Presentación FVF Badajoz 12-12-2014

FILTROS VERDES EN FLOTACIÓN
Conceptos básicos
y
Criterios de Selección y Diseño
DEPURACION DE AGUAS RESIDUALES DE BAJO
COSTE PARA PEQUEÑAS POBLACIONES
Puebla de la Calzada (Badajoz), 12 de diciembre de 2014
GIDAR
GRUPO DE I+D SOBRE
DEPURACIÓN DE A.R.
Jesús Fernández
Grupo de Agroenergética
Universidad Politécnica de Madrid
Filtros Verdes en Flotación. Prof. Jesús Fernández . ETSIA. UPM.

a,b. plantas anfibias o palustres.
c,d. plantas acuáticas arraigadas con hojas flotantes
e,f. plantas acuáticas arraigadas totalmente sumergidas
g,h. plantas acuáticas libres, sumergida (g), y flotante libre (h).
Fuente: http://www.biologia.edu.ar/botanica/tema3/tema3_4hidrofita.htm
TIPOS DE MACROFITAS ACUÁTICAS (HIDROFITOS)
(definiciones)
También denominadas helofitas o macrofitas emergentes

AERÉNQUIMA DE HOJAS Y TALLO DE ENEA
(Typha latifolia L.)

MORFOLOGÍA DEL AERENQUIMA EN LA ESPADAÑA (Typha sp.)
Fuente: Ursula RoWalatt . Architecture of the leaf of the greater reed mace, Typha latifolia L.
Botanical Journal of the Linnean Society (1992) 110: pp. 161-170.
Diafragmas transversales con
perforaciones permeables a los gases

OXIGENACIÓN NATURAL DE LAS RAICES DE LAS HELOFITAS
RADIACIÓN SOLAR
O2 Fotosintético (interno)
Difusión de O2 del aire (21%)
Movimiento del O2 por el AERENQUIMA
por diferencia de presiones parciales
ZONA DE PRESIÓN
SUPERIOR DE O2
ZONA DE BAJA
PRESIÓN DE O2
RIZOSFERA
con
BACTERIAS
AEROBIAS
ZONA ANAEROBIA
FONDO DEL HUMEDAL

DETALLE DEL SISTEMA RADICULAR DE LA ENEA
DESARROLLADA DIRECTAMENTE SOBRE EL AGUA

ACCIÓN DEPURADORA DE LAS MACROFITAS
ACUÁTICAS
- Sedimentación y retención de sólidos en suspensión
- Oxigenación de la rizosfera
- La rizosfera actúa como soporte de microorganismos
que destruyen la materia orgánica
- Destrucción de patógenos
- Absorción de nutrientes minerales
- Absorción de metales pesados
- Detoxificación de compuestos químicos nocivos
(fenoles, glicoles, sales de amonio cuaternario, etc...)

HUMEDALES CON PLANTAS ARRAIGADAS
EMERGENTES EN FLUJO SUBSUPERFICIAL EMERGENTES EN FLUJO VERTICAL
Humedales artificiales
EMERGENTES EN FLUJO SUPERFICIAL
(Humedales naturales)

SISTEMAS DE DEPURACIÓN CON PLANTAS EN FLOTACIÓN
FLOTANTES NATURALES EN FLUJO LIBRE
(Humedales naturales o artificiales)
HELOFITAS FLOTANDO EN FLUJO LIBRE
Filtros verdes en flotación
(Humedales artificiales)

• Economía en la construcción y en el mantenimiento,
ya que no necesita sustrato (grava).
• Mayor superficie radicular para soporte de los
microorganismos
• Menor necesidad de superficie debido a su mayor
eficacia
• Ausencia de colmatación del sustrato
• Mantenimiento en el tiempo del poder de depuración
• Facilidad para la recolección de toda la biomasa
incluida la de la zona sumergida
VENTAJAS DE LOS SISTEMAS EN FLOTACIÓN FRENTE A LOS
SISTEMAS DE PLANTAS ARRAIGADAS

