SISTEMA DE TRATAMIENTO POR HUMEDALES (conocidos como

SISTEMA DE TRATAMIENTO POR HUMEDALES
(conocidos como sistema de pantanos construidos)
ANTECEDENTES
Los sistemas naturales para el tratamiento de las aguas residuales (TAR) se diferencian de los
convencionales en la fuente de energía utilizada, los primeros usan fuentes renovables y los
segundos fuentes no renovables; además, los naturales hacen uso intensivo del suelo y los
convencionales uso intensivo de energía (Metcalf, 1979). Los sistemas convencionales se han
desarrollado y utilizado en países industrializados con el objetivo de prevenir la contaminación
de los cuerpos de agua y los naturales en países en vías de desarrollo donde además es
necesario reusar el agua, por ejemplo en riego agrícola, para proteger el recurso (Williams et
al., 1995).
Entre las tecnologías naturales para el tratamiento de aguas residuales, se tienen dos grandes
grupos: los sistemas de aplicación sobre el terreno, por un lado, y los sistemas que utilizan
plantas acuáticas flotantes y los pantanos construidos (PC), por el otro (Reed, 1989).
Definición
Un PC se define como aquel sistema que pretende simular un pantano natural, específicamente
construido para tratar desechos bajo condiciones controladas de ubicación, dimensionamiento y
capacidad de tratamiento (Universidad de Texas, 1993). Estos sistemas también son llamados
humedales.
Ventajas y desventajas
Entre las ventajas que se atribuyen a los PC en relación con los sistemas convencionales de
tratamiento (Bastian et al, 1993), están:
1. Son relativamente económicos para construir y operar.
2. Es fácil obtenerlos.
3. Proveen un tratamiento efectivo y real.
4. Son relativamente tolerantes a las fluctuaciones hidráulicas y de carga de contaminantes.
5. Tienen beneficios indirectos como espacios verdes, hábitat silvestres y áreas educacionales y
recreativas.
Entre las desventajas relativas a los procesos convencionales están:
1. Tienen relativamente grandes requerimientos de áreas para tratamiento avanzado.
2. Generalmente los criterios de diseño y operación no son precisos.
3. Hidráulica y biológicamente son complejos y falta entender la dinámica del proceso.
4. Es posible que existan problemas de plagas.
5. Su uso está limitado en suelos superficiales, muy permeables, con el nivel freático superficial.
6. Los mosquitos pueden ser un problema cuando están mal diseñados o manejados.
Primeros Trabajos
El primer trabajo sobre tratamiento de aguas residuales con plantas de pantanos lo dirigió
Seidel en el Max Planck Institute en Plon, Alemania. En 1952 exploró la remoción de fenoles
con Scirpus lacustris y en 1956 empezó a probar el tratamiento de aguas residuales de
lecherías con la misma planta. Kickuth continuó con estos trabajos y popularizó este concepto
en Europa, que resultó en cientos de sistemas de tratamiento de desechos municipales e
industriales.
Los primeros trabajos ex profeso en Estados Unidos comenzaron a principios de los años
ochenta con las investigaciones de Wolverton et al. y Gersberg et al . Se desarrollaron estudios
intensivos a nivel piloto por Gersberg en Santee, California, y Gearhart en Arcata, California,
conjuntamente con los sistemas operacionales en Listowel, Ontario; lseile, Pennsylvania, y
Arcata (Knight et al, 1993).
A principios de los años ochenta la autoridad del Valle de Tennessee inició un programa de
investigación y asistencia técnica sobre pantanos construidos para el tratamiento de una gran
variedad de desechos. Actualmente existen PC en Alemania, Austria, Suiza y Dinamarca; sin
embargo, en años recientes esta tecnología se ha estado construyendo y evaluando en otros
países como Francia, Polonia, España, Rusia, Estonia, Hungría, Inglaterra, Checoslovaquia,
Canadá, Egipto, China, Nicaragua, México, etc., (Boutin et al., 1997; Mandr et al, 1997, Lakatos
et al, 1997; Eastlik, 1998).
COMPONENTES Y TIPOS DE PANTANOS CONSTRUIDOS
Los principales componentes de un PC son las plantas, el sustrato y la población microbiana.
