MAESTRÍA EN DESARROLLO SOSTENIBLE Y MEDIO AMBIENTE

BIOTECNOLOGIA AMBIENTAL

Presentado por:

LUZ ADRIANA CASTAÑO BUITRAGO

JHENNY KATHERINE HUETIO PASSOS

MAURICIO FERNANDO ORTIZ SARRIA

UNIVERSIDAD DE MANIZALESBIOTECNOLOGIA AMBIENTAL

SEPTIEMBRE , 2015

BIOTECNOLOGIA AMBIENTAL MEDIANTE LA IMPLEMENTACION DE HUMEDALES ARTIFICIALES (FILTROS VERDES) PARA EL TRATAMIENTO

DE AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS, INDUSTRIALES Y URBANAS.

Trabajo presentado por:

LUZ ADRIANA CASTAÑO BUITRAGO

JHENNY KATHERINE HUETIO PASSOS

MAURICIO FERNANDO ORTIZ SARRIA

Módulo:

BIOTECNOLOGIA AMBIENTAL

Docente:

Carlos Arturo Granada Torres

UNIVERSIDAD DE MANIZALES

MAESTRÍA EN DESARROLLO SOSTENIBLE Y MEDIO AMBIENTE

SEMESTRE III

2015

BIOTECNOLOGIA AMBIENTAL MEDIANTE LA IMPLEMENTACION DE HUMEDALES ARTIFICIALES (FILTROS VERDES) PARA EL TRATAMIENTO

DE AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS, INDUSTRIALES Y URBANA.

La Sociedad Internacional de Biotecnología Ambiental define que Biotecnología ambiental es "el desarrollo, uso y regulación de sistemas biológicos para la remediación de entornos contaminados (tierra, aire, agua) y para procesos amigables con el entorno natural (tecnologías "verdes" y desarrollo sustentable)". Cualquier proceso que utilice microorganismos, hongos, plantas o las enzimas derivadas de ellos para retornar un medio ambiente alterado por contaminantes a su condición natural se denomina dentro de la Biotecnología ambiental como biorremediación que puede ser empleada para atacar contaminantes específicos en diferentes contextos como en aguas residuales, dentro de estos procesos encontramos la aplicación de humedales artificiales que al igual que en los naturales, se combina un entramado complejo de procesos físicos, químicos y biológicos que hacen de ellos delicados ecosistemas.

El grado de control que el hombre puede realizar sobre estos procesos es la principal diferencia entre los humedales naturales y artificiales. Las plantas de estos humedales juegan un importante papel en esta actividad de depuración (Quian, et al, 1999). Pueden clasificarse de acuerdo con su forma de vida en tres grandes grupos:

Macrófitos emergentes: aquellas plantas que tienen parte de su estructura vegetal dentro del agua, y otra parte aérea. Comprende especies como Phragmites australis, Glyceria sp., Typha sp., Iris sp.

Macrófitos flotantes: incluye aquellas especies cuya raíz está en el sustrato y sus flotan en la superficie del agua (como Potamogeton natans, Nuphar sp., Nymphaea sp.), y otras no enraizadas en el sustrato y cuyas hojas son también flotantes (por ejemplo Lemna sp., Eichornia crassipes).

Macrófitos sumergidos: cuyos tejidos fotosintéticos se encuentran totalmente sumergidos en el agua, y generalmente sus flores son aéreas, por ejemplo Elodea, Myriophyllum, Isoetes, Lobelia). (Brix, 2003).

Los sistemas de depuración basados en macrófitos consisten generalmente en un monocultivo o policultivo de macrófitos, dispuestos en tanques, lagunas o zanjas poco profundas y con un tiempo de retención superior al de los sistemas convencionales. La elección del tipo de planta depende de su adaptabilidad al clima de la región, de su capacidad de transporte de oxígeno de la superficie a la rizosfera, de su tolerancia a altas concentraciones de contaminantes así como de su capacidad para asimilarlo, de su alta presencia en la zona donde se va a instalar el sistema, de la facilidad para recolectarlas y posterior transporte y su fácil autogeneración (Ansola, 2003).

Un humedal artificial (Wetland) es un sistema complejo de medio saturado, diseñado y construido por el hombre, con vegetación sumergida y emergente y vida animal acuática que simula un humedal natural para el uso y beneficio humano.

