aldo-antonio-castaneda-villanueva-comparacion-de-tres-modelos-para-el-diseno-de-un-humedal-artificial-

Vista previa del material en texto

“Comparación de tres modelos para el diseño de un humedal artificial 
para el tratamiento de las aguas residuales de poblaciones rurales en 
Los Altos de Jalisco” 
 
Aldo Antonio Castañeda Villanueva¹, Hugo E. Flores López ² y Rene Sahagún Medina¹. 
¹Centro Universitario de los Altos. Universidad de Guadalajara. E-mail: aldocasta@hotmail.com 
²Instituto Nacional de Investigaciones Forestales Agrícolas y Pecuarias, Campo Experimental Centro 
Altos de Jalisco. 
 
 
Resumen 
La contaminación progresiva del agua, hace necesario que se realicen cada vez más y 
mayores esfuerzos para su tratamiento, lo que involucra incorporar nuevas tecnologías, 
así como mejorar las convencionales. Los humedales artificiales (HA) son sistemas 
complejos e integrados en los que tienen lugar interacciones entre el agua, las plantas, los 
microrganismos, la energía solar, el substrato y el aire, con la finalidad de mejorar la 
calidad del agua residual y proveer un mejoramiento ambiental. Su funcionamiento se 
fundamenta en tres principios básicos; la actividad bioquímica de los microorganismos, 
el aporte de oxígeno a través de las plantas durante el día y el apoyo físico de un lecho 
inerte que sirve como soporte para el enraizamiento de las plantas, además de funcionar 
como material filtrante. (Ruiz Pascual, 2013). Existen varios tipos de HA, el más 
apropiados para aguas residuales de origen domestico provenientes de poblaciones rurales 
de tamaño medio (de 500 a 1000 habitantes), parece ser el de subsuperficial de flujo 
horizontal, los cuales típicamente están construidos en forma de un lecho o canal 
impermeable que evita la percolación del agua hacia el subsuelo, además contiene un 
sustrato apropiado (grava, arena, u otro material) que soporta el crecimiento de las plantas 
macrófitas principalmente. En nivel del agua está por debajo de la superficie del soporte 
y fluye únicamente a través del medio que sirve por el crecimiento de la película 
microbiana, que es responsable en gran parte del tratamiento que ocurre, las raíces 
penetran hasta el fondo del lecho. Al usar este sistema, es necesario llevar a cabo un 
mailto:aldocasta@hotmail.com
tratamiento previo de las aguas residuales para remover sólidos gruesos que esta pueda 
contener, con la finalidad de evitar problemas de obstrucción al medio de soporte granular 
y la consecuente afectación que esto pueda tener sobre el funcionamiento del sistema. Los 
HA son tecnologías naturales económicamente viables, de gran capacidad para la 
remoción de contaminantes muy aptas para comunidades rurales pequeñas, ya que la 
aguas tratadas pueden reutilizarse para riego. El Objetivo del presente trabajo es el de 
comparar tres diferentes modelos para el diseño de un sistema de tratamiento de aguas 
residuales domesticas mediante un HA tomado como referencia una población rural de 
700 habitantes de los Altos de Jalisco para poblaciones rurales en Los Altos de Jalisco, 
que a su vez servirá de prototipo para otras poblaciones similares de la región. Los 
modelos utilizados fueron: a) Reed y colaboradores, b) Crites y Tchobanoglous, y c) 
modelo de Kadlec & Knight. 
Los resultado muestran una gran similitud entre los tres modelos para los datos 
considerados de: volumen y caracterización del agua residual, condiciones 
climatológicas, particularidades del terreno y condiciones de trabajo lo que asegura su 
funcionalidad en su futura instalación y operación. 
 
