Fitotecnologías

Fitotecnologías
para el tratamiento de efluentes
CETA
Instituto de la
Universidad de
Buenos Aires
Tecnologías de tratamiento de
Aguas Residuales para Reuso
RALCEA – Agosto 2013
Fitotecnología
Introducción
Conceptos:
El término Fitotecnología describe la aplicación de la
ciencia y la ingeniería para estudiar problemas y dar
soluciones que involucran plantas.
Aunque el término no se usa ampliamente, es útil en la
comprensión de la importancia de las plantas y su papel
beneficioso en ambos sistemas sociales y naturales.
El uso de plantas como tecnologías para ayudar a abordar
los desafíos ambientales.
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Fitotecnología
Introducción
Conceptos:
Aplicaciones fitotecnológicas emplean principios de
ingeniería ecológica y se considera que son
ecotecnologías. Se basan en la ciencia de la ecología y
considera al ecosistema como un componente integral de
las intervenciones humanas y sociales relacionados con el
medio ambiente natural.
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Fitotecnología
Introducción
Conceptos:
La fitotecnología emplea plantas para eliminar la
contaminación del medio ambiente. Las plantas ayudan a
eliminar muchas formas de contaminación:
• Metales
• Plaguicidas
• Explosivos
• Hidrocarburos
Las plantas también contribuyen a impedir
que el viento, la lluvia y que las aguas
subterráneas extiendan la contaminación a
otras zonas.
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Fitotecnología
Fitotecnologías y las plantas
Proceso dentro de la planta de las sustancias químicas:
La planta toma por las raíces el agua y los nutrientes que se hallan en
los suelos, y en las aguas subterráneas, además de estos, extraen
también las sustancias químicas perjudiciales.
• Se almacenan en las raíces, los tallos y las hojas
• Se transforman en sustancias químicas menos
perjudiciales en el interior de la planta
• Se transforman en gases que se liberan al aire cuando la
planta transpira (respira)
La fitocorrección puede tener lugar incluso sin que las raíces
de la planta extraigan las sustancias químicas.
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Fitotecnología
Fitotecnologías y las plantas
- Las sustancias químicas pueden pegarse o sorberse a
las raíces de las plantas.
- Pueden transformarse en sustancias químicas menos
dañinas mediante la acción de los organismos o
microorganismos que viven en las raíces de las plantas.
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Fitotecnología
Fitotecnologías y las plantas
La EPA sugiere:
• Estudiar si las plantas que se cultivan para eliminar la
contaminación pueden resultar dañinas para los seres
humanos.
• Examinar las plantas y el aire para verificar que éstas no
liberen gases dañinos a la atmósfera circundante.
• Investigar cuales son los insectos y animales pequeños
que puedan comer las plantas que se emplean, y que no
se dañe a los mismos.
• Aprovechar los procesos naturales de las plantas.
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Fitotecnología
Aplicaciones que benefician al ambiente
Se dividen en 5 categorías:
• Aumentar la capacidad de adaptación de los sistemas
naturales para moderar los impactos de las actividades
humanas,
• Prevención de las emisiones de contaminantes y la
degradación ambiental,
• Control de las emisiones de contaminantes y procesos
ambientales para minimizar degradación del medio
ambiente,
• Rehabilitación
y
restauración
de
ecosistemas
degradados,
• Incorporación de indicadores de la salud de los
ecosistemas en estrategias de seguimiento y evaluación.
Fitotecnología
Componentes de la Fitotecnología
FITOTECNOLOGÍAS
Gestión
Prevención
Control
Recuperación y
Restauración
Monitoreo y
evaluación
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Fitotecnología
Componentes de la Fitotecnología
Se utilizan las fitotecnologías para:
Gestión: Aumentar la capacidad de los sistemas naturales
para absorber impactos.
Prevención: Evitar la producción y liberación de
sustancias peligrosas para el medio ambiente.
Control: Controlar y hacer que las sustancias sean
inocuas antes de entrar en el medio ambiente.
Recuperación y restauración: Recuperar y mejorar los
ecosistemas que han disminuido debido a los efectos
inducidos natural o antropogénicamente.
