Eliminación de materia orgánica disuelta y particulada en humedales construidos experimentales

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1 ENCUENTRO INTERNACIONAL EN FITODEPURACIÓN (Julio del 5, Lorca) INTERNATIONAL MEETING ON PHYTODEPURATION (July 5, Lorca, Murcia, Spain) TÍTULO DEL TRABAJO Eliminación de materia orgánica disuelta y particulada en humedales construidos experimentales NOMBRE DE AUTORES A. Caselles-Osorio y J. García NOMBRE Y DIRECCIÓN DE LAS INSTITUCIONES Departamento de Ingeniería Hidraúlica Marítima y Ambiental, Universidad Politécnica de Cataluña, c/ Jordi Girona 1-3, Módulo D-1, 834 Barcelona, España NÚMERO DE TELÉFONO, FAX Y Tfno: ; Fax: ; aracelly.caselles@upc.es 45

2 ENCUENTRO INTERNACIONAL EN FITODEPURACIÓN (Julio del 5, Lorca) INTERNATIONAL MEETING ON PHYTODEPURATION (July 5, Lorca, Murcia, Spain) RESUMEN Eliminación de materia orgánica disuelta y particulada en humedales construidos experimentales A. Caselles-Osorio y J. García Departamento de Ingeniería Hidraúlica Marítima y Ambiental, Universidad Politécnica de Catalunya. La influencia del tiempo de residencia hidráulico y la presencia/ausencia de sulfatos como aceptores de electrones en la eficiencia de eliminación de materia orgánica soluble y particulada fue estudiada en humedales construidos experimentales. Para el logro de este objetivo, dos humedales de flujo subsuperficial de.54 m 2 fueron monitoreados durante un período de 9 meses. Los resultados obtenidos sugieren que el tiempo de residencia hidráulico (3 y 6 días) no tuvo mayor efecto sobre la eficiencia del tratamiento. Sin embargo, en ausencia de sulfatos se lograron altas eficiencias de eliminación de materia orgánica, aunque no fueron estadísticamente diferentes para ambos tipos de sustratos. PALABRAS CLAVE: Humedales construidos, flujo subsuperfical, sulfatos, materia orgánica. Elimination of dissolved and particulate organic matter in experimental constructed wetlands ABSTRACT The influence of either the hydraulic residence time (HRT) either the presence/absence of sulphates as electron acceptor was investigated in order to asses the removal efficiency of particulate/soluble organic material in experimental subsurface constructed wetlands. For that aim, two experimental subsurface constructed wetlands of.54 m2 were monitored for a period of 9 months. The results obtained suggests that the hydraulic residence time (3 and 6 days) has no effect on treatment efficiency. However, the absence of sulphates leaded to higher organic matter removal efficiencies, although these were not statistically different for both types from substrates. KEYWORDS: Constructed wetlands, Subsurface flow, Sulphates, Organic matter, 1. INTRODUCCION Los humedales construidos de flujo subsuperficial horizontal son sistemas para el tratamiento de aguas residuales, constituidos por un lecho de grava y plantados con macrófitos. El agua pasa a través de la grava, las raíces y rizomas de las plantas donde ocurre la depuración mediante procesos microbiológicos, físicos y químicos. El flujo es subsuperficial debido a que el agua no está en contacto con la atmósfera (Kadlec, et al, ). Estos sistemas se diferencian de los sistemas tradicionales de tratamiento por que requieren grandes extensiones de tierra para su uso y una precisión en el diseño que permita la eliminación eficaz de los contaminantes (García, 4). El objetivo principal de los humedales es la eliminación de materia orgánica contenida en las aguas residuales, la cual puede ser una mezcla compleja de materia particulada y disuelta. Estudios en sistemas de tratamiento de aguas residuales convencionales han demostrado que el tamaño de partícula de la materia orgánica es muy importante en la eficiencia de eliminación (Levine, et al. 1991; Sophonsiri and Monguerroth, 4). La eliminación de los distintos compuestos orgánicos puede darse tanto por vía aeróbica como anaeróbica. La degradación aerobia es gobernada por bacterias