Introducción 
El agua dulce cada día es más limitada, debido entre otros factores al crecimiento 
demográfico, la urbanización y los cambios en el clima, lo que ha provocado el uso 
creciente de aguas residuales para la agricultura, la acuicultura, la recarga de mantos 
acuíferos subterráneos y en otras áreas. En algunos casos, las aguas residuales son el único 
recurso hídrico de comunidades pobres que subsisten por medio de la agricultura. Si bien 
el uso de aguas residuales en la agricultura puede aportar beneficios (incluidos los 
beneficios de salud como una mejor nutrición y provisión de alimentos para muchas 
viviendas), su uso no controlado generalmente está relacionado con impactos 
significativos sobre la salud humana. Estos impactos en la salud se pueden minimizar 
cuando se implementan buenas prácticas de manejo y tratamiento (OMS, 1989). 
Durante el siglo XX la población mundial se triplico, mientras tanto el uso de agua 
renovable se ha incrementado seis veces, en los próximos 50 años, la población crecerá 
entre un 40 y 50 %. Actualmente más de 884 millones de personas en el mundo no tienen 
acceso al agua potable, es decir casi una octava parte de la población mundial, de igual 
forma 1.4 millones de niños mueren cada año a causa de enfermedades relacionadas con 
el consumo de agua contaminada. En México, como en muchos lugares del mundo, 
existen regiones donde la problemática del agua (disponibilidad y calidad) ha llegado a 
un nivel crítico inaceptable para una vida normal, en muchos hogares mexicanos, el agua 
llega a las casa de manera discontinua y en ocasiones con una calidad cuestionable, cada 
vez es más difícil encontrar ríos o lagos con agua en cantidad suficiente y limpia (Geissler 
y Arroyo, 2011). 
Actualmente, más de la mitad de los países del mundo tiene una disponibilidad promedio 
baja y prácticamente la tercera parte de ellos ya padece escasez. (Consejo Consultivo del 
Agua, 2014). En general es la inducción de energía y sustancias al medio ambiente, 
causada por el hombre, que amenazan a la salud humana, dañan recursos y sistemas 
biológicos, así como y ecosistemas. Los contaminantes pueden diferenciarse en primarios 
y secundarios; los primarios son aquellos que al llegar tanto al agua como al medio 
ambiente en general, causan daños de manera directa. Los contaminantes secundarios son 
aquellos que se forman en el agua (o en el medio ambiente) a partir de sustancias más o 
menos inofensivas. Es determinante no sólo el tipo de una sustancia, sino también su 
concentración, para considerarla contaminante. 
La problemática actual del agua, hace necesario realizar más y mejores procesos de 
tratamiento para los diversos tipos de efluentes, con el objetivo de evitar mayores 
contaminaciones y afectaciones a los subsistemas ecológicos, reutilizando las aguas 
tratadas en diferentes formas y usos. Los contaminantes pueden causar tanto efectos 
cáusticos, tóxicos, mutágenicos (alteración de la información genética), teratógenos 
(malformación de embriones) como cancerígenos. 
La contaminación como deterioro ambiental, puede prevenirse al evitar la entrada de los 
agentes contaminantes al ambiente, mediante alguno de los siguientes mecanismos: 
 
 
 los procesos industriales, 
ologías para que los contaminantes no sean emitidos o descargados al 
ambiente. 
Por otra parte el amplio uso (directo o indirecto) del agua por el hombre, esta ocasionado 
su gradual y ascendente contaminación, provocando una amenaza creciente para la 
mayoría de las formas de vida en nuestro planeta, incluyendo al propio ser humano, 
además siempre han existido fuentes naturales de contaminación del agua. Evidentemente 
también en la naturaleza coexisten procesos naturales de auto purificación, que 
generalmente logran equilibrios naturales, a los cuales los seres vivos van adaptaron a lo 
largo de los tiempos. No obstante, el hombre contemporáneo ha creado y utiliza un gran 
número de sustancias que nunca antes existieron en el mundo, las cuales se transforman 
en grandes cantidades de desechos contaminantes. Hasta la fecha se han creado más de 
seis millones de sustancias químicas, que no existían originalmente en la naturaleza. Cada 
año esta cantidad aumenta en aproximadamente mil sustancias más. De 60,000 a 95,000 
de estas sustancias se encuentran en el comercio común. Todo lo que producimos y 
utilizando, algún día tarde o temprano, se transforma en desechos y basura, de la cual 
gran partellega intencional o casualmente a los subsistemas acuáticos del planeta. (Solís 
y López, 2003). En nuestro país los usuarios del agua y demás actores involucrados en el 
sector, siguen satisfaciendo sus necesidades sin tomar en cuenta el impacto sobre los 
demás ecosistemas, contaminando los cuerpos de agua y el medioambiente, aunado a la 
falta de tratamientos adecuado y el reúso de las aguas, conducen a la sobreexplotación 
del recurso, la degradación de los suelos y por lo tanto a un impacto negativo sobre la 
seguridad alimentaria. (De la Peña y Zamora, 2013). 
 
