9. MARCO TEORICO
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Capítulo 5. Marco teórico Evaluación del desempeño de humedales construidos con plantas nativas tropicales para el tratamiento de lixiviado de rellenos sanitarios 5. MARCO TEÓRICO 5.1 Lixiviados de rellenos sanitarios El lixiviado es el líquido producido cuando el agua procedente de la escorrentía superficial, lluvia o la producida por la propia dinámica de descomposición de los residuos se pone en contacto con los residuos depositados, excediendo su capacidad de absorción, pasando a través de ellos y aumentando la concentración de contaminantes. Este líquido tiene la capacidad de trasladarse a las aguas subterráneas, superficiales y al suelo circundante (Zamorano, et al., 2007). El lixiviado representa un posible riesgo de contaminación tanto del suelo y el subsuelo como de las corrientes superficiales y sub-superficiales aledañas, debido a la comunicación hidráulica que poseen los acuíferos (Torres, 2005). Comparado con las posibles emisiones de gases de vertedero los lixiviados son emitidos durante un periodo de tiempo mucho más largo. (Steiner, 2008) 5.1.1 Características de los lixiviados La composición de un lixiviado está caracterizada por cantidades elevadas de materia orgánica (biodegradable, pero también refractaria a la biodegradación), sales orgánicas e inorgánicas, nitrógeno, metales pesados y otras sustancias químicas diluidas, variando con la edad del vertedero (Steiner, 2008), las características del residuo depositado, la meteorología del lugar y modo de operación (Castrillón, 2008), (Renou, 2008). Se concluye usualmente que los lixiviados contienen toda característica contaminante principal, es decir, alto contenido de materia orgánica, nitrógenos y fósforo, presencia abundante de patógenos e igualmente sustancias toxicas como metales pesados y constituyentes orgánicos. (Giraldo, 2001) Los compuestos orgánicos presentes en los lixiviados son: proteínas, carbohidratos, compuestos hidroxiaromaticos, alcoholes, y principalmente los ácidos grasos volátiles; adicionalmente, los lixiviados contienen gran cantidad de nitrógeno amoniacal. (Torres, 2005) Estas características son importantes en cuanto nos indican que es necesario removerle a los lixiviados durante su tratamiento, sin embargo, desde el punto de vista de la selección de la tecnología existen otras características que, sin ser necesariamente contaminantes, pueden afectar el funcionamiento de los procesos de tratamiento. (Giraldo, 2001) La carga orgánica de los lixiviados alcanza los máximos valores en los primeros años de operación y decrece gradualmente con la edad del vertedero. En contraste, la concentración de amonio, que en general puede presentar cantidades superiores a 5. Marco Teórico | 20 Evaluación del desempeño de humedales construidos con plantas nativas tropicales para el tratamiento de lixiviado de rellenos sanitarios 2000 mg/l, no decrece y a menudo constituye su principal contaminante. En cuanto al contenido en metales pesados, las concentraciones son muy bajas en la fase metanogénica, pero sí son importantes en la fase inicial del vertedero (fase ácida). (Castrillón, 2008). Durante la fase ácida de la descomposición, el pH será bajo y las concentraciones de DBO5, COT, DQO, nutrientes, y metales pesados serán altas. Por otro lado, durante la fase de fermentación del metano, el pH estará dentro del rango de 6,5 a 7,5, y los valores de concentración de DBO5, COT, DQO y de los nutrientes serán significativamente más bajos. Similarmente, serán más bajas las concentraciones de metales pesados porque la mayoría de los metales son menos solubles para valores de pH neutros. El pH del lixiviado dependerá no solamente de la concentración de los ácidos que están presentes, sino también de la presión parcial del CO2 en el gas de vertedero que está en contacto con el lixiviado, como se muestra en la siguiente figura. (Tchobanoglous, 1994) I II III IV V Fuente: Tchobanoglous, 1994 Figura 1. Fases en la generación de lixiviados En la Figura 1 se muestra las fases de la generación de lixiviados en las cuales se tiene, I = ajuste inicial, II = fase de transición, III = fase ácida, IV = fermentación del metano, V = fase de maduración. La Figura 2 muestra el ciclo del agua en un relleno sanitario. El Caudal de lixiviados (L) está estrechamente vinculado a la precipitación (P), la escorrentía superficial (R), y al cambio de humedad del suelo (∆ ) y a la intrusión de agua subterránea que se filtra a través del relleno sanitario (∆ ). La técnica de vertido de residuos sólidos (cubiertas a prueba de agua, requerimientos de revestimiento, tales como arcilla, geotextiles y / o plástico) sigue siendo primordial para controlar la cantidad de agua que entra en el vertedero y por lo tanto, para reducir la amenaza de contaminación. El clima también tiene una gran influencia en la producción de lixiviados, ya que afecta la entrada de la precipitación (P) y las pérdidas por evaporación (ET). Por último, la producción de lixiviados depende de la naturaleza de los propios residuos, es decir, su contenido de agua y su grado de compactación en el vertedero. La 5. Marco Teórico | 21 Evaluación del desempeño de humedales construidos con plantas nativas tropicales para el tratamiento de lixiviado de rellenos sanitarios producción suele ser mayor cuando los desechos se compactan menos, ya que la compactación reduce la tasa de filtración. (Renou, et al., 2007) Fuente: http://gestionintegralresiduos.blogspot.com/ Figura 2. Generación de lixiviados De acuerdo con el balance hídrico se tiene que: = − −∆ − −∆ Donde, = es el caudal de lixiviados = Precipitación media anual = es la escorrentía = Evapotranspiración ∆ = Cambio de humedad del suelo ∆ = Cambio de humedad de los residuos 5.1.2 Calidad y cantidad de los lixiviados La calidad de los lixiviados en un relleno sanitario varía con el tiempo, al igual que con el tipo de relleno sanitario que se tenga. Puede decirse que los lixiviados de los rellenos sanitarios de los países en desarrollo presentan concentraciones mucho mayores de DBO, amoniaco, metales, y sustancias precipitables que aquellos de países desarrollados. Las concentraciones de todos los parámetros en el lixiviado joven son mucho mayores que en el lixiviado viejo. La relación DBO/DQO para un lixiviado joven es alta indicando una buena biodegradabilidad, mientras que para un lixiviado viejo es baja indicando una baja biodegradabilidad de la materia orgánica. Las concentraciones de sales disueltas y metales pesados son mucho mayores en un lixiviado joven, generando problemas de toxicidad al emplear procesos biológicos para la eliminación de DBO. De igual manera la eliminación de DBO se ve afectada por la toxicidad que generan los metales, pero a su vez la eliminación de metales se ve interferida por la presencia de la DBO que sirve como agente acomplejante que 5. Marco Teórico | 22 Evaluación del desempeño de humedales construidos con plantas nativas tropicales para el tratamiento de lixiviado de rellenos sanitarios mantiene los metales en solución dificultando y limitando su eliminación. (Giraldo, 2001) La calidad y cantidad de los lixiviados dependen de la interacción de un gran número de factores como: tipo y solubilidad de los residuos dispuestos (composición de las basuras, cantidad y calidad del reciclaje), diseño y operación del sitio de disposición (tiempo y forma