VENTAJAS DE LAS HELOFITAS
• Mayor variedad de especies autóctonas disponibles
adaptadas a un amplio rango de condiciones
ambientales.
• Mayor capacidad de almacenamiento de biomasa y
por lo tanto menor número de cosechas anuales.
• Mayor superficie aérea para captación de oxígeno
VENTAJAS DE LAS PLANTAS FLOTANTES
• Flotan naturalmente por lo que no necesitan ayudas
para formar el tapiz flotante
COMPARACIÓN DE LOS FILTROS DE HELOFITAS EN FLOTACIÓN FRENTE A LOS
DE PLANTAS FLOTANTES NATURALES

Período 1993-97→ Desarrollo de la Patente ES 2 120 388

Contrato UPM – AENA
Experimentación del sistema FMF,
desarrollado por la UPM, en el
Aeropuerto de Madrid-Barajas
(1997-2002)

http://www.fundacionglobalnature.org/macrophytes/Manual%20sobre%20fitodepuracion.htm
Proyecto Europeo (Life medio ambiente) LIFE02 ENV/E/000182:
FILTROS VERDES CON MACROFITAS EN FLOTACIÓN (FMF) PARA EL LITORAL MEDITERRÁNEO
NEW FLOATING MACROPHYTE GREEN FILTERS (FMF) FOR THE MEDITERRANEAN REGION
(2002 – 2005)

Díptico editado por el Ayuntamiento de Fabara
PLANTA DE FITODEPURACIÓN DE FABARA (ZARAGOZA)
En funcionamiento desde 2006

FORMACIÓN DE UN TAPIZ FLOTANTE CON HELOFITAS
Es necesario conseguir que, plantas que naturalmente se
encuentran enraizadas en el fondo de una laguna o curso de
agua se desarrollen flotando en la superficie del agua.
PROBLEMÁTICA

PROBLEMÁTICA DE LA FORMACIÓN DE UN TAPIZ FLOTANTE CON HELOFITAS
ASPECTOS FAVORABLES
• Baja densidad de la helofitas (~ 0.6-0.7), por lo que flotan en el agua
• El sistema radicular de las plantas adultas puede formar un tapiz estable y
continuo por entramado de las raíces, estolones y rizomas
• El tapiz formado por las raices estolones y rizomas de las plantas adultas, junto
con la base de los tallos, mantiene el conjunto en flotación con los tallos erguidos
y emergentes de la superficie del agua.
ASPECTOS DESFAVORABLES
• Las plantas jóvenes tiene el centro de gravedad en la parte emergente, por lo que
tienen tendencia al vuelco.
• Cuando se vuelca la parte aérea de las plantas jóvenes, las hojas dejan de
funcionar correctamente, llegando a morirse, lo que retrasa o imposibilita el
desarrollo de una estructura estable en forma de tapiz.
SOLUCIÓN: Es necesario desarrollar sistemas que mantengan a las plantas
erguidas durante el desarrollo inicial para permitir que se forme el tapiz radicular y el
sistema flote libremente.

PROBLEMÁTICA DE LA FORMACIÓN DE UN TAPIZ FLOTANTE CON HELOFITAS
Posibles soluciones
FORMACION DEL TPIZ EN
EL FONDO DEL
HUMEDAL
DESPLAZAMIENTO DEL
CENTRO DE GRAVEDAD
AUMENTO DE LA BASE
DE SUSTENTACIÓN
EMERGENCIA DE BROTES
EN RIZOMAS QUE FLOTAN
EN LA SUPERFICIE

Inicios en las experiencias del Aeropuerto de Madrid Barajas

Problemas detectados en la implantación por el sistema FMF
en la EFAR del Aeropuerto de Madrid-Barajas
Dificultad de mantener las plantas erguidas
debido al mayor peso de la parte aérea que las
hace volcarse, debiendo echar nuevos brotes
hasta lograr el equilibrio e iniciar el crecimiento.
Esto supone dificultad y retraso en la
implantación del tapiz flotante.
© J FERNANDEZ
© J FERNANDEZ

A pesar del retraso que supone elm vuelco de las plantas al final se
consiguió el filtro en la EFAR de Barajas

Filtro de Avilés (Lorca), implantado sobre el fondo del canal.
Proyecto Life Medio Ambiente “Macrophytes (FMF)” ENV/E/000182 (2002-2005).
© J FERNANDEZ
© J FERNANDEZ
IMPLANTACIÓN SOBRE EL FONDO DEL HUMEDAL

IMPLANTACIÓN SOBRE EL FONDO DEL HUMEDAL
Filtro de Fabara (Zaragoza), implantado sobre el fondo del canal.
Proyecto Proyecto financiado por el Ayuntamiento de Fabara (2006).

