DISTRIBUCIÓN Y ABUNDANCIA DE LAS DIFERENTES FORMAS DEL NITRÓGENO DENTRO DE UN HUMEDAL CONSTRUÍDO EN TEXCOCO, EDO. DE MÉXICO García M. R.*; Cantellano, R.E*; Arcos, R.R.*; Alejo, N. M.*;; Solís, C.R.*; Belmont, M.A.** * Laboratorio de Contaminación Acuática. Facultad de Estudios Superiores Zaragoza UNAM. Batalla 5 de Mayo, Esq. Fuerte de Loreto s/n Col. Ejercito de Oriente. Delegación Iztapalapa. México D.F. Fax 57 73 63 36. e mail: rosyunam@hotmail.com **Watershed Ecosystems Graduate Program. Trent University, Peterborough, Canada K9H 4K3. email: mbelmont@trentu.ca RESUMEN Se estudió el comportamiento de Nitratos, Amonio y Nitrógeno Total en un sistema de tratamiento de aguas residuales basado en humedales. El sistema consta de siete etapas de tratamiento que incluyen terrazas de sedimentación, pozas de estabilización, dos humedales de flujo subsuperficial con plantas como Tule y Ornamentales, un humedal de tipo vertical con carrizo y un tanque de almacenamiento. En general, el comportamiento fue similar para Nitratos y Amonio, mientras que el Nitrógeno Total tuvo un mayor porcentaje de disminución, habiendo en la primera etapa (terrazas) una disminución de Nitratos del 60 %, posteriormente en los humedales de flujo subsuperficial se mantiene estable entre (15 y 18 mg/l) y finalmente disminuye a 13 mg/l, expresado en porcentaje la remoción es de 52%. Mientras que el Amonio pasa de 60 mg/l en la primera etapa a 18 mg/l, habiendo una disminución de 30 % en la etapa final. La concentración del Nitrógeno Total en la primera etapa fue de 175 mg/l, en los humedales de flujo superficial fue de 58 y 60 mg/l, disminuyendo considerablemente en la etapa final hasta 35 mg/l. Debido a las condiciones anaeróbicas del sistema (particularmente en los humedales) se esperaría que las concentraciones de Nitratos fueran menores, sin embargo, la disminución de compuestos nitrogenados que realiza el sistema es consistente y es de aproximadamente un 60 % INTRODUCCIÓN El agua constituye un elemento esencial para la vida en el planeta, sin embargo actualmente este recurso esta cada vez escaso, ya que tanto en las grandes ciudades como en las comunidades rurales se consumen grandes cantidades de agua potable y solo un porcentaje mínimo de toda esta agua es tratada y reciclada para su reutilización. A la enorme cantidad de agua de desecho producida se le conoce con el nombre de Agua Residual, que a su vez se divide en varios tipos. 1
AGUAS RESIDUALES La Ley General del Equilibrio Ecológico y Protección al Medio Ambiente (LGEEPA,2001) las define como un líquido de composición variada procedente de los usos domésticos, fraccionamientos, agropecuarios, industrias, comercios y aguas pluviales. Las Aguas Residuales se dividen en: Aguas Residuales Industriales: estas provienen de los diferentes tipos de industrias, como las textiles, algodoneras, curtidoras, químicas, papeleras, lácteas, mataderos, etc., siendo cada una de ellas de diferente composición. Aguas Residuales Municipales: que consisten en una combinación de aguas domésticas originadas en los hogares, oficinas, baños, centros comerciales, restaurantes, bares y de pequeñas industrias. Existen diversos procedimientos para el tratamiento de los diferentes tipos de aguas residuales, que consisten en: Tratamiento Primario: que consta de un tratamiento físico, como la floculación, sedimentación, filtración, debaste, entre otros, basados específicamente en la reducción de sólidos suspendidos y sedimentables. Tratamiento Secundario: consiste en un tratamiento de tipo biológico para eliminar la materia orgánica biodegradable, se divide en: Procesos Aerobios: que se utilizan para la eliminación de la materia orgánica, mediante la transferencia de oxígeno a las aguas; uno de los métodos más utilizados es de Lodos Activados, pero es demasiado costoso. Procesos Anaerobios: se produce la descomposición de la materia orgánica e inorgánica en ausencia de oxígeno, mediante la Digestión Anaerobia, donde la materia orgánica se convierte en CH 4 y CO 2. Procesos Naturales: basados en sistemas naturales de tratamiento naturales, como las ciénegas artificiales o Humedales. TRATAMIENTO POR HUMEDALES Los Humedales son cuerpos de agua someros o suelos inundados con vegetación vascular propia. y pueden ser naturales o artificiales. Los Humedales o Ciénegas naturales han sido consideradas zonas de desecho, pero tienen un gran valor ecológico y social. Se caracterizan por su elevada productividad y por su gran diversidad de flora y fauna microscópica, por lo que pueden degradar diferentes tipos de contaminantes. 2