Su función y el comportamiento del sistema están, por otro lado; influidos por la profundidad y
tendencia corrosiva del agua, temperatura y oxígeno disuelto (Reed et aL, 1989).
Plantas
Las plantas más grandes que crecen en un pantano, usualmente se llaman macrofitas, e
incluyen plantas acuáticas vasculares, musgos acuáticos y algunas algas grandes. Su
presencia o ausencia es una de las características para definir los pantanos y son un
componente indispensable de estos ecosistemas. Se estima que en el tratamiento de aguas
residuales se ha utilizado apenas 1 % de las especies disponibles (Brix, 1997).
Dentro de las principales funciones de las plantas en el proceso de un PC están el
almacenamiento y consumo de nutrientes, proporcionar área superficial para crecimiento de
microorganismos, suministrar oxígeno, filtrar partículas y liberar antibióticos (Brix, 1993).
Las especies de plantas más frecuentemente utilizadas son: la espadaña (Typha spp), el carrizo
común (Phragmites communis), el junco (Juncus spp) y pasto (Carex spp) (Gutenspargen,
1989).
Sustrato
En los PC, el sustrato funciona como fijador de las plantas del sistema, fuente de nutrientes
como medio de fijación de microorganismos y como conductor hidráulico
Sus características físicas y químicas juegan un papel importante en el comportamiento de los
PC, entre estas características están la porosidad, la conductividad hidráulica, el potencial de
hidrógeno, el potencial de oxidación – reducción, la capacidad de intercambio iónico, la
superficie de contacto, la concentración de fierro, aluminio y calcio, así como la disponibilidad
de oxígeno disuelto y su estado de saturación (Faulkner y Richardson, 1989).
Población microbiana
Los pantanos son sistemas biológicos de medio fijo y comparten muchas similitudes con los
filtros rociadores y los sistemas de biodisco. Todos estos sistemas requieren un sustrato para el
desarrollo del crecimiento biológico; su comportamiento depende del tiempo de retención y de
la oportunidad de contacto y son regulados por la disponibilidad de oxígeno y temperatura.
El crecimiento ocurre en las porciones sumergidas de las plantas, sobre los desechos de hojas
y otros detritus o directamente sobre el sustrato (Jhonston, 1993).
Puede existir una amplia variedad de organismos, desde bacterias o protozoarios a animales
superiores. Se piensa que el crecimiento de microorganismos fijos es el principal participante en
el tratamiento de las aguas residuales.
Un punto relacionado con la microbiota fija en los PC es la tendencia a reciclar nutrientes
esenciales incluyendo el carbón. Una vez obtenidos, los nutrientes son retenidos por la
comunidad con mucha intensidad, incorporados a los detritus y reciclados.
Los pantanos construidos se pueden clasificar en función del nivel de agua, como de flujo
subsuperficial o de superficie libre; en función del flujo, en verticales y horizontales, y en función
del tipo de vegetación, en fltante, emergente y sumergente (Brix, 1993).
Se considera que el flujo subsuperficial tiene varias ventajas sobre el de superficie libre, ya que
al mantenerse está por debajo de la superficie del medio, hay poco riesgo de que se generen
olores y que haya exposición pública o insectos vectores. Además, el medio proporciona mayor
área superficial disponible, por lo que la respuesta al tratamiento es m{as rápida y por lo tanto el
área requerida puede ser menor. Por otro lado la posición del nivel de agua y los residuos de
plantas acumulados sobre la superficie de la cama ofrecen una protección térmica mayor en
climas fríos (Universidad de Texas, 1993).
Se describe a los PC como método de la zona de raíz, sistemas hidrobotánicos, zanjas con
suelo filtrante, sistemas biológico – macrofítico, pantanos artificiales, biofiltros y lechos de raíz.
MECANISMOS DE REMOCIÓN DE CONTAMINANTES
Un ecosistema de pantano consiste en la interacción de varios componentes biológicos y
químicos que modifican el flujo de los materiales. Una vez que una sustancia entra al sistema,
puede ser almacenada, transformada por acción física, química o biológica; o descargada por
agua o aire. Un modelo genérico de estas interacciones contiene diferentes compartimentos de
almacenamiento: hojas, tallo, raíz y rizoma, sustrato superficial, sustrato profundo, residuos y
agua; así como numerosas rutas de flujo entre ellos. Mientras algunos de estos mecanismos se
entienden bien, es difícil cuantificar otros (Watson et al., 1989).
