Capítulo 7. Resultados y discusión
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- Amparo Vázquez Soto
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1 Capítulo 7. Resultados y discusión
2 7. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 7.1 Datos entrada A continuación se realiza el análisis de las variables medidas en sitio, para el lixiviado sintético de entrada a cada uno de los humedales, teniendo en cuenta los dos niveles para el factor tipo de carga de lixiviado sintético, las cuales son carga uno () y cargas dos () Figura 19. ph Figura 21. Oxígeno disuelto Figura 20. Temperatura Figura 22. Conductividad eléctrica En las graficas anteriores se muestran los resultados obtenidos para las mediciones en sitio de ph, temperatura, oxígeno disuelto y conductividad eléctrica, para el lixiviado sintético con el que se alimentaban los humedales de cada línea de tratamiento. El comportamiento de la temperatura de entrada no presentó grandes cambios entre el tipo de carga de lixiviado, debido a que el rango de valores es similar en los dos casos, la cual se reflejaba en la temperatura del sitio de investigación. En cuanto al oxigeno disuelto para las cargas 1 y 2 de lixiviado se observa que en ambos casos es similar, esto debido a que la preparación del lixiviado se realizaba de la misma manera y bajo las mismas condiciones de agitación. En el caso de la conductividad eléctrica se observa que para las cargas 1 y 2 el comportamiento es similar, estos valores se ven influenciados por la cantidad de sólidos totales disueltos en forma de sal, al adicionar contenidos de metales 7. Resultados y Discusión 64
3 pesados. Para el ph en las dos cargas de lixiviado su comportamiento es similar en ambos casos tomando un rango de valores de 3.1 a 6.7, (Ver Figura 19 a Figura 22 ). 500,0 450,0 400,0 350,0 300,0 250,0 200,0 150,0 100,0 50,0 0,0 T1_M T1_J T2_M T2_J T3_M T3_J T4_M T4_J T5_M T5_J T6_M T6_J T7_M T7_J T8_M Figura 23. Potencial redox entrada líneas de tratamiento En la Figura 23 se observa el comportamiento del potencial redox en la entrada, el cual varía entre 8.7 y Se observa un comportamiento similar en las dos cargas de lixiviado sintético, las cuales presentan un valor mínimo en la cuarta semana del experimento, correspondiente al 20 de octubre del En la ultima semana del experimento el comportamiento del redox en la entrada disminuye, se observa que se representaba un sistema aerobio debido a que su redox es siempre positivo. Los resultados mostrados anteriormente, para las entradas de las líneas de tratamiento 1 y 2, son acordes al proceso llevado a cabo en la preparación del lixiviado sintético que se describe en el numeral Datos salida e intermedio En este numeral se analizan los parámetros medidos en sitio para la salida y punto intermedio de los humedales y se comparan con los medidos en la entrada. La nomenclatura empleada en abscisa de las gráficas indica la semana y el día de medición. Siendo T1 Semana 1, T2 Semana 2, T3 Semana 3, T4 Semana 4, T5 Semana 5, T6 Semana 6, T7 Semana 7, T8 Semana 8, M Martes, Mi Miércoles, J Jueves, V Viernes. 7. Resultados y Discusión 65
4 7.2.1 ph Con Planta 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 Entrada Intermedio Salida 9,0 9,0 8,0 8,0 7,0 7,0 6,0 6,0 5,0 5,0 4,0 4,0 3,0 3,0 2,0 2,0 7,0 9,0 9,0 Sin Planta 6,0 5,0 4,0 3,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 2,0 2,0 - SP - SP - SP - SP - SP - SP Figura 24. ph entrada, intermedio y salida. En la Figura 24 se muestran los resultados para el ph, medido en los puntos de salida, intermedio y entrada. Se observa que para los reactores con planta y sin planta en las cargas 1 y 2 de lixiviado, los ph de la entrada tienden a ser por lo general ácidos y para la salida y el intermedio reportan valores superiores a 7. Los valores de ph registrados en las unidades plantadas fueron muy similares a lo largo de todo el periodo experimental a los valores de ph registrados en las unidades sin planta. Comparando los datos de la entrada con los de la salida y el punto intermedio estos últimos son mayores, estas diferencias de ph podrían interpretarse como una reacción al estado redox y asociado a variaciones en los procesos de eliminación, así como a los cambios en el transporte de CO2 de la rizosfera y el consumo de nitrato. (Wiessner, A., et al, 2005). El valor de ph en la salida del sistema y en el punto intermedio estuvieron por encima del neutro; el rango encontrado en las unidades estuvo en promedio entre 7,1 8,3, lo que permite que el proceso de nitrificación se dé, ya que el rango más posible de ph para la acción de las bacterias nitrificantes es 7,5-8,6 (Metcalf & Eddy, 1995). 7. Resultados y Discusión 66
5 7.2.2 Oxígeno disuelto 6,0 Entrada Intermedio Salida 6,0 6,0 5,0 5,0 5,0 4,0 4,0 4,0 Con Planta 3,0 2,0 1,0 3,0 2,0 1,0 3,0 2,0 1,0 0,0 0,0 0,0 5,5 6,0 6,0 5 5,0 5,0 Sin Planta 4,5 4 3,5 3 2,5 4,0 3,0 2,0 1,0 4,0 3,0 2,0 1,0 2 0,0 0,0 - SP - SP - SP - SP - SP - SP Figura 25. OD entrada, intermedio y salida. El comportamiento del oxigeno disuelto en la entrada, punto intermedio y salida se observa en la Figura 25, se muestra que los valores del oxigeno disuelto para la entrada son superiores que en la salida para las dos cargas de lixiviado, Se puede observar que en la zona intermedia y en la salida el oxigeno disuelto disminuye en las dos cargas de lixiviado sintético comparado con el oxigeno disuelto en la entrada. Esta condición en principio podría deberse a los procesos aerobios de depuración llevado a cabo en las raíces de la planta, en donde las bacterias consumen el oxígeno por el metabolismo aerobio que realizan en la biodegradación de los contaminantes, dicha disminución gradual estaría indicando el progreso en la oxidación de la materia orgánica. (Aznar, A. 2012). Las concentraciones de OD encontradas en este estudio son bajas y están dentro del rango típico de valores encontrados en efluentes (<2,0 mg/l) (Masbough et al, 2005; Montoya, J., et al., 2010), esto en los humedales construidos debido a la saturación e inundación del suelo presentan características de déficit o ausencia de oxígeno con predominio de condiciones anaerobias, por lo cual las concentraciones de oxígeno disuelto son muy bajas en los efluentes. (García, J., Corzo, A., 2008) 7. Resultados y Discusión 67