El tipo de flujo de humedal es uno de los aspectos más importantes que hay que decidir para su diseño, dimensionado y construcción:

Humedales de flujo superficial (aeróbicos), en los que existe una lámina de agua más o menos profunda, por encima del sustrato. Los sistemas de humedales se describen típicamente por la posición de la superficie del agua y/o el tipo de vegetación presente. La mayoría de los humedales naturales son sistemas de flujo libre superficial en los cuales el agua está expuesta a la atmósfera; estos incluyen a los fangales (principalmente con vegetación de musgos), las zonas pantanosas (principalmente de vegetación arbórea), y las praderas inundadas (principalmente con vegetación herbácea y plantas macrófitas emergentes). En el caso de los humedales FLS esos sustratos son las porciones sumergidas de las plantas vivas, los detritos vegetales, y la capa béntica del suelo1.

Humedales de flujo subsuperficial (anaeróbicos) en los cuales el agua discurre empapando el sustrato. Los humedales de flujo subsuperficial (HFS) se diseñan y construyen para que el agua fluya a través de la zona radicular de la vegetación y por lo tanto no presentan una superficie libre de flujo. Este sistema consiste en una excavación que contiene un lecho de material filtrante que generalmente es grava, el cual soporta el crecimiento de la vegetación emergente. En esencia, un humedal de flujo subsuperficial se clasifica como un sistema de tratamiento de película fija (Metcalf and Eddy, 1991) Los contaminantes en los sistemas con macrófitas son removidos por una variedad compleja de procesos biológicos, físicos y químicos, incluyendo sedimentación, filtración, adsorción en el suelo, degradación microbiológica, nitrificación y denitrificación, decaimiento de patógenos y metabolismo de las plantas. Las macrófitas remueven contaminantes por asimilación directa dentro de sus tejidos, además proveen superficie de contacto y un ambiente adecuado para que los microorganismos transformen los contaminantes y reduzcan sus concentraciones. La transferencia de oxígeno dentro de la zona radicular es otro proceso que contribuye a la remoción de contaminantes por la creación de un ambiente aerobio para algunas poblaciones bacterianas2. El medio

1 Conil, Philippe - Gerente Biotec -Avances conceptuales para el tratamiento de las aguas residuales domesticas (A.R.D) en el trópico y estudio de casos, - - 43 Congreso Nacional de ACODAL2 Dirección técnica de gestión de acueducto y alcantarillado de Bogotá. Informe técnico sobre sistema de tratamiento de aguas residuales en Colombia línea de base 2010. Superintendencia delegada para acueducto, alcantarillado y aseo;

filtrante de los HFS puede ser cascajo de piedra, grava, diferentes tipos de suelo o sustratos enriquecidos, que soportan el crecimiento de vegetación emergente. El agua fluye horizontalmente a través de las raíces de las plantas y el medio filtrante, luego el efluente tratado es recolectado en un canal de salida o tubería3.

Las especies vegetales a implantar deberán tener una importante capacidad de asimilación de nutrientes, rápido crecimiento, gran consumo de agua por transpiración, tolerancia a los suelos húmedos, escasa sensibilidad a los componentes del agua residual y unas mínimas exigencias de explotación. Las especies vegetales más usadas en los filtros verdes son los chopos (PopulusNigra), aunque en la actualidad se está empezando a utilizar eucaliptos (Eucalyptus).

La depuración se realiza mediante la acción conjunta del suelo, los microorganismos y las plantas por medio de una triple acción: física (filtración), química (intercambio iónico, precipitación y coprecipitación, fenómenos de óxido-reducción) y biológica (degradación de la materia orgánica). Esta depuración tiene lugar en los horizontes superiores del

Las raíces de las plantas actúan como bombas aspirantes que extraen de la solución del suelo el agua y las sales minerales necesarias para su desarrollo. En cuanto a los microorganismos del suelo, las acciones más importantes se deben a las bacterias, hongos, algas y protozoos; la principal función es la descomposición de la materia orgánica. Por otra parte la conversión de una superficie de terreno en filtro verde, originará unas condiciones ambientales típicas que darán origen a una biocenosis en la que se establecen interacciones de competición y antagonismo. Como consecuencia de estas interacciones se logra una elevada tasa de eliminación de organismos patógenos aportados por el agua residual. Con estas tecnologías las aguas depuradas no son reutilizables de forma inmediata, sino que se infiltran en el terreno y se incorporan a los acuíferos. Es necesario controlar la calidad del agua que se infiltra tomando muestras a distintas profundidades, para eso se instala en la parcela un red de lisímetros.

Algunas ventajas de los humedales artificiales en relación con sistemas de depuración tecnológicos son el bajo costo, fácil mantenimiento, su principal limitación es que requiere amplias superficies de terreno.

