SISTEMA BIOLÓGICO-HUMEDAL PARA ELIMINAR

2º Congreso Nacional AMICA 2015
SISTEMA BIOLÓGICO-HUMEDAL PARA ELIMINAR CONTAMINANTES
EMERGENTES EN AGUAS RESIDUALES TRATADAS
Miceli Montesinos A.Susi1; Rojas-Valencia Ma. Neftalí 2 ; Orantes García Carolina 3 ; Escobar
Castillejos Deisy 3, Guillén Trujillo Hugo 4, Rodríguez Nava Celestino Odín5, Enriquez Fuad Ale5
1.
Facultad de Ingeniería, Universidad de Ciencias y Artes de Chiapas. Libramiento norte poniente No. 1150, CP.
29039, Ciudad universitaria, Tuxtla Gutiérrez, Chiapas.
2.
Instituto de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México, Coordinación de Ingeniería Ambiental
Edificio 5, cubículo 212. Avenida Universidad # 3000. Colonia Coyoacán, Distrito Federal, México. Tel. 55 52-5623-36-00 ext. 8663.
3.
Instituto de Ciencias Biológicas, Universidad de Ciencias y Artes de Chiapas. Libramiento norte poniente No.
1150, CP. 29039, Ciudad universitaria, Tuxtla Gutiérrez, Chiapas.
4.
Facultad de Ingeniería, Campus, Universidad Autónoma de Chiapas. Boulevard Belisario Domínguez, kilómetro
1081, Sin número, Terán. Tuxtla Gutiérrez. Ciudad universitaria. Chiapas, México, C.P.29050.
5.
Departamento de Ingeniería en Sistemas Ambientales. Av. Wilfrido Massieu s/n. Unidad Profesional Adolfo López
Mateos C.P. 07738. Tel. 57296000 ext. 52301
[email protected], [email protected], [email protected],
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Resumen
Introducción
Los contaminantes emergentes, entre los que se encuentran los
fármacos, los productos de uso personal, aditivos industriales,
entre otros, se ha demostrado que se hallan diseminados en el
ambiente y se han detectado en fuentes de abastecimiento de
agua, aguas subterráneas e incluso en agua potable, por lo que
es motivo de preocupación. Las plantas convencionales de
tratamiento de aguas residuales y potables no están diseñadas
para eliminar estos contaminantes. Con la finalidad de buscar
alternativas para la degradación de contaminantes emergentes,
el presente trabajo tuvo como objetivo diseñar un sistema no
convencional Biológico-Humedal para eliminar residuos de
paracetamol y diclofenaco contenidos en aguas tratadas. El
diseño consistió en un biodigestor con tanque dosificador, área
humedal con dos especies de plantas Cyperus alternifolius y
Typha angustifolia, y tanque receptor de agua tratada. El
análisis de los parámetros se realizó de acuerdo a la NOM001-SEMARNAT-1996, los estudios de diclofenaco y
paracetamol se analizaron mediante electroforesis capilar.
Conforme a los resultados de los parámetros del proceso se
observó que la degradación de la materia orgánica del agua, se
eliminó en un 90% en el efluente del humedal. Con respecto a
los fármacos no se detectaron en el efluente del humedal, por
lo que el sistema combinado biodigestor-humedal representa
una alternativa para la remoción de contaminantes emergentes
en aguas residuales municipales.
Palabras clave: Contaminantes fármacos, humedales,
procesos no convencionales, procesos combinados,
tratamiento de agua.
El crecimiento poblacional, el desarrollo tecnológico y las
diversas actividades antropogénicas que los acompañan, es
probable que sean las fuentes más importantes de
contaminación de aguas residuales que se han venido
incrementando, (Henríquez, 2012), con diversos tipos de
contaminantes, actualmente los denominados Contaminantes
Emergentes (CE) y en general los productos farmacéuticos y
del cuidado personal (PPCPs, por sus siglas en inglés). Estos
contaminantes por su elevada producción y consumo por el ser
humano, Para Santos (2006), son emitidos al ambiente por
diferentes vías, en el ambiente tienen diferentes efectos
tóxicos sobre especies bioindicadoras, a pesar de su baja
concentración (Petrovic, et al 2003). Además probablemente
son
recalcitrantes, desafortunadamente, a pesar de la
evidencia del riesgo asociado a los fármacos para los
ecosistemas, actualmente no están regulados en normatividad
oficial vigente en materia de descargas de aguas residuales,
este problema ambiental es mundial, no regional.