de disposición, grado de compactación del residuo, altura de enterramiento, geomorfología de la cobertura), procesos de conversión microbiológica y química, interacción del lixiviado con el medio ambiente, naturaleza del suelo (topografía, almacenamiento del agua por el suelo, litología y concentración de materia orgánica y organismos vivos) y condiciones climáticas (régimen hidrológico, temperatura, evaporación y escurrimiento superficial), además la calidad de los lixiviados en un relleno sanitario varía significativamente en el tiempo, al igual que con el tipo de relleno sanitario que se tenga. (Borzacconi, L. et al., 1996) Las características del lixiviado de rellenos sanitarios se pueden representar usualmente por los parámetros básicos de DQO, DBO, la relación DBO/DQO, pH, sólidos suspendidos (SS), amoniaco (N-NH3), nitrógeno total Kjeldahl (NTK) y metales pesados. La composición de los lixiviados de diferentes rellenos sanitarios, según lo informado en la literatura, muestra una amplia variación. En la Tabla 1 se muestran los tres tipos de lixiviados que se han definido de acuerdo a la edad del lixiviado. En las tablas 1 a 4 se resumen los rangos de la composición de lixiviados en diferentes rellenos a nivel mundial y nacional. Estos datos muestran que la edad del relleno sanitario y por lo tanto el grado de estabilización de los residuos sólidos tiene un efecto en las características del agua (Renou, et al., 2007) Tabla 1. Clasificación general del lixiviado por edad Nuevo Edad (años) <5 pH 6.5 DQO (mg L-1) >10000 DBO5/DQO >0.3 Compuestos 80% (AGV) Orgánicos Metales pesados Bajo – Medio Biodegradabilidad Importante Fuente: Renou, et al., 2007 Intermedio 5 – 10 6.5 – 7.5 4000 – 10000 0.1 – 0.3 5 – 30% AGV + ácidos húmicos y fulvicos Medio Viejo >10 >7.5 <4000 <0.1 Ácidos húmicos y fulvicos Bajo Bajo 5. Marco Teórico | 23 Evaluación del desempeño de humedales construidos con plantas nativas tropicales para el tratamiento de lixiviado de rellenos sanitarios Tabla 2. Caracterización de lixiviados de vertederos en Colombia Sitio pH DQO a El Guayabal – Cúcuta 7,54 16334 La Glorita – Pereira b 8,1 8629,17 Curva de Rodas – Medellín c 6,89 19100 El Henequén – Barranquilla d 7,6 4112,08 Antanas – Pasto d 7,4 13064 a Fuentes: Contreras, A., Gelvez, J. 2006 b Chavarro, M., et al, 2006 c Agudelo, 1996 d Salazar, L., Saavedra I, 2009 DBO5 12878 430,81 14018 1611,08 12861 DBO5/DQO 0,79 0,12 0,73 0,39 0,98 SS 2043,2 204 1355 NTK 1266,6 346,52 1192 299,3 1574 N-NH3 809,25 897 - Tabla 3. Caracterización de metales pesados en lixiviados de vertederos Sitio Cd a El Guayabal – Cúcuta e Wysieka – Polonia 0,009 La Glorita – Pereira b c Curva de Rodas - Medellín mg/L f Henequen – Cartagena 0,12 Fuentes: a Contreras, A., Gelvez, J. 2006 b Chavarro, M., et al, 2006 c Agudelo, 1996 e Kulikowska, D., Klimiuk, 2008 f Olivero, J., et al., 2008 Cr 0,06 0,59 751,04 - Pb 0,032 33,927 <0,10 Hg <0,015 5. Marco Teórico | 24 Evaluación del desempeño de humedales construidos con plantas nativas tropicales para el tratamiento de lixiviado de rellenos sanitarios Tabla 4. Composición de lixiviados Edad Joven Joven Joven Joven Joven Joven Joven Joven Joven Medio Medio Medio Medio Medio Medio Medio Viejo Viejo Viejo Viejo Viejo Sitio Canadá Canadá China - Hong Kong China - Hong Kong Grecia Italia Corea del sur Turquía Turquía China - Hong Kong Alemania Grecia Italia Polonia Taiwán Turquía Brasil Estonia Finlandia Francia Corea del sur DQO 13800 1870 15700 50000 70900 10540 24400 16200 - 20000 35000 - 50000 7439 3180 5350 5050 1180 6500 9500 3460 2170 340 - 920 500 1409 DBO 9660 90 4200 22000 26800 2300 10800 10800 - 11000 21000 - 25000 1436 1060 1050 1270 331 500 150 800 84 7,1 62 DBO/DQO 0,7 0,05 0,27 0,44 0,38 0,22 0,44 0,55 - 0,67 0,5 - 0,6 0,19 0,33 0,2 0,25 0,28 0,08 0,04 0,37 0,09 - 0,25 0,01 0,04 pH 5,8 6,58 7,7 7,8 - 9,0 6,2 8,2 7,3 7,3 - 7,8 5,6 - 7,0 8,22 7,9 8,38 8 8,1 8,15 8,2 11,5 7,1 - 7,6 7,5 8,57 SS 2000 950 1666 2400 2630 - 3930 784 480 130 404 NTK 212 75 13000 3400 1766 2370 1135 1100 1670 1450 540 141 N-NH3 42 10 2260 13000 3100 5210 1682 1120 - 2500 2020 884 940 1330 743 5500 1270 800 330 - 560 430 1522 Fuente: Renou, et al., 2007 5. Marco Teórico | 25 Evaluación del desempeño de humedales construidos con plantas nativas tropicales para el tratamiento de lixiviado de rellenos sanitarios 5.1.3 Producción de lixiviados En la producción de lixiviados influyen reacciones fisicoquímicas (solubilización, precipitación, oxido – reducción, intercambio iónico de gases de algunos materiales contaminantes) y reacciones de degradación bilógica de materiales suspendidos y disueltos que, según las condiciones del medio pueden ser aerobias o anaerobias. En la degradación aerobia, se aprovecha la presencia del oxígeno que se encuentra en los espacios vacíos (intersticios) en las capas superiores de las pilas que están en mayor contacto con el aire; sin embargo, cuando la altura de las capas de desechos se incrementa, la transformación por vía anaerobia prevalece. (Torres, 2005) 5.2 Metales pesados Por metales pesados se entiende a cualquier elemento químico metálico que tenga una relativa alta densidad y sea tóxico o venenoso en concentraciones bajas, y que no se puedan degradar por medios naturales, además que son peligrosos porque tienden a bioacumularse en el organismo (Metcalf & Eddy, 1995). 5.2.1 Toxicidad de los metales El estudio de la toxicidad de los metales presenta una notable complejidad. Así, en pequeñas cantidades, un buen número de estos elementos (hierro, manganeso, cobre, cinc, et.) son esenciales para la vida, ya que forman parte de enzimas y proteínas e intervienen en diversos procesos bioquímicos necesarios para el normal desarrollo de los animales y de las plantas, sin embargo, pueden llegar a ser tóxicos a ciertos niveles. Por otra parte, existen elementos metálicos que siendo esenciales para unos organismos, no lo son para otros. (Izquierdo, 1995) Finalmente, hay metales que ni son necesarios, ni se les conoce efectos beneficiosos alguno sobre los seres vivos, siendo tóxicos aun en pequeñas cantidades; tal es el caso del mercurio, cadmio y plomo. (Izquierdo, 1995) La tendencia acumuladora de los metales en órganos y tejidos se puede valorar a través de las vidas medias de estos elementos. En general, estos valores son inversamente proporcionales a los niveles naturales con que estos elementos se presentan en el medio ambiente, de donde se deduce, que los seres vivos han desarrollado mecanismos de defensa para regular la presencia de los metales en sus organismos y adaptarse al medio. (Izquierdo, 1995) Varios estudios epidemiológicos han mostrado un incremento en el riesgo de presentar problemas de salud entre las personas que habitan en cercanía de los rellenos sanitarios. Estudios realizados para el vertedero de Navarro, ubicado en la 5. Marco Teórico | 26 Evaluación del desempeño de humedales construidos con plantas nativas tropicales para el tratamiento de lixiviado de rellenos sanitarios ciudad de Cali, Colombia, muestran evidencias de los efectos de la exposición a un botadero a cielo abierto en la población que vive en su área de influencia. Dichos estudios mostraron efectos en el crecimiento en menores de 3 años, dado que los niños que habitan cerca del BN presentaron una disminución significativa del índice de peso para la talla, comparados con las zonas de control del estudio, adicionalmente se encontró la ocurrencia de síntomas respiratorios bajos o infecciosos que pueden estar relacionados con el índice de peso para la talla probablemente debido a que los expuestos presentan episodios respiratorios más frecuentes y/o de mayor severidad que actúan sinérgicamente con la exposición y deterioran los índices de crecimiento o a que los expuestos tienen una menor capacidad de recuperar sus índices de crecimiento después de haber presentado uno de estos episodios. (Ocampo, C., et al., 2008) Con respecto a la calidad del agua, el canal interceptor (CVC) Sur que trae aguas negras de la parte suroriental de la ciudad y que bordea por casi 1 km al basurero de Navarro y que posteriormente descarga sus aguas al Rio Cauca, ve influenciada la calidad de sus aguas por las descargas de lixiviados provenientes del BN. Además, en el agua de algunos de los pozos muestreados alrededor del BN se encontró presencia de metales pesados (cadmio y plomo). (Ocampo, C., et al., 2008) A continuación se describen los metales pesados de interés en el desarrollo de este trabajo de investigación. 