IMPLANTACIÓN SOBRE LA SUPERFICIE DEL HUMEDAL
Inicio del desarrollo del sistema TTF-UPM
(Sistema TTF-UPM)
Patente ES 2 331 556

Sistema DFH (UPM)
(Sistema DHF-UPM)
M.U. ES 1 081 331 U

Sistemas de plataforma de sustentación superficial (Varias empresas)
(Se presentan 3 ejemplos )
Sistema Hidrolution S.L.
Tomado de CEDEX
Ingeniería Civil 168/2012. pag 136
Sistema Lotus Filter Systems
http://estrategia-inmobiliaria.com.pe/lotus-
-filter-depura-agua-sin-consumir-energia/
Sistema AQ3M de Agua Matrix
http://aguainc.com/es/agua-matrix/

Criterios de Selección y Diseño de los
Filtros de Helofitas en Flotación (FHF)

CRITERIOS DE SELECCIÓN Y DISEÑO DE LOS FHF
• Selección de la especie de helofita a emplear
• Determinación de la superficie necesaria
• Opción por la geometría del humedal
• Elección del sistema de implantación
• Dotación de instalaciones anexas

CRITERIOS DE ELECCIÓN DE LA ESPECIE DE HELOFITA
• Adaptación a las condiciones climatológicas de la
zona (preferible especies autóctonas).
• Rápida ocupación de la superficie por emisión de
estolones o rizomas.
• Relación adecuada de altura / producción de biomasa.
• Alta eficiencia en la aireación de la zona radicular.
• Capacidad de desarrollarse en medios eutrofizados.
• Resistencia a plagas y enfermedades.

FORMAS DE REPRODUCCIÓN VEGETATIVA DE LA HELOFITAS
Para una rápida ocupación de la superficie del agua es mejor que se
reproduzca vegetativamente por emisión de estolones o rizomas

Tipo de reproducción por ahijamiento en los juncos del Género Scirpus
Producen una macolla muy densa en tallos pero no se extienden en superficie

Tipo de reproducción por ahijamiento en las eneas (Género Typha)
Producen estolones y rizomas con abundantes brotes, extendiendo la
plantación en superficie, con abundante formación de raíces

EJEMPLOS DE HELOFITAS DE INTERÉS PARA
FILTROS EN FLOTACIÓN
• Espadaña o enea (Typha spp.)
• Esparganios (Sparganium sp.)
• Carrizos (Phragmites )
• Lirio de agua (Iris pseudacorus)
• Juncos ( Scirpus, Juncus, Carex ),.

ENEA O ESPADAÑA (Typha sp.)

ESPARGANIOS (Sparganium sp)
S. emersumS. erectum
Detalle de las flores de esparganio

Carrizo (Phragmites australis )

LIRIO DE AGUA (Iris pseudacorus )

JUNCO COMÚN (Scirpus holoschoenus L.)
junco del churrero

DETERMINACIÓN DE LA SUPERFICIE NECESARIA DE FILTRO
PARA LA DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES (1)
• La superficie necesaria de filtro se suele calcular en base a la
reducción de la materia orgánica (DBO y DQO) presentes en el
agua hasta lograr las condiciones autorizadas de vertido
Parámetro [ mg/L] % reduc.
DBO5 25 70-90
(s/caudal)
DQO 125 75
MES 35 90

• También producen una reducción significativa de Nitrógeno y
Fósforo, pero tienen menor eficacia, por lo que se necesitarían
superficies más elevadas si se quisiera controlar estos
parámetros, como ocurre en los vertidos a zonas sensibles,
según se indica en la tabla siguiente.
Parámetro [ppm ] %
reduc.
P 2 (10.000-100.000 h-e)
1 (>100.000 h-e)
80
Nt 15 (10.000-100.000 h-e)
10 (>100.000 h-e)
70-80