Ventajas:

Fácil construcción y operación.

BOGOTÁ, D.C., Octubre de 2012.

3EPA Unitated States Environmental Protection Agency. (2000). Folleto informativo de sistemas descentralizados. Tratamiento aeróbico. National Service center for Environmental Publications (NSCEP).

El mantenimiento puede reducirse a la limpieza de las unidades de pretratamiento y sedimentación Inexistencia de averías por la carencia de equipos mecánicos.

No existe demanda de consumo de energía eléctrica.

Se integra de forma armónica en el medio natural.

Posibilidad de compensar algunos costes operativos con la venta de madera.

No se producen lodos.

Altos rendimientos de operación.

Pueden asimilar bien caudales pico e incrementos de carga contaminantes.

Actúan como sumidero de CO2, fijando unas 150 t/año por hectáreas de chopera.

Se consigue de forma indirecta la protección de los bosques y la mejora de la calidad de la atmósfera.

Inconvenientes:

En climas de invierno frio se produce una parada vegetativa en el crecimiento de los cultivos instalados en el filtro disminuyendo sensiblemente el rendimiento de eliminación de contaminantes del sistema.

Debido a la disminución de los procesos de evapotranspiración se corre el riesgo de que pueda afectar al agua subterránea.

Limitación de su aplicación en zonas de alta pluviosidad.

La exigencia de grandes áreas de terreno para la implantación del filtro verde.

No es aplicable a todos los suelos (depende de su capacidad de infiltración y de la profundidad del nivel freático).

Sistemas Naturales de Depuración

Los sistemas naturales son aquellos que logran la eliminación de las sustancias contaminantes de las aguas residuales a través de mecanismos y procesos naturales los cuales no requieren de energía externa ni de aditivos químicos. En estos sistemas un buen número de procesos de descontaminación son ejecutados por sinergia de diferentes comunidades de organismos. Las dos diferencias fundamentales de los sistemas naturales respecto a los convencionales son un

nulo consumo energético para descontaminar y una mayor superficie de tratamiento.

Los sistemas naturales de depuración también son conocidos en la literatura científica y técnica como tecnologías no convencionales, sistemas de bajo coste, tecnologías blandas y sistemas verdes, entre otros.

En las últimas décadas los sistemas naturales se han venido utilizando de forma creciente gracias a sus características de construcción y funcionamiento: su coste de inversión suele ser competitivo, requieren de poco personal para su mantenimiento, no presentan consumo energético o se reduce al necesario para bombeos de cabecera, y no generan grandes cantidades de lodos de forma continuada. Los sistemas naturales pueden clasificarse en dos categorías según el tratamiento tenga lugar fundamentalmente en el terreno o en una masa de agua.

En los tratamientos con aplicación del agua residual sobre el terreno el suelo es el receptor de ésta. En este tipo de tratamientos son fundamentales las interacciones entre el agua intersticial y la biopelícula que crece adherido sobre el sustrato sólido.

Humedales Artificiales (construidos)

Los humedales construidos son sistemas de depuración constituidos por lagunas o canales poco profundos (de menos de 1 m) plantados con vegetales propios de las zonas húmedas y en los que los procesos de descontaminación tienen lugar mediante las interacciones entre el agua, el sustrato sólido, los microorganismos, la vegetación e incluso la fauna. Los humedales construidos también se denominan humedales artificiales. Atendiendo el tipo de circulación del agua, los humedales construidos se clasifican en flujo superficial o en flujo subsuperficial.

A continuación se presentan los tipos de humedales construidos; A, con flujo superficial, y B, con flujo subsuperficial horizontal.

En los sistemas de flujo superficial el agua está expuesta directamente a la atmósfera y circula preferentemente a través de los tallos y hojas de las plantas. Estos tipos de humedales se pueden entender como una modificación del lagunaje natural con una profundidad de la lámina de agua entre 0,3 y 0,4 m, y con plantas. Se suelen aplicar para mejorar la calidad de efluentes que ya han sido previamente tratados en una depuradora. En los humedales de flujo subsuperficial la circulación del agua es de tipo subterráneo a través de un medio granular y en contacto con las raíces y rizomas de las plantas. La profundidad de la lámina de agua suele ser de entre 0,3 y 0,9 m. La biopelícula que crece adherida al medio granular y a las raíces y rizomas de las plantas tiene un papel fundamental en los procesos de descontaminación del agua. La terminología utilizada para designar a los sistemas de flujo subsuperficial es particularmente confusa. Frecuentemente se utilizan indistintamente términos como filtros de plantas, filtros verdes, biofiltros, lechos de plantas y lechos de juncos, entre otros. Puesto que estos términos también se utilizan para otros tipos de tratamientos, se recomienda al lector reconocer a estos sistemas como humedales construidos de flujo subsuperficial.