6 7.2.3 Temperatura Con Planta 31,0 30,0 29,0 28,0 27,0 26,0 25,0 24,0 23,0 22,0 21,0 20,0 19,0 18,0 Entrada Intermedio Salida 31,0 30,0 29,0 28,0 27,0 26,0 25,0 24,0 23,0 22,0 21,0 20,0 19,0 18,0 31,0 30,0 29,0 28,0 27,0 26,0 25,0 24,0 23,0 22,0 21,0 20,0 19,0 18,0 Sin Planta ,0 30,0 29,0 28,0 27,0 26,0 25,0 24,0 23,0 22,0 21,0 20,0 19,0 18,0 31,0 30,0 29,0 28,0 27,0 26,0 25,0 24,0 23,0 22,0 21,0 20,0 19,0 18,0 - SP - SP - SP - SP - SP Figura 26. Temperatura entrada, intermedio y salida. - SP En la Figura 26 se muestran los resultados para la temperatura, medido en los puntos de salida, intermedio y entrada. Respecto al comportamiento de la temperatura se observa que no hay diferencias entre el tipo de carga debido a que presentan valores similares tanto con planta y sin planta durante los dos meses de experimentación, se observa que a partir de la tercera semana los niveles de temperatura son superiores en la salida comparado con la entrada tanto en las plantas y sin planta (Figura 26). Además el cambio observado en la zona intermedia es más debido a la diferencia del día en la cual se midió la temperatura en esta zona y varía aproximadamente entre 22 y 26 grados. Esto puede explicarse teniendo en cuenta que se están llevando a cabo procesos de oxidación que se ven favorecidos con el aumento de temperatura. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la velocidad con la que los microorganismos degradan la materia orgánica. El rango de la temperatura es adecuado para la remoción eficiente de materia orgánica. (Montoya, J., et al., 2010) 7. Resultados y Discusión 68
7 7.2.4 Conductividad Con Planta Entrada Intermedio Salida 2000,0 2000,0 1800,0 1800,0 1600,0 1600,0 1400,0 1400,0 1200,0 1200,0 1000,0 1000,0 800,0 800,0 600,0 600,0 T1_M T2_M T3_M T4_M T5_M T6_M T7_M T8_M 2000,0 1800,0 1600,0 1400,0 1200,0 1000,0 800,0 600,0 Sin Planta ,0 1800,0 1600,0 1400,0 1200,0 1000,0 800,0 600,0 2000,0 1800,0 1600,0 1400,0 1200,0 1000,0 800,0 600,0 - SP - SP - SP - SP - SP Figura 27. Conductividad entrada, intermedio y salida. - SP En la Figura 27 se muestran los resultados para la conductividad eléctrica, medido en los puntos de salida, intermedio y entrada. Para la conductividad eléctrica de las unidades correspondientes a la carga 1 y 2 se muestra una disminución en los niveles en la salida y la zona intermedia respecto a los reportados para la entrada. En los reactores sin planta se observa una disminución de la conductividad eléctrica en la salida para las dos cargas de lixiviado. El punto intermedio presenta un comportamiento similar a la salida (Figura 27). Siendo la conductividad una medida indirecta de los sólidos y sales disueltas, los datos obtenidos indican que hay una disminución de estas por los procesos del humedal Potencial de oxido - Reducción El comportamiento del redox en las tres plantas en estudio, en promedio mostró que en la salida se reportaron valores negativos en todo el periodo de estudio disminuyendo hasta las semana 7 y en la 8 se presenta un aumento para los tres tipos de cargas las cuales presentan valores similares durante todo el periodo. En el caso de sin planta se observa un comportamiento similar en las dos cargas, por lo tanto la salida siempre representa un sistema anaeróbico (Figura 5.7). En la zona intermedia se puede observar que prevalecieron las condiciones anaerobias durante 7. Resultados y Discusión 69
8 todo el periodo de tiempo observado. Este comportamiento esta basado en que en los humedales se presenta tanto zonas aerobias como anaerobias, indicando que en este caso prevalecieron las condiciones anaerobias tanto para el punto intermedio como para la salida del humedal. 450,0 Entrada Intermedio Salida 450,0 450,0 250,0 250,0 250,0 Con Planta 50,0-150,0-350,0 50,0-150,0-350,0 50,0-150,0-350,0-550,0-550,0-550, ,0 450, ,0 250,0 Sin Planta ,0-150,0-350,0 50,0-150,0-350, ,0-550,0 - SP - SP - SP - SP - SP - SP Figura 28. Potencial redox, intermedio y salida. 7.3 Variables respuesta A continuación se muestra el análisis exploratorio de datos para los metales pesados y los nutrientes pertenecientes al grupo de variables respuestas del estudio. Se calcula el porcentaje de eliminación ya sea de metales pesados o nutrientes para su observación temporal y evaluación de factores. Para la evaluación de la eficiencia de remoción en relación al tipo de humedal construido y al nivel de carga de metales pesados se hace uso de modelos mixtos Metales pesados Primero se iniciara con la caracterización de la entrada (lixiviado sintético) con el cual fueron regadas las unidades experimentales durante los dos meses de experimentación. 7. Resultados y Discusión 70