heterótrofas aeróbicas y la degradación anaerobia por bacterias desnitrificantes, sulfatorreductoras y metanogénicas (Sanders et al, ; Kadlec and Knigth, 1996). En sistemas de humedales construidos algunos estudios han inferido sobre la cinética de eliminación de contaminantes respecto al tipo y tamaño de la partícula (Kadlec, 3) así como a la distribución de partícula en los humedales y su incidencia en los criterios de diseño (Tchobanoglous et al, 3). Sin embargo, aún, no hay información disponible sobre el efecto del tamaño de partículas y la composición química de la materia orgánica en la eficiencia de eliminación en humedales construidos. 46

3 ENCUENTRO INTERNACIONAL EN FITODEPURACIÓN (Julio del 5, Lorca) INTERNATIONAL MEETING ON PHYTODEPURATION (July 5, Lorca, Murcia, Spain) El presente estudio fue propuesto para analizar la incidencia del tamaño de la materia orgánica, la presencia o no de aceptores de electrones y el tiempo de residencia hidráulico sobre la eficiencia de eliminación de dos humedales experimentales trabajando con una misma carga orgánica superficial y bajo condiciones de laboratorio. 2. MATERIALES Y METODOS En el laboratorio fueron instalados dos contenedores plásticos de.28 m 3 de capacidad llenados con grava de D 6 = 3.5 mm y Cu=1.6 extraída de unos humedales de flujo subsuperficial situados en Las Franquesses del Vallès (Barcelona,-España). Se trabajó con un volumen nominal de agua de 62 L y se plantaron rizomas de Phragmites australis, las cuales contaron con un sistema de iluminación para asegurar su crecimiento. En el laboratorio se prepararon dos soluciones, una que contenía glucosa (C 6 H 12 O 6 ) y otra almidón (C 6 H 11 O 5 ) n con concentraciones similares a la carga orgánica promedio registrada en los humedales de las Las Franquesses (García et al, 4). Adicionalmente, se agregó nitrógeno (NH 4 Cl) y fósforo (KH 2 PO 4 ) para permitir el desarrollo del biofilm y las plantas. El estudio sobre la eficiencia de ambos humedales se realizó en cuatro fases de experimentación. En la 1ª fase, las soluciones fueron preparadas con un caudal de L/d de agua de grifo consiguiendo un tiempo de residencia hidráulico (TRH) de 3 días. En la 2ª fase, las soluciones fueron preparadas en un caudal de 1 L/d de agua de grifo, modificando el TRH a 6 días. Con el propósito de analizar el proceso de eliminación de materia orgánica en ausencia de sulfatos, en la 3ª y 4ª fases, las soluciones fueron preparadas en agua destilada manteniendo los 6 y 3 días de TRH respectivamente. Durante el período de experimentación se hicieron análisis de afluentes y efluentes de: Demanda Química de Oxigeno (DQO), amonio (NH4+), sulfatos (SO 4 = ), oxígeno disuelto y temperatura. Todos los parámetros fueron registrados siguiendo las indicaciones del APHA-AWWA-WPCF (1995). A través del programa estadístico SAS-V8 se analizó la influencia del tipo de materia orgánica en la eliminación de DQO y NH 4 -N, así como la incidencia del TRH y la presencia o no de sulfatos mediante pruebas de ANOVA de una y dos vías. 3. RESULTADOS En la Tabla 1 aparecen las principales características físicas y químicas de afluentes y efluentes obtenidos durante abril y diciembre/4. La turbiedad en los afluentes del almidón fue mayor, dada la presencia de partículas. En la fase I la eliminación de DQO fue similar para ambos humedales, durante las fases II y III el humedal alimentado con almidón presentó valores más bajos, pero en la fase IV el comportamiento fue igual al de la glucosa (Figura 1). La eliminación de amonio fue generalmente baja en los humedales (Figura. 2). En las fases III y IV el humedal alimentado con glucosa presentó mayor eliminación con respecto al almidón. En la Tabla 2 se muestran los promedios de la eficiencia de eliminación de DQO, NH 4 -N y SO = 4. En las fases III y IV se presentan las mayores eliminaciones de DQO para ambos humedales. El humedal alimentado con glucosa presentó promedios de eliminación de amonio relativamente altos. La eficiencia en la eliminación de sulfatos alcanzó el 7% y fue similar en los dos humedales. La eliminación de DQO depende del efecto conjunto del tipo de substrato, TRH y la presencia o no de sulfatos, puesto que existen interacciones entre estos factores (Tabla 3). Comparando 47