Los PC reducen muchos contaminantes, incluyendo la demanda bioquímica de oxígeno (DBO),
los sólidos suspendidos totales (SST), nitrógeno (N), fósforo (P), metales traza, orgánicos traza
y patógenos. Esta reducción se lleva a cabo por diversos mecanismos de tratamiento que
incluyen la sedimentación, la filtración, la precipitación química y la adsorción, interacciones
microbianas y consumo por parte de la vegetación. En la tabla 1 se resumen estos
mecanismos.
TABLA 1. PRINCIPALES MECANISMOS DE REMOCIÓN DE CONTAMINANTES EN PC (BRIX, 1993)
Mecanismos
Contaminante afectadoa
Descripción
Físico
Sedimentación
Filtración
P sólidos sedimentables
S sólidos coloidales
I DBO, N, P, metales
pesados,
orgánicos
refractarios, bacterias y virus
S sólidos sedimentables,
sólidos coloidales
Sedimentación
por
gravedad
constituyentes contaminantes
y
Partículas retenidas mecánicamente a
medida que pasa el agua por el sustrato y
masa de raíces
Fuerza de atracción entre partículas (Van
Der Waals)
Adsorción
S sólidos coloidales
Químico
Precipitación
P fósforo y metales pesados Formación
de
o
coprecipitación
con
Adsorción
Descomposición
P fósforo, metales pesados
S orgánicos refractarios
P orgánicos refractarios
compuestos insolubles
Adsorción sobre superficie de sustrato y
plantas
Descomposición
o
alteración
de
compuestos
menores
estables
por
fenómenos como irradiación UV, oxidación
y reducción
Biológicos
Metabolismo
microbianob
P sólidos coloidales, DBO, Remoción de sólidos coloidales y
N, orgánicos refractarios, organismos
solubles
por
bacterias
metales pesados
suspendidas, bénticas y adheridas a las
plantas
Nitrificación y denitrificación bacteriana
Oxidación microbiana de metales
Metabolismo de las S orgánicos refractarios, Consumo y metabolismo de orgánicos por
plantas
bacterias y virus
las plantas
Las excreción de las raíces pueden ser
tóxicas a los organismos de origen entérico
Absorción de las S N, P, metales pesados, Bajo condiciones apropiadas, cantidades
plantas
orgánicos refractarios
significantes de estos contaminantes
pueden ser tomadas por las plantas
Muerte natural
P bacterias y virus
Decaimiento natural de microorganismos
en ambiente desfavorable.
a: P = efecto primario, S = efecto secundario, I = efecto incidental
b: el metabolismo incluye tanto la biosíntesis como las reacciones catabólicas
En la mayoría de los sistemas municipales, los sólidos suspendidos se remueven rápidamente
por sedimentación en los primeros metros dadas las condiciones de quietud, depositación y
filtración del sustrato. Este proceso físico también remueve otra porción significativa de otros
constituyentes como materia orgánica, nutrientes y rnicroorganismos dañinos.
Los compuestos orgánicos solubles son en gran parte degradados por bacterias adheridas a la
superficie de los sedimentos y las plantas; el oxígeno necesario es suministrado directamente
de la atmósfera, por producción fotosintética en la columna de agua y por liberación de oxígeno
de la raíz de las macrofitas.
Cuando el oxígeno disuelto disminuye el oxígeno es tomado por vía anaerobia de sulfatos,
nitratos y bióxido de carbono, entre otros compuestos.
El principal mecanismo de remoción de nitrógeno es la nitrificación -denitrificación. El amonio es
oxidado a nitrato por bacterias nitrificantes en zonas aerobias y los nitratos son convertidos a
gas nitrógeno por bacterias denitrificadoras en zonas anóxicas. El nitrógeno también es tomado
por las plantas e incorporado en la biomasa; sin embargo, el consumo de las plantas
generalmente es de menor importancia que la denitrificación (Brix, 1993).
El fósforo puede retenerse, principal- mente, por precipitación y adsorción, por compuestos de
fierro y aluminio en suelos ácidos y por minerales de calcio en suelos alcalinos. Algunos
estudios indican que la reducción de fósforo por vía gaseosa bajo condiciones anaeróbicas
puede ser importante y que el consumo de las plantas puede ser significativo (Davis y
Cottingham, 1993).
