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Centro de Investigación Regional Pacífico Centro Campo Experimental Centro Altos de Jalisco
Tepatitlán de Morelos, Jalisco Noviembre de 2014
Folleto Técnico Núm. 7 ISBN: 978-607-37-0325-3
HUMEDALES ARTIFICIALES PARA EL TRATAMIENTO DE
AGUAS RESIDUALES PROVENIENTES DE GRANJAS
PORCÍCOLAS
CELIA DE LA MORA OROZCO, RUBÉN ALFONSO SAUCEDO TERÁN, EUTIQUIO BARRIENTOS JUÁREZ, SERGIO GÓMEZ ROSALES, IRMA JULIETA
GONZÁLEZ ACUÑA, GERARDO DOMÍNGUEZ ARAUJO
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DIRECTORIO
SECRETARÍA DE AGRICULTURA, DESARROLLO RURAL, PESCA Y ALIMENTACIÓN
LIC. ENRIQUE MARTÍNEZ Y MARTÍNEZ
Secretario LIC. JESÚS AGUILAR PADILLA
Subsecretario de Agricultura PROF. ARTURO OSORNIO SÁNCHEZ
Subsecretario de Desarrollo Rural LIC. RICARDO AGUILAR CASTILLO
Subsecretario de Alimentación y Competitividad ING. JAVIER GUIZAR MACIAS
Delegado de la SAGARPA en Jalisco
INSTITUTO NACIONAL DE INVESTIGACIONES FORESTALES, AGRÍCOLAS Y PECUARIAS
DR. LUIS FERNANDO FLORES LUI
Director General DR. MANUEL RAFAEL VILLA ISSA
Coordinador de Investigación, Innovación y Vinculación DRA. BERTHA PATRICIA ZAMORA MORALES
Encargada del Despacho de los asuntos de la Coordinador de Planeación y Desarrollo
MTRO. EDUARDO FRANCISCO BERTERAME BARQUIN
Coordinador de Administración y Sistemas LIC. ELISA CONCEPCIÓN ELGUÉZABAL DÁVILA
Titular de la Unidad Jurídica
CENTRO DE INVESTIGACIÓN REGIONAL DEL PACÍFICO CENTRO DR. JOSÉ ANTONIO RENTERíA FLORES
Director Regional Pacífico Centro DR. GERARDO SALAZAR GUTIÉRREZ
Director de Investigación Regional Pacífico Centro M.C. PRIMITIVO DÍAZ MEDEROS
Director de Planeación y Desarrollo LIC. MIGUEL MÉNDEZ GONZÁLEZ
Director de Administración M.C. RAMÓN HERNÁNDEZ VIRGEN
Jefe del Campo Experimental Centro Altos de Jalisco
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HUMEDALES ARTIFICIALES PARA EL TRATAMIENTO
DE AGUAS RESIDUALES PROVENIENTES DE GRANJAS
PORCÍCOLAS
Dra. Celia DE LA MORA OROZCO Investigadora C.E. Centro Altos Jalisco CIRPAC-INIFAP
Dr. Rubén Alfonso SAUCEDO TERÁN
Investigador del Sitio Experimental La Campana CIRNOC-INIFAP
Dr. Eutiquio BARRIENTOS JUÁREZ Investigador del Sitio Experimental La Campana CIRNOC-INIFAP
Dr. Sergio GÓMEZ ROSALES
Investigador del CENID Fisiología
Dra. Irma Julieta GONZÁLEZ ACUÑA Investigadora C.E. Santiago Ixcuintla CIRPAC-INIFAP
M.C. Gerardo DOMÍNGUEZ ARAUJO
Investigador C.E. Centro Altos de Jalisco CIRPAC-INIFAP
Instituto Nacional de Investigaciones Forestales,
Agrícolas y Pecuarias Centro de Investigación Regional Pacífico Centro
Campo Experimental Centro Altos de Jalisco
Tepatitlán de Morelos Jalisco, México
Folleto Técnico Núm. 7 ISBN: 978-607-37-0325-3 Noviembre de 2014
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HUMEDALES ARTIFICIALES PARA EL TRATAMIENTO
DE AGUAS RESIDUALES PROVENIENTES DE GRANJAS
PORCÍCOLAS
No está permitida la reproducción total o parcial de esta publicación, ni la transmisión de ninguna forma o por cualquier medio, ya sea electrónico, mecánico, fotocopia, por registro u otros métodos, sin el permiso previo y por escrito a la Institución. Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias Progreso Núm. 5. Colonia Barrio de Santa Catarina Delegación Coyoacán, C.P. 04010, México, D.F. Tel. (55) 38718700 www.inifap.gob.mx Primera Edición: 2014 Impreso en México ISBN: 978-607-37-0325-3 Folleto Técnico Núm. 7 Noviembre de 2014 CAMPO EXPERIMENTAL CENTRO ALTOS DE JALISCO CIRPAC- INIFAP Kilómetro 8.0 Carretera Tepatitlán Lagos de Moreno Apartado Postal 56 Tepatitlán de Morelos, Jalisco., México. C.P. 47600 Teléfono (01800) 088 2222 Ext. 84513 La presente publicación se terminó de imprimir el mes de Noviembre de 2014 en los talleres Gráficos de Prometeo Editores, S.A. de C.V. Libertad 1457, Colonia Americana, Guadalajara Jalisco CP.44160 Tel.01(33) 38262726. Su tiraje consta de 1000 ejemplares La cita correcta de esta obra es: De La Mora, O.C., Saucedo, T.R.A., Barrientos, J.E., González, A.I.J., Gómez, R.S. y Domínguez, A.G. 2014. Humedales artificiales para el tratamiento de aguas residuales provenientes de granjas porcícolas. Folleto Técnico Núm. 7 Campo Experimental Centro-Altos de Jalisco, México. 40 p.