Monitoreo y evaluación: Del estado del medio ambiente,
incluyendo las emisiones de contaminantes y otros
materiales naturales o antropogénicos de carácter
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perjudicial.
Fitotecnología
Tecnologías Blandas o Duras
Clasificar a la tecnología en dura o blanda no esta
generalizado debido a que hay muchas personas
conocedoras y estudiosos del tema que piensan que la
tecnología no puede ser ni dura ni blanda sino que lo que se
puede clasificar en duro o blando es el producto tecnológico.
Se suele llamar tecnologías duras o intensivas a aquellas
que se basan principalmente en el conocimiento de las
ciencias duras, como la física y la química, técnicas
ingenieriles, maquinaria que encuentran una necesidad
definida por una comunidad, y utilizan materiales que están a
mano o que son fácilmente adquiribles. Normalmente se la
relaciona con fines económicos.
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Fitotecnología
Tecnologías Blandas o Extensivas
Se considera tecnología blanda, aquella donde su producto
no es tangible. Trata con las estructuras y el proceso para la
participación social, los procesos interactivos humanos, y las
técnicas de motivación. Pretenden mejorar el funcionamiento
de las instituciones u organizaciones para el cumplimiento de
sus objetivos.
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Fitotecnología
Comparación de tecnologías
Intensivas
Extensivas
• Energía eléctrica (coste elevado).
• Obra civil importante (cemento,
sistemas de agitación, etc.).
• Superficie
proporcionalmente
reducida.
• Mano de obra muy especializada.
• Se puede influir rápidamente en el
proceso.
• Aspecto muy tecnológico.
• Procesos artificiales.
• Energía natural (solar).
• Obra civil: movimiento de tierras e
impermeabilización ocasionalmente.
• Superficie
proporcionalmente
grande.
• El operador debe conocer los
procesos.
• Los mecanismos de depuración
tienen mucha inercia.
• Integración en el medio natural.
• Emplea componentes naturales
potenciados.
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Fitotecnología
Tecnologías Blandas o Extensivas
Las fitotecnologías pueden considerarse tecnologías blandas
o extensivas.
Se pueden utilizar como sistemas naturales de tratamiento de
efluentes.
Los mecanismos de depuración son los que operan en los
sistemas naturales.
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Fitotecnología
Tecnologías Blandas o Extensivas
Es importante en las tecnologías extensivas:
• Tener en cuenta los componentes del agua residual que
pueden afectar los procesos naturales (ej.: grasas y tóxicos).
• No sobrepasar la capacidad de tratamiento del sistema (en
cuanto a carga y caudal).
• Conocer en detalle los procesos implicados.
• Establecer una gestión adecuada.
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Fitotecnología
Matrices o componentes ambientales de sistemas
naturales
•
•
•
•
•
Suelo/subsuelo (matriz sólida)
Vegetación
Agua superficial
Acuífero
Sedimentos
Componentes adicionales
• Microflora
• Micro y macrofauna
• La atmósfera
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Fitotecnología
Matrices o componentes ambientales de sistemas
naturales
Suelo:
Sufre continuamente modificaciones, debido a:
•
•
•
•
•
•
•
•
El gran número de microorganismos que alberga.
Su capacidad de filtración, retención, adsorción-desorción.
Reacciones químicas que tienen lugar.
Procesos de intercambio.
Movimientos del agua.
Su papel de soporte de la vegetación.
Interacciones con la vegetación.
Una capacidad importante de autodepuración.
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Fitotecnología
Matrices o componentes ambientales de sistemas
naturales
Suelo:
Se suele requerir una textura homogénea del suelo, para
poder hacer máxima la capacidad de depuración.
La textura es importante por:
• La relación con la circulación de agua.
• La relación con la aireación.
• La posibilidad de desarrollo de la biopelícula.
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Fitotecnología
Matrices o componentes ambientales de sistemas
naturales
Vegetación:
• La capacidad de captar nutrientes y agua del suelo,
eliminándolos del medio.
