Tratamientos Extensivos de Efluentes CETA Instituto de la Universidad de Buenos Aires Tecnologías de tratamiento de Aguas Residuales para Reuso RALCEA Agosto 2013
Introducción Lagunas con Macrófitas Se trata de una evolución de los sistemas de lagunas utilizados para el tratamiento de efluentes. La presencia de macrófitas flotantes o enraizadas potencia la obtención de efluentes de buena calidad, pues estas plantas acuáticas captan materia orgánica y nutrientes. 2
Introducción Lagunas con Macrófitas Los sistemas basados en plantas flotantes, pueden utilizar macrófitas como: El jacinto de agua (Eichhomia crassipes) vulgarmente conocido como camalote. También se utilizan las comúnmente llamadas lentejas de agua que son monocotiledóneas flotantes de la familia Lemnaceae, que consta de cuatro géneros: Lemna, Spirodela, Wolffia y Wolffiella. 3
Sistemas de aplicación - Ecosistemas acuáticos Lagunas con Macrófitas: Lagunas con Macrófitas Alternativamente se desarrollan macrófitas, enraizadas o no. Las macrófitas flotantes más empleadas son las Lemna (gibba, major, minor). Emergentes (Phragmites, Typha, Carex) Sumergidas (Potamogeton, Chara) Entran en competencia con las microalgas por los nutrientes y éstas no se desarrollan. 4
Sistemas de aplicación - Ecosistemas acuáticos Macrófitas: Spirodela intermedia Lemna minor Pistia stratiotes 5
Sistemas de aplicación - Ecosistemas acuáticos Macrófitas: Pistia stratiotes, Spirodela intermedia y Lemna minor En la llanura pampeana (Argentina), estas macrófitas abundan en todas las áreas con aguas estancadas, presentando alta tasa de crecimiento. Lemna minor y Spirodela intermedia pueden doblar su masa en menos de 2 días bajo condiciones ideales de disponibilidad de nutrientes, luz solar y temperatura. Bajo condiciones experimentales su velocidad de producción puede ser extrapolada a 4 ton /ha/día de biomasa fresca o a 80 ton/ha /año de material seco. Crecen bajo variadas condiciones climáticas. Disminuyen la producción algal pues compiten por los nutrientes. Como se extienden como manto sobre la superficie del cuerpo de agua, restringen la penetración de la luz y consecuentemente la fotosíntesis. 6
Macrófitas Jacintos de Agua El jacinto de agua (Eichhomia crassipes) o camalote crece principalmente en grandes cuerpos de agua y son capaces de eliminar grandes niveles de DBO 5, pequeñas concentraciones de sólidos suspendidos, nitrógeno y una significativa eliminación de elementos trazas. 7
Macrófitas Jacintos de Agua El uso del jacinto de agua para tratar efluentes tiene principalmente la dificultad de la eliminación de estas plantas. La producción de jacintos de agua en lagunas puede alcanzar cerca de 30 g en materia seca por m 2 y por día con un contenido de nitrógeno de alrededor de 3% en materia seca. 8
Macrófitas Jacintos de Agua La eliminación del fósforo está limitada a las necesidades de la planta y regularmente no excede del 50% al 70% del contenido de fósforo del efluente. La eliminación de nutrientes en climas fríos por parte de estos sistemas, disminuye porque las plantas son sensibles a las bajas temperaturas. A temperaturas por debajo de 10 C las plantas mueren. Se requiere de una reposición de éstas hacia la primavera para renovar el proceso y cumplir con las exigencias del tratamiento. 9
Macrófitas Jacintos de Agua Las ventajas que puede presentar el uso del jacinto de agua para tratar efluentes quedan anuladas en la mayoría de los casos, porque la cosecha de las plantas y el procesamiento de los productos que estas generan, tales como biogas o forraje para consumo animal, son muy costosos. 10
Macrófitas Jacintos de Agua También hay indicaciones de que las pérdidas de agua debidas a la evaporación en los sistemas planteados son 3 a 5 veces mayores que en las lagunas que tienen sólo el efluente. Otra restricción relativa al uso del jacinto de agua se debe al problema del mosquito. El voluminoso follaje poroso que crea esta planta arriba de la superficie del agua produce condiciones excelentes para el desarrollo de las larvas del insecto. 11