5.2.2 Mercurio El mercurio es el tercer elemento en el grupo IIB de la tabla periódica, tiene un número atómico de 80, un peso atómico de 200.59, y valencias de 1 y 2. La abundancia promedio en la corteza terrestre es de 0.009 ppm; en suelos es de 3 a 160 ppb; en corrientes es de 0.07 µg/L, y en aguas subterráneas es de 0.5 a 1 µg/L. el mercurio se produce libre en la naturaleza, pero su principal fuente es el sulfuro de mercurio (HgS). El mercurio es usado en amalgamas, recubrimiento de espejos, lámparas de vapor, pinturas, aparatos de medición (termómetros, barómetros, manómetros) farmacéuticos, pesticidas y fungicidas. El mercurio es considerado no esencial para plantas y animales. (APHA/AWWA, 2005) 5.2.3 Cadmio El Cadmio es el segundo elemento en el grupo IIB de la tabla periódica; tiene un número atómico de 48, un peso atómico de 112.41, y una valencia de 2. El promedio de abundancia del Cd en la corteza terrestre es de 0.16 ppm; en suelos es de 0.1 a 0.5 ppm; en corrientes es de 1 µg/L, y en aguas subterráneas es de 1 a 10 µg/L. el 5. Marco Teórico | 27 Evaluación del desempeño de humedales construidos con plantas nativas tropicales para el tratamiento de lixiviado de rellenos sanitarios cadmio se presenta en minerales de sulfuro que también contienen Zinc, Plomo, o Cobre. El metal es usado en galvanoplastia, baterías, pigmentos de las pinturas y en aleaciones con otros metales. Este elemento no es esencial para plantas y animales. El cadmio es muy toxico y se acumula en riñones y el hígado. La organización de las naciones unidas para la alimentación y agricultura recomienda un nivel máximo para cadmio en aguas de riego de 10 µg/L. (APHA/AWWA, 2005) 5.2.4 Cromo El cromo es el primer elemento en el grupo VIB de la tabla periódica, tiene un número atómico de 24, peso atómico de 51.99, y valencias de 0 y 2 hasta 6. La abundancia promedio del Cr en la corteza terrestre es 122 ppm; en suelos el rango del Cr es de 11 a 22 ppm, en corrientes un promedio de 1 µg/L, y en aguas subterráneas es generalmente 100µg/L. El cromo es encontrado principalmente en la cromita (FeOCr2O3). El cromo es usado en aleaciones, galvanoplastia, y en pigmentos. Los compuestos de cromo con frecuencia se añaden al agua de enfriamiento para el control de la corrosión. El cromo es considerado no esencial para plantas, pero un elemento traza esencial para animales. Los compuestos hexavalentes han sido mostrados como carcinogénicos por inhalación y son corrosivos para los tejidos. La organización de las naciones unidas para la alimentación y agricultura recomienda un nivel máximo para cadmio en aguas de riego de 100 µg/L. (APHA/AWWA, 2005) 5.2.5 Plomo El Plomo (Pb) es el quinto elemento en el grupo IVA de la tabla periódica, tiene un número atómico de 82, un peso atómico de 207,19, y valencias de 2 y 4. La abundancia promedio del Pb en la corteza terrestre es 13 ppm; en suelos los rangos son de 2.6 a 25 ppm; en corrientes es de 3µg/L, y en aguas subterráneas es generalmente <0.1mg/L. el Plomo es obtenido principalmente de la Galena (PbS). Es usado en baterías, municiones, soldaduras, tuberías, pigmentos, insecticidas y aleaciones. El Plomo no es esencial para plantas y animales. Es toxico por ingestión y es un toxico acumulativo. (APHA/AWWA, 2005) 5.2.1 Eliminación de metales pesados En general, los metales pesados son removidos mediante reacciones de intercambio iónico que se producen mientras los lixiviados viajan a través del suelo, los oligoorgánicos se separan principalmente mediante absorción. La capacidad de un suelo para retener los metales pesados encontrados en los lixiviados está en 5. Marco Teórico | 28 Evaluación del desempeño de humedales construidos con plantas nativas tropicales para el tratamiento de lixiviado de rellenos sanitarios función de la capacidad de intercambio de cationes que tiene el suelo. (Tchobanoglous, G., 1994) La contaminación con metales pesados se ha convertido en uno de los problemas medioambientales más serios hoy en día. Su tratamiento es de especial interés debido a su recalcitrancia y persistencia en el ambiente. En los años recientes, varios métodos para la eliminación de estos elementos del agua residual han sido extensamente estudiados (Fu, F., Wang, Q., 2010). Algunas técnicas físico - químicas para la eliminación de metales pesados de las aguas residuales son la precipitación química, coagulación – floculación, adsorción, flotación, intercambio iónico, métodos electroquímicos y filtración por membrana. Según Kurniawan, T., et al (2006) las tecnologías más estudiadas y aplicadas para el tratamiento de aguas residuales contaminadas con metales pesados son el intercambio iónico y la filtración por membrana. La precipitación con cal ha sido encontrada como uno de los medios más efectivos para tratar efluentes inorgánicos con altas concentraciones de metales. La precipitación química es ampliamente usada para la remoción de metales pesados de efluentes inorgánicos. Después de ajustar el pH a condiciones básicas (pH 11), los iones metálicos disueltos son convertidos a una fase solida insoluble por una reacción química con un agente precipitante como la cal. Una de las desventajas de la precipitación química es el incremento en el contenido de sólidos disueltos del agua residual a tratar. Otra desventaja es el gran volumen de lodo a tratar que, además, puede contener compuestos tóxicos que dificulten su tratamiento y evacuación. (Kurniawan, T., et al, 2006). (Fu, F., Wang, Q., 2010). La coagulación – floculación seguida por la sedimentación y filtración pueden ser empleadas para tratar agua residual cargada con metales pesados. El proceso de coagulación desestabiliza las partículas coloidales por adición de un coagulante que neutraliza las fuerzas que mantienen separados a los coloides. Al incrementar el tamaño de las partículas, la coagulación es seguida por la floculación de las partículas inestables que se unen formando flóculos voluminosos. (Kurniawan, T., et al, 2006). (Fu, F., Wang, Q., 2010). La flotación es empleada para separar sólidos o dispersar líquidos de una fase líquida usando finas burbujas de gas. Las burbujas se adhieren a las partículas, y la fuerza ascensional que experimenta el conjunto partícula - burbuja de aire hace que suban hasta la superficie del líquido, donde se acumulan y pueden ser eliminadas como lodo. La flotación por aire disuelto es el método más comúnmente usado para el tratamiento de aguas residuales contaminadas con metales. (Kurniawan, T., et al, 2006). (Fu, F., Wang, Q., 2010). 