Por lo anterior, se han construido humedales artificiales para el tratamiento de aguas residuales, el cual se basa en la actividad biológica de las plantas acuáticas, su rizosfera y la microbiota presente, cuyo metabolismo implica la degradación de contaminantes y la disminución de organismos patógenos. El tratamiento por humedales incluye a especies de plantas que puedan vivir en suelos inundados, ya sean humedales naturales o artificiales, de flujo superficial o subsuperficial, y que además resistan un flujo continuo de agua. Los humedales construidos imitan las condiciones encontradas en los humedales naturales, pueden ser construidos en cualquier lugar, además de ser usados para tratamientos tanto primarios como secundarios y para todo tipo de aguas residuales. Humedal de Flujo Superficial: esta densamente poblado por diferentes especies de plantas, la profundidad del agua debe ser normalmente de 40 cm, esta agua fluye sobre el suelo horizontal y verticalmente y de acuerdo al flujo de entrada es el tiempo de retención del agua en el humedal. Humedal de Flujo Subsuperficial: consta de una cama de suelo o grava o una combinación de ambos, para el crecimiento de las plantas que deben tener raíces profundas. El flujo corre horizontalmente a través del sustrato, donde por contacto se mezclan los microorganismos y las raíces de las plantas. En este tipo de humedal se encuentran zonas aerobias y anaerobias, por lo que resulta ser muy efectivo en la remoción de sólidos suspendidos, nitrógeno y fósforo, metales y organismos patógenos. La función de los humedales es la depuración de aguas contaminadas, las cuales traen consigo gran cantidad de materia orgánica, que lejos de ser un contaminante puede ser aprovechado como un nutrimento por las plantas. La materia orgánica al pasar por los humedales es transformada en diversas formas, desprendiéndose de ella proteínas, aminoácidos, fuentes de carbono, que a su vez son transformados en formas menos complejas. Tal es el caso del Nitrógeno, el cual forma parte de un Ciclo que es muy común en la naturaleza, y que por medio de diversas reacciones puede degradar la Materia Orgánica convirtiéndola en formas asimilables por las plantas. NITRÓGENO El nitrógeno es uno de los componentes principales de las aguas residuales, porque contribuye a la eutrofización, es tóxico para los microorganismos, pero también tiene un papel benéfico, ya que puede aumentar el crecimiento de las plantas. El Nitrógeno tiene un peso molecular de 14.01 g/mol y 5 electrones alrededor de su estructura atómica, por lo que el N puede formar compuestos orgánicos e inorgánicos que son esenciales para la vida. 3
Las formas más importantes del Nitrógeno en los humedales son el Amoníaco (NH 3 ), Nitritos (NO 2 ), Nitratos (NO 3 ), Óxido Nitroso (N 2 O) y el Nitrógeno Total; pero también esta presente en diversas formas orgánicas como los aminoácidos, aminas, purinas, pirimidinas y por supuesto la urea (CNH 4 0), formada por mecanismos fisiológicos de los animales. Estas formas importantes del Nitrógeno dependen en mucho de factores como: 1. Temperatura: es un parámetro relevante, ya que de ella dependen la velocidad de las reacciones químicas, la concentración de las diferentes formas del nitrógeno, la eutrofización del sistema, la concentración de Oxígeno Disuelto del cual depende el ciclo del Nitrógeno. 2. ph: es una medida de los iones Hidrógeno que se encuentran libres en el agua y dependiendo de él se llevan a cabo los procesos de Nitrificación y Desnitrificación 3. por: es una medida de iones oxidantes que hay en el medio y que actúan como e aceptores en lugar del Oxígeno, indican el grado de anaerobiosis del sistema; cuanto más disminuye él por más anaeróbico es el medio y depende del contenido de M.O y de las concentraciones de nitratos, fierro, manganeso y sulfatos; es importante porque nos indica el proceso de desnitrificación del sistema. Amoníaco (NH 3 ) El Amoníaco es un gas incoloro de olor característico, es muy soluble en el agua, por lo cual tiende a ionizarse fácilmente, formándose el Ion Amonio, lo cual depende de la T y del ph, como se puede observar en la tabla 1. NH 3 + H 2 O NH 4 + + OH Tabla 1. Relación entre el porcentaje de Amonio y Amoníaco de acuerdo con el ph y la Temperatura ph T % NH 4 % NH 3 4 10 70 30 7 25 99.4 0.6 9.5 30 28 72 El Nitrógeno Amoniacal es importante en los humedales por que es la forma del nitrógeno que las plantas y las bacterias autótrofas de los humedales pueden asimilar con más facilidad 4
