TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES POR MEDIO DE LA INSTALACIÓN SECUENCIAL DE HUMEDALES ARTIFICIALES

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1 TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES POR MEDIO DE LA INSTALACIÓN SECUENCIAL DE HUMEDALES ARTIFICIALES Adriana GUTIÉRREZ-OSORIO 1, Ma. Laura ORTIZ-HERNÁNDEZ 2, Enrique SÁNCHEZ-SALINAS 2 y Ma. Magdalena ORTEGA-SILVA 2 1 Facultad de Ciencias Biológicas, 2 Laboratorio de Investigaciones Ambientales, Centro de Investigación en Biotecnología, Universidad Autónoma del Estado de Morelos. Av. Universidad 1001, Col. Chamilpa, C.P , Cuernavaca Mor., Tel (777) ac_gtz@yahoo.com, ortizhl@buzon.uaem.mx Palabras clave: Typha domingensis, Phragmites australis, contaminantes RESUMEN Un sistema de tres humedales artificiales horizontales se instalaron de manera secuencial para el tratamiento de las aguas residuales, generadas en el Centro de Investigación en Biotecnología (CEIB) de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos. Las dos especies fueron: Typha domingensis en el primer contenedor, Phragmites australis en el segundo y una mezcla de ambas en el tercero. Se utilizó un sustrato de grava y arena. Las aguas residuales conducidas hacia el sistema provienen de una fosa séptica que recibe las aguas residuales del CEIB. Para evaluar la calidad del agua tratada por cada módulo y por el sistema en su conjunto, se realizaron análisis físicos, químicos y microbiológicos de acuerdo con la NOM-003-SEMARNAT Los muestreos se realizaron mensualmente durante seis meses después de su instalación. Los resultados obtenidos del análisis fisicoquímico y microbiológico, indican una disminución de los contaminantes al paso del agua a través del sistema, la mayor remoción se observó en el último humedal constituido por la combinación de ambas plantas. Los parámetros como sólidos sedimentables, suspendidos totales, fósforo, DQO y metales como Ar, Cr, Hg,Ni, Zn, no rebasan los limites máximos permisibles de la norma; sin embargo, las grasas y aceites, el nitrógeno, la DBO 5, los coliformes totales y fecales y el plomo, se encuentran por arriba de los limites establecidos. Los organismos vegetales presentaron un crecimiento en número y en talla en ambas especies. INTRODUCCIÓN El agua es considerada un recurso vital para la subsistencia del ser humano y de los organismos en general, además de ser uno de los factores más importantes para impulsar el desarrollo de las sociedades humanas. Según datos estimados, el volumen total de agua que participa en el ciclo hidrológico es aproximadamente millones de kilómetros cúbicos de los cuales 97.5% es agua salada, 2.24% agua dulce, conformada por las agua 1

2 congeladas de los casquetes polares y en las aguas subterráneas profundas, 0.26% agua dulce accesible para el consumo humano, presente en los lagos, embalses, suelos y acuíferos poco profundos. La contaminación del agua en México genera día con día una disminución de este recurso natural y sobretodo, una fuerte afectación a los cuerpos receptores. Esto sucede gracias a la utilización de las antiguas cuencas hidrológicas, como en el Valle de México, que han formado parte del drenaje en donde se vierten aguas residuales de todo tipo, es por eso que actualmente se debe de tener en cuenta que para su uso y consumo se tiene que considerar no solo la cantidad, sino las características físico-químicas y bacteriológicas específicas de esta. Debido a esto la calidad del agua puede verse alterada para su reutilización, dando como resultado la generación de las llamadas aguas residuales. Las aguas residuales se definen como una masa de agua de composición variada provenientes de las descargas de usos municipales, industriales, comerciales, de servicios, agrícolas, pecuarios, domésticos, incluyendo fraccionamientos y en general de cualquier otro uso, así como la mezcla de ellas (NOM-003- SEMARNAT-1996). Para solucionar el problema de la contaminación del agua es necesario aplicar sistemas de tratamiento que incluyen procesos físicos, químicos y biológicos, considerando criterios técnicos, económicos y sociales para su selección. Debido a que el tratamiento de las aguas residuales a través de los sistemas de tratamiento convencionales son de alto costo tanto en construcción como en operación y tomando en cuenta que los porcentajes de remoción de contaminantes son deficientes, se han diseñado métodos alternativos como los humedales artificiales que son sistemas complejos e integrados, específicamente diseñados y construidos por el hombre para tratar las aguas residuales en los que interactúan conjuntamente plantas, animales, microorganismos y los factores ambientales abióticos para depurar las aguas residuales La Universidad Autónoma del Estado de Morelos (UAEM) genera aguas residuales de todas sus instalaciones y es su responsabilidad aplicar un tratamiento que permita cumplir con las Normas Oficiales Mexicanas y con la responsabilidad que tiene con la sociedad en general y especialmente en el cuidado del ambiente. Hasta el momento no cuenta con instalaciones que permitan colectar las aguas residuales y tratarlas, por lo que genera un impacto negativo en el ambiente. En el año 2003, la Universidad se sometió a una auditoria ambiental voluntaria, donde una de las principales recomendaciones fue el aplicar un tratamiento a las aguas residuales que genera. Es por eso, que el presente trabajo plantea la aplicación de un tratamiento de aguas residuales por medio de la instalación secuencial de humedales artificiales, considerando sus bajos costos de construcción, mantenimiento y operación; así como los requerimientos mínimos de personal altamente capacitado para su manejo. Actualmente no se cuenta con 2

