CARACTERIZACIÓN FÍSICO-QUÍMICA Y BIOLÓGICA DE UN

CARACTERIZACIÓN FÍSICO-QUÍMICA Y BIOLÓGICA DE UN LECHO DE MACRÓFITAS
CON PRETRATAMIENTO ANAEROBIO
Elizabeth Ramírez, Esperanza Robles, Juan M. de la Cerda, Mónica López, Guadalupe Sainz, Ma. Elena
Martínez y Patricia Bonilla
Facultad de Estudios Superiores Iztacala UNAM
Av. de los Barrios S/N, los Reyes Iztacala, Tlalnepantla, Edo. de México C.P. 54090. Tel 01 (5)6 23 12
97 ext. 112. Fax: 01 (5)3 90 76 04, [email protected]
RESUMEN
Se estudio un sistema de tratamiento de agua residual doméstica de lechos de macrófitas con un
pretratamiento anaerobio, para evaluar su eficiencia de remoción de materia orgánica y patógenos. Se
determinaron pH, DBO 5 , DQO, OD, temperatura, sólidos suspendidos, nitrógeno amoniacal e indicadores
bacteriológicos, según las Normas Mexicanas. Así como las amibas de vida libre, que se identificaron
morfológicamente. Las bacterias coliformes fecales y totales disminuyeron de 0 a 4 unidades. El pH
osciló entre 7.2 y 7.6, el OD entre 0.68 y 0.93mg/L. Los valores promedio de remoción fueron: DBO 5 el
50%, sólidos suspendidos el 70% y nitrógeno amoniacal el 13%. El sistema no ha alcanzado una
adecuada eficiencia debido a que es de reciente construcción y le falta estabilizarse. El género
Acanthamoeba fue el más abundante, pero se eliminó en un alto porcentaje (93%). Este género es
potencialmente patógeno, por lo que su eliminación es importante.
INTRODUCCIÓN
El método de lecho de macrófitas o humedales artificiales es un método de tratamiento de aguas
residuales que tiene notables ventajas con respecto a otros, debido a sus bajos costos de operación y
mantenimiento, construcción simple y elevada calidad del efluente (Gopal, 1998). El tratamiento esta
basado en la acción de los microorganismos dentro de zona de las raíces de diversas plantas macrófitas, el
cual depende del flujo de las aguas residuales a lo largo del espacio anular entre el suelo y los rizomas de
las raíces conocido como rizósfera . En dicho espacio los microorganismos principalmente bacterias y
protozoos oxidan bioquímicamente la materia orgánica del agua de desecho (Duncan y Groffman, 1994;
Shutes, 1998). Las raíces proveen a su vez un abastecimiento de oxígeno atmosférico por difusión a
través de los tallos y hojas hacia la rizósfera, lo cual permite que se mantengan condiciones aerobias, de
modo que los microorganismos de metabolismo aerobio puedan usar el oxígeno para la transformación
bioquímica de la materia orgánica. Por su parte los protozoos por su actividad depredadora son
importantes en la eliminación de las bacterias incluyendo las patógenas (Sánchez y Lugo, 1993).
Para que el crecimiento de las raíces de las plantas macrófitas sea adecuado, es esencial que el lecho ya
sea de grava o de suelo permanezca saturado de agua durante todo el año. El lugar donde se coloque el
sistema debe ser abierto y de preferencia con una pendiente del 2 al 6% aunque esto último no es
indispensable. Los lechos de suelo o grava pueden tener una profundidad que varia de 0.30 m a 0.80 m,
dependiendo de las características del agua a tratar y de la calidad del agua que se desea obtener,
asimismo la porosidad del suelo ha de ser por lo menos de 50 %. Los humedales artificiales pueden
utilizarse confinando los lechos y las macrófitas, con muros y suelos impermeabilizados (Duncan y
Groffman, 1994) o bien en zonas pantanosas naturales como las ciénegas y pantanos frecuentes en las
costas mexicanas.
La importancia de los lechos de macrófitas se ha incrementado por su capacidad para absorber grandes
cantidades de nutrientes y substancias tóxicas. Los procesos físicos, químicos y biológicos que se
presentan en los lechos contribuyen a mejorar la calidad del agua (Prystay, 1998).