9 Tabla 16. Datos entrada Metales Pesados. Metal Carga Promedio Mínimo Máximo cromo Cadmio 86,33 11,62 139,5 253,6 240,4 271,3 Plomo 283, ,5 593,9 33, Mercurio 60,37 21,98 131,18 71,55 11,85 122,33 Para el contenido de metales pesados se diferencio por el tipo de carga de lixiviado, debido a que la carga 2 debía corresponder a 1.5 veces la concentración promedio, es decir 1.5 veces la carga 1. En la Tabla 16 se observan los datos de entada para los cuatro metales pesados en estudio, se observa que las mezclas realizadas no fueron homogéneas durante el periodo de estudio. En el caso del mercurio, se observa que la concentración promedio de la carga 2 esta muy por de bajo de la carga 1, además las concentraciones mínima y máxima son inferior a las reportadas en la carga. Algo similar ocurre para el plomo debido a que la concentración mínima se observa en la carga 2 y no en la carga 1, aunque la concentración promedio de la carga 2 es superior que la carga 1. En los análisis estadísticos realizados para estos datos, se puede ver que para ninguno de los metales pesados se cumple el supuesto de esfericidad dado que todos sus valores p se encuentran por debajo del nivel de significancia del 5%. Por lo tanto se procede a la construcción de los modelos de coeficientes aleatorios Plomo Caña Brava 2 - R1 - CB - R2 - CB 2 - R1 - CB - R2 - CB Figura 29. Comportamiento del porcentaje de remoción del Plomo. 7. Resultados y Discusión 71
10 Heliconia H - R1 - H - R H - R1 - H - R2 Oreja de Burro OB - R1 - OB - R OB - R1 - OB - R Sin Planta 2 - SP - R1 - SP - R2 2 - SP - R1 - SP - R2 Figura 29. Comportamiento del porcentaje de remoción del Plomo. (Cont.) En la Figura 29 se muestran los datos obtenidos para la eliminación de plomo en los humedales para los tres tipos de planta y sin planta para las dos cargas de lixiviado ( y ). Inicialmente se explora el comportamiento del plomo en las semanas de estudio en estas se observa que el porcentaje de remoción para el plomo no presenta grandes diferencias debido a la carga de metales pesados y al tipo de planta usada para la construcción del humedal. En la semana 5 se presenta el menor porcentaje de remoción en 7 tratamientos, exceptuando a la heliconia en la carga 1 quien presenta el menor porcentaje de remoción en la semana 3 en la carga promedio de metales pesados Ajuste del porcentaje de remoción del plomo Se emplea una estructura homogénea ya que es la estructura de covarianza general usada en los modelos tradicionales. 7. Resultados y Discusión 72
11 Tabla 17. Evaluación del porcentaje de remoción del plomo. Efecto num. df den. df F-valor P-valor carga 1 21,8 0,51 0,4817 planta 3 21,8 0,18 0,9119 tiempo ,22 0,6392 carga - planta 3 21,8 0,16 0,9218 Tiempo - carga ,1 0,749 tiempo - planta ,19 0,9021 tiempo - carga - planta ,18 0,9025 En la Tabla 17 se observa la significancia del efecto del tipo de planta, el tiempo y la carga de lixiviado sintético además de las interacciones entre estos; se consideran significantes aquellas con un P-valor inferior al 5%, por consiguiente ninguno de estos efectos es estadísticamente significativo, es decir que la remoción de plomo en el humedal construido es independiente del tipo de planta, de la carga de lixiviado y del tiempo en el que se mida Cadmio Para el cadmio se observa que en la carga 1 de metales pesados en las cuatro plantas el porcentaje de remoción de las dos replicas difiere durante las tres primeras observaciones, en la semana 3 es donde se observa el menor porcentaje de remoción para el cadmio. En la carga 2 de metales pesados, para las cuatro plantas durante las cinco mediciones los porcentajes de remoción son superiores al 9, el menor valor de remoción se observa en la semana 5 en todas las replicas ( Error! No se encuentra el origen de la referencia.). Caña Brava R1 - CB - R2 - CB R1 - CB - R2 - CB Heliconia H - R1 - H - R2 - Figura 30. Comportamiento del porcentaje de remoción del Cadmio H - R1 - H - R2 7. Resultados y Discusión 73
12 10 1 Oreja de Burro OB - R1 - OB - R2 0,8 0,6 0,4 0,2 0 - OB - R1 - OB - R Sin Planta 2 - SP - R1 - SP - R2 2 - SP - R1 - SP - R2 Figura 30. Comportamiento del porcentaje de remoción del Cadmio. (Cont.) Ajuste del porcentaje de remoción del cadmio En la Tabla 18 se puede ver que ni el tipo de carga de lixiviado, ni el tipo de planta ni el tiempo de medición son estadísticamente significativos para la remoción de cadmio en el humedal y por tanto el porcentaje de remoción puede deberse a factores implícitos en el humedal. Tabla 18. Evaluación del porcentaje de remoción del cadmio. Efecto num. df den. df F-valor P-valor carga 1 45,5 2,63 0,1119 planta 3 45,5 0,04 0,9884 tiempo ,03 0,3155 carga - planta 3 45,5 0,02 0,9969 Tiempo - carga ,63 0,2064 tiempo - planta ,04 0,9873 tiempo - carga - planta ,02 0, Cromo El porcentaje de remoción del cromo no parece variar según el tipo de carga de metales pesados ni por el tipo de planta, todos los porcentajes de remoción son superiores al 90 %, exceptuando a la caña brava en la semana 3 en la carga 1 que reportó un porcentaje del 75.67% (Figura 31) 7. Resultados y Discusión 74
13 Sin Planta Oreja de Burro Heliconia Caña Brava R1 - CB - R2 - CB H - R1 - H - R2 - - OB - R1 - OB - R2 - SP - R1 - SP - R2 Figura 31. Comportamiento del porcentaje de remoción del Cromo ,8 0,6 0,4 0, R1 - CB - R2 - CB - H - R1 - H - R2 - OB - R1 - OB - R2 - SP - R1 - SP - R Ajuste del porcentaje de remoción del cromo El ajuste del modelo para el porcentaje de remoción del cromo es un poco más complejo dado que además de no cumplirse el supuesto de esfericidad las estimaciones por máxima verosimilitud restringida (REML) usadas en los modelos ajustados tiene problemas de convergencia, lo que suele suceder cuando las estimaciones no se encuentran en el espacio paramétrico del REML. Por tanto en el caso del cromo se ha usado el método de máxima verosimilitud (ML) para la estimación de parámetros cuyas estimaciones pese a ser sesgadas pueden dar información suficiente para saber si algún efecto es o no significativo. 7. Resultados y Discusión 75