3 recursos económicos para la instalación de un sistema de tratamiento convencional, por lo que con este trabajo se busca utilizar una planta piloto de humedales artificiales para probar esta tecnología como alternativa para depurar las aguas residuales, inicialmente del Centro de Investigación en Biotecnología (CEIB) como modelo, y posteriormente de toda la Universidad. OBJETIVO Diseñar e instalar un sistema de humedales artificiales horizontales instalado de manera secuencial, como método alternativo de tratamiento de las aguas residuales de tipo municipal, provenientes del Centro de Investigación en Biotecnología (CEIB) de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos. HIPÓTESIS La actividad conjunta del sustrato, microorganismos y plantas de un sistema de humedales artificiales horizontales instalados de manera secuencial, permitirá lograr el tratamiento de aguas residuales y obtener agua con la calidad establecida en la NOM-003-SEMARNAT-1996, para reutilizarlas en áreas verdes de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos (UAEM). Selección de aguas residuales a tratar METODOLOGÍA El Centro de Investigación en Biotecnología (CEIB) de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos, realiza sus actividades en un edificio que alberga 10 laboratorios de docencia e investigación y que tiene 10 años de haber iniciado sus trabajos. Cuenta con laboratorios especializados en diferentes áreas de investigación de la Biotecnología; están integrados estudiantes de licenciatura, maestría y doctorado realizando sus tesis de investigación y conviven diariamente alrededor de 80 personas. Debido a las diferentes actividades realizadas, se generan aguas residuales que son colectadas y canalizadas a una fosa séptica, de la cual se desconoce sus características de construcción, después de la cual esta agua es filtrada al subsuelo y posteriormente alcanza a los mantos acuíferos. En el CEIB se ha establecido una política de separación de los residuos peligrosos desde el interior de los laboratorios, por lo que no se descargan en las tarjas los residuos que pudieran causar una toxicidad a plantas y microorganismos, además de la facilidad de espacio para la instalación de la planta piloto así como para el muestreo, razones por las cuales se decidió probar este sistema de tratamiento de aguas residuales por medio de la instalación secuencial de humedales artificiales de flujo horizontal. 3