5. Marco Teórico | 29 Evaluación del desempeño de humedales construidos con plantas nativas tropicales para el tratamiento de lixiviado de rellenos sanitarios La adsorción se ha convertido en una de las técnicas alternativas de tratamiento de las aguas residuales contaminadas con metales pesados, por ser un método económico y efectivo. La adsorción es un proceso de transferencia de masa por el cual se transfiere una sustancia soluble presente en la interfase de una solución a la superficie de un sólido, donde es confinado por interacciones físicas y/o químicas. Debido a su gran superficie, alta capacidad de adsorción y reactividad de la superficie, la adsorción con carbón activado pude eliminar metales tales como Ni, Cr, Cd, Cu y Zn de un efluente inorgánico. (Kurniawan, T., et al, 2006). (Fu, F., Wang, Q., 2010). Sumado a la filtración por membrana el intercambio iónico, es también uno de los tratamientos frecuentemente empleados a nivel mundial para el tratamiento de aguas residuales contaminadas con metales pesados. En el intercambio iónico, ocurre un intercambio reversible de iones entre las fases sólida y líquida, donde una sustancia insoluble remueve iones de una solución electrolítica y libera otros iones de igual carga en una cantidad químicamente equivalente sin ningún cambio estructural en la resina. El intercambio iónico también se puede utilizar para recuperar valiosos metales pesados de efluentes inorgánicos. Después de separar la resina cargada, el metal se recupera en una forma más concentrada por elución con los reactivos adecuados. (Kurniawan, T., et al, 2006). (Fu, F., Wang, Q., 2010). Entre las técnicas de tratamiento electroquímicas se encuentran la electrodiálisis, electrolisis de membrana y precipitación electroquímica. La electrodiálisis es una separación de membranas en la cual las especies ionizadas en la solución son pasadas a través de una membrana semipermeable selectiva de iones por aplicación de un potencial eléctrico. Las membranas son láminas delgadas de materiales plásticos con características aniónicas o catiónicas. Algunas investigaciones indican que la electrodiálisis no es efectiva para tratar efluentes inorgánicos con una concentración de metales mayor a 1000 mg.L-1, esto sugiere que la electrodiálisis es más adecuada para una concentración de metales pesados menor a 20 mg.L-1. La electrolisis de membrana, es un proceso químico impulsado por un potencial electrolítico, también puede ser aplicado para remover impurezas metálicas de las aguas residuales de acabado de metales. Este método puede ser empleado para tratar aguas residuales con una concentración de metales mayor a 2000 mg.L-1 o inferior a 10 mg.L-1. Para maximizar la remoción de metales pesados de aguas residuales contaminadas, el potencial eléctrico ha sido utilizado para modificar la precipitación química convencional. En general, los procesos de precipitación electroquímica pueden tratar efluentes inorgánicos con concentraciones de metales mayores que 2000 mg.L-1. (Kurniawan, T., et al, 2006). (Fu, F., Wang, Q., 2010). La filtración por membrana ha recibido una atención considerable para el tratamiento de efluentes inorgánicos, ya que es capaz de eliminar no solo sólidos 5. Marco Teórico | 30 Evaluación del desempeño de humedales construidos con plantas nativas tropicales para el tratamiento de lixiviado de rellenos sanitarios suspendidos y compuestos orgánicos, sino también contaminantes inorgánicos tales como metales pesados. Dependiendo del tamaño de la partícula que puede ser retenida, varios tipos de filtración por membrana como la ultrafiltración, nanofiltración, y osmosis inversa pueden ser empleados para la remoción de metales. (Kurniawan, T., et al, 2006). (Fu, F., Wang, Q., 2010). Todas las limitaciones de los procesos físico – químicos descritos conducen a aplicar tecnologías basadas en procesos biológicos, debido a que los microorganismos tienen la capacidad de adaptarse a multitud de agentes contaminantes, tanto orgánicos como inorgánicos y aunque los microorganismos no pueden destruir los metales pesados, si pueden influir en su movilidad en el medio ambiente, modificando sus características físicas y/o químicas. Según Vargas, R., (2005) estudios llevados a cabo sobre descontaminación de fluidos mediante microorganismos revelan que los metales pesados presentan gran afinidad por los flóculos microbianos, adhiriéndose a estos en cortos periodos de tiempo. 5.3 Tecnologías de tratamiento de lixiviados Debido a que las características de los lixiviados pueden variar tanto, y si no es posible emplear el reciclaje y la evaporación de lixiviados o evacuarlos directamente a una instalación de tratamiento, será necesario realizar algún tipo de pretratamiento o tratamiento completo. El proceso o los procesos de tratamiento biológicos y físico-químicos elegidos dependerán en gran parte del contaminante o contaminante que haya que separar. (Renou, 2008) El tipo de instalaciones de tratamiento utilizadas dependerá principalmente de las características del lixiviado, y en segundo lugar, de la localización geográfica y física del vertedero (Renou, 2008) La remoción de la materia orgánica basada en la demanda química de oxígeno (DQO), demanda biológica de oxígeno (DBO), y amonio del lixiviado es usualmente un requisito previo antes de la descarga del lixiviado a aguas naturales. (Renou, 2008) 5.4 Sistemas naturales Los sistemas naturales son aquellos que logran la eliminación de las sustancias contaminantes de las aguas residuales a través de mecanismos y procesos naturales los cuales no requieren de energía externa ni de aditivos químicos. En estos sistemas un buen número de procesos de descontaminación son ejecutados por sinergia de diferentes comunidades de organismos. (García, J., Corzo, A., 2008) 5. Marco Teórico | 31 Evaluación del desempeño de humedales construidos con plantas nativas tropicales para el tratamiento de lixiviado de rellenos sanitarios Algunas de las diferencias fundamentales de los sistemas naturales respecto a los convencionales son un nulo consumo energético para descontaminar y una mayor superficie de tratamiento (García, J., Corzo, A., 2008). Los sistemas naturales pueden clasificarse en dos categorías según el tratamiento tenga lugar fundamentalmente en el terreno o en una masa de agua, como se muestra en la siguiente tabla. Tabla 5. Clasificación de los sistemas naturales de tratamiento de aguas residuales. Sistemas Naturales de Tratamiento de Aguas Residuales Basados en la aplicación del agua en el terreno Basados en los procesos que suceden en la masa de agua Aplicación subsuperficial Aplicación superficial Sistemas Humedales Lagunaje Zanjas y lechos filtrantes Filtros verdes construidos con plantas natural humedales construidos infiltración–percolación flotantes flujo superficial flujo subsuperficial filtro de arena Fuente: García, J., Corzo, A., 2008. Como alternativas de tratamiento de lixiviados han sido propuestos los sistemas naturales, lagunas y humedales artificiales. Dichos sistemas tienen la ventaja de la simplicidad en su operación y la posibilidad de lograr diferentes niveles de tratamiento, desde un pre-tratamiento hasta un tratamiento terciario en caso de