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Introducción
En los países de América Latina se presentan marcadas diferencias socioeconómicas, am bientales y tecnológicas, por lo que se pueden evidenciar regiones que carecen totalmente de saneamiento básico y otras que alcanzan niveles aceptables de tratamiento del agua residual (ONU, 2003). Los problemas de saneamiento en Latinoamérica son más acentuados en zonas rurales y poblaciones aisladas, donde es inaccesible tanto la disposición de redes de alcantarillado como sistemas convencionales de tratamiento. En estas zonas, los sistemas de tratamiento natural son los más recomendables, dados los bajos costos de operación y mantenimiento, y las altas eficiencias de eliminación de contaminantes que se pueden alcanzar (Kadlec & Wallace, 2009). Entre tales sistemas se incluyen lagunas de oxidación, macrófitas flotantes y enraizadas, y humedales construidos (Reed, Crites, & Middlebrooks, 1995). Los humedales construidos presentan varias ventajas e inconvenientes, en comparación con otros sistemas de tratamiento (Cuadro 1). Debido a su simplicidad de operación y bajo consumo energético, se convierten en una opción para reducir la contaminación por aguas residuales en comunidades pequeñas y zonas rurales (Vymazal, 2013). Además, para el caso de los humedales construidos de flujo subsuperficial (HC FSS), en donde el agua residual circula por el lecho granular en forma subterránea, se evitan malos olores y producción de mosquitos causantes de enfermedades (García & Corzo, 2008).
Cuadro 1 Algunas ventajas e inconvenientes de la tecnología de humedales construidos para la depuración de aguas residuales. Tomado de García y Corzo (2008).
Los principales mecanismos para la eliminación de contaminantes en los humedales incluyen una combinación de procesos físicos, químicos y biológicos, donde los microorganismos, el sustrato, el agua y las plantas realizan la eliminación de materia orgánica, nutrientes, patógenos y otros contaminantes del agua residual (Kadlec & Wallace, 2009). Uno de los aspectos más estudiados en estos sistemas ha sido la participación de las macrófitas en el proceso de eliminación. Varios estudios han informado que las plantas son capaces de absorber los nutrientes, transportar oxígeno a la zona de las raíces, y mitigar los efectos del viento y la radiación solar sobre las reacciones que se producen en el agua (Kadlec & Wallace, 2009; Vymazal, 2013). Asimismo, algunos autores han señalado que podría haber una diferencia en la eficacia del tratamiento en relación con el tipo de planta sembrada (Brisson & Chazarenc, 2009; Leto, Tuttolomondo, Labella, Leone, & Licata, 2013). Por ejemplo, Carballeira, Ruiz y Soto (2016) reportaron que la eficiencia de eliminación de DQO estuvo relacionada con el tipo de planta y la carga orgánica suministrada. De acuerdo con Vymazal (2013), las especies más comúnmente usadas en el mundo corresponden a Typha spp., Scirpus spp., Phragmites australis y Juncus spp. Brisson & Chazarenc (2009) afirman que no se puede generalizar sobre la selección de la especie de macrófita en HC, pues cada especie puede responder a las condiciones exactas donde se lleva a cabo el proceso de depuración. En este sentido, Guittonny-Philippe et al. (2015) resaltan la importancia de hacer énfasis en estudios de laboratorio con especies nativas que crecen a corta distancia de los vertidos industriales, ya que serían buenas indicadoras de tolerancia a mezclas de contaminantes orgánicos. En las regiones tropicales, si bien existe una gran diversidad de macrófitas acuáticas (Velásquez, 1994), poco se sabe acerca del potencial de eliminación que pueden tener muchas de estas especies, principalmente en la capacidad para desarrollar y mantener condiciones aeróbico/ anaeróbicas en zona de raíces, favoreciendo procesos de depuración de contaminantes (Caselles-Osorio, Villafañe, Caballero, & Manzano, 2011). Esta investigación buscó evaluar el efecto de las macrófitas locales: Cyperus ligularis y Echinochloa colonum, en la reducción de contaminantes del agua residual doméstica producida por la comunidad estudiantil en la Universidad del Atlántico en Barranquilla, Colombia. Los experimentos se llevaron a cabo en un sistema piloto que operó bajo condiciones tropicales.
