POSTRATAMIENTO DEL EFLUENTE DE UN REACTOR UASB POR MEDIO DE UN HUMEDAL ARTIFICIAL

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1 POSTRATAMIENTO DEL EFLUENTE DE UN REACTOR UASB POR MEDIO DE UN HUMEDAL ARTIFICIAL Carlos R. Lara 1, Jaime Díaz 2, Olga Lucía Usaquén 3, Liliana Forero 3 1 Jefe del laboratorio de análisis ambiental y profesor de ingeniería sanitaria y ambiental de UNIBOYACÁ. 2 Docente ingeniería sanitaria y ambiental y decano de la Facultad de Ciencias e Ingeniería de UNIBOYACÁ. 3 Estudiantes graduadas. Carrera ingeniería sanitaria y ambiental - UNIBOYACÁ.

2 276 Lara, Díaz, Usaquén y Forero Postratamiento del efluente de un reactor UASB por medio de un humedal artificial RESUMEN Se presenta la experiencia sobre la evaluación de un sistema de postratamiento de aguas residuales domésticas tratadas previamente en un reactor anaerobio UASB, conformado por un humedal artificial de flujo subsuperficial (SFS). El sistema fue construido en el año 1997 y fue evaluado hasta el mes de febrero de Las características más relevantes del sistema son: tiempos de detención en los espacios intersticiales del material de soporte, variados entre 0.9 días y 3 días; material vegetal utilizado para el tratamiento, junco (Typha dominguesis). Las eficiencias promedio de remoción encontradas durante toda la evaluación, estuvieron al rededor de los siguientes valores: demanda química de oxígeno (DQO), 51.7%; demanda bioquímica de oxígeno (DBO5),

3 Postratamiento del efluente de un reactor UASB por medio de un humedal artificial %; Nitrógeno total, 15.0%; Fósforo total, 31.0%, sólidos suspendidos totales (SST), 88.6% y sólidos totales (ST), 22.5%. En el humedal artificial se hizo una caracterización biológica tendiente a identificar aquellos organismos de vida acuática que se desarrollan en el ambiente de las aguas residuales con pocos niveles de oxígeno. PALABRAS CLAVE Postratamiento, humedal, nutrientes, Typha dominguesis. INTRODUCCIÓN La implementación de sistemas de postratamiento de agua residual doméstica por medios biológicos, como la vegetación desarrollada sobre sustratos de terreno gravoso o arenoso, tolerante a condiciones especiales de humedad, disponibilidad de nutrientes y oxígeno, permite la degradación de materia orgánica y la transformación de nutrientes en formas asimilables por la vegetación o fácilmente retornables a la atmósfera Las alternativas de tratamiento de las aguas residuales, involucran un sin número de aplicaciones de las funciones ecosistémicas de los humedales naturales, en el diseño de reactores que simulan los mecanismos de transformación que ocurren en ellos. Este tipo de tecnología natural permite remociones importantes de materia orgánica, nutrientes y microorganismos patógenos mediante procesos bioquímicos o físicos que se originan en la rizósfera, gracias a la relación simbiótica existente entre las plantas acuáticas y las

4 278 Lara, Díaz, Usaquén y Forero bacterias autótrofas y heterótrofas que colonizan las raíces de las plantas y el medio de soporte; igualmente en el sustrato ocurren mecanismos de filtración, sedimentación, absorción, atrapamiento, flotación, evaporación, volatilización, depredación y precipitación química entre otros. El proceso principal de depuración es realizado por comunidades bacterianas que aprovechan la aireación natural inducida por las plantas acuáticas emergentes, en las reacciones fotosintéticas, fotooxidantes y de asimilación. La perspectiva histórica ilustra el desarrollo relativamente reciente de las tecnologías de tratamiento con humedales a gran escala (cerca de 20 años en 1995). Las técnicas de remoción biológica de nutrientes fueron desarrolladas desde 1970 y por lo tanto se requiere optimización, estudios intensivos y evaluaciones confiables que permitan aprovechar al máximo estos mecanismos de depuración potencial. MATERIALES Y MÉTODOS Características del agua a tratar El agua afluente al humedal fue previamente tratada en un reactor anaerobio UASB, el cual tiene una capacidad aproximada de 32 m 3, dos compartimientos en serie y un tiempo hidráulico de residencia (THR) actual aproximado a 9 horas. El agua residual tiene origen doméstico y es tomada de un emisario final del barrio Los Muiscas de la ciudad de Tunja. Las ca-