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ÍNDICE DE CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN ......................................................... 1
2. ANTECEDENTES ........................................................ 6
2.1. Humedales naturales ............................................ 7
2.2. Humedales artificiales .................................... 8
3. OBJETIVO ................................................................. 12
4. METODOLOGÍA ......................................................... 13
4.1. Humedal de flujo superficial ................................ 14
4.2. Humedal en serie ................................................ 18
4.3. Fase experimental ............................................... 22
4.4. Recolección y análisis de muestras ..................... 22
5. RESULTADOS ........................................................... 24
6. CONCLUSIONES ....................................................... 33
7. REFERENCIAS .......................................................... 35
ii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Humedal superficial, vista lateral y frontal ........... 14
Figura 2. Preparación del terreno para la instalación de los
humedales ......................................................................... 15
Figura 3. Preparación del terreno para la instalación del
humedal de flujo superficial ............................................... 15
Figura 4. Colocación del soporte de arena y arcilla ........... 17
Figura 5. Trasplante de vegetación dentro del humedal .... 17
Figura 6. Trasplante de la vegetación ................................ 18
Figura 7. Humedales en serie, vista lateral y frontal .......... 19
Figura 8. Vista de los humedales en serie ......................... 20
Figura 9. Entrada de agua al humedal subsuperficial ........ 21
Figura 10. Humedales en serie vista de interconexiones ... 21
Figura 11. Vista actual del humedal en serie ..................... 32
Figura 12. Vista actual del humedal de flujo superficial ..... 32
ÍNDICE DE CUADROS
Cuadro 1. Especificaciones de flujos evaluados para cada
sistema .............................................................................. 22
Cuadro 2. Parámetros analizados y metodología utilizada 23
Cuadro 3. Eficiencia de la remoción de DQO en el humedal
de flujo superficial .............................................................. 25
Cuadro 4. Eficiencia de la remoción de nitrógeno total en el
humedal de flujo superficial ............................................... 25
Cuadro 5. Eficiencia de remoción de fosforo total en el
humedal de flujo superficial ............................................... 26
Cuadro 6. Eficiencia de remoción de DQO en el humedal en
serie .................................................................................. 27
iii
Cuadro 7. Eficiencia de remoción de nitrógeno total en el
humedal en serie ............................................................... 28
Cuadro 8. Eficiencia de remoción de fosfoto total en el
humedal en serie ............................................................... 29
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HUMEDALES ARTIFICIALES PARA EL TRATAMIENTO
DE AGUAS RESIDUALES PROVENIENTES DE GRANJAS
PORCÍCOLAS
1. INTRODUCCIÓN
En México, la porcicultura es considerada como la tercer
actividad ganadera, con un estimado de 15.2 millones de
cabezas, según el Censo Agrícola, Ganadero y Forestal de
2008 (INEGI, 2008). Las principales regiones con esta
actividad son la región centro y sureste del país, pero se lleva
a cabo en todos los estados (SAGARPA, 2008). Sin embargo,
la actividad porcícola genera grandes cantidades de residuos,
que incluye los residuos sólidos y los líquidos. Las descargas
de agua utilizada para limpiar los establos, las excretas de
cerdo compuestas por heces y orina, así como los residuos
de alimentación. El tipo y la cantidad de residuos que genera
esta actividad han ocasionado efectos negativos en el
ambiente. Cuando el medio recibe el aporte de cualquier
sustancia extraña se produce un cambio en su equilibrio, es
decir las propiedades físicas, químicas y biológicas se
modifican, restableciéndose a largo o corto plazo siempre y
cuando la descarga de contaminantes no sea lo
suficientemente alta para que el desequilibrio sea irreversible;
2
estas alteraciones son causadas por los diferentes
componentes de dichos residuos (Rodríguez, 2013).
En la actualidad es bien conocido que los efectos negativos
más severos que provoca la porcicultura en el ambiente son:
La contaminación del aire: se puede identificar un
deterioro de la calidad del aire a través de la
generación de gases tóxicos, principalmente dióxido
de carbono (CO2), amoniaco (NH3), ácido sulfhídrico
(H2S) y metano (CH4) (Pérez, 2013).
La contaminación del suelo: un alto volumen de
estiércol directamente en el suelo afecta
negativamente ya que produce alteración en el pH,
ocasiona la acumulación de nutrientes en áreas
pequeñas, lo cual promueve también la infiltración de
contaminantes como es el caso de los nitratos y
microorganismos afectando directamente al subsuelo.