Nitratos (NO 3 ) Los nitratos son la forma más oxidada del Nitrógeno que se puede encontrar en los humedales, gracias a su estado de oxidación los nitratos son químicamente estables y pueden permanecer sin cambios. Los NO 3 son también un nutrimento esencial para el crecimiento de las plantas, pero si se encuentra en exceso conducen a la eutrofización del sistema. Son un indicador en el control de la calidad del agua La concentración permitida de nitratos en las aguas residuales no debe ser mayor de 10 mg/l, ya que en exceso es tóxico para la población infantil. FORMAS GASEOSAS DEL NITRÓGENO El Nitrógeno forma un gas diatómico muy estables (N 2 ), así como Óxido Nitroso (N 2 O), el Óxido nítrico (NO) y el amoníaco (NH 3 ) El Nitrógeno bajo condiciones ambientales normales se encuentra en la atmósfera y el óxido nitroso es un producto intermedio de la desnitrificación. Transformaciones del Nitrógeno en los humedales 1) Amonificación o mineralización: es la transformación biológica del N orgánico a amoníaco. Este proceso ocurre más rápidamente que la Nitrificación, creando así un incremento en la concentración de Amoníaco. Este proceso es más lento en condiciones anaerobias, porque se reduce la eficiencia de descomposición, pero el Amoníaco se acumula más en sistemas anaerobios, porque disminuye la tasa de nitrificación. La amonificación también depende del ph y la Temperatura. 2) Nitrificación: es el mecanismo principal para reducir la concentración de Nitrógeno Amoniacal en los humedales, donde el Amoníaco es convertido a Nitratos, esto es mediado por microorganismos. NH 4 + + O 2 Nitrosomonas NO 2 + H 2 O + 2H + + E NO 2 + 0.5O 2 Nitrobacter NO 3 + E Estos pasos ocurren solo en presencia de Oxígeno e intervienen factores como: Temperatura (altas) Oxígeno Disuelto (alto) ph (7.2 a 9) 5
3) Desnitrificación: este proceso se presenta cuando el Oxígeno esta ausente y utiliza una fuente de carbono como energía. En esta transformación los NO 3 materia orgánica. actúan como aceptores de electrones, oxidando la NO 3 Pseudomonas + M.O N 2 + CO 2 + H 2 O + OH Se puede formar también Óxido Nitroso, Óxido Nítrico. El proceso esta controlado por: la concentración de oxígeno (bajas o nulas) Temperatura ph ( 5 a 7) 4) Fijación del Nitrógeno: es un proceso donde el N atmosférico es reducido a Nitrógeno amoniacal por bacterias anaerobias (Clostridium) y aerobias (Azobacter), además de : Algas verdesazules (Anabaena). 5) Asimilación del Nitrógeno: se refiere a la variedad de procesos biológicos que convierte el N inorgánico a N orgánico para que pueda ser asimilada por las plantas. PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN Actualmente en México se ha acentuando paulatinamente el problema de la contaminación del medio ambiente. El agua residual, generalmente se descarga en ríos y mares provocando severas alteraciones del medio ambiente y por lo tanto perdidas de la biodiversidad. Del total de agua residual generada, solo entre el 10 y 20 % es tratada, debido a que los procedimientos que se utilizan son muy costosos. Debido a lo anterior, los procedimientos basados en sistemas naturales, como las ciénegas o humedales artificiales, constituyen una alternativa eficaz y económica para el tratamiento de las aguas residuales. Los Humedales han sido poco estudiados, por lo que no se conocen a fondo los diversos mecanismos biológicos que ahí se llevan a cabo, entre ellos el Ciclo del Nitrógeno, el que es un proceso biogeoquímico de suma importancia en la naturaleza, por medio del cual el N es llevado a diferentes formas químicas, que pueden ser eliminadas de diversas maneras, por lo que es importante el estudio de este ciclo dentro del humedal. 6