4 Caracterización inicial del agua residual Para evaluar la calidad del agua del (CEIB) antes de la instalación del humedal, se tomaron muestras simples de agua colectada de acuerdo con la Norma Mexicana NMX-AA , que establece las condiciones de muestreo. En primer termino se llevaron a cabo análisis físicos, químicos y microbiológicos de las aguas que surgen de la fosa séptica del CEIB, de acuerdo a los parámetros establecidos por la Norma Oficial Mexicana NOM-003-SEMARNAT-1997 y con las técnicas publicadas por APHA et al. (1992), las cuales se presentan en la tabla 1. Tabla 1. Técnicas y parámetros físicos- químicos utilizados para el análisis del agua residual. PARÁMETRO MÉTODO EQUIPO UTILIZADO Temperatura Lectura directa Termómetro, rango C ph Lectura directa Hanna ph 211 Grasas y aceites Extracción Soxthtlet Aparato de extracción Soxthtlet Materia flotante Filtración Malla filtro 0.5 mm de diámetro Sólidos sedimentables Sedimentación de sólidos Cono Imhoff Sólidos suspendidos totales Filtración y desecación a C Aparato de filtración, desecador y balanza analítica Demanda bioquímica de Incubación por 5 días Oxímetro YSI 51B Oxígeno Nitrógeno orgánico Kjeldahl Macro Kjeldahl Fósforo total Espectrofotométrico Espectrofotómetro Spectronic 20 Baush & Lomb DQO Reflujo Mantilla eléctrica Coliformes totales Tubos de fermentación Tubos de ensaye y estufa de múltiple Coliformes fecales Tubos de fermentación múltiple cultivo Tubos de ensaye y estufa de cultivo La muestra fue tomada a la salida de la fosa séptica, donde el agua esta mezclada con aguas procedentes de laboratorios y sanitarios. Diseño e implementación de un sistema de humedales artificiales secuénciales horizontales a escala piloto Se llevó a cabo el diseño y la instalación de tres módulos instalados de manera secuencial para constituir un humedal artificial, con el fin de tener una mejor remoción de los contaminantes al paso de estos. Para el diseño de plantas de tratamiento piloto basadas en este sistema, existen diferentes trabajos que reportan los criterios de diseño en función de los objetivos del trabajo y por lo tanto, del tamaño de los contenedores. Para el caso de la planta piloto instalada para este trabajo, los humedales fueron diseñados con las siguientes características: cada contenedor esta fabricado de fibra de vidrio y sus dimensiones son: 90 cm de largo, 60 cm de ancho y 80 cm de 4

5 profundidad (con una capacidad total de 0.43 m 3 ), una pendiente de 1.0% como se muestra en la figura 1. El sustrato esta formado por una mezcla de arena y grava de tezontle permitiendo el paso del agua de un extremo al otro. Figura 1 Diseño de los contenedores para la instalación de los humedales artificiales secuenciales Establecimiento y adaptación de diferentes plantas acuáticas en el sistema de humedales Las especies empleadas en los humedales artificiales secuenciales son: Typha domingensis y Phragmites australis debido a que son capaces de producir alta biomasa y crecer en diversas condiciones ambientales, no se ven atacadas por los animales como otros tipo de plantas y a su alta capacidad de remoción de N, P y metales pesados. Instalación del humedal horizontal artificial secuencial para depurar las aguas residuales domésticas Para instalar los humedales artificiales de flujo horizontal, se realizó en primer término el acondicionamiento del terreno y una excavación de aproximadamente 1.5 m de profundidad con el fin de tener una pendiente adecuada que nos permita el paso del agua de un extremo a otro; posteriormente se recubrió la excavación con una capa de concreto con bordes a los lados con el fin de evitar el movimiento de los humedales y hacer mas cómodo el muestreo. Cabe mencionar que los contenedores mencionados anteriormente se acondicionaron con un sustrato de grava de tezontle y arena; estando interconectados entre si por medio de una tubería de PVC de 2 pulgadas de diámetro y una llave de paso en cada humedal con el fin de poder controlar el tiempo de retención de manera independiente. Ya instalados, las aguas se canalizan hacia el primer humedal artificial en el cual se establecieron plantas de Phragmites australis, a una densidad inicial de dos 5