14 Tabla 19. Evaluación del porcentaje de remoción del cromo. Efecto num. df den. df F-valor P-valor carga ,14 0,7057 planta ,13 0,9413 tiempo ,02 0,8939 carga - planta ,23 0,875 Tiempo - carga ,07 0,7985 tiempo - planta ,01 0,9981 tiempo - carga - planta ,02 0,9954 En la Tabla 19 se observa el modelo ajustado para el porcentaje de remoción de cromo, en este caso ninguno de los tres factores en estudio (carga, tipo de planta y tiempo) tampoco resultan ser significativas ni las interacciones entre estas. Es de notar que pese a este comportamiento el cromo presenta porcentajes de remoción superiores al 70 % Mercurio En la Figura 32 se muestra el porcentaje de remoción para el mercurio, se observa que dicho porcentaje en la carga 1 de metales pesados tienden a disminuir en la ultima medición comparada con las semanas anteriores las cuales presentan porcentajes de remoción superiores al 9 y para la carga 2 el porcentaje mínimo de remoción se logra en la primera semana, a partir de ahí el porcentaje de remoción en las cuatro semanas siguientes de medición es superior al Caña Brava R1 - CB - R2 - CB R1 - CB - R2 - CB 8 8 Heliconia 2 2 H - R1 - H - R2 - - H - R1 - H - R2 Figura 32. Comportamiento del porcentaje de remoción del Mercurio. 7. Resultados y Discusión 76
15 10 10 Oreja de Burro OB - R1 - OB - R OB - R1 - OB - R2 8 8 Sin Planta 2 - SP - R1 - SP - R2 Figura 32. Comportamiento del porcentaje de remoción del Mercurio. (Cont.) 2 - SP - R1 - SP - R Ajuste del porcentaje de remoción del Mercurio. En la Tabla 20 se observa que la especie de planta no tiene efecto estadísticamente significativo en el porcentaje de remoción de mercurio sin embargo la interacción tiempo y carga de lixiviado si la tiene, lo que significa que los porcentajes de remoción del mercurio cambian entre las dos cargas de lixiviado a través del tiempo. Tabla 20. Evaluación del porcentaje de remoción del Mercurio. Efecto num. df den. df F-valor P-valor carga 1 22,6 15,12 0,0008 planta 3 22,6 0,34 0,7961 tiempo 1 33,8 0,7 0,4084 carga - planta 3 22,6 0,49 0,6923 Tiempo - carga 1 33,8 16,66 0,0003 tiempo - planta 3 33,8 0,24 0,8710 tiempo - carga - planta 3 33,8 0,51 0,6760 En la Tabla 20 se observa que una mayor carga de lixiviado es inicialmente mas difícil de asimilar para los humedales, dado que el porcentaje de remoción de mercurio es más bajo en los primeros tiempos comparado con la carga promedio de lixiviado; esta situación se refleja en el ajuste del modelo para el mercurio pues en la solución de efectos fijos se observa que la interacción tiempo carga resulta significativo aumentando el porcentaje de remoción de mercurio con una mayor carga de lixiviado () comparado con la carga promedio (),esta situación es comprensible ya que los humedales con la carga de lixiviado promedio presenta un comportamiento en relación a la remoción de mercurio mas estable en el transcurso del tiempo (Tabla 21). 7. Resultados y Discusión 77
16 Tabla 21. Solución de efectos fijos Efecto Carga Planta Estimador Error estándar Valor P Intercepto 1,0139 0, ,0001 Carga -0,2257 0, ,0004 Carga Planta CB 0, , ,9687 Planta H -0, , ,4317 Planta OB -0, , ,6477 Planta SP tiempo -0, , ,1348 Carga - Planta CB 0, ,23 0,3502 Carga - Planta H 0, ,23 0,8287 Carga - Planta OB 0, ,23 0,2934 Carga - Planta SP Carga - Planta CB Carga - Planta H Carga - Planta OB Carga - Planta SP Tiempo - Carga 0, , ,0002 Tiempo - Carga Tiempo - Planta CB -0,0041 0, ,7248 Tiempo - Planta H 0, , ,6221 Tiempo - Planta OB 0, , ,9856 Tiempo - Planta SP La composición de la salida mostró una amplia variación importante durante el periodo de estudio, las tasas de eliminación de metales pesados estuvieron casi sobre el 8, con la excepción del plomo y del cadmio, que presentaron valores cercanos al. Las concentraciones de metales fueron significativamente menores en los efluentes que en el afluente. Esta reducción puede asociarse a la contribución de la absorción de las plantas y del material de relleno de los metales pesados. (Galletti A, et al, 2010). Se ha demostrado que algunas especies de plantas se pueden usar para la fitoextracción de metales pesados de las aguas contaminadas y los suelos. (Cheng, S., 2002) 7.4 Nutrientes En esta sección se presenta el análisis exploratorio y la evaluación de los efectos de las plantas, el tiempo y la carga de lixiviado en la remoción de estos, además de las combinaciones de estos efectos Demanda Química de Oxígeno: DQO Para la variable demanda química de oxigeno se observa un incremento del porcentaje de remoción desde la primera semana hasta la cuarta y un decaimiento en la semana 5 para los ocho tratamiento en estudio, entre la semana 6 a la 9 no se observa una tendencia clara debido a que en unas plantas aumenta en este periodo 7. Resultados y Discusión 78