Además en la capa superficial se puede promover la
acumulación de algunos elementos como sales de
hierro y cobre que afectan su fertilidad (Méndez,
2009).
La contaminación del agua: por un lado, existe un
efecto negativo por la infiltración a mantos freáticos de
3
nitratos y algunos otros contaminantes provenientes
de los residuos porcícolas. Los contaminantes
presentes principalmente los compuestos de
nitrógeno y fosforo como es el caso del amoniaco
(NH3), fosforo, materia orgánica, y solidos
suspendidos entre otros, pueden moverse por medio
de escurrimientos y alcanzar los cuerpos de agua
superficiales como arroyos, ríos y lagos. El exceso de
nutrientes favorece el crecimiento masivo de algas,
las cuales no permiten el paso de la luz solar,
impidiendo con esto que se lleve a cabo el proceso de
fotosíntesis, dando como resultado el agotamiento del
O2 disuelto, favoreciendo la proliferación de
organismos indeseables, y en el peor de los casos
provocando la eutrofización de los cuerpos de agua.
(Méndez, 2009).
La contaminación por gases nocivos es importante, al igual
que la contaminación de suelos. Sin embargo, en México el
impacto más severo son las aguas residuales de origen
porcícola que impactan negativamente en las aguas
superficiales y los mantos freáticos (Pérez, 2013).
En México, las aguas de desecho provenientes de granjas
porcícolas que son vertidas a los diversos cuerpos de agua,
4
en su mayoría no cumple con los lineamientos que establecen
las Normas Oficiales para su descarga; de esta manera, se
considera primordial la utilización de métodos de tratamiento
de aguas residuales de esta industria que mitiguen los
problemas creados por la acumulación excesiva de excretas
porcinas en el agua.
La concentración de nutrientes en el recurso agua,
particularmente en las aguas superficiales se ha venido
incrementando notablemente en las últimas décadas. La
degradación de la calidad del agua puede causar un impacto
potencial en los riesgos a la salud, además de los efectos
negativos típicos ocasionados al ambiente.
El uso de los cuerpos de agua como asimiladores o
retenedores de contaminantes de las diferentes fuentes
contaminantes como la agricultura, los desechos domésticos
y los industriales es una práctica común. Una serie de
tratamiento de aguas residuales han sido utilizados para
reducir la concentración de los diversos contaminantes, antes
de que el agua llegue a los cuerpos receptores mitigando así
los efectos negativos, entre los tratamiento utilizados se
pueden mencionar las lagunas facultativas, los lodos
activados y filtros (Kadlec y Knight, 1996).
5
Una metodología para tratar los escurrimientos provenientes
de la agricultura a bajo costo es el uso de humedales, estos
pueden ser naturales o construidos. Los contaminantes de
las aguas residuales pueden ser transformados en material
menos peligroso transformados por la biota presente en el
humedal, que utilizan los materiales en el sustrato como
nutrientes (Kadlec y Knight, 1996).
Los humedales artificiales o construidos se han sugerido para
el tratamiento de aguas residuales de diversas fuentes
contaminantes, los principales mecanismos asociados con
los humedales son típicamente clasificados como
sedimentación, sorpción, reacciones químicas y las
transformaciones bióticas (Mander, 2000).
Por esta razón, se ha puesto mucha atención al desarrollo de
tecnologías eficientes de bajo costo para remover los
nutrientes, especialmente nitrógeno y fosforo y sus especies
de las aguas residuales, sin embargo muchas de estas
tecnologías tienen un costo de instalación alto (Anderson y
Perry, 1996; Konyha et al., 1995). Algunas investigaciones
han propuesto que los humedales construidos pueden ser
una alternativa viable para remover la alta concentración de
nutrientes en las aguas residuales a través de diversos
canales, como el crecimiento de la biomasa de
6
microorganismos y la toma directa de las plantas (Reddy y
D'Angelo, 1997; Reed y Brown, 1995).
2. ANTECEDENTES
Dentro de las tecnologías amigables con el ambiente que se
utilizan en el tratamiento de las aguas residuales se
encuentran los humedales artificiales, que son sistemas de
fitodepuración en los que se lleva a cabo la interacción de
procesos físicos, químicos y biológicos que se presentan al
interactuar entre si el agua, el medio filtrante, las plantas, los
microorganismos y la atmósfera (Arias, 2010). Entre las
ventajas de utilizar sistemas de humedales artificiales se
encuentra el bajo costo de instalación, mantenimiento y
operación, comparado con los procesos de depuración de
aguas residuales utilizados convencionalmente. La UNESCO
(1971) define a los humedales como: “las extensiones de
marismas, pantanos y turberas, o superficies cubiertas de
aguas, sean éstas de régimen natural o artificial,
permanentes o temporales, estancadas o corrientes, dulces,
salobres o saladas, incluidas las extensiones de agua marina
cuya profundidad en marea baja no exceda de seis metros”.