El principal proceso físico involucrado es la sedimentación de materia particulada suspendida. Los
procesos químicos incluyen la adsorción, quelación y precipitación, los cuales son los responsables en
mayor grado de la eliminación de fósforo y metales pesados. Entre los procesos biológicos los mas
importantes son aquellos en los que tienen que ver los microorganismos e incluye la oxidación de
carbono, nitrógeno y azufre; esto depende de la disponibilidad de oxígeno. Generalmente, las reacciones
de reducción predominan en los sistemas en presencia de gran cantidad de materia orgánica, la mayor
parte del nitrógeno se pierde por medio de la desnitrificación. Las interacciones entre estos procesos y la
biota son bastantes complejas y algunos elementos como el hierro, aluminio y manganeso juegan un papel
importante en la remoción de fósforo. Es digno de llamar la atención que las condiciones anaerobias, en
donde se da la desnitrificación, no son favorable para la adsorción y precipitación del fósforo de las aguas
residuales (Nichols, 1983; Gale et al., 1993).
Las plantas acuáticas contribuyen a la transformación de nutrientes participando en los procesos físicos,
químicos y microbiológicos, pero además los remueven al utilizarlos para su crecimiento. Las plantas
ofrecen resistencia mecánica al flujo del agua, incrementa el tiempo de retención y facilita la
sedimentación de material particulado. También mejoran el paso del agua a través del suelo, a medida que
las raíces crecen y crean espacios después de su muerte. Las plantas también proveen un área superficial
grande para el crecimiento microbiano (Spangler et al., 1976).
Muchas plantas acuáticas activamente transportan oxígeno a las capas anerobias de el suelo y así ayudan
a la oxidación y precipitación de los metales pesados en la superficie de las raíces. La adsorción de
nutrientes por las macrófitas varia con la especie y esta relacionada a su crecimiento bajo diferentes
condiciones. La transformación de nutrientes en los lechos depende de un gran número de variables, las
cuales incluyen el régimen hidrológico, concentración de nutrientes en el influente, los nutrientes que ya
se encuentran en le sistema, la clase de vegetación, tipo de sedimentos y de la biota presente (Wolverton
et al., 1976).
Se ha investigado la habilidad de algunas macrófitas, para ayudar a la degradación de desechos humanos
y animales, eliminación de microorganismos patógenos y de contaminantes. Se ha encontrado una amplia
variedad de plantas que muestran estas propiedades pero las más eficientes han sido Phragmites australis
y Typha latifolia, estas plantas tienen una gran biomasa en ambos sentidos, por arriba (hojas) y por
debajo (tallo subterráneo y raíces) del suelo o sustrato. Los tejidos de la planta subsuperficiales crecen
horizontalmente y verticalmente y crean una matriz extensa la cual agrupa las partículas de suelo y crea
un área superficial grande para la toma de nutrientes y iones (Spangler et al., 1976).
Los vasos en el tejido de la planta hacen posible que el aire se mueva desde las hojas a las raíces y al
suelo circundante. Los microorganismos que requieren oxígeno florecen en esta zona (rizósfera) cercana a
la raíz. Los microorganismos anaerobios, que no requieren oxígeno, también están presentes por todo el
suelo. Los procesos de biodegradación de desechos orgánicos, hidrocarburos y metales tóxicos estarán
influenciados por estos microorganismos. Las reacciones químicas y procesos de descomposición
biológica descomponen los compuestos complejos en substancias más sencillas. La filtración natural en el
sustrato también ayuda a la eliminación de muchos contaminantes y microorganismos patógenos
(Wolverton et al., 1976).
Los lechos de macrófitas se desarrollaron en Alemania, de ahí paso a otros países como el Reino Unido,
Holanda, Francia, Estados Unidos y Austria. Por sus características parece ser un tratamiento adecuado
para México, pero es necesario adecuarlo a nuestras condiciones, por lo que el objetivo de este estudio fue
caracterizar físico-química y biológicamente un lecho de macrófitas para evaluar la eficiencia de
remoción de materia orgánica y microorganismos patógenos.
DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA
Área de estudio
El estudio se realizó en un sistema de tratamiento localizado en el poblado de Santa Matilde en el estado
de Hidalgo. La comunidad de Santa Matilde se encuentra dentro del municipio de Pachuca en el estado de
Hidalgo (figura 1), se localiza en las coordenadas Longitud 98° 44’ 09’’ y Latitud 20° 08’ 21’’, con un
clima semiseco templado, presenta una precipitación de 387mm promedio anual, una temperatura
promedio de 14°C. La vegetación es de tipo matorral, pastizal y la agricultura es de riego, INEGI 2001.