17 de forma intermitente y disminuye en otras durante estas cuatro semanas. No se observan posibles diferencias debido al tipo de planta ni a la concentración de metales pesados del lixiviado sintético (Figura 33) Heliconia Caña Brava CB - R1 - CB - R2 - H - R1 - H - R CB - R1 - CB - R2 - H - R1 - H - R2 Sin Planta Oreja de Burro OB - R1 - OB - R2 - SP - R1 - SP - R2 Figura 33. Comportamiento del porcentaje de remoción DQO OB - R1 - OB - R2 - SP - R1 - SP - R Evaluación del porcentaje de eliminación de DQO La demanda química de oxigeno fue medida durante las 9 semanas de estudio por tanto su intervalo de tiempo de observación es equidistante y se podría pensar en ajustar un modelo de medidas repetidas, pero no se cumple el supuesto de esfericidad. Dado el incumplimiento del supuesto de esfericidad se propone modelar la estructura de correlación de los humedales en el tiempo bajo el marco de un 7. Resultados y Discusión 79
18 modelo mixto. Para la selección de la estructura de correlación residual con el objetivo de modelar una posible heterocedasticidad de los errores, se emplea la estructura de covarianza homogénea ya que presenta un buen ajuste. En este caso se observa que la carga de lixiviado y el tiempo tienen un efecto significativo en el ajuste del modelo para la remoción de demanda química de oxigeno. No obstante la combinación entre estos efectos no es significativa. La diferencia hallada entre las cargas de lixiviado hace suponer que el porcentaje de eliminación de DQO es menor en la carga 2 de lixiviado (Tabla 22) Tabla 22. Evaluación del porcentaje de remoción de DQO. Efecto num. Df den. Df F-valor P-valor carga ,45 0,0369 planta ,68 0,4469 tiempo ,73 0,0001 carga - planta ,25 0,8644 Tiempo - carga ,51 0,2219 tiempo - planta ,36 0,7847 tiempo - carga - planta ,27 0,8474 En la Tabla 22, se observa la solución de los efectos fijos del modelo para la DQO, su error estándar y un valor p para evaluar su significancia a un nivel del 5%. Se han tomado como valores de referencia la carga promedio de lixiviados () y los humedales sin planta (SP); se puede ver que el humedal logra un porcentaje de remoción de DQO de aproximadamente 35.22% y este aumenta en el transcurso de las semanas del experimento en aproximadamente un 4% dado que el tiempo tiene un valor p estadísticamente significativo. Tabla 23. Solución de efectos fijos Efecto Carga Planta Estimador Error estándar Valor P Intercept 0,3522 0,0978 0,0005 Carga -0, ,1383 0,6802 Carga Planta CB 0, ,1383 0,6368 Planta H 0, ,1383 0,7451 Planta OB 0,1944 0,1383 0,1625 Planta SP tiempo 0, , ,0136 Carga - Planta CB -0, ,1956 0,7228 Carga - Planta H -0,1435 0,1956 0,4646 Carga - Planta OB -0,1421 0,1956 0,4691 Carga - Planta SP Carga - Planta CB Carga - Planta H Carga - Planta OB Carga - Planta SP Tiempo - Carga 0, , , Resultados y Discusión 80
19 Tabla 23. Solución de efectos fijos (Cont.) Efecto Carga Planta Estimador Error estándar Valor P Tiempo - Carga Tiempo - Planta CB 0, , ,8596 Tiempo - Planta H -0, , ,9931 Tiempo - Planta OB -0, , ,5328 Tiempo - Planta SP Tiempo - carga - planta CB -0, , ,7128 Tiempo - carga - planta H 0, , ,645 Tiempo - carga - planta OB , ,7591 Tiempo - carga - planta SP Tiempo - carga - planta CB Tiempo - carga - planta H Tiempo - carga - planta OB Tiempo - carga - planta SP Como puede observarse en la mayoría de las gráficas de remoción de DQO, el comportamiento de la eliminación tiene una tendencia creciente. Generalmente la menor remoción se obtuvo en el primer muestreo. Esto puede deberse a que tanto los microorganismos como las macrófitas no se habían desarrollado ni acoplado al sistema, dado que las reacciones biológicas se supone que son debido a la actividad microbiana a través de la formación de biopelículas en el material del lecho. (Yalcuk, A., Ugurlu, A., 2009) Las mayores remociones se obtuvieron con los humedales plantados y para la carga uno, aunque todos los humedales presentan una tendencia creciente en la eliminación. Como La remoción de DQO se asocia a la presencia de bacterias, este resultado podría indicar que la concentración de microorganismos es mayor en los humedales con carga 1. La DQO de entrada fue en promedio de 735,5 mg/l mientras que la DQO de la salida para la carga 1 fue en promedio de 267 mg/l y para la carga 2 de 326 mg/l. Por lo tanto, la eliminación de DQO estuvo cercana al. Puede decirse que el rendimiento del tratamiento de lixiviados de los sistemas de aumento con el probable desarrollo de la película microbiana en el medio y la maduración del sistema (Yalcuk, A, Aysenur, U., 2009), además debido al posible crecimiento de las raíces densas y plumosas que favorecen la adhesión de las comunidades de bacterias degradadoras de la materia orgánica y actúan como filtros de material particulado, en la grava utilizada la comunidad microbiana da facilidad a este proceso; la grava puede incluso remover pequeños materiales, entre ellos bacterias patógenas presentes en aguas con valores de flujo bajo. (Montoya, J., et al, 2011). Los valores obtenidos de DQO en este trabajo están por encima de los reportados por otros autores (Yalcuk, A, Aysenur, U., 2009; Vymazal, J., Kröpfelová, L., 2009) 7. Resultados y Discusión 81
20 7.4.1 Demanda Biológica de Oxígeno: DBO Las mediciones de la demanda biológica de oxigeno (DBO) se realizaron en la semana 1, 5, 7, 8 y 9; por lo tanto no se cuenta con mediciones equidistantes. En cuanto al comportamiento del porcentaje de remoción, se observa que para la caña brava al igual que en la heliconia el porcentaje de remoción de DQO varia durante las 5 semanas de medición y por las dos cargas de lixiviado, no se observa una tendencia clara en esta planta debido a que en unas semanas disminuye y en otras aumenta. En el caso de la oreja de burro y sin planta estas tienden en la carga 1 a disminuir de la semana 1 a la 5, pero aumenta en la semana 7 y 8, disminuyendo en valor menor en la última medición. (Figura 34) Caña Brava 8 2 1,2 - CB - R1 - CB - R CB - R1 - CB - R2 Heliconia 1 0,8 0,6 0,4 0, H - R1 - H - R H - R1 - H - R2 Oreja de Burro OB - R1 - OB - R OB - R1 - OB - R2 8 8 Sin Planta 2 - SP - R1 - SP - R2 Figura 34. Comportamiento del porcentaje de remoción DBO. 2 - SP - R1 - SP - R2 7. Resultados y Discusión 82
