instalacion de un humedal

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICOCOLEGIO DE CIENCIAS Y HUMANIDADES PLANTEL SUR

LABORATORIOS 301, 302, 303, CONJUNTO E, FACULTAD DE QUÍMICA

TECNOLOGÍA INTERCONTINENTAL, S.A. de C.V.

Proyecto INFOCAB SB201608

México 2011

Proyecto: INFOCAB. SB201608: Instalación de un humedal con actividades didácticas de apoyo a los programas de Química y Biología del Bachillerato UNAM

Quím. Agustín Arreguín RojasDr. Salvador Alejandro Sánchez TovarDra. María del Refugio González SandovalDra. María del Carmen Durán Domínguez de Bazúa





¿Qué son los humedales?

Los humedales son áreas de transición entre sistemas acuáticos y terrestres frecuentemente inundadas o saturadas de aguas superficiales o subterráneas, durante un periodo de tiempo suficiente como para que crezca un tipo de vegetación especialmente adaptada a vivir en estas condiciones (vegetación hidrofítica) (CCH, 2005a).

En estas áreas crecen vegetales hidrófilos adaptados a ciertas condiciones anaerobias (deficientes de oxígeno) que pueden ser exclusivas de la zona o plantas anfibias o facultativas (que se desarrollan tanto sumergidas como expuestas). Estas plantas pueden alcanzar diferente talla, desde pequeñas plantas fijas o flotantes (espadañas, juncos y lirios) hasta árboles como el arce rojo (Acer rubrum), el ciprés de los pantanos (Toxodium distichum) o la haya (Fagus grandifolia) (CCH, 2005b).

Desempeñan una importante función en la recarga hidrológica del suelo, así como para el control de inundaciones constituyendo embalses naturales.

Tienen también un importante papel como “filtradores” o depuradores de agua e influyen así en el control de la contaminación ya que la vegetación extrae importantes concentraciones de metales pesados, que finalmente, al morir las plantas, terminan en el fondo formando lodos anaerobios.

Los humedales son uno de los ecosistemas más ricos y productivos del planeta. En el caso de las lagunas costeras, su ubicación como zonas de transición entre la tierra y el mar les otorga enorme riqueza de nutrientes por lo que infinidad de especies marinas encuentran en ellos sus zonas de crianza y desarrollo larvario.

En estas regiones, muchas aves hacen sus nidadas y pasan los inviernos, siendo importante sitio de migración. Se puede decir que son áreas que permiten la residencia y conservación de un gran número de especies silvestres. En muchos sitios, las aves, son consideradas como una amenaza a los cultivos, lo que ha contribuido a su desaparición.





La Convención Ramsar1 sobre los Humedales es un tratado internacional suscrito en Irán en 1971, que define estos ecosistemas como áreas donde existe agua en forma permanente o temporal, con una profundidad menor a seis metros. Esta Convención la integran 136 países, que albergan en sus territorios a 1,284 humedales que equivalen a 108 millones de hectáreas.

Desde 1997 se celebra el Día Mundial de los Humedales cada 2 de febrero, con el fin de generar conciencia sobre la importancia de estos ecosistemas. En 2003 el mensaje fue que “Sin humedales, no habrá agua”.

Una página del Programa de Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA) sobre humedales destaca que su definición incluye “ciénagas, pantanos, ríos, estanques de agua salada, estuarios y aguas costeras de poca profundidad”. Se estima que cubre EL 6 % de la superficie terrestre. El PNUMA y la Organización Wetlands International establecen que “Los humedales son uno de los ecosistemas más productivos del mundo, ya que tienen 40% de las especies de peces y de otras muchas especies, incluso las aves acuáticas. Junto con los bosques lluviosos, los humedales también son de los ecosistemas más amenazados, debido a su transformación, desarrollo y contaminación”.