Los patógenos son removidos a través de su paso por el sistema mediante sedimentación,
filtración, predación, adsorción y como consecuencia de la muerte natural por ambientes
desfavorables en forma similar a la descrita para los sistemas de lagunas. En las zonas quietas
sedimentan al fondo helmintos, ascaris y otros quistes y huevos de parásitos (Rivera et al, 1995;
Bavor et al., 1989).
Entre los mecanismos de remoción de metales se establecen la sedimentación incidental, la
precipitación química, la adsorción, el metabolismo microbiano y la absorción por las plantas.
Los metales de mayor interés por su ingreso a la cadena alimenticia o a los suministros de agua
son cobre, níquel, plomo, zinc y cadmio (Brix, 1 993).
Los compuestos orgánicos tóxicos salen un proceso de remoción similar al de la materia
orgánica natural, incluyendo las reacciones aerobias y anaerobias, el consumo de los vegetales,
volatilización, fotólisis, hidrólisis química, adsorción y entierro en el suelo (Reed, 1989). El
alcance de este proceso depende del tipo de compuesto así como de las condiciones biológicas
y químicas en la columna agua / sustrato.
RENDIMIENTOS ESPERADOS
En comparación con otros sistemas de tratamiento, los PC son únicos en el hecho de que la
DBO, se produce en el sistema debido a la descomposición de los residuos de las plantas y
otros materiales orgánicos presentes en forma natural; por esta razón nunca pueden alcanzar la
remoción completa de DBO y siempre existe un residual de 2 a 7 mg/l presente en el efluente.
Generalmente los sistemas producen afluentes con menos de 20 mg/l de sólidos suspendidos
totales independientemente de la concentración de entrada. Para tiempos de retención mayores
de un día, la remoción no mejora sustancialmente.
Los sistemas indican que hay una producción neta de amonio, el cual proviene de la
descomposición anaeróbica del nitrógeno orgánico atrapado como material particulado.
Asimismo, se observa una mejor remoción de amonio en sistemas que no tienen algas, con
tiempos de retención largos (6-8 por día) y con una penetración profunda de raíces (Universidad
de Texas, 1993).
En general, se requiere una carga de nitrógeno menor de 2 kg/ha/día para alcanzar
consistentemente una concentración de amoniaco en el efluente de 2 a 3 mg/l, ya que
generalmente operan con deficiencia de oxígeno.
En la mayoría de los PC la remoción de fósforo no es muy efectiva, ya que las oportunidades de
contacto entre el agua residual y el suelo están limitadas. Algunos experimentos y trabajos han
usado agregados de arcilla expandida y óxidos de fierro y aluminio, mostrando gran potencial.
Algunos sistemas europeos usan arena en lugar de grava para incrementar la capacidad de
retención de fósforo (Davies y Cottinham, 1993).
En general, los PC son capaces de lograr de una a dos reducciones en unidades log en
coliformes fecales para efluentes secundarios, que en muchos casos no es suficiente para
satisfacer los requerimientos de descarga que se especifican para riego restringido. Sin
embargo, hay trabajos que demuestran que con distancias de recorrido de 1 00 y 50 m es
posible lograr efluentes menores de 1,000 cfu/ 100 ml para influentes secundarios y terciarios
respectivamente (Williams et al, 1995).
Se han reportado excelentes remociones de metales con 5.5 días de tiempo de retención
hidráulico para cobre, zinc y cadmio respectivamente. No obstante, el consumo de las plantas
es menor de 1% de los metales involucrados (Wood, 1995). En la tabla 2 se muestran las
eficiencias de remoción para estos sistemas.
TABLA 2. EFICIENCIAS DE REMOCIÓN DE LOS SISTEMAS DE PANTANOS (WOOD, 1995)
Constituyente
Efluente final
% de remoción
10.5
15.3
4.2
5.0
1.9
73
69
44
64
55
DBO
Sólidos suspendidos
N – amonio
Nitrógeno total
Fósforo total
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Los principales aspectos a considerar en el diseño se refieren al hidráulico, de remoción de
contaminantes, de selección y manejo de la vegetación, detalles constructivos y los costos
(EPA, 1993).