necesitarse. (Giraldo, 2001) La principal desventaja que se tiene con estos sistemas es la cantidad de terreno que requieren para localizar los procesos. Sin embargo, por la naturaleza misma de los diseños de los rellenos sanitarios, en donde hay necesidad de tener áreas de amortiguamiento visual, de ruido y de olores, las áreas que usualmente están localizadas a los alrededores del relleno, podrían utilizarse como parte de los sistemas naturales de tratamiento; en especial en el caso de los humedales. (Giraldo, 2001) 5.5 Fitorremediación La fitorremediación es una tecnología verde emergente para la remediación de suelos, sedimentos, agua superficial y subterránea, que se basa en el uso de la vegetación como principal agente descontaminador para eliminar (fitoextracción, fitodegradación o fitovolatilización) o inmovilizar (fitoestabilización) contaminantes peligrosos para el medio ambiente. La técnica es aplicable por contaminación de metales pesados, compuestos orgánicos y radionucleidos. (Urzelai, 2001, Alkorta, 2000). Esta definición afecta a todas las plantas que, con procesos químicos, biológicos y físicos ayudan a la biorrecuperación de sustratos contaminados. Se pueden distinguir dos tipos diferentes de “fitorremediación”: “in planta” y “ex planta”, 5. Marco Teórico | 32 Evaluación del desempeño de humedales construidos con plantas nativas tropicales para el tratamiento de lixiviado de rellenos sanitarios según se realice la degradación del contaminante dentro de la propia planta o fuera de ella. En el primer caso (in planta), la planta absorbe el contaminante y lo incluye dentro de ella, mientras que cuando es “ex planta”, dicha degradación se realiza en la zona de la rizosfera, debido a los exudados radicales y a la mayor actividad que existe en la zona. (Ministerio Español de medio ambiente, 2004 – 2007). Las plantas y sus organismos de la rizosfera pueden ser usados para fitorremediación en diferentes maneras, como se ve en la figura 2, donde se muestran las tecnologías usadas para la remediación de agua, suelos o aire contaminados. Estos pueden ser utilizados como filtros en humedales construidos o en una instalación hidropónica, esta última llamada Rizofiltración. Los arboles pueden ser usados como barrera hidráulica para crear un flujo de agua hacia arriba en la zona de la raíz, previniendo que la contaminación se filtre hacia abajo o para evitar que una columna de agua subterránea contaminada se extienda horizontalmente. El termino fitoestabilización denota el uso de plantas para estabilizar los contaminante en el suelo, o bien simplemente por prevención de la erosión, la lixiviación, escorrentía, o mediante la conversión de los contaminantes a formas menos biodisponibles. (Pilon-Smits, E., 2005) Las plantas también pueden utilizarse para extraer los contaminantes y acumularlos en sus tejidos, seguido por la cosecha del material vegetal (por encima del suelo). Esta tecnología se denomina fitoextracción. El material vegetal puede ser utilizado posteriormente para fines no alimentarios (por ejemplo, madera, cartón) o incineración, seguido por la disposición en un relleno sanitario o, en el caso de los metales preciosos, el reciclaje de los elementos acumulados. Este último se denomina fitominería. (Pilon-Smits, E., 2005) Fuente: Pilon-Smits, E., 2005 Figura 3. Técnicas de Fitorremediación 5. Marco Teórico | 33 Evaluación del desempeño de humedales construidos con plantas nativas tropicales para el tratamiento de lixiviado de rellenos sanitarios Las plantas pueden facilitar la biodegradación de contaminantes orgánicos por los microorganismos en su rizosfera. Esto se llama fitoestimulación o rizodegradación. Las plantas también pueden degradar los contaminantes orgánicos directamente a través de sus propias actividades enzimáticas, en un proceso llamado fitodegradación. Después de la absorción en el tejido de la planta, ciertos contaminantes pueden dejar la planta en forma volátil, lo que se llama fitovolatilización. En la Figura 4 se muestran los posibles destinos de un contaminante durante la fitorremediación, donde se muestra que el contaminante puede ser estabilizado o degradado en la rizosfera, secuestrado o degradado dentro los tejidos de la planta o volatilizado. Fuente: Pilon-Smits, E., 2005 Figura 4. Ubicación del contaminante en la fitorremediación 5.5.1 Humedales construidos Los humedales naturales son complejos mosaicos de lámina de agua, vegetación sumergida, vegetación flotante, vegetación emergente y zonas con nivel freático más o menos cercano a la superficie, en los que el suelo se mantiene saturado de agua durante un largo periodo de tiempo cada año. En los humedales crecen vegetales, animales y microorganismos especialmente adaptados a estas condiciones ambientales. Estos seres vivos junto a procesos físicos y químicos, son capaces de depurar el agua, eliminando grandes cantidades de materia orgánica, sólidos, nitrógeno, fósforo y, en algunos casos, productos químicos tóxicos. (Lahora, A., 2002) Se ha tratado de aprovechar este gran potencial depurador de los humedales para el tratamiento de aguas residuales, diseñando instalaciones capaces de reproducir las características de los humedales. (Lahora, A., 2002) 5. Marco Teórico | 34 Evaluación del desempeño de humedales construidos con plantas nativas tropicales para el tratamiento de lixiviado de rellenos sanitarios Los humedales específicamente construidos con el propósito de controlar la contaminación del agua han recibido gran cantidad de nombres en las distintas partes del mundo donde han sido usados (Crites et al., 2000). La denominación mas extendida es “Humedales Artificiales” o “Humedales Construidos” (“Constructed Wetlands”; U.S. Enviromental Protection Agency, 1988) Los humedales artificiales son humedales que se han construido o modificado ampliamente por los seres humanos, dichos humedales son sistemas artificiales de tratamiento de aguas residuales poco profundos, generalmente menos de 1 metro de profundidad, pueden ser estanques o canales con vegetación especializada, ya sean plantas que viven en el agua (hidrofitos) o las que se desarrollan en terrenos permanentemente inundados o al menos saturados de agua, con bastante frecuencia (Higrofitos), y que dependen de procesos microbianos naturales, biológicos, físicos y químicos para el tratamiento de las aguas residuales. Uno de los rasgos más característicos de la vegetación de los humedales es su adaptación a vivir con una fuerte limitación de la disponibilidad del oxígeno en el suelo, es decir, en condiciones de anaerobiosis que normalmente no soportan las plantas terrestres. Los procesos de descontaminación tienen lugar mediante las interacciones entre el agua, el sustrato sólido, los microorganismos, la vegetación e incluso la fauna (García, J., Corzo, A., 2008). Los humedales tienen típicamente canalizaciones, aislamiento del suelo para evitar el paso de la contaminación a los ecosistemas naturales circundantes como capas impermeables de arcilla o de plástico, y estructuras para el control del flujo de la salida en cuanto a su dirección, flujo, tiempo de retención, y nivel del agua. Dependiendo del tipo de sistema, pueden o no contener un medio inerte poroso como piedra, grava o arena. (Urzelai, 2001) Los humedales construidos han sido usados para tratar una variedad de aguas residuales incluyendo, aguas de escorrentía urbana, municipales, agrícolas, industriales