Humedales artificiales

Un humedal artificial (HA), al igual que los humedales naturales, se puede definir como un área que se encuentra saturada por aguas superficiales o subterráneas con una frecuencia y duración tal, que sea suficiente para mantener estas condiciones de saturación. La principal diferencia es que son hechos por el hombre y que se construyen esencialmente para el tratamiento de aguas residuales. Tienen tres funciones básicas que los hacen tener un atractivo potencial para esta función de sistemas depuradores de aguas residuales o contaminadas con materiales biodegradables e incluso de algunos que no son biodegradables:

1 http://www.tierramerica.net/2003/0609/conectate.shtml





Fijar físicamente los contaminantes sobre las raíces de las hidrofitas o sobre la superficie del material inerte que se les pone para soportar a las plantas acuáticas.Utilizar y transformar las sustancias que contaminan el agua por intermedio de microorganismos o de las raíces de las plantas acuáticas.Lograr niveles de tratamiento consistentes con un bajo consumo de energía y un mínimo costo de mantenimiento.

Los humedales artificiales pueden emplearse como un sistema complementario en una planta de tratamiento de aguas existente para mejorar la calidad del agua (pulimento) y pueden usarse también como el principal sistema de tratamiento en pequeñas comunidades (Durán de Bazúa, 2004). Esta tecnología constituye una opción técnica, económica y ambientalmente viable ya que requiere poca especialización del personal para su manejo, posee bajos costos de mantenimiento, crea nuevos hábitats para la vida silvestre y protege de manera indirecta la salud de la población (Arreguín y col., 2010).

Cuando se emplean como un sistema de tratamiento de aguas residuales per se, un humedal artificial consta de un material de soporte (grava, arena o escoria volcánica), plantas (plantas vasculares) y microorganismos (bacterias, hongos principalmente) separados del entorno circundante (suelos adyacentes) mediante una membrana impermeable. Estos elementos interactúan entre sí para remover los contaminantes de un agua residual mediante complejos procesos, físicos, químicos y biológicos (Guido-Zárate, 2006). La Figura 1 presenta estos elementos tan importantes de un humedal artificial que garantizan su buen funcionamiento.

Figura 1. Elementos constitutivos de un humedal artificial usado para depurar aguas contaminadas o residuales (Durán-de-Bazúa, 1994)





Los humedales artificiales pueden clasificarse, dependiendo de su hidráulica, en humedales de flujo superficial y flujo sub-superficial. Las plantas acuáticas o hidrofitas pueden estar flotando sobre la superficie del agua o estar enraizadas en el fondo del humedal o estar soportadas en la parte media o superior del humedal, que se conocen como emergentes y son las más ampliamente usadas (Ruiz-López, 2009).Consisten de canales de poca profundidad con un recubrimiento impermeable para prevenir la contaminación por infiltración de estas aguas contaminadas hacia el subsuelo. Tienen una capa de soporte para las raíces de la vegetación macrofita que se seleccione. Cada sistema cuenta con estructuras adecuadas de entrada y descarga para asegurar una distribución homogénea del agua residual en todo el sistema.

Humedales de flujo superficial

Tienen como característica principal que el agua se expone a la atmósfera, por lo que la alimentación se realiza por la superficie. Tienen una profundidad entre 30 cm y 1 m (Figura 2). El problema de estos sistemas es que permiten la proliferación de vectores indeseables como los mosquitos, ya que depositan sus huevos en esa superficie húmeda.

Humedales de flujo subsuperficial

En estos humedales, el agua se hace pasar por debajo de la superficie del sistema. La característica principal de este tipo de sistemas es que no al tener la columna de agua por debajo del nivel superficial, los insectos no pueden desovar en el sistema. El

influente circula a través del medio inerte, que consiste de un lecho de arena y/o grava o incluso materiales de desecho pero que sean

Figura 2. Humedal artificial de tipo superficial (Kadlec y Knight, 1996)

Figura 3. Humedal artificial de tipo subsuperficial (Kadlec y Knight, 1996)





inertes, de grosor variable (Durán-Domínguez-de-Bazúa y Luna-Pabello, 1998), que sostiene la vegetación la cual puede ser del tipo hidrófito. Este lecho se diseña de modo que permite la circulación del agua residual tanto horizontal como verticalmente a través del sistema radicular de las macrófitas acuáticas (Figura 3).