5 Postratamiento del efluente de un reactor UASB por medio de un humedal artificial 279 racterísticas del agua residual cruda son fuertes, ya que las concentraciones promedio de DQO y DBO5 están al rededor de 740 y 490 mg/l, respectivamente. Esto hace que el agua tratada, afluente al sistema de postratamiento, presente en ocasiones, valores demasiado elevados en cuanto a la concentración de materia orgánica. En la tabla 1 se presentan los valores promedio de los parámetros tenidos en cuenta para la evaluación del humedal, medidos a la salida del reactor UASB (entrada al postratamiento), para diferentes períodos operativos. Tabla 1 Características del agua residual afluente al humedal artificial (promedio ± desviación estándar) Períod o (THR) DQO ± ± ± ± 54.4 DBO ± ± ± ± 15.4 ST ± ± ± ± 53.6 SST 92.3 ± ± ± ± 12.3 ph ± ± ± 0.06 N T 52.4 ± 24.0 P T 7.4 ± * Los parámetros Fósforo total y Nitrógeno total solamente fueron evaluados durante la primera fase (THR: 0.9 días) y sus valores promedio fueron 7.4 mg/l y 52.4 mg/l respectivamente. Descripción del humedal artificial El agua residual tratada en el reactor UASB fue derivada a la salida de éste hacia el humedal artificial mediante un elemento de control de flujo instalado inmediatamente después del efluente del reactor en mención. El control de caudal hacia la unidad de

6 280 Lara, Díaz, Usaquén y Forero postratamiento se realizó mediante la manipulación de un registro de bola, debido a las variaciones permanentes de flujo en la entrada del UASB; además se instaló un tanque de regulación desde el cual se controló el flujo hacia el humedal y se hizo constante. La variación del flujo en esta estructura permitió la variación del tiempo de detención. Para la construcción se realizó una excavación sobre el piso con dimensiones: largo 6.80 m, ancho 2.00 m y profundidad 0.41 m la cual fue acondicionada de manera que el sistema no fuera a tener dificultades operativas. Las paredes fueron protegidas con cemento simple para evitar su derrumbamiento, así como mediante aplicación de Glifosán se previno el crecimiento de raíces de los pastos circundantes. El piso de la excavación fue recubierto con capa de concreto impermeabilizado en las zonas de entrada y salida, mientras que el área útil del humedal fue cubierta con una capa de arcilla humedecida y sobre ella otra de arena fina lavada. Finalmente, para aumentar la protección contra las infiltraciones se recubrieron tanto las paredes del humedal, como el fondo con un plástico grueso calibre 12. Las cámaras de entrada y salida se limitaron mediante la edificación de muros en ladrillo perforado a todo lo ancho del humedal. Además de separar el humedal de dichas zonas, los muros perforados aseguran una distribución uniforme del flujo en toda la sección transversal de la zona de postratamiento. El afluente al humedal, derivado de la salida del reactor UASB, fue acoplado con la cámara de entrada sobre un embudo conectado a tubería PVC Æ 1, la cual se encontró unida a una tubería

7 Postratamiento 281 del efluente de un reactor UASB por medio de un Rodrigo humedal Correal artificial Cuervo 281 PVC sanitaria Æ 3 perforada, desde donde el agua fluyó en sentido longitudinal dentro del humedal. La altura del agua dentro del humedal se controló con el sistema utilizado para la salida, que estuvo constituido por un niple de tubería PVCS f 2, y que terminaba en un codo de 90 del mismo diámetro. La altura del codo definía, entonces, la altura del agua dentro del humedal. La construcción del humedal artificial se hizo teniendo en cuenta la ubicación de los tratamientos existentes y asegurando un funcionamiento a gravedad en todo momento. En la figura 1 se aprecia un esquema de ubicación del humedal artificial. Figura 1. Ubicación del humedal artificial El material de soporte utilizado (sustrato) fue seleccionado de acuerdo al tipo de flujo establecido (subsuperficial) y al material vegetal instalado. Los parámetros que se tuvieron en cuenta fueron, de acuerdo con METCALF y EDDY (1995):