7
La clasificación de la Convención Ramsar (¿año?) reconoce,
por el tipo de ambiente donde se presentan y la geoforma,
tres ambientes generales:
a) Humedales marino o costero
b) Humedales interiores
c) Humedales construidos por el hombre (humedales
artificiales)
2.1. Humedales naturales
Los humedales son ecosistemas que se encuentran
saturados de agua la mayor parte del año, permitiendo así el
establecimiento de biota, en general vegetación tolerante a la
inundación. Debido a los diferentes ambientes y climas en el
planeta, existe una gran variedad de escenarios en cuando a
las comunidades de vegetación y tipos de suelo en los
humedales. Estos ambientes son complejos y altamente
dinámicos que se caracterizan por su alta diversidad
biológica, de esta manera juegan un papel primordial
proporcionando un hábitat excepcional para una gran
variedad de flora y fauna.
Además, naturalmente actúan como sumideros donde se
llevan a cabo un gran número de actividades de
transformación de materiales químicos y biológicos,
8
ayudando a estabilizar los contaminantes. Contribuyen a la
depuración de los contaminantes en el agua impidiendo que
estos lleguen a las zonas de recarga en los mantos freáticos.
Esta serie de actividades les proporciona características
únicas, influyendo de manera significativa en la naturaleza del
ciclo hidrológico.
2.2. Humedales artificiales
Existen dos tipos de humedales artificiales:
Humedal de flujo superficial: Consiste en celdas con
la superficie del agua expuesta a la atmósfera y el
fondo constituido por un medio granular, vegetación
emergente y niveles de agua poco profundos (Arias,
2010). De acuerdo con el tipo de macrófitas que se
utiliza en este sistema, lo podemos dividir en :
o Macrófitas flotantes: Los órganos
reproductores son flotantes o aéreos.
o Macrófitas sumergidas: Su tejido fotosintético
está completamente sumergido.
Humedal de flujo subsuperficial: Consiste en una
celda donde el flujo del agua residual circula a través
9
del medio granular (subterráneo), las plantas
macrófitas se siembran en este lecho y el agua está
en contacto directo con las raíces de las plantas
(Arias, 2010). De acuerdo a la dirección del flujo este
tipo de humedales se clasifica en:
o Humedal subsuperficial de flujo vertical:
reciben las aguas residuales a través de un
sistema de tuberías que son cargados
intermitentemente, las aguas se infiltran
verticalmente a través del medio granular
hasta llegar a la zona de recolección
(Delgadillo, 2010).
o Humedal subsuperficial de flujo horizontal: las
aguas residuales que se reciben fluyen
lentamente desde la entrada del sistema en
una trayectoria horizontal hasta llegar a la
zona de recolección (Arias, 2010).
Los humedales artificiales son ecosistemas conocidos por
proveer y/o ser una zona buffer de mucho valor para mejorar
la calidad del agua principalmente proveniente de
escurrimientos superficiales. En los humedales se llevan a
10
cabo una serie de interacciones físicas, químicas y biológicas
complejas para el tratamiento (Greenway, 2004; Dorge,
1994).
La vegetación es considerada el componente principal en los
humedales y juega un papel primordial en el proceso de
tratamiento. La presencia de la vegetación facilita la filtración,
la sedimentación de partículas, reducción de la turbulencia,
estabilización de los sedimentos y el incremento del área
superficial de la biopelícula (Mann y Bavor, 1993; Lu et al.,
2009).
El flujo de entrada de agua, la cantidad de contaminantes y el
tiempo de retención, son las variables que más afectan la
eficiencia del tratamiento del agua en los humedales (Bastian
et al., 1991; Jing et al., 2002). La reducción de la
concentración de nutrientes como el nitrógeno y el fosforo en
los sistemas biológicos depende de la temperatura
principalmente cuando la remoción está impulsada por la
actividad biótica (Kadlec and Reddy, 2001; Jing and Lin,
2004).
Existen varios factores que afectan directamente la remoción
de los contaminantes en los humedales, entre estos están las
plantas y la temperatura (Schutes, 2001; Gebremariam y
Beutel, 2008). Además la radiación solar y la temperatura
11
ambiental que afectan el comportamiento de todos los días y
a lo largo del año, los cambios de temperatura estacionales
son muy importantes. Diversos autores han reportado
variaciones en los porcentajes de remoción de diversos
contaminantes en los humedales, por ejemplo Mander et al.
(2000) reportó variaciones entre 12 y 85% en la remoción de
nitrógeno. Observó que la eficiencia del sistema se reduce
durante la estación fría del año. Sin embargo, Maehlum y
Stalnacke (1999) encontraron menos del 10% de diferencia
en la remoción de contaminantes en diferentes humedales
entre la época cálida y la fría del año. Otros autores también
presentan altas remociones de nitrógeno que fluctúan entre
40-97% donde no se detectaron diferencias entre la estación
del año (Geller G., 1997; Hammer y Knight, 1994).
La contaminación en cuerpos de agua por las descargas de
residuos de origen porcícola ha llevado a buscar soluciones
para su tratamiento. En México se generan alrededor de 420
m3 cada segundo de aguas residuales, de las cuales reciben
tratamiento menos del 25 % (CONAGUA, 2012); la
porcicultura en nuestro país es la tercera actividad ganadera
más importante, sin embargo los residuos porcícolas generan
en los cuerpos de agua modificaciones en sus propiedades
químicas, físicas y biológicas que provocan que pierda su
calidad para su utilización en las diversas actividades
12
socioeconómicas como el riego agrícola, la industria o el uso
doméstico. Los procesos convencionales para el tratamiento
de aguas residuales requieren altos costos de instalación,
infraestructura, mantenimiento y mano de obra, por lo que es
difícil que se adapten a sistemas de producción como el
porcícola.