Metodología
Humedales construidos experimentales de flujo subsuperficial horizontal (HC FSSH)
Los HC FSSH se caracterizan porque el agua circula por el medio granular desde una zona de entrada hasta una zona de salida en forma horizontal, a diferencia de los humedales construidos de flujo subsuperficial vertical (HC FSSV), en los que el agua residual se adiciona desde la superficie hasta el fondo del lecho con periodos intercalados de llenado y vaciado. Para llevar a cabo el presente experimento, se instalaron en la Universidad del Atlántico (Barranquilla, Colombia), cuatro HC FSSH, consistentes en contenedores de hormigón dispuestos en paralelo y conectados a un tanque de sedimentación del agua residual de 500 litros de capacidad (Figura 1). Cada una de las unidades de tratamiento de humedales tuvo una dimensión de 1.0 l x 0.6 A x 0.6 m de profundidad y fueron rellenados con grava granítica de diámetro entre 8 y 10 mm hasta una altura de 0.5 m; el agua residual alcanzó los 0.4 m de profundidad. Dos de los cuatro humedales fueron plantados con rizomas de Cyperus ligularis y dos con plántulas de Echinochloa colonum. Se sembró un total de 25 plántulas en cada humedal en el mes de julio de 2013 y se monitorizaron durante cuatro meses a partir de agosto de 2013. El agua residual clarificada se adicionó a cada humedal mediante tubería PVC perforada, con un caudal de 42 l.día-1, el cual proporcionó un tiempo de retención hidráulica de unos tres días.
Crecimiento de las plantas y control de calidad del agua residual
Las macrófitas C. ligularis y E. colonum se colectaron en arroyos cercanos a la ciudad de Barranquilla y aclimatadas durante un mes con agua residual antes de ser plantadas en los humedales. El crecimiento de las plantas se evaluó midiendo periódicamente (de 2 a 3 veces al mes) la altura de las plantas a través de una cinta métrica (3 m). Al final del estudio, se colectaron muestras de hojas, tallos y raíces para estimar la producción de biomasa. La calidad del agua residual, afluente y efluente se realizó tomando tres muestras semanales en horas de la mañana durante cuatro meses, y analizadas para DQO, amonio, nitrato, nitrito, ortofosfato y bacterias coliformes. Los análisis de las muestras de agua se hicieron según las descripciones de APHA-AWWA-WEF (2012). Para el análisis de coliformes totales y fecales se usó el método de filtración por membrana, con filtros de 0.45 micras de tamaño de poro (Millipore Corp) y agares selectivos, EMB (eosina-azul methylen). Los parámetros como potencial redox (ORP), oxígeno disuelto (OD), conductividad eléctrica y temperatura se midieron in situ utilizando una sonda WTW multi 3420. Los valores de las características fisicoquímicas registradas en los efluentes del sistema de humedales fueron contrastados con la normativa legal vigente para vertidos líquidos en Colombia (Resolución 0631 de 2015 del Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Sostenible).
Análisis estadísticos
El análisis de resultados sobre la eliminación de contaminantes en los humedales fue realizado mediante un ANOVA a una vía. Para ello, se llevaron a cabo pruebas de Kolmogorov-Smirnov para establecer la normalidad de los datos y cuando el supuesto de normalidad no fue evidenciado, los datos fueron transformados. El nivel de significancia fue de 0.05 en todos los casos. Los análisis estadísticos fueron alcanzados usando Statgraphic Centurion XV-2.
Análisis y discusión de resultados
Crecimiento y desarrollo de las plantas
C. ligularis es una planta perenne, mientras que E. colonum tiene un ciclo de vida de un año (USDA, 2016). En el estudio realizado, ambas especies crecieron rápidamente en los sistemas de humedales, alcanzando una cobertura de 100% en los primeros dos meses de crecimiento. C. ligularis alcanzó alturas máximas de 69.7 (± 34.0) cm en el tercer mes de muestreo y E. colonum de 48.1 (± 17.6) cm en el segundo mes del mismo periodo de estudio. Las características herbáceas y ciclo de vida corto de E. colonum permitieron colectar una biomasa seca total de 2.5 k/m2 en el segundo mes de muestreo, mientras que C. ligularis de tallos rígidos y duros, y de crecimiento continuo, no permitió obtener un valor de biomasa para el periodo de muestreo donde se llevó a cabo este experimento. Sin embargo, fue posible determinar que el crecimiento y longitud de las raíces fue superior en C. ligularis (30 cm) con respecto al área radicular de E. colonum (22 cm).