Las ventajas que se presentan al utilizar este tipo de sistemas son: a) menor área requerida, ya que las áreas superficiales para la absorción, filtración y los biofilmes son mayores y b) se reducen los insectos y los problemas del olor, puesto que las aguas residuales permanecen debajo de la superficie de grava (EPA, 2000a,b). La principal desventaja que pueden llegar a presentar es la saturación de los espacios libres del lecho a causa del gran crecimiento de las raíces de las macrófitas, lo que puede derivar en la formación de caminos preferenciales para el agua, con lo que se reduce el tiempo de residencia hidráulica y, por lo tanto, la capacidad de depuración del humedal (Arreguín y col., 2010). También pueden alimentarse para que el agua fluya de forma vertical u horizontal. La primera forma de flujo se da generalmente de manera intermitente y la segunda de manera continua.

Tipos y funciones de las plantas usadas en los humedales artificiales superficiales y subsuperficiales

La vegetación emergente más utilizada en los humedales artificiales superficiales y subsuperficiales incluye a plantas cosmopolitas como las espadañas o tules2 (Typha spp.), losjuncos (Scirpus spp.) y los carrizos(Phragmites spp.).

Las funciones más importantes de las plantas para el tratamiento de aguasresiduales en un humedal artificial son los efectos físicos y químicos que originan dichas plantas (Brix, 1994). La Figura 4 detalla los efectos principales de las partes de una planta. 2 Tule es la palabra indígena náhuatl para estas plantas, ciperáceas o tifáceas o gramíneas o pontederiáceas, que se usan para tejer petates (de pétlatl, estera) o sombreros o sillas, de tullin o tollin, juncia o espadaña

Figura 4. Efecto de las plantas en los HA (Guido-Zárate, 2006)





Las plantas estabilizan el material de empaque, proporcionan un excelente medio para la filtración, impiden que el material de empaque se azolve y proveen de una gran área superficial para la adhesión de los microorganismos. Éstas oxigenan durante el día a los sistemas bacterianos que proliferan cerca o sobre sus raíces (oxígeno fotosintético y difundido o conducido a través de sus aerénquimas) (Fenoglio-Limón, 2003). Este oxígeno aportado al humedal es generado por el proceso de la fotosíntesis y por difusión e incluso por convección del aire atmosférico (Soto-Esquivel, 2003). Los tallos, las hojas y las raíces liberan oxígeno a través de sus rizomas a la rizósfera donde se establece una relación simbiótica entre los microorganismos presentes, los cuales realizan la degradación de la materia orgánica y, a su vez, producen gases como CO2

H2O desde la zona radicular hacia la atmósfera por los espacios gaseosos dentro de la planta y son aprovechados por la planta para fotosintetizar glucosa y de ella celulosa. Otro beneficio de las plantas es que cuando mueren, éstas se transforman en nutrientes para los microorganismos saprobios y forman una biopelícula fija que contribuye también a la degradación de los contaminantes del agua residual.

EL HUMEDAL ARTIFICIAL DEL CCH SUR

Es un humedal de flujo subsuperficial, de flujo horizontal.

SITIO DE CONSTRUCCIÓN. Características de la zona donde se localiza el humedal3

El CCH Sur prácticamente forma parte de La Reserva Ecológica del Pedregal de San Ángel. Esta Reserva se encuentra al suroeste de la Ciudad de México, en los terrenos de Ciudad Universitaria, por lo que es custodiada y manejada por la UNAM. Esta área es uno de los pocos ecosistemas naturales del sur de la Cuenca de México y destaca por sus características físicas, químicas y biológicas muy particulares que ameritan ser conservadas (de la Fuente, 2005; Rojo, 1994). Esta reserva ecológica, nombrado desde la Conquista como “malpaís”, es considerado uno de los espacios de mayor riqueza florística de toda la cuenca de México y un refugio de diversidad de fauna que otrora se distribuía en lo que hoy es la Ciudad de México y sus alrededores. No es aventurado decir que el ecosistema del Pedregal de San Ángel puede ser la última reserva natural del área metropolitana de la segunda megaciudad del planeta (Lot-Helguera, 2008). En la Figura 5 se presenta un esquema de la Ciudad Universitaria y la localización del CCH Sur y en la Figura 6 se muestra el 3 http://pembu.atmosfcu.unam.mx/php/estaciones.php





esquema de la ubicación precisa del humedal artificial cerca de las instalaciones del Sistema de Laboratorios para el Desarrollo y la Innovación (SILADIN).