OBJETIVOS General: Conocer la dinámica, distribución y transformaciones de las diferentes formas del nitrógeno, dentro de un humedal artificial, para establecer así la remoción de contaminantes en el sistema. Particulares: Establecer dentro del tren de tratamiento del humedal, las diferentes concentraciones de las formas del nitrógeno en el sistema. Determinar la eficiencia de cada uno de las fases de tratamiento en el humedal, en cuanto a remoción de contaminantes. ZONA DE ESTUDIO La comunidad de Sta. María Nativitas cuenta con una población de aproximadamente 300 habitantes y una actividad económica basada en pequeños negocios y agricultura. El clima es templado con lluvias en verano, suelos poco desarrollados y muy susceptibles a la erosión. La vegetación es del tipo de matorral xerófilo. MATERIALES Y MÉTODOS El humedal fue construido en 1999, en la comunidad de Santa María Nativitas en Texcoco, Estado de México con la finalidad de estudiar los efectos del tratamiento de aguas residuales domésticas, las cuales provienen de las familias que residen en la comunidad. El humedal fue diseñado como una planta piloto y esta constituido por: Válvula de entrada que recibe aproximadamente el 10 % del total de agua residual Tres terrazas que sirven principalmente para la sedimentación de sólidos grandes. Dos pozas de estabilización donde ocurre sedimentación, degradación biológica de la materia orgánica, muerte de microorganismos por la acción de la luz UV, y crecimiento de algas que oxigenan el agua, entre otros procesos. Dos humedales de tipo subsuperficial, cada uno con diferente vegetación (Tule y plantas ornamentales), donde el agua corre horizontalmente a través del sustrato, con un tiempo de retención hidráulica de aproximadamente dos días, lo que permite que se lleven a cabo las diferentes transformaciones de la materia orgánica, mediante procesos químicos, físicos y biológicos. 7
Un humedal de tipo vertical con una vegetación conformada por carrizo, donde el agua cae verticalmente sobre el sustrato. En este humedal se tiene otro proceso importante: el Hidroperiodo Intermitente, lo que quiere decir que en el humedal hay periodos secos y húmedos que permiten tener condiciones aeróbicas y anaeróbicas en el sistema. Tanque de almacenamiento, que como su nombre lo dice, permite almacenar el agua que sale de los humedales y que puede utilizarse para riego agrícola y/o acuicultura. Para saber las condiciones de la planta piloto se hacen muestreos quincenales, en los cuales se miden los parámetros que se listan en la tabla 2. Tabla 2. Material y Método utilizados en la determinación Parámetro Unidad Material y/o Método ph Potenciómetro Orión por MV Potenciómetro Orión Oxígeno mg/l Oxímetro Digital NNH 4 mg/l Ion Selectivo NNO 3 mg/l Ácido Cromotropico Nitrógeno Total mg/l Digestión del Persulfato TNT RESULTADOS Y DISCUSIÓN A continuación se presentan los gráficos y su correspondiente interpretación, que explica la situación del sistema de tratamiento, para los parámetros señalados anteriormente. El comportamiento del Amonio es muy heterogéneo, tanto en el tiempo como en el espacio. Sin embargo se puede observar la misma tendencia hacia la reducción de este contaminante, ya que en general las primeras etapas presentan valores más altos que las últimas, particularmente la etapa de humedal vertical y tanque, lo que se puede observar en las gráficas 1 y 2. 8
mg NH4/L 150 100 50 AMONIO 0 7May 26Jun 15Ago 4Oct AFLUENTE TERRAZAS POZA EST. TULE FLORES VERTICAL TANQUE Gráfica 1 Gráfica 2 Graficas 1 y 2 Comportamiento del amonio en el tiempo y a trabes del tren de tratamiento. Por otro lado, los nitratos se comportan de una manera muy compleja con cierta tendencia al alta. A partir de las gráficas 3 y 4 podría señalarse que existe cierta tendencia en el tiempo con valores de 0.4 a 17 mg/l, con 3 a 5 valores alejados de la tendencia central. Estos puntos provocan que las medias del tanque, flujo vertical y afluente, tengan valores elevados. mg NH4/L 100 80 60 40 20 AMONIO mg NNO3/L 120 100 80 60 40 20 0 01 May01 01 Nitratos 01 Sep01 14Abr 19 23Jun 28Jul 01 06Oct 01 Afluente Terrazas Pozas de Est. Tule Flores Vertical Tanque Gráfica 3 Gráfica 4 Gráficas 3 y 4. Comportamiento de nitratos en el sistema de tratamiento a través del tiempo y la variación de este nutrimento durante las diferentes etapas. mg NNO3/L 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00 AFLUENTE TERRAZAS POZA EST. NITRATOS TULE FLORES VERTICAL TANQUE Lo anterior provoca que se tenga la impresión de que el sistema incorpora dicho nutrimento. Esto puede estar relacionado con el hecho de que la última parte del sistema es más aeróbico y entonces predomine un proceso de nitrificación. Esto se puede complementar con el dato de nitrógeno total (figura 5 y 6). 9
