Filtros de carrizos: su aplicación al tratamiento del agua de lluvia (NOVATECH 2004)

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fig 22AUTORES: Dirk Esser (*), Bruno Ricard (*), Thierry Magnouloux (**), Laurent Daune (***), Philippe Tregoat (°), Jean Michel Barbier (°°)

Este artículo ha sido escrito para su presentación en la Conferencia Internacional NOVATECH de 2004. NOVATECH trata sobre las estrategias y soluciones para la gestión sostenible del agua en la ciudad, con un enfoque particular sobre las aguas pluviales urbanas.

Resumen

En una primera comunicación presentada en 2001 a NOVATECH expusimos los principios de los filtros plantados de carrizos utilizados para el tratamiento de las aguas pluviales. A continuación, la presente comunicación se apoya sobre dos realizaciones puestas en servicio respectivamente en primavera y otoño del 2002:

  • un filtro plantado de carrizos realizado en el parque de la Maourine en Toulouse (Haute Garonne);
  • una serie de tres filtros y dos estanques paisajísticos realizados a lo largo de la RN 504 en Neydens (Haute Savoie);

Estas dos experiencias nos permiten precisar los campos de aplicación de los filtros plantados de carrizos para el tratamiento de aguas pluviales entre las diferentes técnicas disponibles.

Introducción.

Lo filtros plantados de macrófitas permiten un tratamiento eficaz de las aguas de lluvia contaminadas. En Francia, esta técnica hizo su aparición hace una quincena de años para el tratamiento de aguas servidas domésticas, posteriormente lo filtros plantados han sido adaptados para el tratamiento de aguas de lluvia.

Nos proponemos en este documento, en un primer momento situar este sistema dentro del panel de técnicas disponibles, y precisar su funcionamiento tanto en el plano hidráulico como depuratorio. Posteriormente presentaremos dos filtros realizados en 2002, y las primeras lecciones que podemos obtener.

  1. Tratamiento de aguas de lluvia: campo de aplicación de los filtros plantados de carrizos.

Más allá de su interés paisajístico, los filtros plantados de carrizos encuentran actualmente su lugar debido a sus rendimientos depuratorios y su doble función sobre una superficie limitada: retención de agua y descontaminación.

1.1 Algunos limites de las soluciones tradicionales.

La  decantación simple.

Múltiples investigaciones han demostrado la buena decantabilidad de los efluentes de redes unitarias (CHEBBO). Esto ha conducido a recomendar soluciones de decantación para este tipo de aguas. En el caso de aguas estrictamente de lluvia, la simple decantación presenta sus límites:

  • Límites relacionados con la superficie requerida, en la medida en que la mayor parte de la contaminación, incluidos los hidrocarburos, están fijadas a partículas finas. La aproximación al problema por la simple decantación puede conducir a una desproporcionada impermeabilización de superficies para el control de la contaminación crónica vehiculada por la lluvia.
  • Límites relacionados con el mantenimiento: la limpieza y retirado de los depósitos debe ser regular para evitar que sean re enviados al medio, pero esta es una operación delicada debido al tamaño de los estanques, los protocolos de limpieza y la fragilidad del sistema de impermeabilización…

Los separadores.

Actualmente está admitido, incluido por los constructores de dispositivos compactos, que los separadores de hidrocarburos no son pertinentes para atrapar la contaminación pluvial crónica, ya sea que se trate de escurrimiento en las rutas, en los parkings, o en barrios habitacionales. Recordemos principalmente dos aspectos:

  • La mayoría de estos sistemas garantizan 5 mg por litro de hidrocarburos en salida. Sin embargo es difícil observar estas cantidades en entrada (por ejemplo en la auto ruta A 11, con 24 000 vehículos por día, sobre 44 lluvias medidas, se obtuvo una media de 1.2 mg por litro con una variación media de 0.94 (LEGRET). De esta manera “los rendimientos medidos sobre esos dispositivos para la contaminación crónica de agua de escurrimiento son pequeños” (SETRA). Si el objetivo es atrapar hidrocarburos presentes en cantidades menores a 5 mg por litro, este no es un buen método.
  • Los separadores están concebidos también, en teoría, para decantar… pero capaces, en la práctica, de poner nuevamente en suspensión los materiales decantados. Los rendimientos negativos son frecuentes.

El separador puede tener un interés como barrera frente a una contaminación accidental, pero otros sistemas de tipo “trampas pasivas” como las zanjas filtrantes (desarrolladas por algunas sociedades de autopistas), o el filtro plantado de carrizos, son más pertinentes.