Antecedentes 
La contaminación hídrica en la zona de los Altos de Jalisco se manifiesta principalmente 
en ríos, bordos y presas de manera parcial, debido a una incompleta cobertura del servicio 
de drenaje y la falta de una infraestructura adecuada y suficiente para el tratamiento de 
aguas residuales. En las regiones rurales de los municipios alteños es donde se evidencia 
más marcadamente estas deficiencias, ya que la mayoría de estas poblaciones descargan 
sus efluentes sin tratamiento directamente a los cuerpos de agua, provocando entre otras 
cosas, que importantes volúmenes de líquido queden descartados para su uso en el riego 
agrícola, el suministro de agua para la actividad pecuaria y el consumo humano e 
industrial (H. Ayuntamiento de Arandas, 2012). Además, la limitada situación para el 
acceso de estas poblaciones a recursos económicos tanto para la instalación como para la 
operación de sistemas convenciones de tratamiento de aguas residuales, ocasionan que se 
busquen otras alternativas más económicas y sustentables. 
El término de humedales artificiales o construidos (HA) es relativamente nuevo, sin 
embargo, el concepto es antiguo, pues se tiene conocimiento de que algunas antiguas 
culturas como la china y la egipcia utilizaban humedales naturales para la disposición de 
sus aguas residuales. (Ruiz, 2013). Algunos de los primeros trabajos en la utilización de 
humedales artificiales para el tratamiento de aguas residuales comenzó en el instituto Max 
Planck en 1953. Los investigadores trataron mitigar algunos problemas de contaminación 
utilizando el sistema de los humedales naturales. Su investigación comenzó con un 
estudio de las plantas para determinar las características que son deseables para el 
tratamiento de las aguas residuales, así como cuales plantas poseían estas características. 
Se encontró que las especies de plantas más adecuadas para el tratamiento son las que 
tienen raíces adventicias. A finales de los años noventa los humedales empezaron a ser 
utilizados más formalmente para la disposición de aguas residuales, con la visión de que 
las aguas residuales son una fuente de agua y sustancias nutritivas para recuperación de 
suelos y formación de humedales. (Benefield y Randall, 1993). El primer reporte 
científico en el que se señala las posibilidades que tienen las plantas emergentes para la 
remoción de contaminantes presente en las aguas residuales pertenece a la Dra. Kathe 
Seidel del Instituto Max Planck, de Alemania. En el informe de sus investigaciones, ella 
plantea que mediante el empleo del junco común (Schoenoplectus lacustris) era posible 
la remoción de una serie de sustancias tanto orgánicas como inorgánicas, así como la 
desaparición de bacterias (Coliformes, Salmonella y enterococos) presentes en las aguas 
residuales (Osnaya, 2012). 
Asimismo, el Dr. Reinhold Kickuth de la Universidad de Hessen (Alemania) desarrolló 
un humedal para el tratamiento de aguas residuales dominado método de la zona de raíz. 
Este sistema no se basa en la capacidad de la vegetación palustre para asimilar los 
nutrientes, sino en el potencial inherente de tratamiento del suelo o sustrato, el cual se 
complementa con la capacidad de las plantas para el transporte de oxígeno a través de los 
tallos y las raíces; consiste un medio ambiente adecuado para la nitrificación y 
desnitrificación. El crecimiento de las plantas también produce carbono que es una fuente 
de energía para las bacterias que son responsables de las transformaciones del nitrógeno. 
Para el año 2000, los países donde se estaba trabajando más en el campo del tratamiento 
de las aguas residuales con HA fueron principalmente: Inglaterra, Estados Unidos de 
América y Australia, lo cuales destinan importantes recursos económicos a la 
investigación científica relacionada con el tratamiento de aguas residuales. El desarrollo 
de humedales artificiales en la Unión Americana (USA) se dio a partir de los avances 
dados en Europa y de experimentos llevados a cabo con humedales naturales. A partir de 
1970 se realizaron estudios en varias universidades y agencias del gobierno (EPA, 
Ejército, Nasa y departamento de Agricultura) con humedales artificiales como un 
método de tratamiento alternativo a los sistemas convencionales existentes, como 
resultado de estas investigaciones, tanto a nivel piloto como en pruebas a gran escala, se 
desarrollaron en este país diferentes conceptos para el diseño de humedales artificiales. 
En 1991 se desarrollaron más de 200 HA en USA, los cuales operaban para dar 
tratamiento tanto a aguas residuales municipales, como industriales y agroalimentarias. 
En México, también se han implementado los sistema de HA para el tratamiento de aguas 
residuales, como por ejemplo en el municipio de Cucuchucho, Michoacán en la 
comunidad ribereña de Santa Fe de la Laguna, donde Marín, Sánchez, Guzmán y Hurtado 
(2005), diseñaron e instalaron un HA de flujo subsuperficial para el tratamiento de las 
aguas residuales, con plantaciones de vegetales acuáticos de la región. Para la instalación 
de este humedal se siguieron métodos establecidos a nivel mundial, con el fin de cumplir 
con normas internacionales y nacionales. Este proyecto se dio dentro del Programa de 
Restauración Ambiental de la Cuenca del Lago de Pátzcuaro (PRCACLP), auspiciado por 
el Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA). En Oaxaca se estableció un 
proyecto de optimización de lechos de raíces para el tratamiento de aguas residuales 
municipales, se propuso con una duración de tres años y los objetivos fueron: conocer las 
características actuales de los lechos de raíces, proponer una alternativa de diseño de 
lecho de raíces optimizada, promover y asesorar la construcción del sistema y evaluar el 
comportamiento del mismo; los resultados han demostrado la capacidad y eficiencia de 
estos arreglos para la remoción de contaminantes como; DBO, sólidos suspendidos y 
microorganismos (colifrmes y parásitos). En general la mayoría de los trabajos realizados 
a nivel nacional, están enfocados a demostrar que los HA son una buena alternativa para 
el tratamiento de aguas residuales (Osnaya, 2012). 
Técnicamente los HA son sistemas Integrados y complejos donde se verifican 
interacciones entre el agua, las plantas, los microorganismos, la energía solar, el sustrato 
y el aire, con la finalidad de mejorar la calidad del agua residual y proveer la conservación 
medioambiental. Su funcionamiento se apoya principalmente tres principios básicos: 1) 
la actividad bioquímica de los microorganismos, 2) el aporte de oxígeno a través de las 
plantas durante el día y, 3) el soporte físico de un lecho inerte para el desarrollo de los 
rizomas de las plantas, además de operar como material filtrante (figura 1). 
 
 
Figura 1: Proceso de depuración en los humedales artificiales (FUENTE: Osnaya, 2012). 
 
