Fitotecnologías para el tratamiento de efluentes

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1 s para el tratamiento de efluentes CETA Instituto de la Universidad de Buenos Aires Tecnologías de tratamiento de Aguas Residuales para Reuso RALCEA Agosto 2013

2 Conceptos: Introducción El término Fitotecnología describe la aplicación de la ciencia y la ingeniería para estudiar problemas y dar soluciones que involucran plantas. Aunque el término no se usa ampliamente, es útil en la comprensión de la importancia de las plantas y su papel beneficioso en ambos sistemas sociales y naturales. El uso de plantas como tecnologías para ayudar a abordar los desafíos ambientales. 2

3 Conceptos: Introducción Aplicaciones fitotecnológicas emplean principios de ingeniería ecológica y se considera que son ecotecnologías. Se basan en la ciencia de la ecología y considera al ecosistema como un componente integral de las intervenciones humanas y sociales relacionados con el medio ambiente natural. 3

4 Conceptos: Introducción La fitotecnología emplea plantas para eliminar la contaminación del medio ambiente. Las plantas ayudan a eliminar muchas formas de contaminación: Metales Plaguicidas Explosivos Hidrocarburos Las plantas también contribuyen a impedir que el viento, la lluvia y que las aguas subterráneas extiendan la contaminación a otras zonas. 4

5 Fitotecnologías y las plantas Proceso dentro de la planta de las sustancias químicas: La planta toma por las raíces el agua y los nutrientes que se hallan en los suelos, y en las aguas subterráneas, además de estos, extraen también las sustancias químicas perjudiciales. Se almacenan en las raíces, los tallos y las hojas Se transforman en sustancias químicas menos perjudiciales en el interior de la planta Se transforman en gases que se liberan al aire cuando la planta transpira (respira) La fitocorrección puede tener lugar incluso sin que las raíces de la planta extraigan las sustancias químicas. 5

6 Fitotecnologías y las plantas - Las sustancias químicas pueden pegarse o sorberse a las raíces de las plantas. - Pueden transformarse en sustancias químicas menos dañinas mediante la acción de los organismos o microorganismos que viven en las raíces de las plantas. 6

7 Fitotecnologías y las plantas La EPA sugiere: Estudiar si las plantas que se cultivan para eliminar la contaminación pueden resultar dañinas para los seres humanos. Examinar las plantas y el aire para verificar que éstas no liberen gases dañinos a la atmósfera circundante. Investigar cuales son los insectos y animales pequeños que puedan comer las plantas que se emplean, y que no se dañe a los mismos. Aprovechar los procesos naturales de las plantas. 7

8 Aplicaciones que benefician al ambiente Se dividen en 5 categorías: Aumentar la capacidad de adaptación de los sistemas naturales para moderar los impactos de las actividades humanas, Prevención de las emisiones de contaminantes y la degradación ambiental, Control de las emisiones de contaminantes y procesos ambientales para minimizar degradación del medio ambiente, Rehabilitación y restauración de ecosistemas degradados, Incorporación de indicadores de la salud de los ecosistemas en estrategias de seguimiento y evaluación.

9 Componentes de la Fitotecnología FITOTECNOLOGÍAS Gestión Prevención Control Recuperación y Restauración Monitoreo y evaluación 9

10 Componentes de la Fitotecnología Se utilizan las fitotecnologías para: Gestión: Aumentar la capacidad de los sistemas naturales para absorber impactos. Prevención: Evitar la producción y liberación de sustancias peligrosas para el medio ambiente. Control: Controlar y hacer que las sustancias sean inocuas antes de entrar en el medio ambiente. Recuperación y restauración: Recuperar y mejorar los ecosistemas que han disminuido debido a los efectos inducidos natural o antropogénicamente. Monitoreo y evaluación: Del estado del medio ambiente, incluyendo las emisiones de contaminantes y otros materiales naturales o antropogénicos de carácter 10 perjudicial.