8 282 Lara, Díaz, Usaquén y Forero Substrato : arena gravosa Diámetro del grano : 8 mm Porosidad : 0.35 Conductividad hidráulica : 500 m 3 /m 2 -d. La cubierta vegetal utilizada para el postratamiento fue junco, teniendo en cuenta que sus raíces penetran hasta una profundidad máxima de 0.30 m. La clasificación de las plantas, Typha dominguesis, es la siguiente: Clase : Monocotiledonea Orden : Pandanales Familia : Typhaceae Genero : Typha Evaluación El humedal artificial fue arrancado en el mes de agosto de 1997 y desde entonces fue evaluado hasta comienzos del año Los parámetros de calidad caracterizados tanto a la entrada como a la salida del sistema fueron: nutrientes (N y P), presencia de materia orgánica (DQO, DBO5), oxígeno disuelto, sólidos totales, temperatura, ph y caudal. La determinación de los parámetros se hizo luego de realizar muestreos compuestos en un tiempo de 3 horas, con una frecuencia de 3 veces por semana. Las muestras compuestas fueron tomadas en el afluente al humedal y el efluente del mismo. Las determinaciones se hicieron de acuerdo con AWWA (1995).

9 Postratamiento del efluente de un reactor UASB por medio de un humedal artificial 283 Al inicio de la evaluación se realizó un balance hídrico en un período de 24 horas con el fin de verificar la estanqueidad y ausencia o presencia de filtraciones en la estructura. El resultado de esta prueba fue positivo, no encontrándose variaciones significativas entre las medidas de caudal afluente y efluente. Se hizo una caracterización del humedal por medio de organismos indicadores, lo que condujo a un conocimiento aproximado de los grupos de bacterias, hongos, algas y otros organismos representativos del sistema artificial alimentado con el efluente del reactor UASB. Para ello se siguió como metodología de identificación la siguiente: toma de muestras, siembra inicial, aislamiento e identificación y discusión e interpretación. Para las siembras se utilizaron medios de cultivo especiales según el grupo de organismos a identificar. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Evaluación físico química El humedal fue arrancado operando en su primera fase (febrero septiembre de 1998) con un tiempo medio de retención entre los poros intersticiales de 0.90 días, alimentado para ello con un caudal promedio de l/s. El THR fue variado a partir de allí en tres oportunidades más. En la tabla 2 se presentan las diferentes condiciones operacionales del humedal artificial.

10 284 Lara, Díaz, Usaquén y Forero Tabla 2 Variación de las condiciones operacionales del humedal Período (días) Caudal (l/s) THR (días) Parámetros tales como el Fósforo total y el Nitrógeno total únicamente fueron medidos en la primera fase de evaluación (THR: 0.9 días). Las eficiencias de remoción de estos dos nutrientes fueron de 31% y 15% respectivamente. Se tomó la decisión de no evaluar más estos parámetros debido a la imposibilidad de alcanzar tiempos hidráulicos de retención lo suficientemente altos para aumentar su remoción. Crites (1994) considera que para la remoción de Nitrógeno total, el THR debe estar aproximadamente entre 8 y 14 días, mientras que para Fósforo total, entre 15 y 20 días. En la tabla 3 se presenta la variación de la eficiencia de remoción para las diferentes condiciones operativas del humedal. Tabla 3 Variación de las eficiencias de remoción para diferentes condiciones operativas (promedio ± desviación estándar) Período (THR) DQO DBO 5 ST SST ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± 15.6

11 Postratamiento del efluente de un reactor UASB por medio de un humedal artificial 285 En las figuras 2 y 3 se presenta la variación de las eficiencias de remoción de DQO y DBO5 conforme al cambio en el tiempo de residencia dentro de la unidad de postratamiento. Figura 2. Variación de la eficiencia de remoción de DQO para diferentes condiciones operativas (promedio ± desviación estándar) Figura 3. Variación de la eficiencia de remoción de DQO para diferentes condiciones operativas (promedio ± desviación estándar)