mg N/L 400 350 300 250 200 150 100 50 0 NITRÓGENO TOTAL 7May 26Jun 15Ago 4Oct AFLUENTE TERRAZAS POZA EST. TULE FLORES VERTICAL TANQUE 250.000 200.000 150.000 100.000 NITRÓGENO TOTAL Gráfica 5 Gráfica 6 Gráfica 5 y 6. Comportamiento de nitrógeno total en el sistema de tratamiento a través del tiempo y la variación de este parámetro a través de las etapas del sistema. En este caso se comprueba una remoción del nitrógeno, a pesar de que existen algunos valores sobresalientes, los cuales corresponden precisamente al afluente. Otro parámetro muy importante en este tipo de sistemas es la medición del ph, ya que debido a los procesos del ciclo del nitrógeno como son la nitrificación y la desnitrificación que llevan a cabo dentro del sistema, el agua residual tratada suele tender a la neutralidad, esto se observa en la gráfica. 7, donde la mayoría de los puntos de tratamiento tiene un ph entre 7 y 7.5. mg/l 50.000 0.000 AFLUENTE TERRAZAS POZA EST. TULE FLORES VERTICAL TANQUE 8.5 8.0 7.5 7.0 Esc 6.5 ph Gráfica 7 Gráfica 7. Comportamiento y variación del ph en el sistema de tratamiento Respecto al Potencial de Óxido Reducción (por) es importante porque indica la presencia de iones oxidantes, particularmente para las condiciones de humedales donde son mínimas o nulas las concentraciones de oxígeno. 10
Lo anterior se confirma en la graficas 9 donde se puede observar que en general se tienen niveles bajos de oxígeno, ya que este es consumido en la oxidación de la materia orgánica, esto va muy relacionado con las condiciones oxidantes o anaerobias del sistema, lo cual se ve claramente en la gráfica 8. Sin embargo en el humedal vertical se observa un incremento en la concentración de oxígeno, ya que este tiene la finalidad de inyectar oxígeno a partir del hidroperiodo intermitente. 1000 0 1000 2000 3000 PROMEDIO mg/l 6.06 4.06 2.06 0.06 OXIGENO Gráfica 8 Gráfica 9 CONCLUSIONES La eficiencia de tratamiento en el sistema está fuertemente relacionada con las características hidráulicas del sistema. Las terrazas realizan una importante función en la remoción de contaminantes mediante procesos físicos, ya que ahí se eliminan un porcentaje significativo de nitratos. En los humedales de flujo subsuperficial es donde se llevan a cabo la mayor parte de las transformaciones y producción de nitratos, pero también es donde las plantas los asimilan. La parte del humedal vertical adiciona elementos oxidativos de manera relevante y particularmente eleva las condiciones de nitratos. Los humedales realizan una función de amortiguamiento del ph hacia valores cercanos a la neutralidad. En general el sistema trata de manera adecuada el agua residual pero todavía es necesario hacer modificaciones para que funcione más eficientemente. AGRADECIMIENTOS Este proyecto recibió apoyo financiero de Canadian International Development Agency (CIDA) a través del proyecto INSTRUCT y del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT). 11
BIBLIOGRAFÍA Hammer, D.A. (1989). Constructed Wetlands for Wastewater Treatment: Municipal, Industrial and Agricultural. Lewis Publisher, Chelsea, MI. Hammer, D.A. (1991). Constructed Wetlands can Replace Conventional Wastewater Treatment. Waste Water International.Oct:1722. Jewell W. J. (1994). Resourcerecovery waste water treatment. American Scientist. (82):366 374. Martín M. I. (1989). Depuración de aguas con plantas emergentes. Ministerio de agricultura, pesca y alimentación. No.16/89 HD. España. Reddy, K.R. y P.M. Gale. (1994). Wetland Process and Water Quality: A Symposium Overview. J. Environ. Qual. 23:875877. Reed S. C. y Brown D.S. (1992). Constructed wetland design. The first generation. Water environment research. 64(6): 776782. Reed, S.C., E.J. Milddebrooks, y R.W. Crites. (1988). Natural Systems for Waste Management and Treatment. McGraw Hill, New York. Winkler M.A. (1986). Tratamiento biológico de aguas de desecho. Limusa. México. 12