21 Evaluación del porcentaje de eliminación de DBO En el caso de la demanda biológica de oxigeno (DBO) las mediciones no se realizaron en intervalos equidistantes de tiempo por lo que se considero desde el inicio un modelo mixto que considere esta estructura de datos. Para la correlación de los humedales en el tiempo no se asumió una estructura de covarianza específica, mientras que para la estructura de covarianza residual se escogió una estructura esférica. En este caso pese a que la estructura exponencial presenta un mejor ajuste no se tiene en cuenta debido a que no estima todos los parámetros Tal como se infiere desde el análisis exploratorio ni el tiempo, ni el tipo de planta, ni la carga de lixiviado ni las combinaciones de estas son significativos en la evaluación del porcentaje de remoción de la DBO (Tabla 24). Tabla 24. Evaluación del porcentaje de remoción de DBO. Efecto num. Df den. Df F-valor P-valor Carga 1 23,3 0,00 0,9719 Planta 3 23,3 0,02 0,9947 Tiempo 1 22,6 0,68 0,4174 Carga - planta 3 23,3 0,50 0,6729 Tiempo - carga 1 22,6 0,03 0,8602 Tiempo - planta 3 22,6 0,03 0,9923 Tiempo - carga - planta 3 22,6 0,37 0,7758 En este estudio el comportamiento en porcentaje de eliminación de DBO5 fue ligeramente superior al de la DQO, esto concuerda con lo encontrado por Montoya, J., et al, (2011). La DBO5 en general presenta constituyentes de alta degradabilidad; también se encontró que por plantas no se presentan diferencias significativas entre la remoción de la DQO y la DBO5. Este resultado es similar a lo reportado por este mismo autor, donde no fueron encontradas diferencias significativas en las remociones de DQO y DBO5 para diferentes plantas. En la Figura 34, los valores promedio para la eliminación de DBO, se encuentran entre el 65% y el 78%. Algunos autores como Renou, (2007); Yalcuk, A, Aysenur, U., (2009); Vymazal, J., Kröpfelová, L., (2009), reportan eliminaciones entre el %, valores mayores a los reportados en este estudio. Valores que pueden deberse a que las plantas aun se encontraban en crecimiento. En la Nitrógeno Total: NTK Figura 35 se muestra el porcentaje de eliminación del nitrógeno total (NTK) en las dos replicas para los ocho tratamientos evaluados, se observa que el rendimiento de las unidades experimentales en cada tratamiento es parecido durante las 8 semanas de muestreo. A partir de la semana 2 hasta la 9 existe una tendencia de 7. Resultados y Discusión 83
22 disminución en la eliminación de NTK. El porcentaje de eliminación de NTK para la última semana de medición presenta un decaimiento más alto en la carga 2 de metales pesados en comparación con la carga 1 y esto ocurre en las cuatro plantas en estudio Caña Brava CB - R1 - CB - R CB - R1 - CB - R2 Heliconia H - R1 - H - R H - R1 - H - R2 Oreja de Burro OB - R1 - OB - R OB - R1 - OB - R2 8 8 Sin Planta 2 - SP - R1 - SP - R2 2 - SP - R1 - SP - R2 Figura 35. Comportamiento del porcentaje de remoción NTK Evaluación del porcentaje de remoción de NTK Para el caso del nitrógeno total no se realizó la medición en la 8 semana del experimento por tanto no se consideró la posibilidad de un modelo de medidas repetidas. Para el caso de la covarianza residual se elige la estructura de covarianza 7. Resultados y Discusión 84
23 esférica; esta estructura considera que la correlación ocurre entre los residuales de los mismos humedales medidos en el tiempo. En la Tabla 25 se puede ver que el tipo de planta y el tipo de carga no son estadísticamente significativos para la evaluación de la remoción de nitrógeno total. Sin embargo el tiempo si es significativo y teniendo en cuenta que el estimador puntual tiene signo negativo (Tabla 26), se evidencia que el humedal pierde capacidad de remoción de nitrógeno total a través del tiempo. Tabla 25. Evaluación del porcentaje de remoción de NTK. Efecto num. Df den. Df F-valor P-valor Carga 1 24,1 1,13 0,2976 Planta 3 24,1 0,5 0,6887 Tiempo 1 54,2 37,06 0,0001 Carga - planta 3 24,1 0,27 0,8440 Tiempo - carga 1 54,2 3,74 0,0582 Tiempo - planta 3 54,2 0,49 0,6884 Tiempo - carga - planta 3 54,2 0,36 0,7802 En la Tabla 26 se encuentra la estimación puntual de los parámetros del modelo, el error estándar y el valor p. En él se ha tomado como valores de referencia la carga promedio de lixiviado () y los humedales sin planta (SP); se puede ver que los humedales en general tienen un porcentaje de remoción promedio de 77.89% y que tan solo el tiempo resulta significativo (valor-p <0;05) evidenciando que el porcentaje de remoción de NTK de los humedales construidos disminuyen aproximadamente un 4% por cada tiempo de medición. Tabla 26. Solución de efectos fijos Efecto Carga Planta Estimador Error estándar Valor P Intercept 0,7789 0,1424 0,0001 Carga 0, ,2013 0,9562 Carga Planta CB 0,1162 0,2013 0,5693 Planta H 0,217 0,2013 0,2918 Planta OB 0, ,2013 0,6473 Planta SP tiempo -0, , ,0311 Carga - Planta CB -0, ,2847 0,8228 Carga - Planta H -0,177 0,2847 0,5401 Carga - Planta OB -0,2319 0,2847 0,4233 Carga - Planta SP Carga - Planta CB Carga - Planta H Carga - Planta OB Carga - Planta SP Tiempo - Carga 0,0127 0, ,641 Tiempo - Carga Tiempo - Planta CB -0, , , Resultados y Discusión 85