Los HA al igual que los naturales pueden reducir una amplia gama de contaminantes del 
agua tales como: sólidos en suspensión, DBO, nutrientes, metales, patógenos y otros 
productos químicos. (Ruiz, 2013).En la figura 2 se puede apreciar el esquema de un 
humedal artificial de flujo subsuperficial. 
 
Figura 2: Humedal Artificial de flujo subsuperficial. 
 
Materiales y métodos 
Los diferentes sistemas de tratamiento para las aguas residuales, se enfocan enla 
reducción de un o un grupo de paramentos contaminantes específicos, muchos de estos 
basan sus diseños dando prioridad a la disminución de la Demanda Química de Oxigeno 
(DQO), o bien a la Demanda Bioquímica de Oxigeno (DBO), otros se destina para 
parámetros como; Nitrógeno total, fosforo total, solidos suspendidos totales, metales 
pesados y/o coliformes y parásitos. 
En general, todos los sistemas de HA pueden ser considerados como reactores biológicos 
y su rendimiento se puede aproximar al descrito por la cinética de primer orden de un 
reactor de flujo pistón, además los diseños basados en la remoción de DBO pueden 
generar mejores rendimientos ya que tienen una área sumergida mucho mayor que 
incrementa el potencial de crecimiento de la biomasa fija. Un m³ de lecho de humedal 
que contiene grava de 25 mm, puede tener al menos 146 m² de área superficial además 
de todas las raíces presen criterios de diseño. 
Existen varios modelos matemáticos que permiten diseñar HA de flujo subsuperficial en 
función a la remoción de DBO esperada. Sin embargo no existe un único modelo que 
satisfaga todos los casos. Otro factor importante a tener en cuenta en el diseño, es la 
determinación del nivel del agua subsuperficial en el humedal, el mismo que debe situarse 
5-10 cm por debajo del nivel del material filtrante. Considerando los aspectos hidráulicos, 
se debe presentar atención a las estructuras de ingreso y salida, con el objetivo de 
garantizar una distribución uniforme del flujo. Para estimación las dimensiones del HA 
(ancho, largo y profundidad) y perfil hidráulico, normalmente se utiliza la ecuación de 
Darcy para valores de permeabilidad (capacidad de transmitir agua m³/m², “K” en medios 
porosos. (Ministerio de Medio Ambiente y Agua, 2014). 
El lecho de los HA de flujo subsuperficial tienen una profundidad típica de alrededor de 
60 cm, del medio seleccionado con una capa de grava fina encima de 7.6 a 15 cm de 
espesor que sirve para el enraizamiento inicial de la vegetación y se mantiene seca en 
condiciones normales de operación. Dicha profundidad ayuda a la resistencia contra la 
congelación. (Lara, 1999). 
En el presente estudio se comparan los diseños de HA de flujo subsuperficial de; Reed 
(R), Crites y Tchobanoglous (CT), y Kadleck y Knight (2K), desarrollados previamente 
en base a los principios de Darcy a flujo laminar tipo tapón, considerando las condiciones 
climáticas, operativas y la disponibilidad y tipos de terrenos en el área de estudio 
(poblaciones rurales en Los Altos de Jalisco). El mayor beneficio de las plantas en los 
HA, es la transferencia de oxígeno a la zona de la raíz. Su presencia física en el sistema 
permite mayor y mejor penetración en el sustrato o medio de apoyo del oxígeno, asimismo 
las porciones de vegetación sumergidas como hojas y tallos muertos se degradan y 
convierten hábitats para el crecimiento de la película microbiana fija, la cual es 
responsable de gran parte del tratamiento que ocurre (Lara, 1999). En estos HA las plantas 
trabajan como filtros de macrófitas, los sistemas radiculares de estas plantas se entrelazan 
tejiendo una “red de raíces”. Posteriormente el oxígeno es inyectado a través de sus hojas 
hasta el sistema radicular gracias a la fisiología alveolar que actúa como membranas que 
catalizan el oxígeno directamente en la raíz por la diferencia de presión isostática. El 
oxígeno posibilita la creación de una abundante flora microbacteriana aerobia, que se 
encarga de degradar la materia orgánica. Los nitratos y fosfatos son absorbidos 
directamente por las plantas, constituyendo un excelente fertilizante para las mismas, 
además se reduce el número de microorganismos patógenos (coliformes) debido a la 
presencia de depredadores (protozoos y bacteriófagos) en la rizosfera de las plantas 
(Huesca medioambiental, 2012). Así las plantas macrófitas emergentes contribuyen al 
tratamiento del agua residual y escorrentía de varias maneras: 
 
depositen. 
mentos de traza para incorporarlos a los tejidos de 
la planta. 
 
espacios dentro del substrato. 
 
En este caso se considera utilizar plantas macròfitas típicas de la propia región como: el 
carrizo común (Phragmites autralis), el tule (Scirpus acutus), la espadaña (Typha latifolia) 
y el gladiolo (Gladiolus). 
 