Figura 5. Plano de la Ciudad Universitaria y localización del CCH Sur en su extemo inferior izquierdo

Figura 6. Localización del SILADIN en el CCH-Sur

Jardín Botánico de la UNAM





La razón de la elección fue porque ya se tenía una fosa séptica en esas instalaciones para sedimentar sólidosque venían con las aguas residuales de los servicios sanitarios instalados en esas edificaciones, que son dos edificios que conforman el SILADIN. En la época en que se construyó el humedal artificial, se construyó también un edificio para idiomas y se planteó que sus aguas residuales también llegaran al humedal artificialdespués de pasar por una fosa séptica. Además, por ser un sistema que permite que los estudiantes y sus profesores estudien los fenómenos que allí ocurren puede convertirse en un excelente instrumento para la enseñanza y el aprendizaje, especialmente bajo la supervisión de sus profesores e investigadores (CCH, 2005a,b).

Descripción general del proceso y diagrama de flujo y de proceso (DFP)

Para poder describir brevemente el humedal artificial del SILADIN-CCH-Sur es necesario seguir los pasosbásicos, ayudándose de la Figura 7. En la Figura 7 se presenta el Diagrama de Flujo de Proceso (DFP), donde se esquematiza el proceso descrito, así como el Arreglo General del Humedal Artificial que presenta las dimensiones del humedal y la distribución espacial de los equipos. En el “Manual de Diseño, Construcción y Mantenimiento del Humedal del CCH SUR” (Arreguín y col., 2010), se describe la función de cada uno de los equipos y tanques así como las recomendaciones de mantenimiento.

Diseño y capacidad del humedal artificial del CCH Sur

La base de construcción para el humedal corresponde a un volumen de recuperación de 8,000 a 10,000 Litros de agua residual tratada por día, si el humedal recibe aguas negras clarificadas (sin sólidos en suspensión), de los edificios de la zona de SILADIN y el edificio de idiomas.

Una enorme ventaja es que ambas instalaciones dejarán de verter sus aguas negras directamente alsubsuelo. Es importante señalar que los sólidos en suspensión que se separen deben ser estabilizados ya que son residuos peligrosos (DOF, 2005). La base del humedal es de concreto con varilla de acero y muros de piedra para una vida útil mayor a treinta años.

El diseño del humedal es una forma de pirámide, rescatando el origen prehispánico de este procedimiento. En La Nueva Tenochtitlán, este proceso natural de purificación de agua, ya era aprovechado, esto se menciona en documentos como de las Cartas de Relación (Cortés, 1519-1526), Poesía y obra hidráulica de





Netzahualcóyotl (León-Portilla, 1992), entre otros. Las condiciones de los diferentes lagos de la cuenca (Lagos de Texcoco, de Chalco, de Xochimilco, de Guadalupe, etcétera) eran propicias para este proceso natural por medio del cual las aguas negras que se producían en aquellas poblaciones se descontaminaban de microorganismos nocivos a la salud. De hecho, se pueden ver todavía en los pocos remanentes de los lagos todavía las plantas acuáticas que depuran las aguas contaminadas que llegan a ellos.