11 Tecnologías Blandas o Duras Clasificar a la tecnología en dura o blanda no esta generalizado debido a que hay muchas personas conocedoras y estudiosos del tema que piensan que la tecnología no puede ser ni dura ni blanda sino que lo que se puede clasificar en duro o blando es el producto tecnológico. Se suele llamar tecnologías duras o intensivas a aquellas que se basan principalmente en el conocimiento de las ciencias duras, como la física y la química, técnicas ingenieriles, maquinaria que encuentran una necesidad definida por una comunidad, y utilizan materiales que están a mano o que son fácilmente adquiribles. Normalmente se la relaciona con fines económicos. 11

12 Tecnologías Blandas o Extensivas Se considera tecnología blanda, aquella donde su producto no es tangible. Trata con las estructuras y el proceso para la participación social, los procesos interactivos humanos, y las técnicas de motivación. Pretenden mejorar el funcionamiento de las instituciones u organizaciones para el cumplimiento de sus objetivos. 12

13 Comparación de tecnologías Intensivas Energía eléctrica (coste elevado). Obra civil importante (cemento, sistemas de agitación, etc.). Superficie reducida. proporcionalmente Mano de obra muy especializada. Se puede influir rápidamente en el proceso. Aspecto muy tecnológico. Procesos artificiales. Extensivas Energía natural (solar). Obra civil: movimiento de tierras e impermeabilización ocasionalmente. Superficie grande. proporcionalmente El operador debe conocer los procesos. Los mecanismos de depuración tienen mucha inercia. Integración en el medio natural. Emplea componentes naturales potenciados. 13

14 Tecnologías Blandas o Extensivas Las fitotecnologías pueden considerarse tecnologías blandas o extensivas. Se pueden utilizar como sistemas naturales de tratamiento de efluentes. Los mecanismos de depuración son los que operan en los sistemas naturales. 14

15 Tecnologías Blandas o Extensivas Es importante en las tecnologías extensivas: Tener en cuenta los componentes del agua residual que pueden afectar los procesos naturales (ej.: grasas y tóxicos). No sobrepasar la capacidad de tratamiento del sistema (en cuanto a carga y caudal). Conocer en detalle los procesos implicados. Establecer una gestión adecuada. 15

16 Matrices o componentes ambientales de sistemas naturales Suelo/subsuelo (matriz sólida) Vegetación Agua superficial Acuífero Sedimentos Componentes adicionales Microflora Micro y macrofauna La atmósfera 16

17 Suelo: Fitotecnología Matrices o componentes ambientales de sistemas naturales Sufre continuamente modificaciones, debido a: El gran número de microorganismos que alberga. Su capacidad de filtración, retención, adsorción-desorción. Reacciones químicas que tienen lugar. Procesos de intercambio. Movimientos del agua. Su papel de soporte de la vegetación. Interacciones con la vegetación. Una capacidad importante de autodepuración. 17

18 Suelo: Fitotecnología Matrices o componentes ambientales de sistemas naturales Se suele requerir una textura homogénea del suelo, para poder hacer máxima la capacidad de depuración. La textura es importante por: La relación con la circulación de agua. La relación con la aireación. La posibilidad de desarrollo de la biopelícula. 18

19 Vegetación: Fitotecnología Matrices o componentes ambientales de sistemas naturales La capacidad de captar nutrientes y agua del suelo, eliminándolos del medio. El mecanismo de transpiración. El papel de soporte de biopelícula. En algunos casos, la capacidad de transportar oxígeno a la zona de las raíces. El efecto de mejora de la estructura del suelo y de la circulación de agua en él, por acción de las raíces. La capacidad para captar / retener elementos potencialmente Tóxicos presentes en el suelo. La capacidad de protección del suelo frente a la erosión. 19

20 Sedimentos: Fitotecnología Matrices o componentes ambientales de sistemas naturales Sumideros de materia orgánica en determinados sistemas naturales, especialmente en los lagunajes. Trampa para muchos contaminantes. Mineralización con tiempos de retención de varios meses (aerobia o casi siempre anaerobia). En casos determinados puede generar malos olores. 20

21 Aguas Superficiales: Fitotecnología Matrices o componentes ambientales de sistemas naturales En las aguas superficiales, el aporte de energía al sistema calienta el agua o se traduce en fotosíntesis. Esto genera un crecimiento de plantas en presencia de nutrientes suficientes (N, P, K y micronutrientes) y facilidad de intercambio de gases (entrada de CO 2 ). Puede producirse una simbiosis entre algas y bacterias (lagunajes). 21

22 Aguas Subterráneas: Fitotecnología Matrices o componentes ambientales de sistemas naturales El agua residual puede llegar a las aguas subterráneas mediante operaciones de recarga, ya sea a través del suelo (por infiltración) o por aplicación directa al acuífero Cuando se recargan los acuíferos con aguas residuales se producen diversas interacciones, que pueden contribuir a mejorar la calidad del agua. 22

23 Aguas Subterráneas: Fitotecnología Matrices o componentes ambientales de sistemas naturales Los fenómenos más importantes que se dan en los acuíferos cuando se introducen aguas de origen superficial son: Reducción de materia orgánica Corrección de olor y gusto Adsorción de ciertas sustancias orgánicas 23