Resultados 
Para la obtención de los datos de diseño de los HA, se considera una comunidad rural 
típica de la región de estudio, con una población de 700 habitantes, por lo que para el 
cálculo del caudal promedio se utiliza el caudal demográfico (Qd) sugerida por Cueva y 
Rivadeneira (2013); 
𝑄𝑑 = (Nº de habitantes) (consumo diario por habitante) 
 
Tomado como el consumo promedio por habitante equivalente a 181.5 lt/día, así; 
𝑄𝑑 = (700) (181.5) 
𝑄𝑑 = 127,050 lt/día (127 m³/día) 
Asimismo, se toma la caracterización promedio de las aguas residuales en el área de 
estudio, la composición básica de estas se puede apreciar en la tabla 1: 
 
PARÁMETRO PROMEDIO UNIDADES 
DBO 450 mg/l 
DQO 620 mg/l 
Fósforo 48 mg/l 
Grasas y aceites 84 mg/l 
Huevos de Helmintos 2.8 h/l 
Nitrógeno (Kjeldahl) 90 mg/l 
Sólidos sedimentables 1.8 mg/l 
Sólidos suspendidos 
totales 
410 mg/l 
Coliformes fecales 49320 Colonias por 100 ml 
Tabla 1: Composición de las aguas residuales en poblaciones rurales de los Altos de Jalisco 
 
 
Además, se selecciona grava gruesa tipo tezontle rojo como sustrato, el cual presenta una 
porosidad del 40% (n=0.4), con una profundidad sugerida estándar de 60 cm (h=0.60). 
Todos los modelos asumen condiciones uniformes de flujo laminar tipo pistón y que 
además no existen restricciones para el contacto entre los constituyentes del agua residual 
y los organismos responsables del tratamiento. 
Para los valores de salida del agua tratada del HA (efluente), se consideran los parámetros 
de las normas oficiales vigentes; 1) NOM-001-SEMARTAN-1996, que establece los 
límites máximos permisibles en las descargas a los cuerpos de agua y al suelo y 2) NOM-
003-SEMARNAT-1997, que establece los límites máximos permisibles para el agua 
tratada que se reutiliza para el riego de áreas verdes, así los datos básicos para los diseños 
de los HA según los modelos seleccionados son (tabla 2): 
 
PARÁMETRO (UNIDAD) UNIDAD VALOR 
Caudal promedio (Q) m³/día 127 
Concentración de DBO afluente (Co) mg/lt 450 
Concentración de DBO efluente (Ce) Mg/lt 20 
Porosidad sustrato (n) % 40 
Profundidad sustrato (h) m 0.60 
Temperatura promedio (T) C 19 
Tabla 2: Datos para el diseño de los HA 
 
1) Modelo de Reed 
Determinado el valor de la constante de velocidad de la reacción (Kt), de acuerdo a la 
temperatura promedio de 19°C, tenemos según Reed: 
 
𝐾𝑡 = 𝐾20(1.06)exp⁡(𝑇 − 20) 
Donde Reed sugiere; 
K20 = 1.104/día 
Así; 
𝐾𝑡 = 1.104(1.06) exp(19 − 20) 
 
K𝑡 = 1.041/día 
Con este valor (Kt) es posible determinar el área superficial mediante la siguiente 
ecuación: 
 
𝐴𝑠 =
𝑄(𝑙𝑛𝐶𝑜 − 𝑙𝑛𝐶𝑒)
𝐾𝑡⁡𝑛⁡ℎ
 
Donde: 
As: Área superficial del humedal (m²) 
Q: Caudal promedio (m³/día) 
Co: Concentración de la DBO en el afluente (a la entrada del humedal) (ppm) 
Ce: Concentración de la DBO en el efluente (a la salida del humedal) (ppm) 
Kt: Constante de primer orden (velocidad de reacción) dependiente de la temperatura 
(1/día) 
n: porosidad del material que forma el sustrato (fracción decimal). 
h: profundidad del sustrato (m). 
 
Se sustituyen los valores: 
𝐴𝑠 =
127(𝑙𝑛450 − 𝑙𝑛20)
(1.041)(0.40)(0.60)
 
 
𝐴𝑠 = 1580.91𝑚² 
Para determinar el tiempo de retención hidráulica (TRH), utilizamos la ecuación; 
𝑇𝑅𝐻 =
(𝐴𝑠)(ℎ)(𝑛)
𝑄
 
Se sustituyen valores: 
TRH = (1580.91) (0.60) (0.40)/ (127) 
Por tanto para este modelo: 
TRH = 2.9875 días 
Con estos datos, se procede a estimar las dimensiones del humedal; ancho (W) y largo 
(L), mediante la siguiente expresión: 
𝑊 =
1
ℎ
(
𝑄⁡𝐴𝑠
𝑚⁡𝐾𝑠
) exp⁡(0.5) 
Donde;Ks= conductividad hidráulica del medio en una unidad de sección perpendicular 
a la dirección del flujo (m³/m²d) (tabla 3). 
m = Pendiente del lecho del HA 
 