12 286 Lara, Díaz, Usaquén y Forero De otra parte, la transferencia de oxígeno hacia el sistema se hace notoria a lo largo de toda la evaluación, si se tienen en cuenta los valores reportados por mediciones efectuadas a la entrada y salida del humedal. Como se puede apreciar en la tabla 4, durante todo el período evaluado se logró un incremento del oxígeno disuelto en el agua proveniente del efluente del reactor UASB, hasta en un 100% o más. Esto demuestra la funcionalidad de la unidad de tratamiento en cuanto a la transferencia de oxígeno a través del sistema radicular de las plantas. Tabla 4 Variación del oxígeno disuelto afluente efluente del humedal artificial, para diferentes condiciones operativas (promedio ± desviación estándar) Período (días) O.D. afluente O.D. efluente ± ± ± ± ± ± 0.62 Caracterización biológica La caracterización de humedales por medio de bioindicadores permite complementar la evaluación hecha desde el punto de vista físico y químico, ya que las variaciones en la microflora y microfauna existente permanecen en el sistema por un tiempo prolongado, incluso después de la suspensión de los vertimientos de aguas residuales. En sistemas de flujo continuo, como es el caso del humedal evaluado, esta caracterización constituye una herramienta adicional en la evaluación de la calidad del agua efluente del siste-

13 Postratamiento del efluente de un reactor UASB por medio de un humedal artificial 287 ma, debido a que la identificación de organismos indicadores presentes en las diferentes zonas del humedal, permite evidenciar los procesos que ocurren al interior del mismo. Los humedales proporcionan condiciones ambientales favorables para el crecimiento y reproducción de organismos microscópicos, principalmente bacterias y hongos, los cuales son responsables de la asimilación, transformación y reutilización de constituyentes de las aguas residuales. Las algas son otro grupo importante como organismo fotosintetizador presente en gran número, ya que forman parte de la base de la cadena trófica como productores primarios del humedal, al tiempo que florecen por la presencia de nutrientes provenientes del agua residual. Estas algas permanecen en el sistema, adheridas al lecho de soporte de las plantas emergentes. Para la caracterización biológica del humedal se analizó la presencia de estos tres tipos de organismos principalmente, ya que por tener éste una amplia cobertura vegetal, sirve de hábitat para una entomofauna alóctona, la cual no tuvo prevalencia en el ensayo. Para el estudio de bacterias se tuvo en cuenta tanto las de vida libre como las aerobias y anaerobias. Para la caracterización se trabajó con medios selectivos y diferenciales, en tres etapas que fueron siembra aislamiento identificación, reportando los datos que se incluyen en la tabla 5.

14 288 Lara, Díaz, Usaquén y Forero Tabla 5 Bacterias identificadas en el humedal Tipo de bacteria De vida Libre Aerobias y anaerobias facultativas (*: Anaerobias estrictas) Bacterias identificadas Sulfobacterias Ferrobacterias E. Coli Salmonella sp Shiguella sp Enterobacter sp Klebsiella sp Pseudomona sp Citrobacter sp Peptoestreptococcus* Veillonella* Sarcina Fusobacterium* Los hongos como organismos saprobios importantes en la recirculación de materiales, permanecen estrechamente ligados a las bacterias y ayudan a los procesos de estabilización del sistema. La metodología empleada para la toma de muestras fue la misma que se empleó para la recolección de muestras de bacterias; aislándose los siguientes géneros: Trichoderma, Fusarium, Mucor, Cladosporium y Epicoccum. La tercera comunidad importante para la caracterización biológica fue el planctón y el perifiton presente en todo el lecho de soporte, aislándose organismos fitoplactónicos y zooplactónicos. Las muestras fueron tomadas en diferentes puntos, en el sentido longitudinal del humedal (punto 1 a 25% de la longitud, punto 2 a 50% de la longitud y punto 3 a 75% de la longitud; ubicados al 50% del ancho) generando los datos consignados en las tablas 6 y 7.