24 Atmósfera: Fitotecnología Matrices o componentes ambientales de sistemas naturales El intercambio de gases con el suelo, la vegetación y el agua. El vehículo para los malos olores que pueden generarse en los procesos de depuración. La deposición de materiales en suspensión y el transporte de aerosoles. Los meteoros acuosos (lluvia, nieve, rocío, escarcha) aportan humedad a los ecosistemas. La temperatura atmosférica es clave en numerosos procesos bioquímicos (en vegetación, suelo, aguas superficiales). 24

25 Matrices o componentes ambientales de sistemas naturales Acción de la Microfauna y Microflora: La microfauna es muy activa en suelos, descomponiendo la materia orgánica, en predación de bacterias, respirando, reproduciéndose. La microflora actúa fijando nitrógeno, generando materia orgánica y descomponiéndola, generando gases y antibióticos. Su actividad se mide mediante la respirometría. 25

26 Mecanismos de Depuración Los mecanismos de depuración implicados tanto en sistemas extensivos como intensivos pueden analizarse a nivel de macrosistema o de microsistema. 26

27 Mecanismos de Depuración - A nivel microscópico o molecular Procesos bioquímicos: - Acciones enzimáticas de descomposición de la materia orgánica (hidrólisis, metanización) (suelos, aguas superficiales, sedimentos). - Generación de colonias de microorganismos (aguas superficiales, suelos, sedimentos). - Formación de sustancias húmicas (suelos). - Generación de nutrientes a partir de la materia orgánica (suelos, aguas superficiales). 27

28 Mecanismos de Depuración - A nivel microscópico o molecular Procesos Físico-Químicos: Adsorción-Desorción (suelo, aguas superficiales, aguas subterráneas / acuíferos). Intercambio Iónico (suelo, sedimentos). Complejación (suelos, aguas superficiales, sedimentos). Reacciones Redox (suelo, aguas superficiales, aguas subterráneas / acuíferos, sedimentos). Intercambio gaseoso (vegetación / microflora + atmósfera, suelo + atmósfera, vegetación / microflora + agua 28 superficial).

29 Mecanismos de Depuración - A nivel macrosistema Procesos bioquímicos: Descomposición de materia orgánica (suelo, agua). Fotosíntesis (vegetación). Respiración (vegetación). 29

30 Mecanismos de Depuración - A nivel macrosistema Procesos Físico-Químicos: FILTRACIÓN FÍSICA (suelo, vegetación, agua subterránea). DISPERSIÓN (atmósfera). DILUCIÓN (agua superficial, suelo). GENERACIÓN DE FLÓCULOS. SEDIMENTACIÓN (agua superficial, suelo). EVAPORACIÓN (agua superficial, suelo). TRANSPIRACIÓN (vegetación). DEPOSICIÓN (atmósfera, suelo, atmósfera, agua superficial). SOPORTE DE BIOPELÍCULA (suelo, vegetación). 30

31 Las fitotecnologías como sistemas naturales de depuración En los ecosistemas naturales, no suele haber una gran disponibilidad de materia orgánica ni de nutrientes, por lo que el desarrollo de organismos tiene unas limitaciones importantes en cuanto a su velocidad. El uso de fitotecnologìas para la depuración se basa en aumentar exponencialmente las disponibilidades de materia orgánica/nutrientes, con lo que la velocidad de los ciclos biogeoquímicos y la degradación de materia orgánica es mucho más rápida. 31

32 Las fitotecnologías como sistemas naturales de depuración Como consecuencia, se describen los procesos de depuración en los sistemas extensivos en los mismos términos que en los sistemas naturales: Ciclos biogeoquímicos Procesos de desarrollo de organismos en relación con el medio La velocidad de crecimiento de los organismos heterótrofos está regulada por la cantidad de materia orgánica y la de los autótrofos por la disponibilidad de nutrientes. 32

33 Las fitotecnologías como sistemas naturales de depuración Para que la velocidad se mantenga, es preciso: Un aporte continuo de suministros. Una eliminación adecuada de subproductos. Un contacto adecuado de los organismos con la materia a degradar. Un aporte de energía. Esto es cierto para bacterias, protozoos y cualquier tipo de planta. La energía necesaria para el funcionamiento de estos sistemas es principalmente la solar. 33