Características fisicoquímicas del agua residual afluente y efluente
En el Cuadro 2 se presentan los valores promedio de los factores fisicoquímicos de calidad del agua residual de los efluentes de los HC de FS-SH plantados con C. articulatus y E. colonum. Las características fisicoquímicas del agua residual efluente fueron similares para ambos sistemas.
Cuadro 2 Valores promedio y desviación estándar (en paréntesis) de los factores fisicoquímicos de calidad del agua residual afluente y efluente. Note que los valores del afluente corresponden con las características fisicoquímicas iníciales del agua residual a tratar. Los cálculos fueron basados entre 25 y 28 mediciones dependiendo del factor evaluado.
*Corresponde a la diferencia en el volumen de agua aplicado con respecto al volumen de agua recogido.
Los valores de potencial redox y conductividad eléctrica fueron ligeramente mayores en los HC plantados con E. colonum. Estos valores son mucho mayores con respecto a los resultados reportados por Caselles-Osorio et al. (2011) para Eleocharis mutata y Eriochloa aristata, en HC construidos experimentales similares. Tal como lo sugieren Brisson y Chazarenc (2009), el tratamiento puede estar influenciado por el tipo de macrófita acuática y las distintas condiciones de experimentación; así, los valores altos de la conductividad eléctrica se relacionan con las altas tasas de evapotranspiración de las especies (Cuadro 2), la cual concentra las sales disueltas. En este caso coinciden la mayor evapotranspiración con la alta conductividad eléctrica del humedal plantado con E. colonum.
Eliminación de contaminantes del agua residual
Las concentraciones de DQO en el afluente promediaron 246.1 (± 78.8) mg.l-1 y 19.4 (± 8) y 40.7 (± 23.3) para los efluentes de C. ligularis y E. colonum, respectivamente. Las concentraciones de DQO en el agua afluente son más bajas que las reportadas para aguas residuales domésticas (Metcalf & Eddy, 2003), probablemente como consecuencia de un eficiente tratamiento primario (tanque de sedimentación) o por las bajas concentraciones de este contaminante en el agua producida por la comunidad universitaria. El decreto 3930 de 2010 establece que los valores máximos permisibles de vertimiento para DQO, 180 000 mg.l-1, los efluentes están cumpliendo con lo estipulado por la norma debido a que las concentraciones son más bajas que las reportadas.
En la Figura 2 se muestra el comportamiento de los valores de carga orgánica superficial para ambas especies. La carga orgánica del afluente fue de 17.2 g m2.d-1 y la de los efluentes de 1.16 y 2.37 g m2.d-1 para C. ligularis y E. colonum, respectivamente. Así, la disminución de la carga orgánica fue de 16 y 14 g DQO m2.d-1 para C. ligularis y E. colonum, respectivamente. Estos valores son similares a los reportados por Kon-nerup, Koottatep y Brix (2009) en HC de FSSH plantados con Canna y Heliconia en climas tropicales, donde se alcanzaron reducciones de 20 g DQO m2.d-1 para ambas especies ornamentales.
Figura 2 Valores promedio de la carga superficial de DQO eliminada en los humedales construidos de flujo subsuperficial plantados con C. ligularis y E. colonum durante el periodo de estudio.
La eficiencia de eliminación de la carga orgánica (DQO) para C. ligularis fue de 92% y de 83% para E. Colonum (Figura 3). Los resultados del análisis de varianza indicaron diferencias significativas entre estas dos especies (P < 0.000). La mayor eficiencia de eliminación de C. ligularis es concordante con lo reportado por Leto et al. (2013) para C. alternifolius en HC de FSSH, lo cual indica una eficiencia de este género de macrófita en procesos de fitodepuración. Algunos autores han reportado que el rápido crecimiento y la naturaleza invasora de las especies del género Cyperus pueden favorecer la eliminación de contaminantes del agua residual (Kyambadde, Kansiime, & Dalhammar, 2005; Kantawanichkul, Kladprasert y Brix, 2009, citados en Leto et al., 2013). Asimismo, Vega, Lancheros y Caselles-Osorio (2013), en estudios realizados en HC de FSSH similares, reportaron eficiencias de eliminación de DQO superior a 85% para Cyperus articulatus, comparado con un sistema no plantado.