Macrófitas Lentejas de Agua Las lentejas de agua (Lemna minor) son capaces de crecer exitosamente sobre los efluentes y convertir los contaminantes biodegradables, en materiales útiles, como forraje rico en proteínas. Los estudios y monitoreos de campo indican un buen crecimiento relativo en agua cloacal y en efluentes de producciones pecuarias. 12
Macrófitas Lentejas de Agua La ventaja que tiene el utilizar la lenteja de agua para captar nutrientes, proviene de su preferencia por captar el amoníaco. Esto fue demostrado en cultivos de laboratorio. De esta forma la eliminación del nitrógeno consume menos energía y por lo tanto tiene un rendimiento mayor, ésto se traslada a una baja de costo en el tratamiento. 13
Macrófitas Lentejas de Agua Las lentejas de agua, no trabajan solas sino que conjuntamente con las bacterias ayudan a purificar el efluente. La descomposición bacteriana causa anaerobiosis, la cual es mantenida por la cobertura vegetal que se crea en la superficie y que evita la aireación. La mineralización producida por las bacterias da carbono, nitrógeno y fósforo, nutrientes éstos que luego son la principal fuente para el crecimiento de las lentejas de agua que los convierten en proteínas vegetales. 14
Macrófitas Lentejas de Agua Las especies de lenteja de agua como Spirodela y Lemna reducen el contenido de oxígeno del agua residual, sin embargo, esta anaerobiosis no parece causar ningún daño a las plantas o impedir el reuso del efluente tratado para irrigación. El CO 2 producido por las bacterias provee el medio para el crecimiento de las plantas. Estas plantas tienen la virtud de usar componentes orgánicos simples directamente. 15
Macrófitas Lentejas de Agua El límite superior de tolerancia térmica para las lentejas de agua es de alrededor de 34 C. Las plantas mostraron una leve disminución en su crecimiento por debajo de 10 C, por lo tanto son relativamente tolerantes a condiciones frías contrariamente al jacinto de agua. El contenido de proteína es de por lo menos 25% de la materia seca que es mucho mayor que el del jacinto de agua, aunque menos que el de las algas. El espectro de aminoácidos en las lentejas de agua, especialmente considerando la lisina (7,5% de la proteína total) y metionina (2,6% de la proteína total), es mucho mejor en comparación a otras plantas. 16
Macrófitas Lentejas de Agua Las lentejas de agua tienen una de las estructuras más simples y pequeñas. Tienen un tamaño que va de 1 mm a 15 mm. Los tallos y las hojas están fusionados. En cada planta hay dos regiones meristemáticas, las cuales producen alternativamente nuevas plantas. Cada una de las plantas individuales produce al menos 2 plantas hijas durante su corto ciclo de vida. 17
Macrófitas Lentejas de Agua La velocidad relativa de crecimiento de las lentejas de agua es muy alta: 0,1-0,5 g/g por día. Cada planta absorbe los nutrientes del agua a través de la totalidad de la misma y no a través de un sistema con raíz central como en las otras plantas superiores. Tienen un muy alto valor nutricional. Esto se debe a que la planta entera es tejido metabólicamente activo con casi nada de tejido estructural. Por lo tanto, usa una pequeña porción de la energía fotosintética para mantenimiento, o dicho de otra manera la energía fotosintética es destinada a la producción de materia no estructural a saber proteínas y ácidos nucleicos. Las lentejas de agua no tienen una estructura de sostén lo cual hace innecesario cortarlas. 18
Macrófitas Lentejas de Agua Las características y propiedades vistas anteriormente, explican porque son atractivas como plantas para cultivar y cosechar. Comparada con las algas, la lenteja de agua es más fácil de cosechar. 19
Macrófitas: Lagunas con Macrófitas En el CETA se hizo un trabajo: Aquatic macrophytes potential for the simultaneous removal of heavy metals (Buenos Aires, Argentina) Miretzky, P., Saralegui, A., Fernández Cirelli, A. Chemosphere 57/8, 997-1005 Simultaneous heavy metal removal mechanism by dead macrophytes Miretzky, P., Saralegui, A., Fernández Cirelli, A. Chemosphere 62, 247-254 20
Uso de macrófitas para la remoción de metales pesados Los metales pesados, en contraste con los residuos orgánicos, no pueden ser degradados, y por lo tanto, se acumulan en el agua, el suelo, los sedimentos y en los organismos vivos. 21