Los decantadores laminares.

Estos decantadores, son objeto de muchas presentaciones en este coloquio (NOVATECH 2001, NT.). Ellos son adaptados para atrapar partículas finas, y por lo tanto son eficaces sobre la contaminación pluvial crónica con la condición de ser vigilados y limpiados varias veces por año.

Uno de sus límites reside en su costo, del orden de 10 veces superior al costo de un “separador”.

1.2 Los filtros plantados de carrizos: principios y funcionamiento.

humedal plantadoFigura: filtro plantado de carrizos de Geispolsheim (67): depuración de escurrimiento de parking. Concepción SINT-SINBIO.

Lo filtros plantados de carrizos son utilizados para el tratamiento y la retención de aguas de lluvia en Australia, en Inglaterra y en Alemania, donde una guía técnica de dimensionamiento ha sido establecida. Ellos amplían y mejoran procedimientos conocidos:

  • Como los “filtros de arena” o las “estructuras de almacenamiento”, ellos permiten una buena reducción de contaminantes por filtración, y la presencia de carrizos impide las obstrucciones.
  • La presencia de carrizos mejora notablemente la capacidad de decantación frente a un tratamiento por lagunas.
  • La presencia de carrizos favorece el desarrollo de microorganismos que participan a la degradación de los hidrocarburos y a la precipitación de los metales bajo formas oxidadas.
  • Por último el mantenimiento es muy simple, en particular no necesitan de limpieza hasta después de muchos años: este tipo de dispositivo evita todo riesgo de puesta en suspensión de los contaminantes.

Funcionamiento hidráulico

El filtro plantado de carrizos recibe las aguas de escurrimiento superficial. El agua fluye a través de un sustrato constituido de capas filtrantes y de capas de drenaje. Tubos de drenaje son situados en el fondo del filtro y permiten recolectar el agua tratada para encaminarla hacia la salida. En la arqueta de colecta, se aseguran dos funciones:

  • la puesta en carga del filtro de manera a preservar zonas diferenciadas (aerobias/anaerobias) y mantener una reserva hídrica para los carrizos en el lapso transcurrido entre dos lluvias;
  • la limitación del caudal que atraviesa el filtro por medio de un orificio calibrado.

cordon de filtro plantado

Cordón de filtro plantado de carrizos en un canal a lo largo de una calle.

Los carrizos  aceptan agua sobre más de 1 m de altura. El caudal que atraviesa el filtro está limitado por el orificio de salida, el filtro puede almacenar una lluvia de período de retorno de seis meses a dos años según su dimensionamiento. El filtro trata integralmente este volumen, y trata las ” primeras aguas” (aguas más cargadas en contaminantes) de una lluvia de frecuencia decenal (25 a 60% del volumen escurrido según el dimensionamiento del filtro).

Funcionamiento depuratorio-contaminación crónica.

Es bueno recordar que un humus activo es un excelente depurador de aguas de lluvia moderadamente contaminadas. Los microorganismos están efectivamente presentes para degradar la contaminación incluida la de los hidrocarburos, y para precipitar los metales. Es por esto que los rendimientos obtenidos con simples canales empastados son de 50 a 70% sobre las materias en suspensión, metales e hidrocarburos (SETRA).

lo filtros de arena a no plantado, utilizados en saneamiento de ruta y de auto ruta ha mostrado rendimientos de 80 al 90% sobre las materias en suspensión (SETRA).

Lo filtros plantados de carrizos van más lejos, por una parte mejorando la capacidad de filtración física, pero también oxigenando el sustrato que hemos colocado. Los microorganismos presentes degradan los hidrocarburos gracias a períodos de descanso entre lluvias. Otros microorganismos actúan sobre los metales:

“Las formas en partículas son retenidas por filtración. Las formas solubles son eliminadas principalmente por el siguiente mecanismo: los metales precipitan bajo forma de hidróxidos y de sulfitos metálicos gracias a bacterias metalo-oxidantes en las zonas aerobias y a bacterias sulfato-reductoras en las zonas anaerobias:

Ejemplo en zonas aerobias:formulas

Con reacciones similares, también actúan sobre muchos otros metales en particular sobre el níquel, el cobre, el plomo y el zinc.

Estos precipitados son retenidos en la matriz del filtro, sin riesgo ninguno de saturación de este último al menos durante varios decenios. Por otra parte el interfase raíces/sedimento, encontramos fuertes gradientes redox que provocan la precipitación de hidróxidos ferricos complejos. Éstos se acumulan en la rizósfera formando una especie de forro en torno de las raíces. Éste forro es una barrera eficaz contra la asimilación vegetal y favorece la co-precipitación con otros metales en la placa de hidróxido férrico” (COOPER).