Figura 1. Ubicación del municipio de Pachuca en el estado de Hidalgo.
Descripción del sistema de tratamiento
Se estudio un sistema de tratamiento que utiliza lecho de macrófitas con flujo subsuperficial, a
este tipo también se le conoce como el Método de la zona de la raíz (MZR). El sistema esta
localizado en un área rurales de nuestro país, recibe el agua residual de una casa-habitación que
no cuenta con red de drenaje para recolectar su agua de desecho.
El sistema recibe el agua residual de una casa habitada permanentemente por cinco personas (tres
adultos y dos niños) y dos perros.
El sistema esta constituido por un tanque anaerobio como pretratamiento, un lecho de macrófitas
y un tanque de almacenamiento. El tanque anaerobio mide 2.0 m de largo por 1.0 m de ancho y
por 2.0 m de profundidad. El lecho tiene como dimensiones 1.7 m de ancho, 5.0 m de largo y
0.45 m de profundidad. El tanque de almacenamiento mide 1.0 m por lado y 1.0 m de
profundidad. El lecho tiene una pendiente del 2%, utiliza grava de aproximadamente 5 mm de
diámetro como sustrato y esta plantado con Phragmites sp y Typha sp.
METODOLOGÍA
Los muestreos se realizaron mensualmente durante diez meses (de agosto del 2000 a mayo del
2001), se colectaron muestras del influente y del efluente. Se tomaron dos tipos de muestras las
biológicas y las fisicoquímicas.
Los parámetros físico-químicos que se determinaron fueron pH, oxígeno disuelto (OD),
temperatura, sólidos suspendidos, demanda bioquímica de oxígeno (DBO 5 ), demanda bioquímica
de oxígeno (DQO) y nitrógeno amoniacal (N-NH3 ). Las técnicas utilizadas son las establecidas
por las Normas Mexicanas.
Los parámetros bacteriológicos analizados fueron Coliformes totales y fecales de acuerdo a las
técnicas de las Normas Mexicanas.
Se analizo también el grupo de amibas de vida libre patógenas, para lo cual se concentró la
muestra por centrifugación y el sedimento se inoculo en cajas Petri con medio de agar no
nutritivo sembrado con Enterobacter aerogenes (NNE). Las cajas se incubaron a 3 distintas
temperaturas (22°C, 30°C y 37°C), las placas se observaron por medio de un invertoscopio para
detectar el crecimiento amebiano a las 48 horas de incubación y después cada 24 hrs hasta
completar una semana para detectar el crecimiento de las amibas.
Las amebas aisladas se identificaron tomando en cuenta las características morfológicas de las
formas trófica y quística; así como la temperatura de crecimiento y la prueba de flagelación bajo
las especificaciones de las claves de Page, 1988.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Con los resultados obtenidos de los parámetros físico-químicos se calcularon las eficiencias de
remoción que se presentan en la tabla 1 y figura 1.
Para la DBO 5 el porcentaje de remoción medio fue de 50.2 %y en general en casi todos los
muestreos el valor osciló alrededor de la media a excepción del mes de abril que presento la
remoción más baja (17.3%).
La DQO presento un porcentaje medio de remoción de 71.3%, llegando a alcanzar porcentajes de
más del 90% en los meses de agosto y de abril.
En los sólidos suspendidos el porcentaje fue de 77.5% variando desde 67.8 en el mes de
septiembre hasta 99.3% en agosto, a excepción del último mes que no hubo remoción.
El nitrógeno amoniacal dio un porcentaje medio de 17.4%, encontrando el valor más bajo desde
6.9 en el mes de marzo hasta el valor mas alto de 30.5 en el mes de agosto.
Los resultados obtenidos para los análisis bacteriológicos se presentan en la tabla 2. La remoción
bacteriana se estimó en base al número de unidades logarítmicas que disminuyeron las bacterias
coliformes totales y fecales del efluente con respecto al influente. Las mejores remociones se
presentaron en agosto (4 unidades logarítmicas), en septiembre (2 unidades logarítmicas) y en
enero (3 unidades).