6 organismos por contenedor con una altura de 40 cm, definido en función de Romero (2005), los cuales se distribuyeron en toda la superficie del contenedor permitiendo que las aguas residuales fluyan a través del contenedor y a su salida se dirija a un segundo humedal artificial el cual contiene plantas de Typha domingensis, a una densidad inicial de cuatro organismos por contenedor con una altura 40 cm. El agua de la salida de este contenedor, se canaliza a un tercer humedal donde se establecieron plantas de las dos especies teniendo dos organismos de Typha y uno de Phragmites. El diseño de los humedales artificiales y su instalación, se presentan en la figura 2. Fosa séptica (SF) (SH 1) Humedal 1 Humedal 2 (SH 2) Humedal 3 (SH 3) Tubo de desagüe al pozo de absorción Figura 2. Diseño del sistema de tratamiento de los humedales horizontales artificiales instalados de forma secuencial y definición de los puntos de muestreo del agua. Evaluación de la capacidad de tratamiento de las aguas residuales del sistema. Con el objeto de evaluar la eficiencia de remoción de contaminantes, una vez instalados los humedales artificiales secuenciales las muestras fueron tomadas de la siguiente manera: Muestra de agua a la salida de la fosa séptica (SF) Muestra de agua a la salida del primer humedal (SH 1) Muestra de agua a la salida del segundo humedal (SH 2) Muestra de agua a la salida del tercer humedal (SH 3) Los análisis que se realizaron a las muestras de agua tomadas, fueron los mismos mencionados arriba. Cabe mencionar que para tener un control como referencia para la comparación de la remoción de los contaminantes de los muestreos posteriores, se decidió tomar una muestra (M1) en la que los contadores solo tenían sustrato y agua (antes de la colocación de las plantas). Las fechas en las que se llevaron a cabo los muestreos y plantación de los organismos, así como 6

7 también la estación y temporada correspondiente se indican en la tabla 2. Tabla 2. Fechas, temporada y estación en las que se llevo a cabo el muestreo y plantación de organismos MUESTREO FECHA TEMPORADA ESTACIÓN M1 (sustrato) Estiaje Otoño Plantación de organismos Estiaje Otoño M2 (sustrato y organismos) Estiaje Otoño M3 (sustrato y organismos) Estiaje Invierno M4 (sustrato y organismos) 15/02/06 Estiaje Invierno M5(sustrato y organismos) 28/02/06 Estiaje Invierno M6 (sustrato y organismos) 13/03/06 Estiaje Invierno M7 (sustrato y organismos) 29/03/06 Estiaje Primavera M8 (sustrato y organismos) 17/04/06 Estiaje Primavera M1 = Primer muestreo; M2 = Segundo muestreo y M3 = Tercer muestreo RESULTADOS La instalación hidráulica consiste en tres módulos para simular un humedal artificial horizontal, instalados de manera secuencial a los cuales se les canalizan las aguas residuales municipales provenientes de tratamiento primario a través de la instalación de conectores de PVC, las cuales cuentan con llaves de paso que nos permiten tener control del sistema. Además, es posible regular el tiempo de retención hidráulica, que en este caso fue de tres días, óptimos para la remoción de los contaminantes. El caudal que entra al sistema es de 4.01 m 3 x día (figura 3). Figura 3. Instalación hidráulica del sistema de humedales artificiales horizontales. Con respecto al comportamiento de las especies utilizadas, las plantas se adaptaron a las condiciones de sustrato utilizado en los diferentes módulos, así como a las aguas residuales que se enviaron a los mismos. Las plantas crecieron 7

8 de tal manera que hubo que aplicarles dos podas, ya que los nutrimentos contenidos en las aguas residuales, se utilizan para su crecimiento. Así que la poda fue benéfica para asegurar el crecimiento y por lo tanto, el tratamiento de las aguas residuales. Específicamente en el segundo humedal, se observó el mejor comportamiento de las plantas (Typha), ya que se incrementó el número de organismos en un 250%; la talla de los organismos también fue incrementada (Tabla 3). La especie Pragmites registró un menor crecimiento y fue donde se registró la única muerte de un organismo, aunque habría que recordar que fue en el módulo donde se encontraba combinado y quizás, se presentó una competencia por espacio con una planta mejor adaptada (Typha). Sin embargo, al final del último muestreo, la talla de los organismos fue mayor (Tabla 3). Tabla 3 Comportamiento de las especies utilizadas. MÓDULO ORGANISMOS INICIALES No. PRIMERO 2 Phragmites SEGUNDO TERCER Altura (cm) 40 cm 4 Typha 40 2 Typha 2 Phragmites cm 40 cm CARACTERÍSTICAS DE LOS ORGANISMOS ORGANISMOS MUERTOS CRECIMIENTO DE NUEVOS ORGANISMOS ORGANISMOS DESPUÉS DE CINCO MESES No. Altura (cm) Pragmites Phragmites 3 Typha 5 Typha 1 Pragmites 10 Thypha Una vez realizados los muestreos, los resultados obtenidos del análisis fisicoquímico y microbiológico, indican disminución de los contaminantes al paso del agua a través del sistema, teniendo remoción mayor en el último humedal que contiene una mezcla de ambas plantas. Los parámetros analizados en el agua residual, tales como sólidos sedimentables, suspendidos totales, fósforo, DQO y metales como Ar, Cr, Hg, Ni y Zn, no rebasan los limites máximos permisibles de la Norma Oficial Mexicana. Los coliformes se remueven en más del 80%; la DBO 5 en un 45% y las grasas y aceites en un 37 %. Sin embargo, las grasas y aceites, el nitrógeno, la DBO 5, los coliformes totales y fecales y el plomo, se encuentran por encima de los limites establecidos. Los metales pesados se remueven en diferentes porcentajes, aunque cabe recordar que no rebasan los límites establecidos en la norma, ya que el agua residual proviene de laboratorios que no utilizan estos metales como materia prima. En general se puede mencionar que la capacidad de depuración de aguas 8