El filtro está destinado atrapar las partículas finas, sobre las que la contaminación se ha fijado. El está constituido para ello de una materia lo suficientemente fina (arena de sílice elegida en un rango preciso), el debe estar protegido de aportes que podrían terminar por obstruirlo. Es por esto que en ciertos casos, se coloca aguas arriba un pequeño decantador destinado a atrapar partículas gruesas.

Funcionamiento en caso de contaminación accidental.

El filtro plantado de carrizos tiene sin duda mejor rendimiento que los sistemas compactos en la medida en que permite un ” atrapado pasivo”, incluidos contaminantes disueltos en el agua de lluvia:

  • En el caso de fuerte o ligera polución, el contaminante es atrapado en general en el decantador de tabique en forma de sifón situado aguas arriba.
  • En el caso de contaminación miscible en el agua de lluvia, o el manejo de la válvula es rápido, o el contaminante llega al filtro donde será atrapado. El caudal que atraviesa el filtro es débil, le toma dos o tres horas para llegar a la salida. Este tiempo debe utilizarse para aislar el filtro.

1.3. Dimensionamiento y mantenimiento.

Dimensionamiento.

El factor limitante es generalmente la lámina de agua anual acumulada  admisible por el filtro, que no debe exceder los 50 a 100 m. Como comparación, un filtro plantado de carrizos utilizado en depuración de aguas servidas recibe en el entorno de 60 m de agua por año.

El filtro está en general integrado a un proyecto de la siguiente manera:

  • Una utilización que apunta a las aguas de escurrimiento potencialmente contaminadas (calles densas, parkings..).
  • La determinación de la superficie de filtro necesario según el criterio de lámina de agua anual (50-100 m).
  • Para los filtros así como para otras técnicas, es interesante separar las aguas que no tienen necesidad de ser tratadas de manera a no sobrecargar el filtro. Es el caso por ejemplo de la infiltración en el origen de las aguas de techos (a condición que el techo no sea realizado integralmente en cobre, zinc, bitumen…).
  • Determinación de la altura de agua máxima sobre el filtro después de una lluvia (en una escala de 0,5 a 2 m, con el objetivo de almacenar sobre el filtro el volumen que deseamos tratar integralmente, en general originado por una lluvia de retorno de seis meses, un año y a veces hasta dos años).
  • Aguas abajo del filtro, es necesaria la creación de un volumen de retención complementario (cuyo rol es únicamente hidráulico: no es por tanto necesario que sea impermeabilizado).
  • Equipos adecuados para el filtro como un decantador aguas arriba, el by-pass y válvulas de aislamiento en caso de riesgo de contaminación accidental.

Cuidados y manejo.

El manejo paisajístico se centrará únicamente sobre los bordes: el cegado de los carrizos no es indispensable ya que la biomasa de estas plantas una vez marchitas puede mezclarse sin ningún problema al depósito que se formará en la superficie del filtro.

El mantenimiento técnico se centrará en el decantador aguas arriba cuando este exista, que debe ser vigilado y limpiado entre una y cuatro veces por año según los casos. El depósito que se forma en la superficie del filtro debe ser eliminado con una periodicidad de 10 a 20 años en función de los aportes recibidos. Normalmente 1 m² de filtro drena 100 m2  y recibirá cinco a 10 kilos de materias en suspensión por año, es decir algunos milímetros de depósito por año.

1.4. Conclusión sobre los campos de aplicación.

En conclusión, el filtro plantado de carrizos es una solución pertinente en los casos de zonas de actividad, zonas comerciales, rutas y autopistas:

  • Donde hay aportes de contaminación crónica muy pequeños para ser atrapados de manera significativa por un separador.
  • Por presentar un costo menor y un mantenimiento más simple que un decantador laminar.
  • En caso de riesgo de contaminación accidental, existe la posibilidad de atraparla por medio de la instalación de tabiques en forma de sifón o cerrando una válvula, además del mecanismo de trampa pasiva por parte del filtro en el caso de una contaminación soluble en el agua.
  • Una inserción paisajística interesante, particularmente en el caso de ” pre-verdeo”.
  1. Aplicaciones: Toulouse (31) y Neydens (74).