Las principales diferencias de los sistemas de flujo subsuperficial respecto a los superficiales son: mayor capacidad de tratamiento (admiten mayor carga orgánica), bajo riesgo de contacto del agua con las personas y de aparición de

insectos, y menor utilidad para proyectos de restauración ambiental debido a la falta de lámina de agua accesible.

Tipos de humedales de flujo subsuperficial

Los humedales de flujo subsuperficial se clasifican según el sentido de circulación del agua en horizontales o verticales.

Humedales de flujo horizontal

En este tipo de sistemas el agua circula horizontalmente a través del medio granular y los rizomas y raíces de las plantas. La profundidad del agua es de entre 0,3 y 0,9 m. Se caracterizan por funcionar permanentemente inundados (el agua se encuentra entre 0,05 y 0,1 m por debajo de la superficie) y con cargas de alrededor de 6 g DBO/m2×día.

Los humedales horizontales están compuestos por los siguientes elementos: (1) estructuras de entrada del afluente, (2) impermeabilización del fondo y laterales ya sea con láminas sintéticas o arcilla compactada, (3) medio granular, (4) vegetación emergente típica de zonas húmedas, y (5) estructuras de salida regulables para controlar el nivel del agua.

Impermeabilización Es necesario disponer de una barrera impermeable para confinar al sistema y prevenir la contaminación de las aguas subterráneas.

Dependiendo de las condiciones locales puede ser suficiente una adecuada compactación del terreno. En otros casos será necesario realizar aportaciones de arcilla o utilizar láminas sintéticas.

Humedales de flujo vertical

Esta tipología de humedales fue desarrollada en Europa como alternativa a los humedales horizontales para producir efluentes nitrificados4. En general los sistemas verticales se combinan con horizontales para que se sucedan de forma progresiva los procesos de nitrificación y desnitrificación y se consiga así eliminar nitrógeno. La circulación del agua es de tipo vertical y tiene lugar a pulsos, de manera que el medio granular no está permanentemente inundado. La profundidad del medio granular es de entre 0,5 y 0,8 m. Operan con cargas de alrededor de 20 g DBO/m2×día.

4 1 Cooper P. (2005). The performance of vertical flow constructed wetland systems with special reference to the significance of oxygen transfer and hydraulic loading rates. Wat. Sci. Tech. 51 (9), 91-97.

Los sistemas verticales tienen una mayor capacidad de tratamiento que los horizontales (requieren de menor superficie para tratar una determinada carga orgánica). Por otra parte, son más susceptibles a la colmatación.

9Humedal construido de flujo subsuperficial vertical

De forma similar a los humedales horizontales, los verticales están constituidos por los siguientes elementos: (1) estructuras de entrada del afluente, (2) impermeabilización, (3) medio granular, (4) vegetación y (5) estructuras de salida. Adicionalmente suelen incluir tuberías de aireación.

Mecanismos de eliminación de los contaminantes

Las plantas depuradoras de aguas residuales urbanas se han diseñado corrientemente para eliminar materia en suspensión y materia orgánica. En los últimos años la eliminación de nutrientes (nitrógeno y fósforo) también se ha ido introduciendo como objetivo a alcanzar. De hecho, en la actualidad los procesos de eliminación de nutrientes se podrían considerar ya como convencionales. La eliminación de microorganismos fecales parece que en un futuro cercano también será un objetivo generalizado, especialmente en zonas como la Mediterránea donde la reutilización del agua va a tener un papel relevante dentro de la gestión integral de los recursos hídricos. A continuación se describen los mecanismos de eliminación de estos contaminantes en los humedales de flujo subsuperficial.

Estos mecanismos son complejos y sólo se presenta un breve resumen. Descripciones más detalladas se pueden encontrar en los textos de Kadlec y Knight (1996)5, y Crites y Tchobanoglous6, Kadlec et al. (2000)5 y US EPA (2000)6

A continuación observamos un esquema simplificado de los procesos que intervienen en la degradación de la materia orgánica en los humedales.

5 Kadlec, R.H., Knight, R.L., Vymazal, J., Brix, H., Cooper, P. y Haberl, R. (2000). ConstructedWetlands for Pollution Control: Processes, Performance, Design and Operation. IWA SpecialistGroup on Use of Macrophytes in Water Pollution Control, IWA Publishing, 155 pp.6 Crites, R. y Tchobanoglous, G. (1998). Small and Decentralized WastewaterManagement Systems. McGrawHill, New York, 1084 pp.