FACTORES DE LOS QUE DEPENDE LA SUPERFICIE NECESARIA
• La especie vegetal y su capacidad de oxigenación de la rizosfera
• La temperatura del agua
• La superficie cubierta por las plantas
• La necesidad de zonas auxiliares
Capacidad de oxigenación del agua por las helofitas, según datos
bibliográficos recopilados por Headley y Tanner (2012)1
* Se considera una reducción del 90 % de la DBO5 de un h.e. (60g DBO5/día)
(1) Headley, T.R. y Tanner, C.C..- (2012).- “Constructed Wetlands With Floating Emergent Macrophytes: An
Innovative Stormwater Treatment Technology”. Critical Reviews in Environmental Science and Technology,
42:2261-2310.
DBO5 del influente
(g de O2/m3)
Eliminación de DBO5
(g/m2.dia)
Necesidad por 90% h.e.
(54 g DBO5/día)*
m2/h.e.
Entre 50 y 100 11,3 (valor medio) 4,8
320 37 1,45

Efecto de la temperatura del agua en la eliminación de la DBO5
• Influye en la solubilidad del oxígeno en agua (disminuye con la tª)
• Influye en la velocidad de las reacciones químicas
(aumentan con la tª según la Ley de Vant-Hoff, dentro de un determinado rango )
y = 13,502 e-0,02x
R² = 0,9874
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 5 10 15 20 25 30 35 40
SolubilidaddeO2(ppm)
Temperatura ºC

Tª
Eliminación
DBO5/m2.dia
Necesidad
m2/hab.equiv
25 30 2
22 25 2,40
20 18 3,33
15 12 5,00
10 9 6,67
7 8,1 7,41
y = 4,3388e0,0755x
R² = 0,972
0
5
10
15
20
25
30
35
0 5 10 15 20 25 30
EliminaciónDBO5(g/m2.dia)
Temperatura ºC
Relación entre temperatura y eliminacion de DBO5
Valores experimentales de la relación entre la tª y la necesidad de superficie para reducir la DBO5
correspondiente a un habitante equivalente (60 g de DBO5)
Fuente: Datos experimentales durante 2 años del Grupo de Agroenergética de la UPM

Valores experimentales obtenidos en diversas EFAR en Proyectos de investigación de la UPM
Proyecto Periodo
Eliminación de DBO5 por los FVF
Media Máxima Mínima
% g/m2.dia % g/m2.dia Mes % g/m2.dia Mes
Barajas
Sup. 1440 m2
h.e: 700
3 años
2000-2002
(27 muestreos)
80,6 23,5 95,4 27,82
Junio
2001
52,6 15,33
Febr.
2002
Life- (Coy)
Sup. 892 m2
h.e.500
5 meses
May-Sep
2005
(4 muestreos)
88,95 29,9 90,9 30,5
Mayo
2005
86,8 29,14
Agosto
2005
Fabara
Sup. 3.240 m2
h.e. 1.300
6 años
2007-2013
(14 muestreos)
83,1 20,0 94,8 22,8 Jun 2008 63,6 15,3
Mayo
2007
Reducción de la DBO5 por los FHF (g/m2.dia)

Valores experimentales obtenidos en diversas EFAR en Proyectos de investigación de la UPM
Necesidad de superficie (m2/h.e.)
Proyecto Periodo
Necesidad de superficie para Eliminación del
90 % de la DBO5 de 1 h.e. (54 mg O2)
Media Máxima Mínima
m2/h.e m2/h.e Mes m2/h.e Mes
Barajas
Sup. 1600 m2
h.e: 700
3 años
2001-2003
(27 muestreos)
2,30 1,94 Junio 2001 3,52 Febr. 2002
Life- (Coy)
Sup. 892 m2
h.e.500
5 meses
Mayo-Sep.
2005
(4 muestreos)
1,80 1,77 Mayo 2005 1,85 Agosto 2005
Fabara
Sup. 3.240 m2
h.e. 1.300
6 años
2007-2013
(14 muestreos)
2,7 2,37 Junio 2008 3,52 Mayo 2007

Elección de la Geometría del Humedal
Se han desarrollado 2 tipos básicos de humedales para FHF para proporcionar
la superficie deseada: CANALES conectados en serie o BALSAS
Pretratamiento
INFLUENTE
EFLUENTE
Pretratamiento
INFLUENTE
EFLUENTE