Tipo de material Tamaño 
efectivo 
(mm) 
Porosidad, n 
(%) 
Conductividad 
hidráulica (Ks) 
(m³/m².d) 
Arena gruesa 2 20-32 100-1000 
Arena gravosa 8 30-35 500-5000 
Grava fina 16 35-38 1000-10000 
Grava media 32 36-40 10000-50000 
Grava gruesa 128 38-45 50000-250000 
Tabla 3: Valores a de porosidad y conductividad hidráulica de sustratos 
Según Lara (1999), La conductividad hidráulica del sustrato varía en función de los 
espacios vacíos del propio material, por lo que se debe tomar en cuenta tanto el tamaño 
como la porosidad del material a utilizar como soporte para las plantas en el HA. 
Sustituyendo los valores para estimar el ancho mediante grava gruesa con porosidad 
promedio del 40% y Ks de 100000 m³/m².d 
𝑊=10.60 [(127)(1580.91)(0.01)(100000)]exp 0.5 
𝑊=1.666(14.169) 
𝑊=23.62𝑚 
Para el largo (L) del HA: 
𝐿=𝐴𝑠 /W 
Se sustituyen los valores: 
𝐿= (1580.891) / (23.62) 
𝐿=66.97𝑚 
Conociendo el ancho y largo del HA, podemos deducir la relación que existe entre 
estos: 
𝐿
𝑊
=
66.97
23.605
= 2.837 
Cabe señalar que en este modelo no es posible elegir la relación largo/ancho. 
 
 
2) Modelo de Crites y Tchobanoglous (CT) 
En este modelo se calcula la constante de velocidad (Kt) con la siguiente expresión: 
𝐾𝑡 = 𝐾20(1.06) exp(𝑇 − 20) 
Para una temperatura promedio de 19Ccon la ecuación, el valor de K20 será el promedio 
de: 
𝐾20 =
1.1+1.35
2
 = 1.225/día 
Sustituyendo los valores: 
𝐾𝑇=1.225(1.06)exp (19−20) 
𝐾𝑇=1.155/día 
 
Para estimar el tiempo de retención hidráulico se procede con la siguiente ecuación: 
𝑇𝑅𝐻 =⁡−
ln (
𝐶𝑒
𝐶𝑜)
𝐾𝑡
 
 
Se sustituyen los valores: 
𝑇𝑅𝐻 = ⁡−
ln (
20
450
)
1.155
 
 
TRH= 2.71 días 
Para el área superficial del humedal se aplica la ecuación: 
𝐴𝑠 =
(𝑄)(𝑇𝑅𝐻)
(⁡ℎ)(⁡𝑛)
 
 
𝐴𝑠 = (127)(2.71)/(0.60)(0.4) 
𝐴𝑠=1430.833m² 
Con este modelo es posible adaptar las dimensiones de largo y ancho, fijando una 
relación (R) adecuada como 1:3, es decir uno de ancho por 3 de longitud 
𝑊 = √𝐴𝑠/𝑅
2
 
𝑊⁡√(1430.833)/(3)
2
 
W=21.83 𝑚 
Para obtener el largo del humedal se aplica la siguiente ecuación (28). 
𝐿 =
𝐴𝑠
𝑊
 
 
Así: 
𝐿 =
1430.883
21.83
 
L= 65.51 m 
 
 
 
 
 
 
3) Modelo de Kadlec y Knight (2K) 
El siguiente diseño se realizó según el manual de procedimiento propuesto por R. H. 
Kadlec y R. L. Knight (1996): 
Para determinar el área superficial del HA, primero se procede a estimar el valor de la 
constante cinética de reacción de primer orden (KA), para una temperatura media de 
19°C. 
K𝐴 = 𝐾20 𝜃𝑇 exp (𝑇−20) 
Donde: 
KA: Constante superficial cinética de reacción de primer orden dependiente de la 
temperatura 
K20: Constante superficial de velocidad de reacción a 20 ºC 
ΘT: Factor de corrección por temperatura (tabla 4) 
T: Temperatura del agua en el humedal (ºC) 
 
K20 ѲT Temperatura (°C) 
0 1 0 
1.0 1.15 0-1 
0.1367 1.15 1-10 
0.2187 1.048 Más de 10 
Tabla 4: Parámetros para estimación de la constante KA según la temperatura 
 
𝐾𝐴 = (0.2187) (1.048) exp (19−20) 
𝐾𝐴= 0.2087/día 
El área superficial será: 
𝐴𝑠 =
𝑄
𝐾𝐴
⁡ln(𝐶𝑜 /𝐶𝑒) 
Sustituyendo los valores correspondientes: 
𝐴𝑠 =
127
0.2087
𝑙𝑛(
455
20
) 
As = 1894.661 𝑚² 
Para determinan el tiempo de retención hidráulico (TRH), se utiliza la siguiente ecuación: 
𝑇𝑅𝐻 =
𝑛𝐴𝑠ℎ
𝑄
 
Sustituyendo los valores correspondientes: 
𝑇𝑅𝐻 =
(0.40)(1894.661)(0.60)
127
 
TRH=3.58 días 
 
 
Ahora se procede a calcular el área de sección trasversal del HA (At) mediante: 
 
𝐴𝑡 =
𝑄
(𝐾𝑠/𝑄)(𝑚)
 
Donde; 
Ks = Conductividad hidráulica (tabla 3) 
m = Pendiente del lecho = 1% (0.01). 
 