CONCLUSIONES

La implementación de sistemas biológicos como los humedales para el de tratamiento de aguas residuales debe fortalecerse ya que son sistemas con muy buenos porcentajes de remoción, garantizando que la mayor cantidad de aguas residuales producidas se pueda tratar adecuadamente.

Los Biofiltros y humedales naturales representan el inicio de las técnicas artificiales para el tratamiento de aguas residuales domésticas, agropecuarias e industriales; propiciando el uso de elementos vivos que transforman los contaminantes en productos reutilizables o amigables con el ambiente.

Los humedales artificiales en relación con sistemas de depuración tecnológicos son el bajo costo, fácil mantenimiento, su principal limitación es que requiere amplias superficies de terreno.

Los humedales artificiales son sistemas complejos diseñados y construidos por el hombre, con vegetación sumergida y emergente y vida animal acuática que simula un humedal natural para el uso y beneficio humano.

BIBLIOGRAFIA

ALIANZA POR EL AGUA. (2008). Manual de depuración de aguas residuales urbanas. Edición Ideasamares. España.

ALDANA, N, ARREDONDO, S. (2011). Seminario―Manejo integrado del agua: Tratamiento de aguas residuales. Martha. Universidad de Manizales.

BLUMENTHAL, U.J., D.D. Mara, A. PEASEY, G. RUIZ-PALACIOS y R. STOTT. 2000. Guidelines for the microbiological quality of treated waste water used in agriculture: recommendations for revising WHO guidelines. Bulletin of theWorldHealthOrganization 78(9), 1104-1116.

CAMACHO, E. M (2015) Bacterias aerobias procedentes de humedales artificiales degradadoras de Dimetilfenoles. Centro Andaluz de Biología del Desarrollo Universidad Pablo de Olavi. Biosaia (revista de los másteres de Biotecnología Sanitaria y Biotecnología Ambiental, Industrial y Alimentaria de la UPO) nº4.

CASTILLO D, et al. (2013). Caracterización biológica y socioeconómica del humedal universidad, municipio de Popayán, Colombia. Biotecnología en el Sector Agropecuario y Agroindustrial. Rev.Bio.Agro vol.11 no.1 Popayán Jan./June 2013

ESPINOSA, A, et al (2009). Atrazina en secciones circulares de raices de tres plantas de humedales adsorption of atrazine in circular sections of roots of three wetland plants. revista mexicana de ingeniería química vol. 8.

GARCÍA. J. (2008). Depuración con humedales. Guía Práctica de Diseño, Construcción y Explotación de Sistemas de Humedales de Flujo Subsuperficial. Departamento de Ingeniería Hidráulica, Marítima y Ambiental de la Universidad Politécnica de Catalunya

JORQUERA, c (Et al). Humedales construidos para el reúso de aguas servidas en Chile: relación entre la zona geográfica y los parámetros críticos de control. Universidad Arturo Prat. Centro de Investigación y Desarrollo en Recursos Hídricos_CIDERH.

PALTA,G. MORALES, S. (2014). fitodepuración de aguas residuales domesticas con poaceas: Brachiaria mutica,Pennisetum urpureum y Panicum maximun en el municipio de Popayán, Cauca. Universidad del Cauca. Facultad de Ciencias Exactas Naturales y de la Educación.

Kadlec, R.H., Knight, R.L., Vymazal, J., Brix, H., Cooper, P. y Haberl, R. (2000). ConstructedWetlands for Pollution Control: Processes, Performance, Design and Operation. IWA Specialist

Group on Use of Macrophytes in Water Pollution Control, IWA Publishing, 155 pp.

Kadlec, R.H. y Knight, R.L. (1996). Treatment Wetlands. CRC Press, Boca Ratón, 893 pp.

Crites, R. y Tchobanoglous, G. (1998). Small and Decentralized Wastewater Management Systems. McGrawHill, New York, 1084 pp.

Kadlec, R.H., Knight, R.L., Vymazal, J., Brix, H., Cooper, P. y Haberl, R. (2000). Constructed

Wetlands for Pollution Control: Processes, Performance, Design and Operation. IWA Specialist Group on Use of Macrophytes in Water Pollution Control, IWA Publishing, 155 pp.

http://www.fundacionhumedales.org/component/tags/tag/12-filtros-verdes.html