9 residuales del sistema piloto instalado, aún no es satisfactoria. Sin embargo, cabe recordar que es un sistema recién instalado, y a pesar de ello, manifiesta buenas tendencias en la remoción de contaminantes del agua residual. Se requiere de un mayor tiempo para su estabilización CONCLUSIONES 1. El diseño e instalación de este tipo de sistemas de tratamiento en serie, permitió conocer de manera independiente la eficiencia de remoción de los contaminantes de cada humedal, además de observar el comportamiento de los organismos vegetales con los que cuentan. 2. En el primer módulo del humedal, se lleva a cabo un mayor porcentaje de remoción de los contaminantes, no obstante los parámetros como grasas y aceites, nitrógeno, plomo, coliformes totales y fecales, no cumplen con los límites máximos permisibles establecidos por la norma oficial mexicana. 3. El tiempo de adaptación y crecimiento de las plantas es indispensable para lograr una mayor eficiencia del sistema, ya que durante este proceso el porcentaje de remoción es bajo, comparado con los resultados obtenidos después de que las plantas se establecieron. 4. Las plantas establecidas en los humedales, soportaron periodos con un bajo volumen de aguas residuales, como en el caso de los periodos vacacionales de la UAEM, en donde la concentración de contaminantes disminuye considerablemente. 5. El agua residual utilizada provee de los nutrimentos necesarios a los organismos vegetales, viéndose reflejado en el crecimiento acelerado de nuevos organismos así como también en su altura, e indiscutiblemente, en la remoción alta de la carga orgánica del agua residual tratada. 6. Los compuestos tóxicos y organismos patógenos contenidos en el agua pueden ocasionar contaminación de suelos y toxicidad en las plantas afectando la cadena trófica que incluye al hombre. Por lo tanto el agua tratada bajo las condiciones de preestabilización del sistema, no es adecuada para el reuso en áreas verdes. AGRADECIMIENTOS Al Programa de gestión Ambiental Universitario de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos, por el financiamiento para la realización de este trabajo. BIBLIOGRAFIA Metcalf y Eddy Ingeniería de aguas residuales.tratamiento, vertido y 9

10 reutilización. Tomo 1. Mc Graw Hill. México D.F. 760 pp. (2) Diario Oficial de la Federación Diario Oficial de la Federación NOM-003-SEMARNAT-1997, que establece los límites máximos permisibles de contaminantes para las aguas residuales tratadas que se rehúsen en servios al público. Publicada el 14 de enero de Romero, M Propuesta para el tratamiento de las aguas residuales de la UAEM mediante humedales artificiales de flujo horizontal. Tesis de Licenciatura. Facultad de Ciencias Biológicas. Universidad Autónoma del Estado de Morelos. Cuernavaca, Mor. 26 pp Fenoglio, L Bases de un diseño para la construcción de un reactor biológico experimental basado en los sistemas de humedales artificiales de flujo vertical. Tesis de Licenciatura. Facultad de Química. Universidad Nacional Autónoma de México. México D.F. 96 pp. García, J Design factors of horizontal flow constructed wetlands. In: The Use of Aquatic Macrophytes for Wastewater Treatment in constructed Wetlands, 1 st International Seminar. Días, V. y Vymazal, J., Instituto Nacional da Agua, Lisboa, Portugal pp. Domínguez, A Evaluación de un sistema de tratamiento combinado de laguna y laguna con jacinto de agua en la depuración de aguas residuales. La Habana, Cuba. 10