• El mecanismo de transpiración.
• El papel de soporte de biopelícula.
• En algunos casos, la capacidad de transportar oxígeno a la
zona de las raíces.
• El efecto de mejora de la estructura del suelo y de la
circulación de agua en él, por acción de las raíces.
• La capacidad para captar / retener elementos
potencialmente Tóxicos presentes en el suelo.
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• La capacidad de protección del suelo frente a la erosión.
Fitotecnología
Matrices o componentes ambientales de sistemas
naturales
Sedimentos:
• Sumideros de materia orgánica en determinados
sistemas naturales, especialmente en los lagunajes.
• Trampa para muchos contaminantes.
• Mineralización con tiempos de retención de varios meses
(aerobia o casi siempre anaerobia).
• En casos determinados puede generar malos olores.
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Fitotecnología
Matrices o componentes ambientales de sistemas
naturales
Aguas Superficiales:
• En las aguas superficiales, el aporte de energía al sistema
calienta el agua o se traduce en fotosíntesis.
• Esto genera un crecimiento de plantas en presencia de
nutrientes suficientes (N, P, K y micronutrientes) y facilidad
de intercambio de gases (entrada de CO2).
• Puede producirse una simbiosis entre algas y bacterias
(lagunajes).
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Fitotecnología
Matrices o componentes ambientales de sistemas
naturales
Aguas Subterráneas:
• El agua residual puede llegar a las aguas subterráneas
mediante operaciones de recarga, ya sea a través del
suelo (por infiltración) o por aplicación directa al acuífero
• Cuando se recargan los acuíferos con aguas residuales
se producen diversas interacciones, que pueden
contribuir a mejorar la calidad del agua.
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Fitotecnología
Matrices o componentes ambientales de sistemas
naturales
Aguas Subterráneas:
Los fenómenos más importantes que se dan en los
acuíferos cuando se introducen aguas de origen superficial
son:
•Reducción de materia orgánica
•Corrección de olor y gusto
•Adsorción de ciertas sustancias orgánicas
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Fitotecnología
Matrices o componentes ambientales de sistemas
naturales
Atmósfera:
• El intercambio de gases con el suelo, la vegetación y el
agua.
• El vehículo para los malos olores que pueden generarse
en los procesos de depuración.
• La deposición de materiales en suspensión y el transporte
de aerosoles.
• Los meteoros acuosos (lluvia, nieve, rocío, escarcha)
aportan humedad a los ecosistemas.
• La temperatura atmosférica es clave en numerosos
procesos bioquímicos (en vegetación, suelo, aguas
superficiales).
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Fitotecnología
Matrices o componentes ambientales de sistemas
naturales
Acción de la Microfauna y Microflora:
• La microfauna es muy activa en suelos, descomponiendo
la materia orgánica, en predación de bacterias,
respirando, reproduciéndose.
• La microflora actúa fijando nitrógeno, generando materia
orgánica y descomponiéndola, generando gases y
antibióticos.
• Su actividad se mide mediante la respirometría.
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Fitotecnología
Mecanismos de Depuración
Los mecanismos de depuración implicados
tanto en sistemas extensivos como
intensivos pueden analizarse a nivel de
macrosistema o de microsistema.
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Fitotecnología
Mecanismos de Depuración - A nivel microscópico o
molecular
Procesos bioquímicos:
- Acciones enzimáticas de descomposición de la materia
orgánica
(hidrólisis,
metanización)
(suelos,
aguas
superficiales, sedimentos).
- Generación de colonias de microorganismos (aguas
superficiales, suelos, sedimentos).
- Formación de sustancias húmicas (suelos).
- Generación de nutrientes a partir de la materia orgánica
(suelos, aguas superficiales).
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Fitotecnología
Mecanismos de Depuración - A nivel microscópico o
molecular
Procesos Físico-Químicos:
• Adsorción-Desorción (suelo, aguas superficiales, aguas
subterráneas / acuíferos).
• Intercambio Iónico (suelo, sedimentos).
• Complejación (suelos, aguas superficiales, sedimentos).
