18
-------
pesado sobre la estructura de filtro. Esto se hace para evitar que
los espacios vacios se reduzcan a causa de compactacion. La
colocacion de la piedra en la estructura debe hacerse a mano o con
un cucharon bivalvo (de almeja).
Proteccion del Talud Lateral/Substrato
*
Es esencial prevenir la erosion del talud lateral y la
transferencia del subsuelo para proteger la integridad del SFCW.
Se recomienda la instalacidn de un forro sintetico. Se debe
instalar un forro para prevenir la infiltracion por debajo del
forro y sobre los taludes laterales.
Capacidades de Recirculacion
Los sistemas mas grandes, disenados con tipos convencionales de
tratamiento precedente, (a excepcion de los tangues septicos) deben
tener la capacidad de recircular el efluente del SFCW de vuelta a
traves del tratamiento precedente. Se reguiere la recirculacion
cuando el efluente no cumple con los reguisitos del permiso.
Tambien es importante poder recircular para aumentar el flujo,
cuando este esta bajo, para evitar gue el filtro se segue.
Estructuras del Afluente/Efluente
La estructura del afluente debe disenarse para distribuir el flujo
uniformemente a traves del ancho del SFCW y este debe colocarse
cerca de la superficie de la estructura de piedra. La estructura
del efluente debe colocarse cerca del fondo del SFCW y el tubo de
descarga del efluente debe disenarse para gue se pueda ajustar y
asi permitir el control del nivel del agua dentro del SFCW.
Uso de Plantas
A pesar de gue se ha recomendado el uso de plantas en el SFCW,
varies sistemas sin plantas han logrado la reduccion deseable de
BOD y TSS. Las plantas juegan un papel en la transferencia de
oxigeno a las aguas residuales en el filtro, aungue no se sabe la
cantidad real de transferencia conforme a cada clase de planta.
Las plantas tambien pueden anadir carga organica en el filtro si se
permite gue las hojas caigan a la superficie y se descompongan.
Esto se debe tomar en consideracion cuando se selecciona la clase
de plantas.
Algunas veces se utilizan las plantas' por razones esteticas.
Algunas comunidades prefieren usar las plantas para cubrir el SFCW.
Ciertas comunidades creen gue las plantas controlan el olor.
Las clases de plantas gue se seleccionan deben ser oriundas de la
region para gue toleren el clima local. Consulte con un
horticulturista, botanico, agente del condado u otras autoridades
sobre la clase de plantas y la epoca para sembrarlas.
19
-------
Separacion de las Plantas
Las investigaciones y disenos iniciales recomendaron una separacion
entre las plantas de aproximadamente 2.5 pies entre los centres,
para instalaciones relativamente grandes (hasta 0.5 MGD) precedidas
por sistemas de laguna. Se ha comprobado que el dejar tan poca
separacion resulta en el crecimiento de las raices que pueden
llegar a reducir la disponibilidad de espacios vacios y contribuir
a una humectacion de la superficie, es decir, flu jo que no se queda
debajo de la superficie en el SFCW. Actualmente se recomienda
colocar las plantas 10 pies entre los centros y poner las filas en
zig-zag. Si se utilizan patrones mas densos, se debe dar mayor
volumen para compensar por los espacios vacios que pierden a causa
de las raices de las plantas. La separacion entre las plantas en
los sistemas SFCW in-situ puede ser mucho menor, en el orden de 2.5
pies, porque la capacidad hidraulica de estos sistemas es
generalmente mayor que la de los sistemas mas grandes.
Confiauraciones Tipicas
En las Ilustraciones 3 y 4 respectivamente, se muestran arreglos
tipicos de los sistemas SFCW con tratamiento precedente de laguna
y de tanque septico.
20
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CONFIOURACZON TZPICA PARA UN 8FCW
VISTA DEL PLANO
AFLUENTE HACIA LA LACUNA
AFLUENTE HACIA EL SFCU
ILUSTRACION 3
c
LACUNA
CELDA *1
-D
]
LACUNA
CELDA *2
EFLUENTE
DE LA
LACUNA
X^
^v
— '
CELDA *3 DEL SFCU
FLUJO
CELDA *2 DEL SFCM
FLUJO
8 0 g 0 CELDA #1 DEL SFCU
00 o 0 FLUJO
1
EFLUENTE
CON7IGURACION TIPICX DE UN 8FCW PARA TRATAMIBNTO IN-8ITU
8ECCION LONGITUDINAL
MIFCTB* nc. V PULC> OE PIEDRA
MUESTRA DEL ^ (0.75 - 1.5 PULG.)