La solución para el tratamiento de aguas residuales con
contenidos de CE o PPCPs, para disponer de estas con la
confianza sanitaria que se requiere, representa un reto
tecnológico, toda vez que los sistemas tendrán que incluir
combinaciones o hibridaciones de operaciones unitarias y
biológicas, que deberán cumplir con las Normas sanitarias,
socialmente y económicamente sostenibles.
Para tratar los residuos fármacos se han desarrollado
diferentes tecnologías que se clasifican en fisicoquímicas,
avanzadas y combinadas, cada una de ellas pueden reducir las
concentraciones de fármacos, sin embargo, la mayoría de
dichas tecnologías tienen costos elevados.
El uso de
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tratamientos biológicos como es el tratamiento biológico por
humedales es una tecnología eficiente, de menor costo y bajo
impacto ambiental para tratar aguas contaminadas.
Buscando alternativas, para el tratamiento de aguas residuales
con CE o PPCPs, se ha propuesto este estudio de Sistemas
Biológicos-humedales con el objetivo de eliminar
simultáneamente contaminantes emergentes y materia
orgánica en aguas residuales, en este caso diclofenaco y
paracetamol fueron seleccionados para llevar a cabo el
presente estudio. De acuerdo a la información de autores que
han reportado la eliminación de algunos grupos de fármacos
por medio de los humedales (Qing, et al; 2011), se han
obtenidos resultados prometedores en la eliminación de CE y
en este caso se propone
trabajar con un humedal
subsuperficial. Los humedales son tratamientos naturales que
resultan en un 77%
más económico que las plantas
tradicionales (EPA, 2000), además son adecuadas para
muchas comunidades incluso rurales, porque no demandan
energía eléctrica, mantenimiento especializado, y otros
insumos para su buen funcionamiento.
Metodología
Figura 1. Instalación experimental del sistema: anaerobiohumedal
Para cumplir de los objetivos de este trabajo, se construyó una
planta integrada por un biodigestor anaerobio-humedal; que
fue habilitado en la Sección de Posgrado de la Facultad de
Ingeniería Civil de la Universidad Autónoma de Chiapas,
UNACH en la ciudad universitaria de Tuxtla Gutiérrez.
El sitio de experimentación se encuentra dentro de las
siguientes coordenadas:
-
Coordenadas UTM: X= 483406.848848
Y= 1852433.846249
Coordenadas geográficas: latitud=16° 45´17.19000¨
longitud= 93°09´20.46996¨
El Biodigestor fue construido con un tanque rotoplas con una
capacidad de 450 L en un área de 1.9 m2.
El humedal subsuperficial (HFSS); fue construido en un área
de 6.62 m2, en la base se coló 7 cm de arena, seguida por 35
cm de grava triturada de ¾”, 5 cm de tierra (suelo fértil). En el
caso de los materiales que conforman el humedal, respecto a
la grava se determinó la porosidad, por el
método
experimental, se verificó de acuerdo al principio de
Arquímedes obteniéndose el resultando de 48%.
Las especies Cyperus alternifolius y Typha angustifolia
fueron identificadas en la sección del Museo Jardín Botánico
el SEMAHN, en la ciudad de Tuxtla Gutiérrez, Chiapas. Las
plantas Tipha fueron obtenidas de la zona de la Ribera de
Cupía, municipio de Chiapa de Corzo, Chiapas.
En la figura 1, se muestra el humedal con las plantas
cultivadas para
conformar el sistema de tratamiento,
propuesto.
El agua residual sintética que se utilizó se preparó conforme a
la norma alemana DIN 38412 (Rodríguez y Lozano, 2012),
ver tabla 1. A esta formulación se le adicionó una diclofenaco
y paracetamol para tener una concentración final de 1 y 2
mg/L, respectivamente.
Tabla 1. Formulación del agua residual sintética, (ARS)
Componente
Peptona
Extracto de carne
Urea
KH2PO4
MgSO4-7H2O
CaCl2-H2O
NaCl
Cantidad (mg/L)
160
110
30
28
2
4
7
El agua residual se alimentó al biodigestor a partir de un
tanque con una capacidad de 300 L para tener un tiempo de
residencia hidráulico (TRH) de 24hrs., después de pasar por el
biodigestor continúa al HFSS; donde se tiene un TRH de
10.33 días, finalmente el efluente del humedal fue colectado
en un tanque de 600 L.
El humedal, en este caso, desempeñó un proceso de
eliminación de los residuos de CE (fármacos); como un
proceso terciario aprovechando el mecanismo de la actividad
bioquímica de las especies acuáticas, en este caso: Cyperus
alternifolius y Typha angustifolia.