y de drenaje ácido de minas y atendiendo el tipo de circulación del agua, los humedales construidos se han clasificado en dos tipos, humedales de flujo superficial y humedales de flujo subsuperficial. Este trabajo de investigación se realizará en humedales de flujo subsuperficial, por lo cual será el tema en el que más se haga referencia. (Lahora, A., 2002) 5. Marco Teórico | 35 Evaluación del desempeño de humedales construidos con plantas nativas tropicales para el tratamiento de lixiviado de rellenos sanitarios Tabla 6. Principales procesos físico – químicos y biológicos en la depuración de aguas residuales con humedales. Contaminante Materia Orgánica Proceso de eliminación Sedimentación Asimilación Mineralización Sólidos en suspensión Floculación Sedimentación Filtración Degradación Nitrógeno Amonificación Volatilización del amonio Nitrificación Desnitrificación Fósforo Adsorción Sedimentación Precipitación química Asimilación vegetal Patógenos Sedimentación y muerte gradual Radiación UV Antibióticos naturales Predación Compuestos inorgánicos Asimilación Inmovilización Metales pesados Fijación al sedimento Adsorción por las plantas Fuente: Lahora, A., 2002 5.5.1.1 Humedales artificiales de flujo superficial En los sistemas de flujo superficial el agua esta expuesta directamente a la atmósfera y circula preferentemente a través de los tallos y hojas de las plantas. Estos tipos de humedales se pueden entender como una modificación del lagunaje natural. Se suelen aplicar para mejorar la calidad de los efluentes que ya han sido previamente tratados en una depuradora. (García, J., Corzo, A., 2008) En un humedal artificial de flujo superficial la vegetación está parcialmente sumergida en el agua, y su profundidad varía entre 1 y 4.5 metros. Este tipo de sistemas consta en general de canales o tanques con una barrera natural o artificial para prevenir la percolación del agua. Algunos de estos sistemas se diseñan de manera que haya retención completa del agua residual que se aplica a través de percolación y la evapotranspiración. Las bacterias adheridas a las plantas tratan el agua residual a medida que esta fluye a través de la vegetación y por medio de procesos físicos y químicos (Crites, 2000). 5. Marco Teórico | 36 Evaluación del desempeño de humedales construidos con plantas nativas tropicales para el tratamiento de lixiviado de rellenos sanitarios Fuente: García, J., Corzo, A., 2008 Figura 5. Humedal construido de flujo superficial 5.5.1.2 Humedales artificiales de flujo subsuperficial Los humedales de flujo subsuperficial se clasifican según el sentido de circulación del agua en horizontales o verticales. (García, J., Corzo, A., 2008) 5.5.1.2.1 Humedales de flujo horizontal En este tipo de sistemas el agua circula horizontalmente a través del medio granular y los rizomas y raíces de las plantas. La profundidad de agua es de entre 0,3 y 0,9 m. se caracterizan por funcionar permanentemente inundados (el agua se encuentra entre 0,05 y 0,1 m por debajo de la superficie) y con cargas de alrededor de 6 gDBO/m2.dia. (García, J., Corzo, A., 2008) Fuente: García, J., Corzo, A., 2008 Figura 6. Humedal construido de flujo subsuperficial horizontal 5.5.1.2.2 Humedales de flujo vertical Esta tipología de humedales fue desarrollada en Europa como alternativa a los humedales horizontales para producir efluentes nitrificados. En general los sistemas verticales se combinan con horizontales para que sucedan de forma progresiva los procesos de nitrificación y desnitrificación y se consiga así eliminar nitrógeno. (García, J., Corzo, A., 2008) 5. Marco Teórico | 37 Evaluación del desempeño de humedales construidos con plantas nativas tropicales para el tratamiento de lixiviado de rellenos sanitarios Fuente: García, J., Corzo, A., 2008 Figura 7. Humedal construido de flujo subsuperficial vertical Tanto los humedales horizontales como los verticales pueden estar compuestos por los siguientes elementos: (1) estructuras de entrada del afluente, (2) impermeabilización del fondo y laterales ya sea con láminas sintéticas o arcilla compactada, (3) medio granular, (4) vegetación emergente típica de zonas húmedas, y (5) estructuras de salida. (García, J., Corzo, A., 2008) Los humedales artificiales de flujo subsuperficial se caracterizan porque su lecho contiene un medio poroso en el cual se encuentran plantadas macrófitas emergentes. Este tipo de humedales se diseñan de tal manera que el nivel del agua se encuentre por debajo del nivel del medio poroso con el fin de minimizar los olores, la atracción de vectores y los efectos negativos en la salud pública de las poblaciones aledañas al humedal. (US EPA, 2000) Un humedal con flujo subsuperficial, puede considerarse como un reactor biológico tipo “proceso biopelícula sumergida”. El agua entra por uno de sus extremos, y se reparte, atravesando la zona de grava sembrada con macrófitas. En el otro extremo, el agua es recogida en el fondo. El nivel máximo se regula de manera que no aflora la lámina de agua y se mantenga unos centímetros por debajo de la grava, haciendo visitable el humedal e impidiendo la proliferación de moscas y mosquitos. (Lahora, A., 2002) En un humedal artificial de flujo subsuperficial el agua residual se trata a medida que fluye a través de un medio poroso. La vegetación emergente se planta en el medio, que puede ser desde grava gruesa hasta arena. La profundidad del lecho va desde 0.45 a 1 m y tiene una pendiente característica de 0 a 0.5% (Crites, 2000) 5. Marco Teórico | 38 Evaluación del desempeño de humedales construidos con plantas nativas tropicales para el tratamiento de lixiviado de rellenos sanitarios 5.5.1.3 Mecanismos de Depuración En un humedal artificial se desarrollan diferentes mecanismos de remoción de contaminantes del agua residual. Evidentemente, un amplio rango de procesos biológicos, químicos y físicos tiene lugar. Por lo tanto, la influencia e interacción de cada componente involucrado es bastante compleja. (Delgadillo, O., et al., 2010) Los Humedales construidos son sistemas muy complejos que separan y transformar los contaminantes por agentes físicos, químicos, y los mecanismos biológicos que pueden ocurrir simultáneamente o secuencialmente como el agua residual fluye a través del sistema. Los mecanismos predominantes y su secuencia de reacción dependen de los parámetros de entrada externos al sistema, las interacciones internas, y las características del humedal. (EPA, 2010) Las raíces de las plantas sumergidas proporcionan sustrato para los procesos microbiológicos y dado que la mayoría de las macrófitas emergentes pueden transmitir oxígeno de las hojas a las raíces, se presentan microzonas aeróbicas en la superficie de las raíces y los rizomas. El resto del medio sumergido de los humedales FS tienden a carecer de oxígeno. Esta falta general de oxígeno limita la remoción biológica del amoniaco (NH3/NH4 - N) por nitrificación en los humedales FS, pero aun así el sistema es efectivo en la remoción de DBO, SST, metales y algunos contaminantes orgánicos prioritarios, dado que su tratamiento puede ocurrir bajo condiciones aeróbicas y anóxicas. La remoción de nitratos por desnitrificación biológica también puede ser muy efectiva dado que las condiciones anóxicas requeridas están siempre presentes y se cuenta con suficientes fuentes de carbono. La disponibilidad limitada de oxígeno en los humedales FS disminuye la capacidad de remoción