4 ENCUENTRO INTERNACIONAL EN FITODEPURACIÓN (Julio del 5, Lorca) INTERNATIONAL MEETING ON PHYTODEPURATION (July 5, Lorca, Murcia, Spain) la influencia del TRH y la presencia o no de sulfatos se encuentra que solo hay diferencias significativas en la fase I (Figura 3). La eliminación de DQO fue mayor para la glucosa, pero muy similar al almidón en las restantes fases de experimentación. La eliminación de DQO para TRH de 3 y 6 días, en ausencia de sulfatos, está alrededor del 93% para ambos substratos, mientras que en presencia de sulfatos es aproximadamente del 81% (Figura 5). En la fase II se encontraron diferencias significativas en la eliminación de amonio entre glucosa y almidón. En ausencia de sulfatos y con un TRH de 3 días (fase IV) la eliminación de amonio fue mayor para la glucosa que para el almidón (Figura 5). En presencia de sulfatos la eficiencia de eliminación de amonio es mucho más pequeña para un TRH de 3 días en los dos sustratos. Para ese mismo TRH la glucosa y el almidón se comportaron diferentemente según si hubo o no sulfatos. 4. DISCUSION La eficiencia de eliminación de materia orgánica en los humedales experimentales fue similar para materia orgánica disuelta y particulada con eficiencias superiores al 9%. Este comportamiento es contrario al registrado en sistemas convencionales de tratamiento de aguas residuales donde el tamaño de partícula de la materia orgánica a depurar, es un factor importante en términos de rendimiento (Särner, 1981, Sophonsiri and Mongenroth, 4). Sin embargo, en sistemas de humedales construidos aunque no existe suficiente información sobre este comportamiento, el efecto del tamaño de las partículas sobre la eficiencia de eliminación, está influenciado por la existencia de un medio granular donde los procesos de filtración y retención de materia en suspensión pueden alcanzar el 9% de eficiencia (Kadlec, et al, ). Diversos estudios sobre la acumulación de materia orgánica en humedales construidos de flujo subsuperfical han demostrado que las tasas de acumulación de partículas son más altas durante la primera fase de operación de estos sistemas que en años subsiguientes de explotación (Tanner et al 1998; Kadlec, et al, ). Este fenómeno podría explicar en parte el comportamiento de los humedales experimentales ya que la mayor parte de las partículas de almidón que entran al humedal quedan retenidas en las primeras secciones del mismo y se van hidrolizando a diferentes tasas. El almidón es un polisacárido cuyo tamaño de partícula oscila entre 2 y 15 micras (Sander et al, ) y se comporta como materia orgánica sedimentable quedándose retenido en el lecho granular. obstante, es fácilmente hidrolizable y usado como fuente de carbono por las bacterias. Sanders et al, () verificaron que bajo condiciones anaeróbicas y valores constantes de ph y temperatura, las tasas de hidrólisis del almidón son de.4g/m 2.h para diversos tamaños de partículas de almidón. Así, las pocas diferencias encontradas con la glucosa podrían sustentarse en estas altas tasas de degradación del almidón. Basados en las relaciones estequiométricas teóricas de las principales vías de degradación de la materia orgánica y de acuerdo con las diferencias en las concentraciones de materia orgánica en afluentes y efluentes, se encontró que la eliminación pudo estar marcada por rutas anaerobias como la metanogénesis y la sulfatorreducción. En sistemas convencionales y en humedales construidos, se ha demostrado que hay una competencia entre bacterias sulfatorreductoras y methanogénicas ya que existen preferencias por productos intermedios como el acetato (Harada et el al, 1994; Baptista et al, 3). Cuando existen condiciones de concentraciones límites de sulfatos, como en el caso de las fases III y IV de experimentación, el índice de crecimiento de bacterias metanogénicas podría incrementar considerablemente (Hidalgo y García, 1). 48