Una alternativa viable y que debe ser considerada son los
humedales artificiales por su efectividad en la remoción de
contaminantes y su bajo costo de instalación y
mantenimiento; los humedales simulan una zona de
transición entre el ambiente terrestre y el acuático capaz de
disminuir la concentración de los principales contaminantes
que afectan la calidad del agua.
3. OBJETIVO
El objetivo de esta investigación es evaluar la eficiencia de la
remoción de contaminantes procedentes de aguas residuales
de origen porcícola mediante el uso de humedales
construidos. La evaluación se llevó a cabo mediante el
monitoreo de parámetros importantes en calidad del agua
como la Demanda Química de Oxígeno (DQO), el Nitrógeno
Total (NT) y el Fosforo Total (FT). Utilizando un tiempos de
13
retención hidráulica 10 días para determinar su efecto en la
remoción de los contaminantes.
4. METODOLOGÍA
Esta investigación se está llevando a cabo en la granja Santa
María localizada a 11 kilómetros al noroeste de la ciudad de
Arandas Jalisco, con coordenadas 20.757863° Latitud Norte
y 102.430795° Longitud Oeste a una altura promedio de 2026
metros sobre el nivel del mar. La granja cuenta con 12,000
cerdos que se alimentan a base de sorgo molido y pasta de
soya. La limpieza de los corrales se realiza con agua con un
gasto diario promedio de 30,000 litros aproximadamente. La
granja cuenta con un biodigestor, el cual es alimentado a
través de 12 canales provenientes directamente de los
corrales de engorda. El biodigestor es de geomembrana con
una capacidad de 9,518 m3 con una producción de biogás
aproximada de 2,002 m3 por día.
Se instalaron dos humedales, uno de flujo laminar o
superficial y un humedal en serie, el cual consiste en un
humedal de flujo superficial, un sedimentador intermedio y un
humedal subsuperficial; a continuación se menciona con
detalle la construcción de los mismos.
14
4.1. Humedal de flujo superficial
Se construyó un humedal de flujo laminar con dimensiones
de 9 metros de largo y 3 de ancho (Figura 1). Se construyó
con geomembrana con soportes metálicos en el contorno y
se cimentó en una excavación previa de aproximadamente 10
cm de profundidad para darle mayor estabilidad a la
estructura (Figuras 2 y 3).
Figura 1. Humedal superficial, vista lateral y frontal
15
Figura 2. Preparación del terreno para la instalación de los humedales
Figura 3. Preparación del terreno para la instalación del humedal de flujo superficial
16
Una vez construido el canal se agregó una capa de arena-
arcilla de 35 cm aproximadamente que funciona como
soporte de la vegetación (Figura 4).
Una vez construido el canal con la geomembrana y colocada
la mezcla de arena-arcilla, se procedió al trasplante de la
vegetación, para lo cual se recolectaron plantas de las de los
bordos cercanos a la granja ya que están adaptados al
ambiente del área donde se instalaron los sistemas. Las
especies utilizadas fueron; tule (Typha domingensis Pers.) y
Sirpus sp. y Las plantas fueron colocadas en los sistemas de
manera estratégica cubriendo solamente el 10% del área, con
un arreglo espacial simétrico colocando una planta cada 20
cm, procurando que cubrieran la mayor extensión (Figuras 5
y 6).
17
Figura 4. Colocación del soporte de arena y arcilla
Figura 5. Trasplante de vegetación dentro del humedal
18
Figura 6. Trasplante de la vegetación
4.2. Humedal en serie
El humedal en serie, consiste en un humedal superficial de 6
metros de largo y 2 de ancho conectado a un sedimentador
intermedio de 2 metros de ancho y 2 de largo y finalmente un
humedal subsuperficial de 4 metros de largo y 2 de ancho
(Figura 7).
19
Figura 7. Humedales en serie, vista lateral y frontal
El humedal superficial que es el primer componente en este
sistema, se construyó de la misma manera que se mencionó
anteriormente con geomembrana y arena y arcilla como
soporte para la vegetación. Sin embargo, en este sistema se
tienen algunas variaciones ya que el humedal de flujo
superficial de dimensiones de 6 metros de largo por 2 metros
de ancho esta interconectado a un sedimentador de 2 x 2
metros, así mismo el sedimentador se conecta al humedal
subsuperficial que tiene dimensiones de 4 metros de largo y
2 de ancho. Este último se construyó de la siguiente manera:
una vez instalada la geomembrana, se procedió a colocar una
capa de 15 cm de la mezcla de arena y arcilla. Después se
agregó una capa de aproximadamente 15 cm de piedra
20
volcánica y por último otra capa de arena y arcilla de
aproximadamente 20 cm. Finalmente la vegetación se
trasplantó en la capa superficial de arena-arcilla. En este
sistema el agua ingresa directamente a la piedra volcánica,
permitiendo que el agua recorra el canal por la parte
subsuperficial, de esta manera la vegetación tiene la
capacidad de absorber los nutrientes del agua por medio de
la raíz sin contacto en tallo.