24 Tabla 26. Solución de efectos fijos (Cont.) Tiempo - Planta H -0,0313 0, ,2528 Tiempo - Planta OB -0, , ,6866 Tiempo - Planta SP Tiempo - carga - plata CB -0, ,0383 0,9759 Tiempo - carga - plata H 0, ,0383 0,496 Tiempo - carga - plata OB 0, ,0383 0,4533 Tiempo - carga - plata SP Tiempo - carga - plata CB Tiempo - carga - plata H Tiempo - carga - plata OB Tiempo - carga - plata SP Nitrógeno Amoniacal El comportamiento del porcentaje de remoción del nitrógeno amoniacal no es diferente al del nitrógeno total, se observan que a medida que pasa el tiempo la capacidad de remoción disminuye en todas las plantas para las dos cargas de metales pesados, de la semana 7 a la 9 se muestra una decaimiento del porcentaje de eliminación, en los 8 tratamientos las dos replicas tuvieron rendimientos similares (Figura 36). Oreja de Burro Heliconia Caña Brava CB - R1 - CB - R2 - H - R1 - H - R2 - OB - R1 - OB - R2 10 Figura 36. Comportamiento del porcentaje de remoción NH CB - R1 - CB - R2 - H - R1 - H - R2 - OB - R1 - OB - R2 7. Resultados y Discusión 86
25 Sin Planta 2 - SP - R1 - SP - R2 Figura 36. Comportamiento del porcentaje de remoción NH4. (Cont.) 2 - SP - R1 - SP - R Evaluación del porcentaje de remoción de nitrógeno amoniacal Para la estructura de covarianza de los residuales se asume una estructura homogénea dado que es la que presenta un mejor ajuste, por ende los residuales entre los reactores son independientes. En la Tabla 27 se puede observar que tan solo el tiempo resulta significativo a la hora de evaluar el porcentaje de remoción de nitrógeno amoniacal. Dado que el estimador puntual para el tiempo es menor que cero se puede decir que el porcentaje de remoción de nitrógeno amoniacal disminuye a través del tiempo. Tabla 27. Evaluación del porcentaje de remoción de NH4. Efecto num. Df den. Df F-valor P-valor Carga ,08 0,3021 Planta ,17 0,9176 Tiempo 1 36,2 375,27 0,0001 Carga - planta ,35 0,7869 Tiempo - carga 1 36,2 0,05 0,8302 Tiempo - planta 3 36,2 0,29 0,8332 Tiempo - carga - planta 3 36,2 0,26 0,8509 Para la realización del modelo se tomó como valores de referencia la carga promedio de lixiviado () y los humedales sin planta (SP).En general puede verse que el porcentaje de remoción del nitrógeno amoniacal disminuye significativamente a través de las semanas de estudio en un porcentaje aproximado de 8.2 %. Tabla 28. Tabla 28. Solución de efectos fijos Efecto Carga Planta Estimador Error estándar Valor P Intercept 1,0407 0,041 0,0001 Carga -0, , ,2941 Carga Planta CB 0, , ,8653 Planta H -0, , ,4248 Planta OB -0, , ,5725 Planta SP tiempo -0, , ,0001 Carga - Planta CB 0, ,082 0, Resultados y Discusión 87
26 Tabla 28. Solución de efectos fijos. (Cont.) Efecto Carga Planta Estimador Error estándar Valor P Carga - Planta H 0, ,082 0,4838 Carga - Planta OB 0, ,082 0,4367 Carga - Planta SP Carga - Planta CB Carga - Planta H Carga - Planta OB Carga - Planta SP Tiempo - Carga 0, , ,4905 Tiempo - Carga Tiempo - Planta CB 0, , ,5623 Tiempo - Planta H 0, , ,3581 Tiempo - Planta OB 0, , ,2417 Tiempo - Planta SP Tiempo - carga - planta CB -0, , ,7866 Tiempo - carga - planta H 0, , ,5891 Tiempo - carga - planta OB -0, , ,4026 Tiempo - carga - planta SP Tiempo - carga - planta CB Tiempo - carga - planta H Tiempo - carga - planta OB Tiempo - carga - planta SP Como puede observarse en los resultados de este trabajo, el nitrógeno de entrada en el humedal artificial se encuentra como nitrógeno orgánico o amoniacal, con escasas cantidades de nitratos. En las graficas se presenta una tendencia decreciente en la eliminación del amonio. En los humedales el principal mecanismo de eliminación de nitrógeno es de tipo microbiano y consiste en la nitrificación seguida de desnitrificación. Sin embargo, también hay otros procesos que contribuyen a la eliminación como la adsorción del amonio y la asimilación realizada por las plantas y la adsorción en el sustrato. En los humedales horizontales puesto que la transferencia de oxígeno es baja y hay pocas zonas aeróbicas, la nitrificación no es destacable (García, J., y Corzo, A., 2008). Es por lo anterior que puede presentarse una tendencia decreciente en la eliminación del amonio en este estudio, inicialmente la eliminación es alta debida a la acción de los microorganismos, las plantas y el sustrato y posteriormente empieza a reducirse ya que los humedales alcanzan condiciones anaeróbicas donde la nitrificación no puede ocurrir Nitratos En la Figura 37 se observan porcentajes inferiores al para el nitrógeno nítrico (NO3), lo cual indica que la concentración de NO3 que se encontraba en el efluente es mayor a los que ingresaron (afluente). En las cuatro plantas para las dos cargas de lixiviado se observa que de la semana 1 a la 7 los comportamientos del porcentaje 7. Resultados y Discusión 88
27 de remoción de NO3 no varia mucho entre los 8 tratamientos. En el caso de la caña brava en la semana 9 en la carga 2 existen un valor negativo de 274.2% y para la heliconia en la semana 9 se presento un valor de % Caña Brava Heliconia Oreja de Burro Sin Planta CB - R1 - CB - R2 - H - R1 - H - R2 - OB - R1 - OB - R2 - SP - R1 - SP - R Figura 37. Comportamiento del porcentaje de remoción NO CB - R1 - CB - R2 - H - R1 - H - R2 - OB - R1 - OB - R2 - SP - R1 - SP - R Evaluación del porcentaje de remoción de nitrato Para el caso del nitrato se seleccionó la estructura de covarianza residual gaussiana, se puede ver que no hay un efecto significativo del tiempo, ni del tipo de planta o carga de lixiviado o combinaciones de estas, ya que todos los valores p son superiores al nivel de significancia del 5% (Tabla 29). 7. Resultados y Discusión 89
