Diseño de un sistema de humedales artificiales para la recuperación del arroyo Río Puerta Grande CDMX utilizando parámetros hidrológicos, hidrodinámicos, fisicoquímicos, químicos y biológicos

Abstract

La contaminación ambiental ha causado daños y esto ha generado problemas, como la degradación de cuerpos de agua, tal es el caso del arroyo Río Puerta Grande ubicado al sur poniente de la Ciudad de México, el cual recibe descargas residuales, por lo que el objetivo de este proyecto consistió en diseñar un sistema de tratamiento con plantas macrófitas. Para lograrlo fue necesario realizar varias etapas de investigación. La primera etapa consistió en muestrear siete sitios a lo largo del arroyo, donde se determinaron parámetros fisicoquímicos y biológicos para conocer con mayor detalle la calidad del agua. En cuanto a los resultados analíticos, considerando la norma NOM-001-SEMARNAT-2021, parámetros como sólidos suspendidos totales, coliformes fecales y principalmente DBO (demanda bioquímica de oxígeno) y DQO (demanda química de oxígeno), no cumplieron con la normatividad. Mediante análisis in situ y ex situ de la calidad del agua, considerando Índices de Calidad del Agua (ICA's) con los modelos NSF, de Montoya y de León, la evaluación del agua del arroyo fue respectivamente “Muy contaminada” y “Muy mala” en ambos periodos. Por otro lado, fue necesario conocer el comportamiento hidrológico del arroyo en la microcuenca Tarango para determinar el escurrimiento base de las descargas sanitarias y el escurrimiento directo por lluvia. A partir de los datos obtenidos de los parámetros físicos, químicos y biológicos, se modelaron estos con el software ArcGIS, para obtener mapas de interpolación con el fin de interpretar las áreas con mayor concentración de cada parámetro en las dos estaciones, el color rojo representa las mayores concentraciones y el azul las inferiores, esto fue importante principalmente para OD (oxígeno disuelto), DBO, DQO y coliformes fecales, ya que son los parámetros que serán considerados como contaminantes en este arroyo. Para calcular el escurrimiento directo, el primer paso consistió en utilizar el método del polígono de Thiessen; las áreas de influencia de las estaciones vecinas se obtuvieron con base en las que tienen registros de otros años, ya que la referencia de Tarango, no contiene datos completos para el estudio. La precipitación ajustada se determinó con las Funciones de Distribución de Probabilidad (PDF), donde la Log Normal fue la que presentó el mejor ajuste. En este trabajo ha sido importante a través de los índices de Langelier (𝐼𝑠) determinar la naturaleza del agua en las dos estaciones, ya que este índice permite saber si existen mayores o menores cationes y aniones disueltos o relacionados con el material en suspensión. Se obtuvo la relación de iones metálicos disueltos y particulados, así como sus coeficientes de partición para las dos estaciones, lo cual fue necesario para el modelado. Por otra parte, con la modelación hidrodinámica del cuerpo de agua mediante el software Iber, utilizando las variables velocidad, profundidad, número de Froude y, considerando además la modelación de la calidad del agua del cauce, se logró determinar los valores de lo diferentes parámetros físicos, químicos y biológicos en cada uno de los sitios seleccionados a lo largo del cauce. En cuanto a la parte experimental del diseño del prototipo, se concluye que la planta hidrófita Eichhornia crassipes fue la que mejor remoción dio, por esta razón es la que se puede considerar para su uso dadas sus características adaptativas, ya que no requiere mucho mantenimiento y su reproducción es por cortos períodos de tiempo, para lo cual se propuso como la planta alternativa que se utilizó en este trabajo para diseño final del sistema de tratamiento de humedales con el cual se pretende eliminar los contaminantes DBO y coliformes fecales.

The environment pollution has caused damage and this has led to problems, such as the degradation of bodies of water, which is the case in the Río Puerta Grande stream located to the south west of Mexico City, which receives residual discharges, so the objective of this project was designing a treatment system with macrophyte plants. To achieve this, several research stages had to be carried out. The first stage consisted in sampling seven sites along the stream, where several physical-chemical and biological parameters were determined to understand the water quality in more detail. Regarding the analytical results, considering the NOM-001-SEMARNAT-2021 standard, parameters such as total suspended solids, fecal coliforms and mainly BOD and COD, did not comply with the regulations. Through in situ and ex situ analyzes of water quality considering the Water Quality Index (WQI's) with the NSF, Montoya and León models, the evaluation of the stream water was respectively "Very contaminated" and "Very bad" in both periods. On the other hand, it was necessary to know the hydrological stream behavior in the Tarango micro-basin to determine the base runoff of sanitary discharges and direct runoff due to rain. From the data obtained of the physical, chemical and biological parameters, they were modeled with ArcGIS software to obtain interpolation maps, in order to interpret the areas with the highest concentration of each parameter in the two seasons, the red color represents the higher concentrations and the blue one the lower ones, this was important mainly for DO, BOD, COD and fecal coliforms, since they are the parameters that will be considered as contaminants in this stream. To calculate direct runoff, the first step consisted of using the Thiessen polygon method; the areas of influence of the neighboring stations were obtained based on those that have records from other years, since the reference Tarango, does not contain complete data for the study. The adjusted rainfall was determined with the Probability Distribution Functions (PDF), where the Log Normal was the one that presented the best fit. In this work it has been important to determine through the Langelier indices (Is) the nature of the water in the two seasons, since this index allows to know if there are greater or lesser cations and anions dissolved or related to the material in suspension. The ratio of dissolved and particulate metal ions was obtained, as well as their partition coefficients for the two seasons, which was necessary for modeling. On the other hand, with the hydrodynamic modeling of the water body through the Iber software and the variables speed, depth, Froude number and also considering the modeling of the water quality of the channel, it was possible to determine the values of the different physical magnitudes, chemical and biological parameters in each of the sites selected along the channel. Regarding the experimental part of the prototype design, is important to conclude that the hydrophyte plant Eichhornia crassipes was the one that gave the best removal, for this reason it is the one that can be considered for use given its adaptive characteristics, since it does not require much maintenance and Its reproduction is for short periods of time, for which it was proposed as the alternative plant that was used in this work for the final design of the wetland treatment system with which it is intended to eliminate BOD and fecal coliforms contaminants.