Figura 8. Vista de los humedales en serie
21
Figura 9. Entrada de agua al humedal subsuperficial
Figura 10. Humedales en serie vista de interconexiones
22
4.3. Fase experimental
Para determinar la eficiencia de los sistemas de tratamiento
se evaluaron 2 corridas experimentales a lo largo de 20 días,
con un total de 4 muestras por corrida. El Cuadro 1, muestra
las especificaciones de flujo.
Los humedales fueron diseñados para tratar un volumen de
agua residual de 600 a 1000 litros/día.
Cuadro 1. Especificaciones de flujos evaluados para cada sistema
TRH (días) Flujo de
entrada (LPM) Litros
tratados/día
Humedal de flujo superficial
10 0.562 809
Humedal en serie
10 0.458 660
4.4. Recolección y análisis de muestras
La recolección de muestras se realizó cada 5 días en la
entrada y la salida de los humedales, los parámetros
analizados se muestran en el Cuadro 1. Las muestras son
recolectadas en envases de plástico donde se analizan los
parámetros in situ. Después son colocadas en hielera y
transportadas al Campo Experimental Centro Altos de
23
Jalisco, para su análisis. El análisis de los parámetros se
realiza conforme a las NOM respectivas y la utilización de
métodos HACH que se muestran también en el Cuadro 2.
En este documento se presentan resultados del porcentaje de
remoción del humedal de flujo superficial y del humedal en
serie de los siguientes parámetros: DQO, Nitrógeno Total y
Fosforo Total, correspondiente a 10 días de tiempo de
retención hidráulica (TRH) con una concentración de 800
mg/L de DQO en el influente.
Cuadro 2. Parámetros analizados y metodología utilizada
PARAMETROS EN LABORATORIO
Parámetro Unidad Método
Demanda Química de Oxígeno (DQO)
mg/L HACH 8000, Método de digestión del reactor
Nitrógeno Total (NT) mg/L HACH 10072, Método de digestión de persulfato
Fósforo Total (FT) mg/L HACH 10127, Método de molibdovanato con digestión de ácido persulfato
24
5. RESULTADOS
Los porcentajes de remoción de DQO, NT y FT obtenidos en
el humedal de flujo laminar con 10 días de TRH, se muestran
en los Cuadros 3, 4 y 5. El DQO en el influente presentó
concentración promedio de 745.1, con una desviación
estándar de 97.1. Mientras que la concentración de DQO en
el efluente correspondió a una media de 193.3, con una
desviación estándar de 19.9. La remoción promedio
observada correspondió al 73.5 %.
En el Cuadro 4, muestra que la media de la concentración
inicial de NT correspondió a un valor de 69.6, con una
desviación estándar de 12.8. También se observa el valor
promedio del efluente que correspondió a 19.5 con desviación
estándar de 4.2. Por consecuencia el porcentaje de remoción
presentó una media de 71.8% con desviación estándar de
4.9.
En el Cuadro 5, se presentan los resultados del FT, la media
de la concentración inicial en el influente correspondió a un
valor de 16.5 y la desviación estándar de 2.6. Mientras que el
efluente presentó concentración promedio de 1.3, con
desviación estándar de 0.4. El porcentaje de la eficiencia del
sistema presentó un valor promedio de 92.1%, con una
desviación estándar de 2.2.
25
Cuadro 3. Eficiencia de la remoción de DQO en el humedal de flujo superficial
Fecha DQO
influente (mg/L
DQO efluente (mg/L
Eficiencia de remoción %
09-jul-14 801.0 145.0 81.9
14-jul-14 636.0 202.0 68.2
19-jul-14 684.0 199.0 70.9
24-jul-14 762.0 198.0 74.0
29-jul-14 732.0 206.0 71.9
03-ago-14 879.0 194.0 77.9
08-ago-14 853.0 197.0 76.9
13-ago-14 614.0 205.0 66.6
Media ± DE 745.1±97.1 193.3±19.9 73.5±5.2
Cuadro 4. Eficiencia de la remoción de nitrógeno total en el humedal de flujo superficial
Fecha NT influente
(mg/L NT efluente
(mg/L Eficiencia de remoción %
09-jul-14 71.0 15.0 78.9
14-jul-14 60.0 20.0 66.7
19-jul-14 46.0 13.0 71.7
24-jul-14 77.0 20.0 74.0
29-jul-14 71.0 19.0 73.2
03-ago-14 90.0 22.0 75.6
08-ago-14 74.0 27.0 63.5
13-ago-14 68.0 20.0 70.6
Media ± DE 69.6±12.8 19.5±4.2 71.8±4.9
26
Cuadro 5. Eficiencia de remoción de fosforo total en el humedal de flujo superficial
Fecha FT influente
(mg/L FT efluente
(mg/L Eficiencia de remoción %
09-jul-14 18.7 1.8 90.4
14-jul-14 12.5 1.0 92.0
19-jul-14 15.3 1.7 88.9
24-jul-14 17.0 1.5 91.2
29-jul-14 15.6 1.2 92.3
03-ago-14 20.6 0.9 95.6
08-ago-14 17.8 0.9 94.9
13-ago-14 14.1 1.2 91.5
Media ± DE 16.5±2.6 1.3±0.4 92.1±2.2
En los Cuadros 6, 7 y 8 se presentan los resultados promedio
obtenidos de las concentraciones en el influente y afluente,
para DQO, NT y FT respectivamente. Así como los
porcentajes de remoción para los parámetros mencionados.