El diseño hidráulico implica determinar el gasto que es capaz de resistir el sistema, la relación
largo / ancho, la pendiente de la cama, el tipo de medio y las estructuras de entrada y salida. En
el diseño hidráulico es común usar la Ley de Darcy, que describe el régimen de flujo en un
medio poroso y en la remoción de contaminantes, una ecuación de primer orden para
establecer los tiempos de permanencia del agua en el sistema requerido para disminuir la
concentración de materia orgánica.
Existen algunas ecuaciones empíricas o producto de regresiones lineales que pueden ser
aplicadas para contaminantes como nitrógeno, fósforo y patógenos, principalmente.
La relación largo / ancho es muy importante en el diseño hidráulico de los sistemas de flujo
subsuperficial. Original mente se pensó que una relación grande (mayor a 10) era mejor para
prevenir cortos circuitos.
La experiencia ha demostrado que una relación de aspecto grande puede impactar
adversamente en el gradiente hidráulico de la cama. Actualmente se prefieren relaciones
menores, particularmente en sistemas grandes, recomendándose dividir el sistema en
pequeños componentes paralelos para evitar los cortos circuitos.
La construcción de una cama con pendiente en el fondo no es flexible si se requieren ajustes
futuros. Lo mejor es usar salidas móviles que permitan controlar el nivel del agua sobre la
profundidad de la cama (EPA, 1993).
Respecto al tipo de medio, en la tabla 3 se resumen las características típicas de los medios
usados (Universidad de Texas, 1993). La conductividad hidráulica y la porosidad del material
deben determinarse en el campo o en el laboratorio antes de realizar el diseño de un sistema.
TABLA 3. CARACTERÍSTICAS TIPICAS DE MEDIOS PARA PC (U. DE TEXAS, 1993)
TIPO
Arena gruesa
Grava arenosa
Grava fina
Grava media
Piedra gruesa
TAMAÑO EFECTIVO
D10 (mm)
N
POROSIDAD (%)
Ks
Conductividad hidráulica
m³/m²/d
2
8
16
32
128
32
35
38
40
45
1,000
5,000
7,500
10,000
100,000
Se recomienda el uso de rocas gruesas (8-15 cm) en la zona de entrada que, conjuntamente
con un gradiente hidráulico adecuado, aseguren la infiltración rápida y prevengan el
encharcamiento y desarrollo de algas
La profundidad del medio seleccionado depende de los objetivos del diseño; si se espera que la
vegetación sea la principal fuente de oxígeno para la nitrificación, entonces la profundidad no
debe exceder la profundidad potencial de penetración de la raíz de la planta a usarse (Reed,
1989).
En la tabla 4 se presentan resultados que muestran la relación entre la penetración de la raíz y
el desarrollo del sistema; aquí, las profundidades están cerca del límite máximo.
TABLA 4. DESARROLLO DE PC CON Y SIN VEGETACIÓN (REED, 1989)
Cama
Junco
Carrizo
Espadaña
Sin vegetación
Penetración (cm)
DBO5
Calidad del efluente
SS
NH3
76
> 60
30
0
5.3
22.3
30.4
36.4
3.7
7.9
5.5
5.6
1.5
5.4
17.7
22.1
Las estructuras de entrada incluyen múltiples superficiales y subsuperficiales, zanjas
perpendiculares al flujo, cajas vertedoras puntuales y tuberías perforadas. Algunos
investigadores argumentan que la entrada subsuperficial evita la formación de capas de algas
sobre las superficies de las rocas promoviendo la colmatación de las áreas adyacentes. Sin
embargo, también presentan la desventaja de no poder ajustarse posteriormente y limitar el
acceso para su mantenimiento (EPA, 1993).
Las estructuras de salida incluyen colectores subsuperficiales, cajas vertedoras o estructuras
similares. El colector perforado subsuperficial es el más utilizado. Se recomienda el uso de
salidas ajustadas para mantener un gradiente hidráulico adecuado, lo cual también tiene
beneficios operacionales y de mantenimiento.