En general la mejor remoción la presentaron los sólidos suspendidos, el hecho de que en el
último muestreo no haya habido remoción es justificable ya que para ese muestreo el tanque
anaerobio tenía muchos lodos, los cuales fueron arrastrados al lecho de macrófitas,
incrementando con ello la concentración de sólidos. En el caso de la materia orgánica sucedió lo
mismo, aunque la remoción que se había alcanzado en los meses anteriores fue menor que la de
los sólidos.
En relación a las bacterias, éstas casi no presentaron remoción y en conjunto con los parámetros
físico-químicos podríamos pensar que el tiempo de retención no es suficiente ya que no permite
que se realicen bien los procesos de depuración.
En cuanto a organismos patógenos se detectaron las amibas de vida libre patógenas que pueden
causar fatales infecciones cerebrales en el humano. Entre éstas, se encontraron 32 especies
pertenecientes a 12 géneros predominando las del género Acanthamoeba (59%) (tablas 3 y 4). En
general, la eliminación de amebas fue superior al 50%, destacando la eliminación del género
Acanthamoeba en un 93% (tabla 5), ya que tiene especies patógenas para el hombre, mientras que
para Hartmannella, la segunda mas frecuente, la eliminación fue del 50% (tabla 5). La
predominancia de Acanthamoeba se debe a que su quiste tiene en su estructura celulosa,
componente que le confiere una gran resistencia a diversos factores ambientales
Hay que mencionar que el género Naegleria, al cual pertenece la especie más virulenta del grupo,
estuvo pobremente representado en el sistema, solo se detectó en un muestreo y fue eliminada del
sistema. Esto probablemente se debió a que son amibas muy sensibles a condiciones ambientales
extremas Acanthamoeba que imperaron en el agua de desecho John, 1993; Martinez y
Visvesvara, 1997).
Aunque hasta el momento no se ha detectado que las amibas de este grupo sean peligrosas por vía
oral, si hay que tener cuidado en el caso de que las aguas de desecho sin tratar o mal tratadas se
utilicen para fines recreativos, ya que es durante la natación, cuando las amibas pueden entrar por
las fosas nasales y viajar directamente al cerebro, donde pueden producir dos enfermedades que
generalmente son mortales, la meningoencefalitis amibiana primaria y la encefalitis amibiana
granulomatosa (Martinez y Visvesvara, 1997), representando así un peligro potencial para la
salud de los usuarios.
CONCLUSIONES
La baja eficiencia de remoción de algunos parámetros, se debió a que antes del humedal se
encuentra inmediatamente el tanque anaerobio lo cual afecta al agua, haciendo que salga con una
concentración baja de oxígeno disuelto. Esto repercute en la degradación de la materia orgánica
por parte de los microorganismos, los cuales requieren de oxígeno para poder llevar a cabo la
oxidación de la materia.
AGRADECIMIENTOS
Agradecemos a la DGAPA por su apoyo económico para la realización de este estudio.
REFERENCIAS
Duncan, CP. y Groffman, PM. (1994). Comparing microbial parameters in natural and
constructed wetlands. J. Environ. Qual. 23, pp 298.
Gale, PM., Reddy, KR. y Graetz, DA. (1993). Nitrogen removal from reclaimed water applied to
constructed and natural wetland microcosms. Water Environ. Res. 65, pp162.
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problemas. Proceedings 6th International Conference on Wetland Systems for Water
Pollution Control, Brasil.
Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática. (1997). Estadísticas del medio
ambiente. Informe de la situación general en materia de equilibrio ecológico y protección
al ambiente. INEGI, SEMARNAP.
John, DT. (1993). Opportunistically pathogenic free-living amebae. In Parasitic Protozoa,
Kreier, JP. y Baker, J. eds. Academic Press, San Diego.
Martinez, AJ. Y Visvesvara, GS. (1997). Free-living, amphizoic and opportunistic amebas. Brain
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Nichols, DS. (1983). Capacity of natural wetlands to remove nutrients from wastewater. J. Water
Pollut. Control Fed. 55, pp 495.
Page, CF. (1988). A new key to freshwater and soil Gymnamoebae. Freshwater Biological
Association Scientific Publication. England.
Prystay, W. (1998). Assessment of constructed wetlands for the reduction of nitrogen and
phosphorus. Proceedings 6th International Conference on Wetland Systems for Water
pollution Control, Brasil.
Sánchez, R., y Lugo, A. (1993). Protozoos en lechos de raíces. Cienc. y tecnol. 15, pp18.