de amoniaco por nitrificación biológica. (US – EPA, 2000) Los mecanismos disponibles de remoción del fósforo en todos los tipos de humedales artificiales también requieren largos periodos de retención para producir niveles bajos de fósforo a partir de agua residual doméstica típica. (US – EPA, 2000) Los humedales de flujo subsuperficial remueven en forma confiable la DBO, la DQO y los SST, y con tiempos de retención suficientemente largos también pueden producir bajas concentraciones de nitrógeno y fósforo. Los metales son también removidos eficazmente y se puede esperar también una reducción de un orden de magnitud en coliformes fecales en sistemas diseñados para producir efluentes de tratamiento secundario o avanzado. (Folleto US EPA) Los humedales pueden tratar con efectividad altos niveles de demanda bioquímica de oxigeno (DBO), solidos suspendidos (SS) y nitrógeno, así como niveles significativos de metales, compuestos orgánicos traza y patógenos. La remoción de fosforo es mínima debido a las limitadas oportunidades de contacto del agua residual con el suelo. Los mecanismos básicos de tratamiento incluyen 5. Marco Teórico | 39 Evaluación del desempeño de humedales construidos con plantas nativas tropicales para el tratamiento de lixiviado de rellenos sanitarios sedimentación, precipitación química, absorción, e interacción biológica con la DBO y el nitrógeno, así como la captación por parte de la vegetación que se descompone y que permanece como materia orgánica refractaria, que termina formando turba en el humedal. Los nutrientes y otras sustancias asociadas a esta fracción refractaria se considera que son eliminados permanentemente del sistema. (Lara, J., 1999) en la siguiente figura pueden observarse los principales procesos que se llevan a cabo en un humedal y que permiten la depuración del agua residual. Adaptado de Lara, J., 1999. Figura 8. Procesos de depuración de los humedales artificiales Adaptado de (Libro de Garcia). Figura 9. Procesos de degradación de la materia orgánica en humedales 5. Marco Teórico | 40 Evaluación del desempeño de humedales construidos con plantas nativas tropicales para el tratamiento de lixiviado de rellenos sanitarios 5.5.1.4 Principales componentes de los humedales 5.5.1.4.1 Vegetación Los efectos de la vegetación sobre el funcionamiento de los humedales son: Las raíces y rizomas proporcionan una superficie adecuada para el crecimiento de la biopelicula. La biopelicula crece adherida a las partes subterráneas de las plantas y sobre el medio granular. Alrededor de las raíces se crean microambientes aeróbicos donde tienen lugar procesos microbianos que usan el oxígeno, como la degradación aeróbica de la materia orgánica y la nitrificación. Amortiguamiento de las variaciones ambientales. Cuando las plantas están desarrolladas reducen la intensidad de la luz incidente sobre el medio granular evitándose así grandes gradientes de temperatura en profundidad que pueden afectar el proceso de depuración. En climas fríos la vegetación protege de la congelación. La selección dela vegetación que se va a usar en un sistema de humedales debe tener en cuenta las características de la región donde se realizara el proyecto. Las especies deben ser colonizadoras activas, con eficaz extensión del sistema de rizomas. Deben alcanzar una biomasa considerable por unidad de superficie para conseguir la máxima asimilación de nutrientes. La biomasa subterránea debe poseer una gran superficie específica para potenciar el crecimiento de la biopelicula. Deben disponer de un sistema eficaz de transporte de oxígeno hacia las partes subterráneas para promover la degradación aeróbica y la nitrificación. Se debe tratar de especies que puedan crecer fácilmente en las condiciones ambientales del sistema proyectado, debe tratarse de especies con una elevada productividad, tolerar los contaminantes presentes en las aguas residuales y se deben utilizar especies propias de la flora local. Las macrófitas son capaces de transportar oxígeno desde los tallos y hojas hacia sus raíces y rizomas, pero en los humedales de flujo subsuperficial la cantidad de oxígeno aportada es muy pequeña en comparación con la demanda de las aguas residuales, por lo que los procesos de eliminación de materia orgánica son básicamente anaerobios, no ocurriendo por tanto la nitrificación – Desnitrificación. (Lahora, A., 2002) Esta situación condiciona a su vez la existencia y las características de las biocenosis existentes, pues aquí participan factores como la disponibilidad de alimento, que hace que cierta fauna sea más abundante a medida que nos acercamos al fondo, aunque este hecho está influido a su vez por el hábitat y por el biotopo (color, sombra, viento, sustrato básico, pendientes y material de las orillas, etc.). (Seoánez, 1999) 5. Marco Teórico | 41 Evaluación del desempeño de humedales construidos con plantas nativas tropicales para el tratamiento de lixiviado de rellenos sanitarios Diversos tipos de plantas pueden emplearse para el tratamiento de las aguas residuales, el crecimiento de las raíces de las plantas emergentes suministra un aporte de oxigeno durante ese crecimiento. El oxígeno se encuentra muy cerca de las raíces y rizomas jóvenes y permite cierta oxigenación de las aguas residuales. Las plantas utilizan durante su crecimiento cierta cantidad de nitrógeno y de fosforo y pueden, en ciertos casos, consumir y concentrar en sus tallos y hojas ciertos metales pesados. (OPS/OMS 1999) La vegetación proporciona superficies para la formación de películas bacterianas, facilita la filtración y la adsorción de los constituyentes del agua residual, permite la transferencia de oxígeno a la columna de agua y controla el crecimiento de algas al limitar la penetración de la luz solar. (Borrero, 1999) El oxígeno necesario para que se lleven a cabo los procesos físico-químicos y bacteriológicos de depuración, es suministrado por las plantas, que forman por fotosíntesis o toman del aire e inyectan hasta la zona radicular con lo cual proporcionan oxígeno a los microorganismos que viven en la rizosfera, favoreciendo la eliminación microbiana de algunos contaminantes, además de la degradación de la materia orgánica y el crecimiento de bacterias nitrificantes. (González, J., 2010) La selección de las especies vegetales se debe realizar de acuerdo a la adaptabilidad de las misas al clima local, su capacidad de transportar oxígeno desde las hojas hasta la raíz, su tolerancia a concentraciones elevadas de contaminantes, su capacidad asimiladora de los mismos, su tolerancia a condiciones climáticas diversas, su resistencia a insectos y enfermedades y su facilidad de manejo (González, J., 2010) Fuente: (García, J., Corzo, A., 2008). Figura 10. Esquema de una planta emergente. 