5 ENCUENTRO INTERNACIONAL EN FITODEPURACIÓN (Julio del 5, Lorca) INTERNATIONAL MEETING ON PHYTODEPURATION (July 5, Lorca, Murcia, Spain) En oposición a las altas eficiencias de eliminación encontradas para DQO, la eliminación de amonio no superó el 6%. Reddy y Angelo, (1997) sugieren que una mayor eliminación de nitrógeno en forma de nitrato puede estar influenciado por la cantidad de carbono soluble y la presencia de aceptores de electrones en suelos de humedales. Así, las bajas eficiencias de eliminación de amonio en las fases III y IV, podrían estar relacionadas con este hecho. De otra parte, Figueroa y Silverstein (1992) demostraron que la materia orgánica total de afluentes (disuelta y particulada) es un buen indicador de los procesos de nitrificación, más que la concentración de materia orgánica soluble aislada. Este comportamiento parece estar relacionado con los bajos valores de eliminación de amonio registrados tanto para glucosa como para almidón analizados por separado. De acuerdo con los resultados de esta investigación, no existen muchas diferencias en la eliminación de materia orgánica disuelta y particulada cuando se comparan TRH de 3 y 6 días, razón por la que se podría sugerir diseñar humedales con TRH de 3 días, tiempo durante el cual se conseguiría un tratamiento adecuado de aguas residuales domésticas a través de estos sistemas. 5. AGRADECIMIENTOS Los resultados de este estudio fueron obtenidos en la Sección Técnica del Laboratorio de Ingeniería Sanitaria y Ambiental de la Universidad Politécnica de Cataluña con el apoyo del Ministerio de Ciencia y Tecnología de España a través del proyecto de investigación REN Se agradece la colaboración de las estudiantes Angélica Corzo y Emma Segú. La autora agradece a la universidad del Atlántico (Colombia) por conceder la comisión de estudios para realizar el programa de doctorado en España. 6. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS APHA-AWWA-WPCF Standard methods for the examination of water and wastewater, 19 th ed. Washington, DC. Batista, J.D.C, T. Donnelly, D. Rayne and R.J. Davenport. 3. Microbial mechanisms of carbon removal in subsurface flow wetlands. Wat. Sci. Tech., 48 (5), Figueroa. L. A. and J. Silverstein The effect of particulate organic matter on biofilm nitrification. Wat. Env. Res. 64 (5) García, J. 4. Humedales construidos para controlar la contaminación: perspectiva sobre una tecnología en expansión. En: nuevos criterios para el diseño y operación de humedales construidos. Eds. J. García, J. Moratò. J. M Bayona. Universidad Politécnica de Catalunya. Barcelona, España. García, J, Aguirre, P., Mujeriego, R., Huang, Y., L. Ortiz, and Josep M. Bayona. 4. Initial contaminant removal performance factors in horizontal flow reed beds used for treating urban wastewater. Wat Res, 38 (7), Harada, H.,S. Eumura and K. Momonoi Interaction between sulfate-reducing bacteria and methane-producing bacteria in UASB reactors fed with low strength wastes containing different levels of sulfate. Wat Res. 28 (2) Hidalgo, M.D. y P.A. García Encina.1.Influencia del sulfato en la degradación anaerobia de materia orgánica. Rev Ing. Química. 383 Universidad de Valladolid (España) Kadlec, R.H and R. L. Knight Treatment wetlands. Boca Ra, FL. USA: Lewis, CRC Press. Kadlec, R. H., L. R. Knight., J. Vymazal., H. Brix., P. Cooper. and R. Haberl.. Constructed wetland for pollution control: processes, performance, design and operation. IWA specialist group on use of macrophytes in Water Pollution Control, IWA publishing 155. Kadlec, R. 3. Effects of pollutant speciation in treatment wetlands design. Ecol. Eng.,