FP-101

RF-101 Quemador o coogenerador

Nivel de piso=0 (Construido por tesistas)

Lodos a reactor RALFA Bomba BS3

Agua residual de

los registros PC-101 (A nivel de piso con tanque dosificador) 1,5m TC-101

Tablero

1.5 m

1.25 m Tanque doificador Al humedal

1.6 m

1.0m Bomba BS1

sumergible para agua

0.5 m

FS-101 Bomba sumergible para lodos BS2

Fosa de sedimentación

HA-101

DH-101

Fosa de almacenaje y desinfección

CS-101 TCD-101

1.0 m

2.0 m

2.0 m 0.5 m

11.0 m

HA-101 BS3 Bomba F. percol. PC-101

Humedal artificial Bomba centrifuga Panel de control DIAGRAMA DE FLUJO Y PROCESORF-101 Reactor RAFA FS-01 FP-101 del humedal artificial delReactor anaerobio Fosa de sedimentación Filtro Percolador CCH_SURBS1 Bomba de agua TCD-101 Cisterna DH-101 Distribuidor

Bomba sumergible Tanque de desinfección Hidráulica (4-junio -2009)

BS2 Bomba de lodos CS-101 Dr. Salvador Sánchez Tovar

Bomba sumergible Cárcamo de salida

1

2

Figura 7. Diagrama de flujo y de proceso para el humedal artificial del SILADIN-CCH-Sur





Beneficios para el aprendizaje de las ciencias

El proyecto INSTALACIÓN DE UN HUMEDAL CON ESTRATEGIAS DIDÁCTICAS DE APOYO A LOS PROGRAMAS DE BIOLOGÍA Y QUÍMICA DEL BACHILLERATO, UNAM, es una herramienta apropiada para reforzar temas de Biología y Química del sistema de enseñanza del nivel de bachillerato, de acuerdo con los siguientes aspectos.

Apoyo a los programas curriculares. En este humedal artificial los alumnos realizan, actividades didácticas como: Prácticas de campo de biología y química sobre los temas de Agua, Suelo, Microbiología, etcétera, contenidos en los programas. Específicamente, los alumnos realizarán pruebas fisicoquímicas y microbiológicas para determinar los niveles de calidad del agua tratada a través de este humedal o de muestras de agua de ríos, lagunas, tomas domésticas, etcétera (DOF, 1996).

Investigación científica. Asesorados por sus profesores realizarán investigaciones en el campo de la biología y química como: estudios de microsistemas acuáticos como modelos ecológicos para conocer el flujo de nutrientes y sus relaciones con los componentes abióticos y bióticos. En el campo de la contaminación ambiental realizan investigaciones para probar la eficiencia de plantas o suelos en humedales artificiales a escala de banco o de laboratorio con aguas negras “sintéticas” que evitan riesgos de contaminación para los estudiantes.

Tecnología de punta. En este proyecto también hemos incluido el manejo del equipo de análisis más moderno. Contrastando con el humedal de origen prehispánico, los métodos de análisis usan sistemas de sensores para la determinación de las características y los contaminantes básicos del agua como: Turbidez, oxígeno disuelto, demanda bioquímica de oxígeno, cloro, nitratos, amonio, fosfatos, calcio, pH, etcétera. Esta formación integral asegura que la formación técnica de nuestros egresados sea competitiva en el mercado tecnológico laboral, en caso de que no continúen con una carrera profesional en la propia UNAM.





Opciones técnicas. En proyectos futuros se están estructurando las especialidades de: "Técnico en tratamiento de aguas por métodos ecológicos (humedales artificiales, reactores de biodiscos, etc.)" y "Técnico en análisis de la calidad del agua". Estas especialidades darán al estudiante la opción de incorporarse al campo profesional y participar con su experiencia tecnológica en el campo de las industrias alimentaria,farmacéutica, en el turismo (hoteles, campos de golf, etc.), en las áreas de lasalud, entre otras.

Actitud y valores. El dominio de estas técnicas de descontaminación y los sistemas de análisis aplicados en investigaciones de problemas de contaminación del agua, llevan al estudiante a un cambio de actitud más favorable sobre la ciencia y la tecnología como posibles soluciones a los problemas que rodean al ciudadano. También, este proyecto es una opción para que los alumnos revaloren los recursos naturales como el agua y el suelo y la repercusión de las actividades humanas y su impacto en el medio ambiente y en su vida diaria.

Bibliografía

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