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 ------- 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 ------- 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 ------- 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 ------- 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. ------- 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 ------- 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 ------- 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 ------- 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. 23 ------- |