5. Marco Teórico | 42 Evaluación del desempeño de humedales construidos con plantas nativas tropicales para el tratamiento de lixiviado de rellenos sanitarios 5.5.1.4.2 Sustrato La grava es el medio más utilizado en Estados Unidos y Europa, aunque también se ha utilizado roca triturada, grava, arena y otro tipo de materiales del suelo. (US – EPA, 2000) En el medio granular ocurren múltiples procesos como la retención y sedimentación de la materia en suspensión, la degradación de la materia orgánica, la transformación y asimilación de los nutrientes, y la inactivación de los microorganismos patógenos. (García, J., Corzo, A., 2008) El medio granular debe ser limpio (exento de finos), homogéneo, duro, durable y capaz de mantener su forma a largo plazo. Además, debe permitir un buen desarrollo de las plantas y de la biopelicula. Diámetros medios alrededor de 5 – 8 mm ofrecen muy buenos resultados. (García, J., Corzo, A., 2008) Una característica muy importante del medio granular es su conductividad hidráulica, ya que de esta propiedad depende la cantidad de flujo de agua que puede circular a través de él. Durante el diseño debe tenerse en cuenta que la conductividad hidráulica disminuirá con el paso del tiempo (García, J., Corzo, A., 2008) El sustrato sirve de soporte a la vegetación y permite la fijación de la población microbiana, que va a participar en la mayoría de los procesos de eliminación de los contaminantes presentes en las aguas a tratar. (Centa, 2004) Cuando las aguas residuales pasan a través del medio, éste permite efectuar una buena remoción de los sólidos suspendidos y de la parte orgánica asociada. Mientras el medio filtrante tenga buena capacidad de absorción, podrá permitir la acumulación de fósforo, si las condiciones son favorables. (OPS/OMS 1999) 5.5.1.4.3 Microorganismos Los microorganismos tienen un papel esencial que juegan en todos los sistemas de tratamiento de aguas residuales a partir de plantas. Ya sean aerobias o anaerobios, consumen la parte carbonada de las aguas residuales para transformarla principalmente en CO2 para las bacterias aerobias y también en metano para las bacterias anaerobias. (OPS/OMS 1999). Mientras sea posible mantener las condiciones secuenciales aerobias y anaerobias, las bacterias nitrificantes van a transformar el nitrógeno amoniacal en nitritos y nitratos en las zonas aireadas y las bacterias desnitrificantes van a permitir la transformación de los nitratos y nitritos en nitrógeno gaseoso en las zonas anaerobias. (OPS/OMS 1999). 5. Marco Teórico | 43 Evaluación del desempeño de humedales construidos con plantas nativas tropicales para el tratamiento de lixiviado de rellenos sanitarios Los microorganismos crean además paredes biológicas que facilitan la sedimentación de las partículas y juegan un papel importante en la remoción de SST, principalmente en los sistemas de flujo superficial. (OPS/OMS 1999). 5.6 Descripción plantas estudiadas 5.6.1 Heliconia psittacorum La Heliconia es un género monotípico de la familia Heliconiaceae monocotiledónea. Las especies de Heliconia se distribuyen en los bosques húmedos de tierras bajas de Centro y Sur América, así como en las islas del Caribe. Un pequeño grupo también se encuentra en algunas islas del Océano Pacífico. Cerca de 180 especies del género se han descrito. (Lee, Y., et al., 1994) De acuerdo con el sistema integrado de clasificación de las plantas florales (angiospermas) de Cronquist, 1981, la Heliconia se ubica en el orden ZIngiberales y su clasificación sistemática es la siguiente (Solarte, J., 2012): Clase: Liliopsida (monocotiledoneae) Orden: Zingiberales Familia: Heliconiacea Género: Heliconia Especie: Heliconia psittacorum L. f. Figura 11. Heliconia psittacorum. Las especies del género Heliconia se desarrollan en pisos tropicales y de transición a premontano. Es una planta musoide a canoide, 0.5-1.5 m de altura. Presenta hojas con pecíolos de 11 – 32 cm de largo y lámina de 37 – 60 por 6 – 10 cm. Tiene una inflorescencia erecta de 8 – 18 cm de largo, un raquis flexuoso, por lo general anaranjado, glabro a glauco, espatas dísticas 3 - 7 por inflorescencia, orientadas 3045°, por lo común rojo-naranjas, glaucas y de 5-5.5 por 1.6-2.5 cm. Flores anaranjadas, rojas o amarillas con ápices verde-oscuro, glabras, y rectas a parabólicas (Red Nacional de Jardines Botánicos, 2008, p. 19 citado en Solarte, J., 2012). 5. Marco Teórico | 44 Evaluación del desempeño de humedales construidos con plantas nativas tropicales para el tratamiento de lixiviado de rellenos sanitarios Las heliconias se propagan usualmente de manera natural a través del desarrollo de las yemas vegetativas presentes en su tallo rizomatoso, característica utilizada en producción para la multiplicación artificial. Un aspecto relevante de las heliconias es que pueden ser utilizadas tanto para el ornato de parques y jardines (JEREZ, 2007, p. 19 citado en Solarte, J., 2012). Por otra parte, se ha establecido que las Heliconias sp., además de poder ser utilizadas en el tratamiento de aguas residuales juegan un importante papel ecológico, pues presentan un crecimiento rizomatoso que permite contrarrestar los movimientos de tierra en las laderas erosionadas de barrancos (Solarte, J., 2012). 5.6.2 Gynerium sagittatum Gynerium sagittatum (Aubl.) P. Beauv. ("caña brava") es un carrizal rizomatoso con brotes fuertes (culmos) y largas hojas que se agrupan en la parte superior del tallo, formando una cumbre en forma de abanico. La especie está ampliamente distribuida en el trópico de América del Sur y es característica de ríos, llanuras de inundación, pantanos y otros hábitats sucesionales tempranos. (Kroon, H., y Kalliola R., 1995) Clase: Liliopsida Orden: Poales Familia: Poaceae Género: Gynerium Especie: G. sagittatum (Aubl.) Beauv. Figura 12. Gynerium sagittatum. Esta especie es originaria de América tropical, es nativa de Colombia, se encuentra en entre los 0 y 1500 m. Vive en bosques secos tropicales, y en bosques húmedos y muy húmedos premontanos. G. sagittatum (Aubl.) Beauv, alcanza los 7 m de altura y 4 cm de diámetro en su tallo, forma grandes asociaciones. Las hojas pueden llegar a medir hasta 1 m de alto, acintadas y dispuestas en forma de abanico al final de las cañas, borde aserrado con tricomas. Flores de color blanco, muy pequeñas y agrupadas en inflorescencias terminales. Frutos de 8 mm de largo, de color crema (Red Nacional de Jardines Botánicos, 2008, p 20 citado en Solarte, J., 2012). 5. Marco Teórico | 45 Evaluación del desempeño de humedales construidos con plantas nativas tropicales para el tratamiento de lixiviado de rellenos sanitarios 5.6.1 Colocasia esculenta De acuerdo a GLOBAL BIODIVERSITY INFORMATION FACILITY: La Clasificación del Portal de Datos de GBIF (basado en el Catálogo de la Lista de Verificación Anual, con adiciones provisionales de los recursos de datos de espécimen y observación) la clasificación de esta especies vegetal es la siguiente (Solarte, J., 2012): Clase: Liliopsida Orden: Arales Familia: Araceae Género: Colocasia Especie: C. esculenta (L.) Schott. Figura 13. Colocasia esculenta. Esta especie se distribuye en México, islas del Caribe, Centroamérica, Suramérica, Asia, África, islas del océano índico, islas del océano Pacífico y Australia. Usualmente forman grandes agrupaciones alrededor de cuerpos de agua como manantiales, estanques, canales y otras áreas húmedas (Red Nacional de Jardines Botánicos, 2008, p 22 citado en Solarte, J., 2012). Esta especie presenta bulbos subterráneos ricos en almidón. Sus hojas tienen un peciolo esponjoso, verde frecuentemente de color púrpura en el ápice, mide de 80 a 180 cm de largo; sus láminas foliares son de color verde oscuro y generalmente presentan un punto de color rojo o púrpura, donde se unen con el peciolo. Sus inflorescencias están cubiertas por una espata de unos 35 cm de largo. Sus flores son de color verde, amarillo pálido o blanco. Sus frutos son de color naranja. Sus semillas son pequeñas, miden de 1 a 1.5 mm (Red Nacional de Jardines Botánicos, 2008, p 22 citado en Solarte, J., 2012). 5. Marco Teórico | 46