CANALES O BALSAS

Se han desarrollado 2 tipos básicos de humedales para FHF para
proporcionar la superficie deseada: (canales conectados en serie o balsas)
VENTAJAS DE LOS CANALES RESPECTO A BALSAS
• Ausencia de caminos preferenciales
• Facilidad de plantación
• Facilidad de mantenimiento y reposición de plantas.
• Facilidad de siega y cosecha de la biomasa aérea
• Facilidad para aplicar tratamientos fitosanitarios
INCONVENIENTES DE LOS CANALES RESPECTO A BALSAS
• Necesidad de mayor superficie global
• Menor relación superficie / volumen debido a los taludes (menor tiempo
de retención)
• Construcción más costosa en la excavación y en la superficie total de
lámina empleada.
• Dificultad en conseguir grandes profundidaes

EFECTOS DE LA COSECHA DE LA BIOMASA AÉREA
BENEFICIOS DE LA SIEGA
• En la fase de implantación se favorece el desarrollo del sistema radicular frente al
aéreo, lo que da más estabilidad a la plantación (evita el vuelco)
• Se elimina materia orgánica y contaminantes minerales
• Se puede aprovechar la biomasa cosechada
• Se estimula el crecimiento
• Se favorece la penetración y el transporte de oxígeno, al quedar las hojas y tallos
sección conectados directamente a la atmósfera.
• Se favorece la circulación interior del aire en las plantas por “efecto Venturi”
PERJUICIOS EN EL FILTRO POR NO COSECHAR LA BIOMASA AÉREA
• Se produce gran cantidad de materia orgánica que se incorpora al agua residual
• No se eliminan nutrientes
• Mayor mortalidad de plantas que al quedar en el medio es difícil reponer
• Mayor retraso en la emergencia de nuevos brotes en primavera
• Disminución paulatina del número de brotes
• Dificultad en conseguir una buena aireación.

EFECTOS DE LA COSECHA DE LA BIOMASA AÉREA
Figure 4.7. A) and B) Early spring harvest plot with new
green cattail 1 m high, unharvested areas are covered in
deadfall with little emerging new growth. (pag. 126)

EJEMPLO DE DIMENSIONES DE UN “CANAL
TIPO”
4 m
1 m0,8 m
2 m
3,6 m Volumen de agua por m lineal: 2,24 m3
Superficie por m lineal de lámina de
agua: 3,60 m2
Volumen de agua por m2: 0,62 m3/
2 - 4 m
0,20 m
4,00 m
Condiciones de funcionamiento para 1 h.e.
Volumen de vertido diario:…………… 0,25 m3/dia
Necesidad de superficie FVF estimada : 2,5 m2
Tiempo de retención hidráulica ………. 6,2 días

CONSIDERACIONES PRÁCTICAS PARA EL DIMENSIONAMIENTO
DEL SISTEMA FHS
•Lámina de agua: 2- 4 m2 / hab. - equivalente (según climatología)
•Anchura de pasillos : 2-4 m
•Tiempo de retención: mínimo 5 días
•Cantidad de plantones iniciales: 16 unidades / m2 de fondo del canal (equivalen a 9
unidades / m2 de lámina de agua)
•Mantenimiento : Siegas periódicas en el período de desarrollo vegetativo (2 / año);
Tratamientos fitosanitarios si son requeridos (pulgón, araña roja etc.)
•Precauciones especiales: en zonas frías se pueden utilizar cubiertas plásticas en
final otoño e invierno para aumentar el ciclo vegetativo de la parte aérea de las
plantas.
•Elementos clave: terreno perfectamente nivelado (flujo-pistón), impermeabilización
de canales (geotextil + PE >1.5 mm espesor o geomembranas), vallado, etapa de
implantación (~ 2-6 meses dependiendo de la época y climatología).

REDUCCIÓN MEDIA DE LOS PARÁMETROS DE CONTAMINACIÓN
DEL FILTRO DE MACROFITAS DE BARAJAS A LO LARGO DE 3 AÑOS
PARÁMETRO
Reducción
media (%)
Rango de
variación
Reducción
según
normativa (%)
DQO 65,7 88,4 – 33,3 75
DBO5 80,6 95,5 – 52,63 70 – 90
Solidos en suspensión 94 100 - 82 90
N-total 35,8 77,0 – 12,0 70 - 80
P-total 27,1 53,6 – 6,3 80

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