Sustituyendo: 
𝐴𝑡 = 127/(
100000
127
)(0.01) 
At = 16.13 m² 
Con esta área transversal se calcula las dimensiones generales del HA; 
𝑊 =
𝐴𝑡
ℎ
 
Así: 
W= (16.13)/(0.60) = 27.1 m. 
Con una longitud de: 
𝐿 =
𝐴𝑠
𝑊
 
L= 1894.661/27.126.46 
L= 69.91 m 
Por tanto la relación L/W será: 
69.91/27.1 = 2.58 
 
 
 
Resultados 
Las dimensiones generales, así como el tiempo de retención hidráulica de los tres modelos 
estudiados se pueden comparar en la tabla 5: 
 
Modelo Área superficial 
(m²) 
Ancho 
(m) 
Largo 
(m) 
Tiempo Retención 
(días) 
R 1580.89 23.62 66.97 2.98 
CT 1430.83 21.83 65.51 2.71 
2K 1894.66 27.10 69.91 3.58 
Tabla 5 Comparativo de los 3 modelos 
 
La relación largo entre ancho del HA, en los tres modelos considerados se aproxima a 3, 
lo que asegura un flujo horizontal tipo tapón en régimen laminar y garantiza una óptima 
depuración de las aguas residuales, evitando obstáculos hidráulicos y cortos circuitos que 
afecten el tiempo de retención hidráulica, el cual oscila de 2.6 a 3.5 días en los tres 
modelos, para una temperatura promedio de operación de 19°C. En el cálculo de las 
dimensiones, las formulas y ecuaciones son similares, destacándose el modelo de Reed 
que involucra una cantidad mayor de parámetros. Asimismo el área superficial en los tres 
modelos es muy similar, por lo que sus dimensiones generales de largo y ancho también 
son muy parecidas. Las plantas autóctonas seleccionadas para el presente diseño 
(Castañeda y Flores, 2013) contribuyen a la remoción de los contaminantes presentes en 
el agua residual; los compuestos orgánicos, nitrogenados y fosforados son transformados 
a formas más simples. Cabe hacer notar que estos sistemas generan lo mayores beneficios 
de saneamiento, en las estaciones del año más calurosas con tiempos de retención 
hidráulico menores, aumentando su capacidad de tratamiento. 
Conclusiones 
El establecimiento de sistemas para el tratamiento de aguas residuales en poblaciones 
rurales en Los Altos de Jalisco, mediante humedales artificiales de flujo subsuperficial es 
factible, ya que son diseños económicos y de bajo costo de operación y mantenimiento, 
además es posible utilizar plantas macrófitas de la propia región, generando así una 
solución sustentable para la problemática que representa la descarga de aguas residuales 
domesticas sin tratamiento. 
En general los resultado muestran una gran similitud entre los tres modelos para los datos 
considerados de: volumen y caracterización del agua residual, condiciones 
climatológicas, particularidades del terreno y condiciones de trabajo lo que asegura su 
funcionalidad en su futura instalación y operación. 
Imágenes de instalación de humedal artificial en Los Altos de Jalisco en base al 
presente estudio 
 
 
 
 
 
 
 
Bibliografía 
Beascoechea, E., et al (2005). Manual de Fitodepuración, filtros de macrofitas en 
flotación. Madrid: proyecto life. 
Benefield, L. y Randall, C. (1993). Biological process desing for wastewater treatment. 
Englewood Cliffs, N.J: Pretice - Hall, Inc. 
Benítez Hernández, J. A. (2009). Evaluación de un humedal artifical para el tratamiento 
de aguas residuales dómesticas. Tepatilán de Morelos, Jal., México: UdeG. 
 