2.1. El filtro plantado de carrizos de la ciudad de Toulouse.

En la red hidráulica de la ciudad de Toulouse, un aliviadero de tormenta de la red unitaria vierte sus aguas en la zona húmeda urbana situada en el corazón del parque de la Maourine. La ciudad ha decidido tratar estas aguas. El sistema de descontaminación elegido es un filtro plantado de carrizos de 300 m², precedido de un estanque de 1400 m³ que asegura una regulación hidráulica y que de hecho, realiza una decantación previa de las aguas de desbordamiento.

El estanque aguas arriba conserva un carácter técnico y está cerrado al público, mientras que el filtro esta abierto e integrado al espacio público. De forma elíptica, se compone de dos medios filtros separados por un camino peatonal. Similar a la zona húmeda, la mitad del filtro está plantada de Phragmites Communis, y la otra mitad de Typha Latifolia. La caña de provincia no fue seleccionada por su tamaño y su mayor producción de biomasa.

Figura: medio filtro norte y camino central antes de la plantación.medio filtroDebido a la topografía (elaliviadero de tormenta de red unitaria es subterráneo), el filtro es alimentado por bombeo la razón de 200 m³ por hora. El agua se reparte sobre el filtro a través de rampas colocadas sobre la arena. Éste filtro entró en funcionamiento en diciembre 2002.

2.2. Neydens.

Contexto

La zona de actividades de Evignes cubrirá una superficie de 90 ha. El proyecto prevé almacenar y filtrar el agua de escurrimiento antes de su restitución al arroyo del Ternier y al arroyo de la Folle. Actualmente, tres filtros plantados de carrizos (B, C1 y C2) han sido realizados, así como dos estanques de retención “paisajísticos”.

El proyecto ha sido realizado en forma de co-dirección multidisciplinaria entre el estudio de hidráulica Profils Etude,el paisajista Laurent Daune ( canales, estanques, plan de vegetación de los filtros), la SINT(concepción de lo filtros plantados de carrizos).

El camino del agua.

El cambio del agua es el siguiente:

  • Colecta de aguas de escurrimiento en canales con hierbas, a lo largo de las zonas de aparcamiento.
  • Pasaje en tubería hasta un decantador. En este se realizan: la decantación de materias en suspensión más gruesas (mayores a 200 micras) y la retención de flotantes (las salidas hacia el filtro plantado de carrizos son realizadas en contra pendiente).
  • Pasaje del agua por el filtro plantado de carrizos. El filtro asegura la retención del agua, para un volumen anual (puesta en carga sobre 80 cm) y la filtración de esta agua a través del macizo filtrante.
  • El agua es drenada por el fondo del filtro hasta una artesa de salida.

^parkingNo ha sido necesario impermeabilizar el fondo de los filtros (el terreno es naturalmente poco permeable).

Para las lluvias más fuertes, el máximo del caudal es reducido aguas arriba del decantador: para evitar sobrecargar los filtros, el rebosadero sale directamente en el estanque de retención. Este ha sido dimensionado para lluvias “decenales” (dimensionados sobre la base de datos locales).

filtros A y B

Figura: filtro B, se ve en el fondo el estanque de retención complementario, filtro B (fotos de agosto 2003 justo después de la ola de calor.

Los filtros B, C1 y C2 del proyecto han sido terminados. El filtro B funciona desde la primavera del 2002.

2.3. Seguimiento de los filtros

En los casos citados, los servicios de la policía del agua no han demandado mediciones particulares de auto vigilancia. La gestión de seguimiento es por tanto voluntarista, y se encuentra actualmente (2004) en curso de realización en Neydens:

  • Desde fines del 2002: grupo de trabajo constituido por investigadores de la escuela politécnica de Lausana y del Instituto Fauvel de Genève y el laboratorio de la estación de depuración de Genève – Aires. Éste grupo de trabajo prevé la realización de medidas en el lugar hasta la primavera-otoño 2004, y un trabajo de fin de estudio.
  • Otoño 2003: precampaña en el lugar a realizar por el estudio SINT, Profils Etudes y por la Ville de Neydens.

En lo que respecta a la observación de los vegetales 15 meses después de las plantaciones, se observan crecimientos diferenciados entre las diferentes especies. Se destaca la Phragmites a la vez por su rápido crecimiento (plantas de más de 1 m de altura) y por su robustez (mejor aspecto posterior a la canícula).

Por último el filtro ha revelado su eficacia para la detección visual de vertidos indeseables, ya que un vertido crónico de hidrocarburos fue detectado y suprimido.

Bibliografía

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(*) Société d’Ingénierie Nature & Technique (SINT), sint@sint.fr – www.sint.fr
(**) BET Profils Etudes,
(***) Agence de Paysage Laurent DAUNE
(°) Ville de Neydens
(°°) Ville de Toulouse

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