15 Postratamiento del efluente de un reactor UASB por medio de un humedal artificial 289 Tabla 6 Plancton en el humedal artificial Plancton Fitoplancton Zooplancton Afluente Efluente Efluente Scenedesmus Euglena Vorticella Oscillatoria Lepocinclis Philodina Lepocinclis Oscillatoria Trachelomonas Euglena Bodo Chlorococcum Diflugia Chlorella Larva de culex pipiens Sphaerocystis Nitzschia Stauroneis Tabla 7 Perifiton en el humedal artificial Perifiton Afluente Punto 1 Punto 2 Punto 3 Efluente Lepocinclis Nitzschia Chlorococcum Nostoc Lepocinclis Euglena Chlorococcum Diatoma Navicula Anabaena Chlorococcum Navicula Nostoc Fragilaria Chlorococcum Chlorella Diatoma Diatomeas Euglena Microcystis Pinnularia Pinnularia Chlorococcum Nostoc Nitzschia Nitzschia Chlorella Euglena Lepocinclis Lepocinclis Euglena Diploneis Ulotrix Phormidium Nodularía Amphora Stauroneis Gosmarium Hormidium Ulotrix Mastogloia Cymbella Fragilaria Microspora Trachelomonas Staurastrum Synechococcu s Closteridium Stichococcus Hyalotheca

16 290 Lara, Díaz, Usaquén y Forero CONCLUSIONES Las eficiencias de remoción reportadas para Nitrógeno total y Fósforo total de 30% y 27% respectivamente fueron muy bajas, situación justificada si se tiene en cuenta los pequeños tiempos hidráulicos de retención que se manejaron en el sistema. Por esta razón, no se consideró su evaluación durante todo el período que esta duró. Los resultados de eficiencia de remoción fueron mucho más favorables en lo que tiene que ver con la materia orgánica y los sólidos en suspensión. A pesar de que el efluente del reactor UASB entregó concentraciones relativamente bajas de estos parámetros, el humedal logró remociones promedio para DBO5 de 45%, para DQO de 52% y para SST de 77%. Los niveles de oxígeno disuelto en el efluente del humedal artificial se vieron incrementados en aproximadamente un 100% con respecto a la concentración existente en el efluente. Este es incorporado al agua gracias al proceso de respiración de las plantas, por medio de su sistema radicular. Además, la presencia de oxígeno disuelto es muy importante para que ocurra la mineralización de la materia orgánica, efectuada por los microorganismos, ya que su deficiencia disminuye la actividad bacteriana y reduce el grado de mineralización al interior del sustrato; en condiciones anaerobias, la descomposición de la materia orgánica es mínima, existiendo una inmovilización del Nitrógeno disponible para la planta y pérdidas por la reducción en la producción de nitratos (NO3 - ) por parte de los microorganismos. Las transformaciones efectivas de los componentes del agua residual al interior del humedal dependen de un adecuado pretratamiento. Cuando un sistema de este tipo se sobrecarga con altas

17 Postratamiento del efluente de un reactor UASB por medio de un humedal artificial 291 concentraciones de DBO5, podría presentarse estrés en las plantas y disminuir la eficiencia de remoción de la misma. La caracterización biológica se basó en un análisis cualitativo, no se cuantificó la eficiencia de remoción de los organismos identificados. Las bacterias encontradas son en su mayoría de vida libre; los hongos son característicos del ambiente y de medios poluidos y las algas, igualmente son características de ambientes polucionados. No se puede estimar con el ensayo efectuado, si existe o no remoción en algún grado de organismos patógenos. Las algas, siendo organismos de vida libre, no pertenecen al material considerado como origen de la polución, no constituyen ni están asociadas directamente a las causas de la polución, más, su presencia o ausencia constituye una legítima consecuencia de él.

18 292 Lara, Díaz, Usaquén y Forero REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS AWWA, APHA. (1995). Standard Methods for the examination of water and wastewater. 19 edición. AALEN, H., PIERCE, G. And WORMER, R. (1989). Considerations and Techniques for Vegetation Establishment in Constructed Wetlands. En Constructed Wetlands for Wastewater Treatment. Edit. Hammer. Pp BERDUGO, L., PACHECO, L. (1998). Postratamiento del efluente de un reactor UASB mediante la Utilización de un humedal de flujo subsuperficial (SFS). Tesis de Grado, Fundación Universitaria de Boyacá. BURGOON, P., REDDY, K. And DEBUSK, T. (1989). Domestic Wastewater Teatment Using Emergent Plants Cultured in Gravel and Plastic Substrates. En Constructed Wetlands for Wastewater Treatment. Edit. Hammer. Pp CRITES. (1994). Design Criteria and Practice for Constructed Wetlands. Wat. Sci. and Tech. Vol 24 No. 4.

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