Para la rizósfera que es el volumen de suelo sometido a la
influencia de la actividad de las raíces, que se constituye de
aproximadamente 3 mm de espesor, donde se realiza,
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principalmente, la actividad bioquímica de la planta; en el
proceso de degradación. Este volumen de suelo es importante
y varía en función de las plantas.
Durante la operación del sistema combinado biodigestorHFSS, una vez operando a régimen estacionario, por 90 días,
los parámetros analizados semanalmente fueron: Oxígeno
disuelto (OD), demanda química de oxígeno (DQO), demanda
bioquímica de oxígeno (DBO), sólidos suspendidos totales
(SST) y alcalinidad, estos parámetros se analizaron con forme
al APHA, 1998. Los parámetros se midieron en régimen
estacionario durante un periodo de ocho semanas, las muestras
fueron tomadas en el afluente y efleunte del biodigestor y en
el efluente del HSFF. Los resultados obtenidos se compararon
con la NOM-001-SEMARNAT-1996.
Por otro lado durante un periodo de tres meses, a régimen
permanente, se cuantificó la concentración de fármacos,
teniendo el mismo comportamiento de degradación.
Figura 2. Degradación de la materia orgánica en el agua residual
sintética, en el biodigestor
Para el análisis del diclofenaco y paracetamol, se tomó
muestra se en los tres puntos antes mencionados, la
purificación de los fármacos presentes en el agua residual
sintética, se llevó a cabo mediante cartuchos de fase sólida
C18 conforme al método EPA 1694 (citada por la EPA,
2007).
Para la cuantificación del diclofenaco y paracetamol, se
empleó la técnica de electroforesis capilar de zona en un
equipo de la marca Beckam modelo MDQ, con una columna
de sílice fundida de 10 cm de longitud y un diámetro interno
de 75m, el electrolito soporte fue una solución de fosfatos 30
mM a pH 8, se inyectó la muestra por 5 s a una presión de 0.5
psi. Con un límite de detección de 40 ng/L.
Figura 3. Degradación de la materia oxidable en el agua residual
sintética del biodigestor
RESULTADOS
Los resultados del Sistema completo se muestran en las
figuras 2 y 3.
Los resultados del análisis, por electroforesis capilar, del agua
(ARS) se muestran en la figura 4.
1. Muestras sin tratar.
2. Muestras a la salida del biodigestor.
3. Muestras a la salida del humedal.
En este caso se corrieron muestras patrón de Diclofenaco y de
Paracetamol, para obtener una referencia patrón en el equipo
de estos fármacos.
Obteniéndose un desempeño del Sistema Biológico –
humedal, bien definido, como muestra electroferograma (ver
Figura
4).
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Figura 4. Electroferograma de la degradación del diclofenaco en el Sistema anaerobio-humedal
DISCUSION
El mecanismo mediante el cual la planta acuática degrada del
agua residual el contaminante es el siguiente: las plantas
acuáticas, tienen la propiedad de inyectar grandes cantidades
de oxígeno hacia sus raíces. El aire que no es aprovechado por
la especie y que ésta expele es absorbido por
microorganismos, como bacterias y hongos, que se asocian a
la raíz y se encargan de metabolizar los contaminantes que
entran al sistema (Estrada, 2010).
Los procesos que ocurren en la zona de las raíces son
esenciales para la fitorremediación. La actividad y
la biomasa microbiana son muchos mayores allí que en el
suelo sin raíces, forman un biocosorcio o una bioasociación.
Las raíces liberan sustancias naturales en el suelo donde
crecen, por medio del exudado de las raíces. Promueven y
mantienen el desarrollo de colonias microbianas,
proporcionándoles de un 10-20% del azúcar producido por la
actividad fotosintética de la planta. Son liberados muchos
compuestos, por ejemplo, hormonas, enzimas, oxígeno y agua.
Los microorganismos rizosféricos, a su vez, promueven el
crecimiento de la planta poniendo a disposición los nutrientes
(López et al., 2005).
De acuerdo a los resultados de este estudio de los parámetros
del proceso se puede observar que la degradación de la
materia orgánica del agua (ARS), se eliminó
aproximadamente un 90% lo que indica que se degradó la
mayor parte del material bioxidable y además se degradó una
parte de los contaminantes, observándose una eficiencia
importante, lo que indica que el biodigestor sí funcionó
adecuadamente como se esperaba.
No fue considerando adsorción; porque sí hubiera sido
adsorción se hubiera visto un decaimiento en la remoción del
fármaco a través de tiempo, debido a que se hubiera saturado,
sin embargo, en la cuantificación de la concentración de
fármacos, se obtuvo el mismo comportamiento de
degradación.