 Castañeda, A. y Flores, H. (2013). Tratamiento de aguas residuales domésticas mediante 
plantas macrófitas típicas en Los Altos de Jalisco, México. Revista de Tecnología y 
Sociedad, “innovación y difusión de la tecnología”. Año 3, número 5, abril-septiembre 
2013. 
Comisión Nacional del Agua. (CONAGUA). Obtenido de 
http://www.conagua.gob.mx/CONAGUA07/Publicaciones/Publicaciones/Libros
/10DisenoDeLagunasDeEstabilizacion.pdf. Fecha de consulta: Diciembre de 
2012. 
Consejo Consultivo del Agua (CCA) Obtenido de 
http://www.aguas.org.mx/sitio/02a4.html. Fecha de consulta: Agosto de 2014. 
Crites, & Tchobanoglous. Universidad de California. Obtenido de 
http://www2.bren.ucsb.edu/~keller/courses/GP_reports/Diseno_Humedal_Aguas
Grises.pdf. Fecha de consulta: 0ctubre de 2014. 
Cueva, E. y Rivadeneira, F. (2013). ESPE. Obtenidode 
http://www.espe.edu.ec/portal/portal/main.do?sectionCode=118: 
http://repositorio.espe.edu.ec/bitstream/21000/6543/1/T-ESPE-STO%20D.- 
De la Peña M., y Zamora, V. (2013) Atl portal del agua. Obtenido de 
http://www.atl.org.mx/index.php?option=com_content&view=article&id=6483:i
http://www.conagua.gob.mx/CONAGUA07/Publicaciones/Publicaciones/Libros/10DisenoDeLagunasDeEstabilizacion.pdf
http://www.conagua.gob.mx/CONAGUA07/Publicaciones/Publicaciones/Libros/10DisenoDeLagunasDeEstabilizacion.pdf
http://www.aguas.org.mx/sitio/02a4.html
http://www2.bren.ucsb.edu/~keller/courses/GP_reports/Diseno_Humedal_AguasGrises.pdf
http://www2.bren.ucsb.edu/~keller/courses/GP_reports/Diseno_Humedal_AguasGrises.pdf
http://www.atl.org.mx/index.php?option=com_content&view=article&id=6483:informe-sobre-tratamiento-de-aguas-residuales-en-mexico&catid=13:publicaciones&Itemid=597
nforme-sobre-tratamiento-de-aguas-residuales-en-
mexico&catid=13:publicaciones&Itemid=597. Fecha de consulta : Junio de 
2013. 
Geissler, G., y Arroyo, M. (2011). El agua como un recurso natural renovable. México: 
Trillas. 
Gobierno Municipal de Arandas. (2012). Obtenido de 
http://arandas.gob.mx/reglamentos/PDM%20ARANDAS.pdf. Fecha de consulta 
Agosto de 2014. 
Guerrero, M. (1991). El agua. México: La ciencia para todos. 
Hernandez, J. (2009). Colegio de post graduados. Obtenido de 
http://www.cm.colpos.mx/portal/: 
http://www.cm.colpos.mx/2010/images/tesis_p/edafologia/tesis_propiedadesh.p
df 
Huesca medioambiental. (2012). Blogspot Huesca Medioambiental. Obtenido de 
huescamedioambiental.blogspot.mx: 
http://huescamedioambiental.blogspot.mx/2012/10/depuracion-biologica-por-
macrofitas-en.html 
INEGI. (2012). INEGI. Obtenido de 
http://www.inegi.org.mx/prod_serv/contenidos/espanol/bvinegi/productos/integr
acion/pais/mexvista/2012/Mex_vi12.pdf 
Kadlec, R. (1993). Hidrological design of free water surface treatment wetlands. 
Chelsea: In G. Moshiri. 
Kadlec, R. (2000). Constructed Wetlands for Pollution Control: Processes, 
Performance, Design and Operation. . USA: IWA Publishing. 
http://www.atl.org.mx/index.php?option=com_content&view=article&id=6483:informe-sobre-tratamiento-de-aguas-residuales-en-mexico&catid=13:publicaciones&Itemid=597
http://www.atl.org.mx/index.php?option=com_content&view=article&id=6483:informe-sobre-tratamiento-de-aguas-residuales-en-mexico&catid=13:publicaciones&Itemid=597
http://arandas.gob.mx/reglamentos/PDM%20ARANDAS.pdf
Lara, J. (1999) . Depuración de Aguas Residuales Municipales con Humedales 
Artiificiales. Obtenido de http://www.maslibertad.net/huerto/Humedales.pdf. 
Fecha de consulta: Mayo de 2013. 
Llagas, W. y Gómez, E. (2006). Diseño de humedales artificiales para el tratamiento de 
aguas residuales en la UNMSM. Revista del Instituto de 
Ministerio de Medio Ambiente y Agua. (2014). Salud Publica. Obtenido de Guía 
Técnica de Diseño y Ejecución de Proyectos de Agua y Saneamiento con 
Tecnologías Alternativas: 
http://saludpublica.bvsp.org.bo/textocompleto/bvsp/boxp68/guia-tecnica-
agua.pdf 
OMS. (1989). ORGANIZACIÓN MUNDIAL DE LA SALUD WEB SITE. Obtenido de 
http://www.who.int/water_sanitation_health/wastewater/es/ 
ORGANIZACION MUNDIAL DE LA SALUD (2014) OMS. Obtenido de 
http://www.who.int/topics/water/es/. Fecha de consulta: Agosto de 2014. 
Organización Panamericana de la Salud. (2005). OPS. Obtenido de 
file:///D:/Downloads/DisenoDEdesarenador2014%20(3).pdf 
Osnaya, M. Universidad de la Sierra Juárez. Obtenido de http://www.unsij.edu.mx/: 
http://www.unsij.edu.mx/tesis/digitales/6.%20MARICARMEN%20OSNAYA%
20RUIZ.pdf. Fecha de consulta: Febrero de 2012. 
Ruiz Pascual, M. A. (2013). Humedales artificales para el tratamieno de aguas 
residuales domésticas. Chapingo: Universidad Autónoma Chapingo. 
Seoánez Calvo, M. (1999). Aguas Residuales: Tratamiento por humedales artificiales. 
España: Ediciones Mundi-prensa. 
Solís, L. y López J. (2003). Principios básicos de contaminación ambiental. Toluca: 
Instituto literario. 
http://www.maslibertad.net/huerto/Humedales.pdf
http://www.who.int/topics/water/es/
http://www.unsij.edu.mx/tesis/digitales/6.%20MARICARMEN%20OSNAYA%20RUIZ.pdf
http://www.unsij.edu.mx/tesis/digitales/6.%20MARICARMEN%20OSNAYA%20RUIZ.pdf
USEPA. (1988). Design Manual, Constructed wetlands and Aquatic Plant Systems for 
Municipal Wastewater Treatment. USA: (Environmental Protection Agency).