AFLUENTE PIEDRA GRANDE
"TE ., n en W1,r»r.»«\
(2.0 5.0 PULGADAS)
MUESTRA DEL
EFLUENTE
DESCARGA DEL
EFLUENTE
PLASTICO DE 12 MIL
(1 ^ Q
SECCION A-A
ILUSTRACION 4
21
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CAPITULO IV
FACTORES OPERATIVOS QUE DEBEN TOMARSE EN CDENTA
A pesar de que el sistema SFCW es muy simple en cuanto a diseno y
operacion, no puede operar por si solo. Mientras que este no es un
sistema que no necesita mantenimiento, el mantenimiento necesario
es principalmente trabajo manual. Con excepcion de una bomba de
recirculacion que puede usarse solo parte del tiempo, existen pocas
partes mecanicas que necesitan mantenimiento. Al mismo tiempo, se
debe poner atencion a la operacion de la instalacion. Los factores
operatives o practicas de manejo afectaran la habilidad de la
instalacion de mantener sus capacidades de rendimiento a largo
plazo. Las siguientes practicas de manejo son necesarias para que
el sistema opere debidamente:
1. RECIRCULACION - El sistema debera tener la capacidad de
recir'cular el efluente del SFCW de vuelta, ya sea al
tratamiento precedente o al extreme del afluente del SFCW.
Cuando el efluente del sistema no cumple con los requisites
del permiso de descarga del efluente o cuando se necesita mas
flu jo dentro del SFCW, se debe recircular el flu jo del
efluente.
2. MANEJO DE LA PLANTA - Las instalaciones del SFCW estan
disenadas para un volumen especif ico de raices y se debe hacer
un esfuerzo para mantener dicho volumen. Cualquier aumento en
el volumen de raices por encima del cual fue disenado el SFCW
dara como resultado una disminucion en los espacios vacios
disponibles. Por consiguiente, confqrme van creciendo y se
van multiplicand© las plantas, sera necesario aclarar las
plantas para mantener el volumen disenado. Todo material
muerto o a punto de morir debera ser removido para prevenir
que el material que esta en descomposicion ingrese en los
espacios vacios, en donde podria contribuir a la reduccion de
los espacios vacios disponibles dentro de la estructura de
piedra. Dicho material tambien podria aumentar el BOD y
amoniaco de las aguas residuales.
Toda vegetacion extrana indeseable debe eliminarse
periodicamente para prevenir su crecimiento excesivo dentro de
la estructura de piedra. Dicho crecimiento podria obstruir la
eficiencia del SFCW.
Con el fin de que este sistema sea efectivo, algunas de las
plantas deben estar en etapa de crecimiento. Esta clase de
plantas pueden necesitar una poda periodica para ayudarlas a
crecer. Siempre que se poden las plantas, se debe remover
toda la basura de la superficie del SFCW para evitar cualquier
posible transferencia de esta dentro de la estructura de
piedra.
22
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3. MANTENIMIENTO DEL LECHO - Cuando se utilizan paralelamente
multiples celdas en el SFCW, se deben disenar dentro del
sistema que permitan remover una o varias de las celdas para
hacerles mantenimiento (limpieza, reemplazo de piedras, etc.) .
Se recomienda que periodicamente se inunde en sentido
contrario la estructura de piedra para extender la vida del
sistema. Esto se puede hacer con una manguera de alta presion
insertada en la linea de recoleccion del efluente. Dicho
procedimiento ayudara a eliminar algo de los detritos de la
superficie de la estructura de piedra y algunos de los
depositos de solidos de los espacios vacios dentro de la
estructura.
4. CONTROL DEL LIQUIDO EN EL SFCW - Si se construye el SFCW con
una linea del efluente que se pueda ajustar, tal y como se
recomienda, sera necesario hacer ajustes periodicos para
mantener el niyel apropiado del liquido en la estructura de
piedra. For ejemplo, durante periodos de flujo bajo, la linea
del efluente debe ajustarse para elevar el nivel de liquido
del SFCW. En otras circunstancias, se necesitara vaciar el
SFCW para su mantenimiento. La experiencia ha demostrado que
si ocurren temperaturas de congelamiento, se debera inundar el
SFCW para proteger las raices de las plantas y para evitar que
se congele la estructura, lo cual ocasionaria que las plantas
fueran empujadas hacia arriba, fuera de la estructura.
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