SELECCIÓN DE LA VEGETACIÓN, OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO
La mayoría de los pantanos construidos en Estados Unidos utilizan junco (Scirpus), carrizo
(Phragmites) o espadaña (Typha). Solamente cerca del 40% usa junco. El carrizo es la especie
más utilizada en Europa y en México es la espadaña. En el caso del carrizo, crece y se
multiplica más rápido que el junco y sus raíces se profundizan más que la espadaña.
El manejo del nivel de agua en los PC no sólo es útil para controlar la maleza, sino también
para inducir la penetración de las raíces a mayor profundidad. Sin embargo, la penetración
profunda no mejora por sí el tratamiento, ya que requiere mantenerse flujo en todo el espesor
de la cama.
Entre las actividades de manejo necesarias para que los sistemas operen adecuadamente, se
pueden mencionar la recirculación, el mantenimiento de la vegetación, de la cama y del nivel del
agua (EPA, 1993).
COSTOS
Los principales componentes del costo son el valor del terreno, la limpieza, el medio y la
construcción. Generalmente, los costos del terreno son bajos pero el medio representa más de
50% de los costos totales de construcción. Evaluaciones realizadas en Estados Unidos indican
que los PC de flujo subsuperficial son económicos para gastos menores de 250 l/s (Cueto,
1993), siempre y cuando los costos del terreno sean bajos y el material de empaque esté
disponible cerca del sitio.
APLICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE PANTANO
Los pantanos construidos se han usado para tratar razonablemente una gran variedad de aguas
residuales, como municipales, escurrimientos, agrícolas, drenajes ácidos de minas, lixiviados
contaminados, de refinería, de la industria del papel, azucarera, de procesamiento de carnes,
de procesamiento de alimentos, etc. (Eastlik y Dess, 1998).
CONCLUSIONES
1. Los PC de flujo subsuperficial ofrecen buenas eficiencias en la remoción de DBO, y sólidos
suspendidos totales a costos relativamente bajos tanto de construcción como de operación y
mantenimiento, siempre y cuando el terreno y el material del medio estén disponibles y sean de
bajo costo; particularmente para instalaciones pequeñas no mayores de 250 l/s.
2. El flujo superficial observado en varios sistemas, en gran parte se debe a un diseño hidráulico
inadecuado y no a la colmatación del medio.
3. Existen métodos para inducir la penetración de las raíces y promover el suministro de
oxígeno para la nitrificación; sin embargo, el tiempo de retención debe ser de¡ orden de seis
días.
4. Hay poca información sobre la re moción de coliformes fecales; sin embargo, ésta indica que
el sistema es capaz de removerlos siempre y cuando el tiempo de retención sea suficiente. En
la mayoría de los casos no ha sido posible alcanzar los niveles máximos permisibles, por lo que
se vuelve necesaria alguna forma de desinfección.
5. Generalmente se requiere un pretratamiento a nivel primario para los PC, los cuales pueden
incluir tanques sépticos o lmhoff o bien sistemas lagunares o biorreactores anaerobios.
6. No obstante las bondades de estos sistemas, a nivel latinoamericano solamente dos países
cuentan con pantanos para el tratamiento de aguas residuales: Nicaragua, que construyó un
sistema piloto en 1996, y México, donde aproximadamente hace seis años se empezaron a
construir en el norte del país y actualmente existen más de diez.
7. De acuerdo con lo anterior y dado que Oaxaca es líder a nivel nacional en cuanto al número
de pantanos construidos, es necesario iniciar programas de investigación que permitan
optimizar el diseño de los sistemas, disminuir los costos y promover su uso en el medio rural.
REQUERIMIENTOS DE INVESTIGACIÓN
Se relacionan aquellos temas de investigación que deben desarrollarse en nuestro medio:
1. Adecuar el diseño de PC para garantizar la eliminación de huevos de helminto y coliformes
fecales para cumplir con la norma de calidad de agua vigente para riego no restringido o
acuacultura a base de PC, como parte de sistemas híbridos o combinados, a fin de disminuir las
áreas requeridas.
2. Desarrollar criterios de diseño para remoción de patógenos y parásitos.
3. Conformar bases de datos de sistemas a escala real para confirmar y complementar
resultados de laboratorio y pilotos.
4. Estudiar especies de plantas que cumplan con las ventajas actuales y tengan un interés
comercial.
5. Estudiar el tratamiento de escurrimientos, de desechos animales y lixiviados.