• Reacciones Redox (suelo, aguas superficiales, aguas
subterráneas / acuíferos, sedimentos).
• Intercambio gaseoso (vegetación / microflora + atmósfera,
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suelo + atmósfera, vegetación / microflora + agua
superficial).
Fitotecnología
Mecanismos de Depuración - A nivel macrosistema
Procesos bioquímicos:
• Descomposición de materia orgánica (suelo, agua).
• Fotosíntesis (vegetación).
• Respiración (vegetación).
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Fitotecnología
Mecanismos de Depuración - A nivel macrosistema
Procesos Físico-Químicos:
•
•
•
•
•
•
•
•
FILTRACIÓN FÍSICA (suelo, vegetación, agua subterránea).
DISPERSIÓN (atmósfera).
DILUCIÓN (agua superficial, suelo).
GENERACIÓN DE FLÓCULOS.
SEDIMENTACIÓN (agua superficial, suelo).
EVAPORACIÓN (agua superficial, suelo).
TRANSPIRACIÓN (vegetación).
DEPOSICIÓN (atmósfera, suelo, atmósfera, agua
superficial).
• SOPORTE DE BIOPELÍCULA (suelo, vegetación).
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Fitotecnología
Las fitotecnologías como sistemas naturales de
depuración
En los ecosistemas naturales, no suele haber una gran
disponibilidad de materia orgánica ni de nutrientes, por lo
que el desarrollo de organismos tiene unas limitaciones
importantes en cuanto a su velocidad.
El uso de fitotecnologìas para la depuración se basa en
aumentar exponencialmente las disponibilidades de
materia orgánica/nutrientes, con lo que la velocidad de los
ciclos biogeoquímicos y la degradación de materia
orgánica es mucho más rápida.
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Fitotecnología
Las fitotecnologías como sistemas naturales de
depuración
Como consecuencia, se describen los procesos de depuración en los
sistemas extensivos en los mismos términos que en los sistemas
naturales:
• Ciclos biogeoquímicos
• Procesos de desarrollo de organismos en relación con
el medio
La velocidad de crecimiento de los organismos heterótrofos
está regulada por la cantidad de materia orgánica y la de los
autótrofos por la disponibilidad de nutrientes.
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Fitotecnología
Las fitotecnologías como sistemas naturales de
depuración
Para que la velocidad se mantenga, es preciso:
• Un aporte continuo de “suministros”.
• Una eliminación adecuada de subproductos.
• Un contacto adecuado de los organismos con la materia
a degradar.
• Un aporte de energía.
Esto es cierto para bacterias, protozoos y cualquier tipo de
planta.
La energía necesaria para el funcionamiento de estos
sistemas es principalmente la solar.
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Fitotecnología
Sistemas de aplicación - Ecosistemas acuáticos
•Lagunas facultativas
•Lagunas con macrófitas
•Humedales construidos
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Fitotecnología
Sistemas de aplicación - Ecosistemas acuáticos
Lagunas Facultativas:
•
•
•
•
•
•
Producción de algas (generan O2 , consumen CO2).
Bacterias heterótrofas aerobias degradan materia orgánica soluble.
Zona anóxica recibe aporte de materia orgánica sedimentable.
Casi no hay subproductos (si el sistema está en equilibrio).
Profundidad 1 - 2,5 metros.
Aumento de eficiencia por combinación de lagunas diferenciadas
(aerobias y anaerobias).
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Fitotecnología
Sistemas de aplicación - Ecosistemas acuáticos
Lagunas con Macrófitas:
• Este sistema potencia la depuración alcanzada en las
lagunas facultativas.
• Se utilizan macrófitas flotantes.
• Las plantas utilizan la materia orgánica y nutrientes
(nitrógeno y fósforo).
• Disminuyen el proceso de evaporación.
• Mejoran la ecuación económica del tratamiento pues las
Lemnas (por ej.) pueden reutilizarse como fuente proteica.
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Fitotecnología
Sistemas de aplicación - Ecosistemas acuáticos
Humedales Construídos:
• Superficiales (agua visible).