El Cuadro 6, muestra que la media en la concentración inicial
de DQO correspondió a un valor de 740.4 con una desviación
estándar de 89.4. Mientras que la media de la concentración
en el efluente presentó un valor de 181.9, con desviación
estándar de 44.9. El porcentaje de remoción promedio para
DQO correspondió a un valor de 74.9% y una desviación
estándar de 7.3.
27
Cuadro 6. Eficiencia de remoción de DQO en el humedal en serie
Fecha DQO influente
(mg/L DQO efluente
(mg/L Eficiencia de remoción %
09-jul-14 785.0 72.0 90.8
14-jul-14 668.0 213.0 68.1
19-jul-14 679.0 191.0 71.9
24-jul-14 762.0 198.0 74.0
29-jul-14 715.0 196.0 72.6
03-ago-14 838.0 195.0 76.7
08-ago-14 869.0 195.0 77.6
13-ago-14 607.0 195.0 67.9
Media ± DE 740.4±89.4 181.9±44.9 74.9±7.3
Los dos sistemas evaluados en este documento, el humedal
de flujo superficial y los humedales en serie, presentaron
porcentaje de remoción de QDO por encima del 70%, 74.9 y
73.5 respectivamente.
El Cuadro 7 muestra que la media de la concentración de NT
en el influente correspondió a un valor de 72.0 y desviación
estándar de 9.9. Mientras que el efluente presentó
concentración promedio de 21.6 y desviación estándar de 5.7.
La eficiencia de la remoción de NT en el sistema presentó un
valor promedio de 69.8% con desviación estándar de 7.6
28
En el Cuadro 8, se muestran las medias y desviación estándar
para FT en los humedales en serie. La media de la
concentración inicial en el influente correspondió a 17.2 con
una desviación estándar de 2.1. La concentración promedio
en el efluente correspondió a un valor de 1.7 con desviación
estándar de 1.0. El porcentaje de remoción presentó un valor
promedio de 90.2% y desviación estándar de 6.5.
Cuadro 7. Eficiencia de remoción de nitrógeno total en el humedal en serie
Fecha NT influente
(mg/L NT efluente
(mg/L Eficiencia de remoción %
09-jul-14 78.0 13.0 83.3
14-jul-14 63.0 15.0 76.2
19-jul-14 71.0 18.0 74.6
24-jul-14 77.0 26.0 66.2
29-jul-14 72.0 24.0 66.7
03-ago-14 89.0 29.0 67.4
08-ago-14 70.0 26.0 62.9
13-ago-14 56.0 22.0 60.7
Media ± DE 72.0±9.9 21.6±5.7 69.8±7.6
29
Cuadro 8. Eficiencia de remoción de fosforo total en el humedal en serie
FECHA FT influente
(mg/L FT efluente
(mg/L Eficiencia de remoción %
09-jul-14 19.9 2.0 89.9
14-jul-14 14.5 1.3 91.0
19-jul-14 16.3 0.5 96.9
24-jul-14 17.5 1.6 90.9
29-jul-14 15.9 0.4 97.5
03-ago-14 19.8 1.6 91.9
08-ago-14 18.8 2.5 86.7
13-ago-14 15.1 3.5 76.8
Media ± DE 17.2±2.1 1.7±1.0 90.2±6.5
De acuerdo con Spieles y Mitsch (2000), el promedio de sus
estudios mostró un 77% de remoción de NT en humedales
naturales, mientras que los humedales artificiales observó el
44% de remoción. Los resultados obtenidos en esta
investigación no coinciden con los reportados por Spieles y
Mitsch (2000), ya que los niveles de remoción para los dos
sistemas evaluados presentaron valores por encima del 90%.
Sin embargo, es importante comentar que los autores no
mencionan el tiempo de retención utilizado en su
experimento, además ellos utilizaron escurrimientos de
agricultura. Otras variables importantes son la localización del
estudio, el clima del lugar, el tipo de vegetación y el soporte
30
utilizado para la misma, entre otros. Estas variables hacen la
diferencia en la eficiencia de los sistemas.
Por otro lado, Schmid et al. (2004) en Malasia, evaluó la
capacidad de un humedal artificial para remover el exceso de
nutrientes provenientes de escurrimientos de la agricultura.
La eficiencia de la remoción alcanzó niveles de 82% para NT
y 84% para FT. En comparación con los resultados
presentados en este documento, la remoción de NT presentó
valores más bajos que los mencionados por Schmid et al.