6 ENCUENTRO INTERNACIONAL EN FITODEPURACIÓN (Julio del 5, Lorca) INTERNATIONAL MEETING ON PHYTODEPURATION (July 5, Lorca, Murcia, Spain) Levine, A. D., G. Tchobanoglous and T. Asano Size distributions of particulate contaminants in wastewater and their impact on treatability. Wat. Res. 25 (8) Reddy. K.R. and E.M.Angelo, Biochemical indicators to evaluate pollutant removal efficiency in constructed wetlands. Wat Sci. Tech 35 (5) 1-1. Sanders, W.T.M, M. Geerink, G. Zeeman and G. Lettinga.. Anaerobic hydrolysis kinetics of particulate substrates. Wat. Sci. Tech. 41 (3), Särner, E Removal of dissolved and particulate organic matter in hige-rate trickling filters. Wat Res. (15) Sphonsiri, Ch. and E. Mongenroth. 4. Chemical composition associated with different particle size fraction in municipal, industrial, and agricultural wastewater. Chemosphere 55, Tanner, C.C., J. P.S. Sukias and M. P. Upsdell Organic matter accumulation during maturation of gravel-bed constructed wetlands treating farm dairy wastewaters. Wat. Res. 32 (1) p. Tchobanoglous, G. (3). Preliminary treatment in constructed wetlands. 1 st International Seminar on the Use of Aquatic Macrophytes for Wastewater Treatment in Constructed Wetlands. Lisboa, TABLAS Y FIGURAS Tabla 1. Promedio de las principales propiedades físicas y químicas de afluentes y efluentes en los humedales experimentales Oxígeno Disuelto Turbiedad Temperatura del agua (ºC) Parámetros (mg/l) (UNT) Glucosa Glucosa Glucosa Afl Efl Inf Eff Afl Efl Afl Efl I 7 (.7) 8 (.7).4 (.1).8 (.4) 12 (.8).9 (.2) 21 (2) 21 (2) II 6 (.7) 8 (1).8 (.5).5 (.2) 26 (2).8 (.4) 25 (.6) 25 (.6) III 7 (.4) 9 (.5).4 (.1).5 (.1) 24 (3).6 (.3) 22 (1.7) 22 (1.7) IV 9 (.5) 1 9 (.4) 1.2 (.1).8 (.3) 14 (1) 1. (.7) 19 (.8) 19 (.8) Las desviaciones estándar aparecen entre paréntesis Tabla 2. Promedios de afluentes y efluentes y eficiencias de eliminación de DQO, NH 4 -N y SO = 4 para los humedales en todas las fases experimentales. Fase Afl. DQO (mg/l) Efl. DQO (mg/l) Eficiencia de Eliminación (%) Afl NH 4 -N (mg/l) Efl NH 4 -N (mg/l) Eficiencia de Eliminación (%) Afl SO 4 (mg/l) Efl SO 4 (mg/l) Eficiencia de Eliminación (%) Glucosa I (1) (1) (3) II (38) (19) (2.7) III (74) (22) (5.4) IV (5) () (1.1) I (17) (17) (2.6) II (42) (18) (2.9) III (83) (13) (2.) IV (27) () (1.2) Las desviaciones estándar aparecen en paréntesis (1.6) 1. (1.9) 11.7 (2.5) 7.6 (1.6) 7.6 (1.8) 1.9 (2.5) 14.2 (2.9) 1.5 (2.1) (28) (36) (28) (32) 48 (29) 4 (25) 52 (32) 5 (22) Tabla 3. Resultados del análisis de varianza (ANOVA) sobre el efecto de los factores y sus interacciones sobre la eficiencia de eliminación de DQO y NH 4 Substrate HRT SO 4 Substrate*HRT Substrate*SO 4 HRT*SO 4 Substrate*HRT*SO 4 COD NH

7 ENCUENTRO INTERNACIONAL EN FITODEPURACIÓN (Julio del 5, Lorca) INTERNATIONAL MEETING ON PHYTODEPURATION (July 5, Lorca, Murcia, Spain) 9 Fase I Fase II Fase III Fase IV Glucosa 75 DQO mg/l Tiempo, días Figura 1. Comportamiento de las concentraciones de DQO en los efluentes de ambos humedales en todas las fases experimentales 24 Fase I Fase II Fase III Fase IV Glucosa 16 NH 4 -N mg/l Tiempo, días Figura 2. Comportamiento de las concentraciones de NH 4 -N en los efluentes de ambos humedales en todas las fases experimentales Glucosa 1 Eficiencia eliminación DQO (%) Sí Presencia SO = 4 Tiempo, días 3 Figura 3. Eficiencia de eliminación de DQO en los humedales en todas las fases experimentales 51

8 ENCUENTRO INTERNACIONAL EN FITODEPURACIÓN (Julio del 5, Lorca) INTERNATIONAL MEETING ON PHYTODEPURATION (July 5, Lorca, Murcia, Spain) Glucosa 1 Eficiencia eliminación NH 4 -N (%) Sí Presencia SO = 4 Tiempo, días 3 Figura 4. Eficiencia de eliminación de NH 4 -N en los humedales en todas las fases experimentales Eficiencia eliminación DQO (%) Eficiencia eliminación NH 4 -N (%) TRH=3 TRH=6 SÍ TRH=3 TRH= 6 Glucosa SÍ Efficiencia eliminación DQO (%) Eficiencia eliminación NH 4 -N (%) TRH= 3 TRH= 6 SÍ TRH=3 TRH=6 SÍ Presencia SO = 4 Presencia SO = 4 Figure 5. Influencia de SO = 4 y el TRH en la eficiencia de eliminación de DQO y NH 4 -N en los dos humedales 52