Shutes, B. (1998). Rooting out pollution: is natural treatment sustainable?. Inagural lecture.
Middlesex University, England.
Spangler, F., Sloey, W. y Fetter, CW. (1976). Experimental use of emergent vegetation for the
biological treatment of municipal wastewater in Wisconsin. In Biological Control of
water pollution. Tourbier, J. y Pierson, R. eds. University of Pensylvania Press,
Pensylvania.
Wolverton, BC., Barlow, RM. y McDonald, RC. (1976). Application of vascular aquatic plants
for pollution removal, energy, and food production in a biological system. In Biological
Control of water pollution. Tourbier, J. y Pierson, R. eds. University of Pensylvania Press.
Pensylvania.
Figura 1. Porcentajes de remoción de los parámetros físico-químicos en Santa Matilde, Hgo.
Porcentaje
de remoción
120
100
80
DBO
SOL. SUSP
N-AMON.
60
DQO
40
20
0
Agosto
Sept.
Oct.
Nov.
Dic.
Ene.
Feb.
Marzo
Jun
Mayo
Tabla 1. Porcentajes de remoción de los parámetros físico-químicos en el lecho de macrófitas del
poblado de Santa Matilde, Hgo.
Muestreo
Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Enero Febrero Marzo Abril Mayo Media
Párametro
DBO5
57.2
57.3
49.1
61.6
54.1
60.3
48.4
29.3
67.4 17.3
50.2
DQO
97.1
51.9
65.9
79.2
43.9
81
82.8
49.2
90.8 83
71.3
Sólidos
99.3
67.8
87.6
90.7
74.1
91.7
84.4
84.5
95
77.5
30.5
14
14.1
20.7
14.9
18.6
-
6.9
12.3 25.1
0
suspendidos
Nitrógeno
amoniacal
17.4
Tabla 2. Disminución bacteriana en unidades logarítmicas en el lecho de macrófitas del poblado de
Santa Matilde, Hgo.
Muestreo
Parámetro
Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Enero Febrero Marzo Mayo Abril
Coliformes
totales
4
2
0
0
0
3
1
2
0
0
Coliformes
fecales
1
2
0
0
1
3
0
0
0
0
Tabla 3. Géneros amibianos encontrados en el lecho
de macrófitas del poblado de Santa Matilde, Hgo.
Género
Acanthamoeba
Hartmannella
Mayorella
Vannella
Dactylamoeba
Platyamoeba
Vahlkampfia
Gutillinopsis
Rosculus
Echinamoeba
Thecamoeba
Naegleria
Frecuencia
(%)
59
10
7
5
5
3
3
3
2
1
1
1
Tabla 4. Especies amibianas encontradas en el lecho de macrófitas del poblado de
Santa Matilde, Hgo.
Especie
Influente Efluente Especie
Influente Efluente
A astronyxis
x
0
Hartmannella sp
x
0
A castellanii
x
0
H cantabrigiensis
0
x
A comandoni
x
0
H vermiformis
x
x
A cultbertsoni
x
0
M microeruca
x
0
A griffini
x
0
M spatula
x
x
A mauritaniensis
x
X
Naegleria sp
x
x
A palestinensis
x
0
Platyamoeba placida
x
x
A polyphaga
x
0
Platyamoeba stenopodia
x
0
Acanthamoeba sp
0
X
Rosculus ithacus
0
x
A triangularis
x
0
Techamoeba sp
x
0
A tubiashi
x
0
Vahlkampfia eberdonica
0
x
D bulla
x
X
Vahlkampfia enterica
x
x
Dactylamoeba sp
x
X
Vannella cirrifera
0
x
D stella
x
X
Vannella platypodia
0
x
Echinamoeba sp
0
X
Vannella simplex
x
0
G nivea
x
X
Guttulinopsis sp
0
x
x= presente 0=ausente
Tabla 5. Número de aislamiento amibianos obtenidos
en el lecho de macrófitas de Santa Matilde, Hgo.
No. de
muestreo
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Entrada
Salida
8
12
8
17
12
10
20
16
13
5
6
10
8
9
12
12
19
13
11
2
Tabla 6. Promedio de los parámetros de campo del sistema de tratamiento
Entrada
Salida
Parámetro
T°C
pH
OD
T°C
pH
OD
Promedio
24
7.2
0.68
23
7.6
0.93