Respecto a la parte del análisis de los fármacos por medio de
electroforesis capilar, las gráficas demuestran claramente la
presencia del diclofenaco en el agua a tratar (entrada al
biodigestor), a la salida del biodigestor se muestra un posible
residuo de transformación del diclofenaco, esto fue un
metabolito, pero ya no hubo presencia de diclofenaco. El
paracetamol no se detectó posiblemente por su carácter polar y
muy probablemente se perdió en la extracción.
En la salida del humedal se observó que el agua ya no
contiene fármacos, lo que demuestra el alto desempeño del
Sistema anaerobio-humedal para la eliminación de fármacos
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diclofenaco y paracetamol, por medio de los mecanismos
bioquímicos que desarrollan las plantas, en la degradación de
CE, aguas residuales tratadas.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
De los resultados obtenidos se puede concluir que el sistema
anaerobio-humedal es altamente eficiente para la eliminación
de fármacos diclofenaco y paracetamol de las aguas residuales
tratadas.
Para la eliminación de contaminantes emergentes, los procesos
combinados son los más indicados.
Se necesitan estudios más detallados para poder analizar el
mecanismo mediante el cual la planta degrada del agua
residual, el contaminante y para conocer qué es lo que sucede
con el resto de los componentes del sistema, como son: el
sedimento, las plantas, el sustrato.
Es importante también estudiar los procesos que se han
aplicado para hacer más eficientes el tratamiento respecto al
tiempo. Comprendiendo que esta propuesta es de los métodos
más atractivos económicamente, socialmente porque puede
aplicarse a zonas rurales y es benéfico al ambiente.
REFERENCIAS
APHA (1998). Standard Methods for Examination of Water &
Wastewater. (A. E. Lenore S. Clescerl, Ed.) págs. 36.
EPA, (2007) Method 1694: Pharmaceuticals and Personal
Care Products in Water, Soil, Sediment, and
Biosolids by HPLC/MS/MS. Págs 27-43, 42-45, 6568.
López Martínez Surgey, Gallegos Martínez Margarita, Pérez
Flores Laura J. y Gutiérrez Rojas Mariano. (2005).
“Mecanismos de fitorremediación de suelos
Contaminados
con
moléculas
orgánicas
xenobióticas.” Rev. Int. Contam. Ambient. 21 (2).
Págs: 91-100.
Petrovic, M.; González, S.; Barceló, D. (2003). TRAC-Trends
Anal. Chem. 22, 685.
Qing Zhang Dong, Keat tan Soon, Gersberg Richard M.,
Sadreddini Sara, Zhu Junfei, Anh Tuan Nguyen
(2011). “Removal of pharmaceutical compounds in
tropical
constructed
wetlands.”
Ecological
Engineering 37 (2011) 460–464.
Rodríguez Sánchez Ivonne Marcela y William Antonio
Lozano-Rivas William Antonio, (2012). Preparación,
composición y uso de agua residual sintética para
alimentación de reactores prototipo y de laboratorio.
Año 8, Número 11, Junio 2012 Revista Didáctica de
Ambiental. Bogotá D.C., Colombia. Págs.10-16
Santos, L. H., Araújo, A. N., Fachini, A., Pena, A., DelerueMatos, C., & Montenegro, M. C. (2010).
Ecotoxicological aspects related to the presence of
pharmaceuticals in aquatic environment. Journal of
Hazardous Materials, 175, 45-95.
Santos Morcillo, J. L. (2006). Análisis y distribución de
principios activos Farmacológicos en los procesos
convencionales de depuración de Aguas Residuales
Urbanas. Tesis doctoral. Instituto Catalán de
Investigación del Agua (ICRA), España. Págs 31-42
EPA, (2000). “Folleto informativo de tecnología de aguas
residuales Humedales de flujo subsuperficial.” EPA
832-F-00-023
Environmental
Protection
Washington,
D.C.
VEST
Internet:http://www.epa.gov/owmitnet/mtbfact.htm
IG
GIAS, (2014). Contaminantes emergentes: Impacto Ambiental
y Alternativas de Manejo. Grupo de Investigación en
Agua y Saneamiento-GIAS. Facultad de Ciencias
Ambientales. Universidad Tecnológica de Pereira.
PerreiraColombia.
http://www.aguaysaneamientoutp.info/es/informacio
n-general1.html consultado agosto 2014.
Henríquez Villa Deyanira. (2012). “Presencia de
contaminantes emergentes en aguas y su impacto en
el ecosistema. Estudio de caso: Productos
farmacéuticos en la cuenca del rio Biobío, región del
Biobío de Chile.” Tesis: Santiago de Chile. Págs. 1-3
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