34 Sistemas de aplicación - Ecosistemas acuáticos Lagunas facultativas Lagunas con macrófitas Humedales construidos 34

35 Sistemas de aplicación - Ecosistemas acuáticos Lagunas Facultativas: Producción de algas (generan O 2, consumen CO 2 ). Bacterias heterótrofas aerobias degradan materia orgánica soluble. Zona anóxica recibe aporte de materia orgánica sedimentable. Casi no hay subproductos (si el sistema está en equilibrio). Profundidad 1-2,5 metros. Aumento de eficiencia por combinación de lagunas diferenciadas (aerobias y anaerobias). 35

36 Sistemas de aplicación - Ecosistemas acuáticos Lagunas con Macrófitas: Este sistema potencia la depuración alcanzada en las lagunas facultativas. Se utilizan macrófitas flotantes. Las plantas utilizan la materia orgánica y nutrientes (nitrógeno y fósforo). Disminuyen el proceso de evaporación. Mejoran la ecuación económica del tratamiento pues las Lemnas (por ej.) pueden reutilizarse como fuente proteica. 36

37 Sistemas de aplicación - Ecosistemas acuáticos Humedales Construídos: Superficiales (agua visible). Subsuperficiales (agua circula por un medio poroso). La depuración la realizan las bacterias y las plantas desarrolladas. Elementos contaminantes asimilados en tejidos vegetales o inmovilizados física o químicamente (por el medio poroso). 37

38 Sistemas de aplicación - Ecosistemas acuáticos Humedales Construídos Características Comunes: Mantenimiento reducido (no cero). Energía solar o natural. Mano de obra básica no especializada Dirección con buen conocimiento del proceso. 38

39 Sistemas de aplicación - Ecosistemas acuáticos Definición del rango de utilidad de los sistemas de fitodepuración Por caudal Por tipo de agua Por calidad esperada Por superficie ocupada 39

40 Sistemas de aplicación - Ecosistemas acuáticos Definición del rango de utilidad de los sistemas de fitodepuración - CAUDAL El terreno utilizado en el sistema dependerá del caudal. Algunas lagunas pueden aceptar aumentos temporales de caudal. 40

41 Sistemas de aplicación - Ecosistemas acuáticos Definición del rango de utilidad de los sistemas de fitodepuración TIPO DE AGUA Pueden tratar efluente primario de buena calidad. Muy adecuados para tratamiento de efluente secundario. Pueden gestionar agua de lluvia o de escorrentía. Pueden tratar algunos efluentes industriales (secundario o terciario). 41

42 Sistemas de aplicación - Ecosistemas acuáticos Definición del rango de utilidad de los sistemas de fitodepuración CALIDAD ESPERADA Calidad suficiente para reutilización en riego. Calidad suficiente para vertido. Requiere desinfección para recarga directa de aguas subterráneas. 42

43 Sistemas de aplicación - Ecosistemas acuáticos Definición del rango de utilidad de los sistemas de fitodepuración SUPERFICIE OCUPADA 2 a 25 m 2 /equivalente hombre. Aceptable en zonas con suelo económico. Normalmente inviable en zonas con suelo de alto costo. Difiere según actúe como secundario o como terciario. 43

44 Sistemas de aplicación - Ecosistemas acuáticos Definición del rango de utilidad de los sistemas de fitodepuración NECESIDADES DE DISEÑO Imprescindible una buena construcción, especialmente la impermeabilización. Mantenimiento reducido pero no nulo, distinto al habitual en otros sistemas. 44

45 Biosorbentes Los metales pesados también pueden ser eliminados del agua por adsorción en materiales biológicos muy económicos, como ser algas, hongos y bacterias. El uso de plantas acuáticas secas, no vivas, para remoción de metales como un material adsorbente simple, presenta ventajas por su alta eficiencia en eliminar tóxicos diluidos de aguas contaminadas. 45

46 Ventajas del uso de Biosorbentes - Mínimo volumen de químicos o residuo biológico que debe tratarse. - Bajo costo de conservación, transporte y manipuleo. - No existen requerimientos de nutrientes. - Los metales pesados pueden ser recuperados. Una vez que se alcanzo la saturación de la biomasa, la misma puede regenerarse con soluciones ácidas o básicas, que posteriormente contendrán los metales en un pequeño volumen. 46

47 Conclusión - Las FITOTECNOLOGÍAS son una alternativa efectiva para la remediación de cuerpos de agua contaminados. - La Fitotecnología requiere menos equipamiento y trabajo que otros métodos ya que las plantas hacen la mayor parte de las tareas. Además, los árboles y las plantas pueden hacer más atractivos los sitios. Se puede limpiar un sitio sin necesidad de cambiar el suelo contaminado ni de extraer el agua subterránea contaminada por bombeo gastando más energía. Se puede evitar también, que los trabajadores entren en contacto con las sustancias químicas dañinas. 47

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