• Subsuperficiales (agua circula por un medio poroso).
• La depuración la realizan las bacterias y las plantas
desarrolladas.
• Elementos contaminantes asimilados en tejidos vegetales o
inmovilizados física o químicamente (por el medio poroso).
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Fitotecnología
Sistemas de aplicación - Ecosistemas acuáticos
Humedales Construídos – Características Comunes:
• Mantenimiento reducido (no cero).
• Energía solar o natural.
• Mano de obra básica no especializada
• Dirección con buen conocimiento del proceso.
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Fitotecnología
Sistemas de aplicación - Ecosistemas acuáticos
Definición del rango de utilidad de los sistemas de
fitodepuración
•
•
•
•
Por caudal
Por tipo de agua
Por calidad esperada
Por superficie ocupada
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Fitotecnología
Sistemas de aplicación - Ecosistemas acuáticos
Definición del rango de utilidad de los sistemas de
fitodepuración - CAUDAL
• El terreno utilizado en el sistema dependerá del caudal.
• Algunas lagunas pueden aceptar aumentos temporales de
caudal.
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Fitotecnología
Sistemas de aplicación - Ecosistemas acuáticos
Definición del rango de utilidad de los sistemas de
fitodepuración – TIPO DE AGUA
• Pueden tratar efluente primario de buena calidad.
• Muy adecuados para tratamiento de efluente secundario.
• Pueden gestionar agua de lluvia o de escorrentía.
• Pueden tratar algunos efluentes industriales (secundario o
terciario).
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Fitotecnología
Sistemas de aplicación - Ecosistemas acuáticos
Definición del rango de utilidad de los sistemas de
fitodepuración – CALIDAD ESPERADA
• Calidad suficiente para reutilización en riego.
• Calidad suficiente para vertido.
• Requiere desinfección para recarga directa de aguas
subterráneas.
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Fitotecnología
Sistemas de aplicación - Ecosistemas acuáticos
Definición del rango de utilidad de los sistemas de
fitodepuración – SUPERFICIE OCUPADA
• 2 a 25 m2/equivalente hombre.
• Aceptable en zonas con suelo económico.
• Normalmente inviable en zonas con suelo de alto costo.
• Difiere según actúe como secundario o como terciario.
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Fitotecnología
Sistemas de aplicación - Ecosistemas acuáticos
Definición del rango de utilidad de los sistemas de
fitodepuración – NECESIDADES DE DISEÑO
• Imprescindible una buena construcción, especialmente la
impermeabilización.
• Mantenimiento reducido pero no nulo, distinto al habitual en
otros sistemas.
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Fitotecnología
Biosorbentes
Los metales pesados también pueden ser eliminados del
agua por adsorción en materiales biológicos muy
económicos, como ser algas, hongos y bacterias.
El uso de plantas acuáticas secas, no vivas, para
remoción de metales como un material adsorbente
simple, presenta ventajas por su alta eficiencia en
eliminar tóxicos diluidos de aguas contaminadas.
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Fitotecnología
Ventajas del uso de Biosorbentes
- Mínimo volumen de químicos o residuo biológico que
debe tratarse.
- Bajo costo de conservación, transporte y manipuleo.
- No existen requerimientos de nutrientes.
- Los metales pesados pueden ser recuperados. Una vez
que se alcanzo la saturación de la biomasa, la misma
puede regenerarse con soluciones ácidas o básicas, que
posteriormente contendrán los metales en un pequeño
volumen.
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Fitotecnología
Conclusión
- Las FITOTECNOLOGÍAS son una alternativa efectiva
para la remediación de cuerpos de agua contaminados.
- La Fitotecnología requiere menos equipamiento y trabajo
que otros métodos ya que las plantas hacen la mayor
parte de las tareas. Además, los árboles y las plantas
pueden hacer más atractivos los sitios. Se puede limpiar
un sitio sin necesidad de cambiar el suelo contaminado ni
de extraer el agua subterránea contaminada por bombeo
gastando más energía. Se puede evitar también, que los
trabajadores entren en contacto con las sustancias
químicas dañinas.
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