(2004), 71.8% para los dos sistemas evaluados. Sin embargo,
para el caso del FT, la remoción obtenida en esta
investigación correspondió a valores más altos que los
reportados por este autor, ya que se alcanzó remoción de
92.1 y 90.2% para el humedal de flujo superficial y para el
humedal en serie respectivamente. Los resultados obtenidos
en este estudio sugieren que estos sistemas son más
eficientes en la remoción de FT para agua residual de origen
porcícola específicamente, bajo las condiciones establecidas
y con la vegetación y sustrato seleccionado. De acuerdo a la
NOM-001-SEMARNAT-1996, que establece los límites
máximos permisibles de contaminantes en las descargas de
aguas residuales en aguas y bienes nacionales, en agua
destinada para uso en riego agrícola. La norma menciona que
la concentración de FT permitida es de 30 mg/L, en este
31
sentido los dos sistemas evaluados presentaron un valor
promedio en el efluente de 1.3 y 1.7 mg/L para el humedal de
flujo superficial y el humedal en serie respectivamente, por lo
tanto los valores se encuentran dentro de los requerimientos
de la norma.
Para el NT la NOM-001, establece como límite máximo
permisible un valor de 40 mg/L, al respecto en esta
investigación se obtuvieron valores dentro de la norma, ya
que el efluente del humedal de flujo superficial presentó
concentración promedio de 19.5, mientras que el humedal en
serie el valor promedio de NT correspondió a 21.6. Las
Figuras 11 y 12 muestran la condición actual de los
humedales evaluados.
32
Figura 11. Vista actual del humedal en serie
Figura 12. Vista actual del humedal de flujo superficial
33
6. CONCLUSIONES
Los resultados sugieren que el humedal de flujo superficial
tiene mayor capacidad para la remoción del NT y el FT
respecto al humedal en serie. Sin embargo, la diferencia del
porcentaje de remoción entre los dos sistemas es mínima, el
humedal de flujo superficial removió solo un 2% más de FT y
el NT respecto al humedal en serie. Respecto al NT. Para el
caso de la remoción de DQO, el humedal en serie resultó con
una eficiencia mínima también del 2% aproximadamente, por
encima del humedal de flujo superficial.
De acuerdo a la literatura consultada, se evidencia la
importancia del tipo de sustrato y vegetación utilizada para la
construcción de los sistemas. Ya que se observaron
diferencias en resultados reportados por diversos autores,
específicamente en la remoción del FT, donde se obtuvo
mayor remoción en esta investigación respecto a los
obtenidos en la literatura consultada. Sin embargo, es
importante evaluar otros factores que pudieran influir en la
alta remoción del FT, así como realizar un balance de material
para determinar las diferentes vías de retención y
transformación de los contaminantes.
34
Aunque el tratamiento de aguas residuales utilizando
humedales es considerado un método relativamente bajo en
costo, de innovación y especialmente amigable con el
ambiente, se debe poner especial atención a la ingeniería en
el diseño para alcanzar los resultados deseados en el
tratamiento de las aguas de las diversas fuentes
contaminantes.
De esta manera es de vital importancia diseñar y trabajar en
escala piloto antes de implementar el sistema a gran escala.
Esto permitirá diseñar el humedal de acuerdo a las
necesidades de tratamiento, dependiendo de la fuente
contaminante, la carga de los mismos y la localización.
Otro factor importante para la obtención de resultados
favorables en la remoción es la elección de sustrato y de
vegetación. Además del tipo de vegetación y su distribución
son factores importantes para la obtención de resultados
favorables. Dentro del sistema se crean zonas o canales
donde el agua pasa sin tratamiento, a este efecto se le llama
corto circuito. Este efecto puede ser determinado con la
determinación experimental del tiempo de retención
hidráulico, utilizando marcadores como la Rhodamina WT,
esto permitirá identificar el tiempo exacto de retención de las
partículas en el agua, lo cual permitirá rediseñar el sistema y
mejorar su funcionamiento.
35
A la fecha, los resultados presentados aquí sugieren la
utilización de los humedales como una alternativa viable en el
tratamiento de aguas residuales provenientes de granjas
porcícolas, especialmente para la remoción de material
orgánico, nitrógeno total y fosforo total.
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La contaminación en cuerpos de agua por las descargas de residuos de origen porcícola ha llevado a buscar soluciones para su tratamiento. Los sistemas convencionales para el tratamiento de aguas residuales requieren altos costos de instalación y mantenimiento por lo que es difícil que se adapten a sistemas de producción como el porcícola. Una alternativa viable por su bajo costo de instalación y mantenimiento son los humedales artificiales que han probado ser eficientes en la remoción de contaminantes como el nitrógeno y fosforo. En esta investigación se evaluó la eficiencia de 2 sistemas de tratamiento se evaluaron 2 corridas experimentales a lo largo de 20 días, con un total de 4 muestras por corrida. Los resultados sugieren que el humedal de flujo superficial tiene mayor capacidad para la remoción del NT y el FT respecto al humedal en serie. Sin embargo, la diferencia del porcentaje de remoción entre los dos sistemas es mínima, el humedal de flujo superficial removió solo un 2% más de FT y el NT respecto al humedal en serie. Respecto al NT. Para el caso de la remoción de DQO, el humedal en serie resultó con una eficiencia mínima también del 2% aproximadamente, por encima del humedal de flujo superficial.