28 Tabla 29. Evaluación del porcentaje de remoción de NO3. Efecto num. Df den. Df F-valor P-valor Carga 1 71,1 0,00 0,8544 Planta 3 71,1 0,03 0,8254 Tiempo 1 38,5 0,13 0,7161 Carga - planta 3 71,5 0,52 0,6663 Tiempo - carga 1 38,5 0,00 0,7477 Tiempo - planta 3 38,5 0,40 0,7513 Tiempo - carga - planta 3 38,5 0,81 0,4988 Como puede observarse en la mayoría de las gráficas de eliminación de NO3, el comportamiento es de tendencia creciente. Esto puede deberse a que la reacción de la desnitrificación es la que permite eliminar el nitrato formado previamente por la nitrificación y convertirlo en nitrógeno gas. Esta reacción sólo ocurre en condiciones de anoxia y en presencia de materia orgánica, ya que es realizada por bacterias heterotróficas, que son las condiciones imperantes del humedal en estudio. (García, J., y Corzo, A., 2008) Fósforo Para la remoción de Fosfato-Fosforo (PO4) se observa un comportamiento similar para las cuatro plantas en estudio y las dos cargas de lixiviados, el comportamiento de las dos replicas en los 8 tratamientos no difiere en gran manera. Se observa que el porcentaje de remoción de PO4 disminuye de la semana 1 a la 3 y aumenta en la semana 5 permaneciendo casi constante hasta la semana 7, en la última medición la capacidad de remoción tiende a disminuir. Los rendimientos de las dos replicas para la oreja de burro en la carga dos aunque tienen la misma tendencia de comportamiento presenta valores diferentes (Figura 38). Caña Brava CB - R1 - CB - R2 10 Figura 38. Comportamiento del porcentaje de remoción PO CB - R1 - CB - R2 7. Resultados y Discusión 90
29 Sin Planta Oreja de Burro Heliconia H - R1 - H - R2 - OB - R1 - OB - R2 - SP - R1 - SP - R2 Figura 38. Comportamiento del porcentaje de remoción PO4. (Cont.) H - R H - R OB - R1 - OB - R2 - SP - R1 - SP - R Evaluación del porcentaje de remoción de Fosfato El fosforo se midió en las mismas semanas que los metales pesados, por tanto se probó el supuesto de esfericidad con el fin de saber si era posible el uso de un modelo de medidas repetidas. La prueba de Mauchly de esfericidad evidencia que este supuesto no se cumple por tanto es necesario el ajuste de un modelo mixto. En la tabla 6.22 se puede ver que tan solo el tiempo tiene un valor p inferior al nivel de significancia del 5% lo que indica que es el único factor con efecto significativo en la evaluación de la remoción de fosfato en los humedales. El estimador puntual para el tiempo es menor que cero, lo cual indica que el porcentaje de remoción de fosfato disminuye con el paso de las semanas, en el análisis exploratorio este comportamiento se observó en las últimas semanas. 7. Resultados y Discusión 91
30 Tabla 30. Evaluación del porcentaje de remoción de PO4. Efecto num. Df den. Df F-valor P-valor Carga 1 14,6 0,33 0,5761 Planta 3 14,6 0,13 0,9409 Tiempo 1 2,38 15,31 0,0447 Carga - planta 3 2,38 0,05 0,9844 Tiempo - carga 1 14,6 0,36 0,6030 Tiempo - planta 3 14,6 0,01 0,9980 Tiempo - carga - planta 3 14,6 0,10 0,9531 En la tabla 6.28 se puede observar la estimación puntual de los parámetros del modelo para el porcentaje de remoción del fósforo, el error estándar de estimación y el valor-p de cada factor. Se puede ver que tan solo el tiempo resulta significativo resultando que la capacidad de remoción de fosfato-fosforo de los humedales disminuye con el tiempo. Tabla 31. Solución de efectos fijos Efecto Carga Planta Estimador Error estándar Valor P Intercept 1,1337 0,1684 0,0001 Carga ,203 0,848 Carga Planta CB 0, ,2271 0,8498 Planta H -0,1145 0,2271 0,6211 Planta OB -0, ,2271 0,9408 Planta SP tiempo -0, , ,0063 Carga - Planta CB -0,0671 0,2484 0,7954 Carga - Planta H 0, ,2484 0,8033 Carga - Planta OB -0,1645 0,2484 0,5304 Carga - Planta SP Carga - Planta CB Carga - Planta H Carga - Planta OB Carga - Planta SP Tiempo - Carga 0, , ,3907 Tiempo - Carga Tiempo - Planta CB 0, , ,8571 Tiempo - Planta H 0, , ,7897 Tiempo - Planta OB 0, , ,94 Tiempo - Planta SP Como puede observarse en la mayoría de las gráficas de remoción de PO4, el comportamiento de la eliminación tiene una tendencia creciente, aunque al final del periodo de experimentación se muestra una disminución, en promedio se tiene una concentración de entrada de 7,3mg/L y una salida de 1,3 mg/l, lo que representa una eliminación promedio de 82%. 7. Resultados y Discusión 92
31 El fósforo puede ser absorbido por las plantas en diferentes formas iónicas, el cual se integrará al metabolismo principalmente en el proceso de fotosíntesis, razón por la cual disminuye su concentración en el agua a su paso por los humedales. Además, puede ser aprovechado por los microorganismos o fijado en el sustrato. La remoción del fósforo en los humedales artificiales es eficiente en un período corto hasta que el medio se satura. Sin embargo, a largo plazo los procesos son más limitados y se reducen a la asimilación por parte de las plantas y la biomasa L reportado en la literatura indica eliminaciones del 10 2, lo cual indica que los altos valores obtenidos en este estudio se pueden deber a que después de la puesta en marcha de los humedales el medio granular limpio tiene capacidad de adsorción, la cual se ira perdiendo y a su vez disminuyendo la eficiencia de eliminación. (García, J., y Corzo, A., 2008; Romero, M., et al, 2009) 7. Resultados y Discusión 93
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