Métodos disponibles: Lagunas con Macrófitas Uso de macrófitas para la remoción de metales pesados Intercambio Iónico Osmosis Inversa Electrólisis Precipitación Adsorción Estos métodos presentan eficiencias diferentes para los distintos metales y pueden tener importantes costos, especialmente cuando se trata de grandes volúmenes, bajas concentraciones y altos standards de limpieza. 22
Uso de macrófitas para la remoción de metales pesados Algunos de los metales que pueden removerse en forma simultánea son: Fe Mn Zn Cu Pb Cr Fernández Cirelli et al. (2004), Chemosphere, 57, 997-1005
Uso de macrófitas para la remoción de metales pesados Se estudió el potencial, de Fe 2+, Cd 2+, Ni 2+, Cu 2+, Zn 2+ y Pb 2+. Las macrófitas flotantes utilizadas fueron: Pista straiotes Spirodela intermedia Lemna minor Recolectadas de lagunas pampeanas de escasa profundidad. 24
Macrófitas Vivas: Lagunas con Macrófitas Experiencias: Las macrófitas se lavaron se colocaron en reactores de 10L con agua de laguna, con 8 hs de luz diarias. Se realizaron por triplicado. Se trabajo con 3 concentraciones diferentes de cada metal. Fe 2+, Cd 2+, Ni 2+, Cu 2+, Zn 2+ y Pb 2+. Se utilizaron controles donde no se agrego el metal al agua. 25
Porcentaje (%) Macrófitas Vivas: Lagunas con Macrófitas Experiencias: Resultados Remoción de metal Porcentaje de metal removido desde el agua Pistia straiotes (%) Spirodel a intermedi a (%) Lemna minor (%) Fe 85 80,23 78,47 Zn 91,1 95,73 97,56 Mn 97,56 96,91 9,2 Cu 97,3 91,7 90,41 Cr 87,68 33,88 96,94 Pb 94,14 98,22 98,55 120 100 80 60 40 20 0 Fe Zn Mn Cu Cr Pb Metales P. straiotes S. intermedia L. minor 26
Experiencias: Macrófitas muertas (biosorbentes): Se utilizaron 3 especies de macrófitas. Éstas se lavaron y se secaron a 60 C, luego fueron pulverizadas y tamizadas. Se suspendieron en 50 ml de solución y luego se las colocó en un agitador durante 1,5 hr. Se realizó en 2 etapas, 1 solución individual de cada metal y 2 la solución con todos los metales juntos. Los metales utilizaron fueron: Cd 2+, Ni 2+, Cu 2+, Zn 2+ y Pb 2+. 27
Macrófitas Vivas: Resultados Lagunas con Macrófitas La biomasa de Lemna minor presentó el porcentaje medio de remoción más alto y Pistia straiotes, el más bajo para todos los metales. Experiencias: 28
Experiencias - Biosorbentes: - Pb y Cd fueron eficientemente eliminados del agua por las 3 biomasas, a pesar de la presencia de otros metales en el medio que competian por los sitios activos en la superficie. - La biomasa de Lemna minor presentó el mayor % de remoción y Pistia stratiotes el % menor para todos los metales en estudio. - El mecanismo responsable de la remoción de metales del agua fue el intercambio catiónico, comportándose las 3 biomasas como intercambiadores débilmente ácidos. 29
Experiencias - Biosorbentes: - Los biosorbentes pueden considerarse intercambiadores naturales que principalmente contienen grupos debilmente ácidos o básicos en su superficie. En el rango de ph 2.5-5,0, la unión de los metales está determinada principalmente por el grado de disociación de los grupos debilmente ácidos. - Na +, K +, Ca 2+, Mg 2+, Fe 3+ and Mn 2+ fueron liberados a la solución acuosa mientras que H +, Cd 2+, Ni 2+, Cu 2+, Zn 2+ y Pb 2+ fueron adsorbidos por la biomasa de Spirodela intermedia, Lemna minor y Pistia stratiotes. 30
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Conclusiones El tratamiento de efluentes por medio de lagunas de estabilización puede ser mejorado asociando al mismo macrófitas flotantes. Las macrófitas son eficientes en la remoción de materia orgánica, nutrientes y metales pesados. El hecho de que las macrófitas estudiadas han sido capaces de eliminar todos los metales del agua simultáneamente, constituye una fuerte indicación de su potencial para el tratamiento avanzado de aguas contaminadas.
Conclusiones Las macrófitas acuáticas se han venido usando en las 2 últimas décadas para la remoción de metales pesados, compitiendo con otros tratamientos secundarios. El principal mecanismo de remoción de metales es la adsorción por las raíces. 33