Figura 3 Porcentajes de eliminación de DQO, nitrógeno (amonio, nitrato y nitrito) y ortofosfatos en los humedales construidos de flujo subsuperficial plantados con C. ligularis y E. colonum durante el periodo de estudio.
La eliminación de nitrógeno en forma de amonio (NH4 +-N), nitratos (NO3 --N) y nitritos (NO2 --N) varió respecto del tipo de macrófita evaluada. Las concentraciones de NH4+-N en el agua afluente fueron de 69.3 (± 26.1) y de 26.9 (± 13.3) y 35.2 (± 14.3) para los efluentes de C. articulatus y E. colonum, respectivamente. Las concentraciones de nitratos en el afluente fueron de 0.9 (± 0.9) mg.l-1 y de 1.9 (± 3.4) y 0.5 (± 0.3) en los efluentes de C. ligularis y E. colonum, respectivamente. Con respecto al nitrito, se registraron concentraciones en el afluente de 0.02 (± 0.3) mg.l-1 y de 0.01 (± 0.01) y 0.03 (± 0.04) mg.l-1 para C. ligularis y E. colonum, respectivamente.
Las altas concentraciones de amonio en el agua afluente indican un agua muy concentrada respecto de lo reportado para aguas residuales domésticas, las cuales no exceden los 25 mg.l-1 (Metcalf & Eddy, 2003). Es probable que el principal uso de la red sanitaria por la comunidad universitaria sea para deposición de orina, lo que origina un agua con mayor contenido de amonio. El comportamiento temporal de la eliminación de la carga superficial de amonio se muestra en la Figura 4. Al igual que en la eliminación de DQO, la mayor eliminación de amonio se registró en el HC plantado con C. ligularis (60%) con respecto a E. colonum (45%). La disminución de la carga promedio eliminada en C. ligularis fue de 3.23 gNH4+-N m2d-1 y la de E. colonum fue 2.8 gNH4 +-N m2.d-1. Estas diferencias fueron estadísticamente significativas (P = 0.012), indicando la mayor eficiencia de C. ligularis para eliminar nitrógeno amoniacal (Figura 3). Estos resultados son similares a los reportados por Caselles-Osorio et al. (2011), en sistemas de HC de FSSH experimentales similares, donde especies como Eleocharis mutata y Eriochloa aristata obtuvieron eficiencias de eliminación de amonio de 62 y 67%, respectivamente. Sin embargo, difieren de los registrados por Vega et al. (2013) para Cyperus articulatus en experimentos similares, quienes reportan eficiencias de eliminación de amonio de 90%. Tales autores argumentan que las características morfológicas particulares de C. articulatus, como rápido crecimiento y presencia de tallos huecos, podrían haber transferido más oxígeno hacia la zona de raíces, para promover condiciones aeróbicas que favorecieron los procesos de nitrificación en el sistema. Es probable que las características de crecimiento de raíces y desarrollo vegetativo de C. ligularis estén influenciando el mayor rendimiento de esta especie con respecto a E. colonum. También se evidencia que la mayor eliminación de amonio ocurrió principalmente en los dos primeros meses de crecimiento de ambas especies, disminuyendo una vez se alcanzó un máximo de crecimiento. Estos resultados apoyan lo sugerido por Brisson y Chazarenc (2009) sobre la importancia en la selección de la especie de planta para procesos de fitodepuración con HC.
Figura 4 Valores promedio de la carga superficial de amonio (NH4 +-N) en los humedales construidos de flujo subsuperficial plantados con C. ligularis y E. colonum durante el periodo de estudio.
Tal como se ha demostrado para otras especies de macrófitas acuáticas ampliamente usadas en HC de FSSH, como Typha spp., Phragmites australis y Scirpus spp. (Vymazal, 2013; Leto et al., 2013), C. ligularis y E. colonum demostraron tolerancia y adaptabilidad a las condiciones del agua residual doméstica. No obstante, C. ligularis tendría ventajas en la eficiencia de la eliminación.
La dinámica de eliminación de la carga de nitratos en el tiempo fue similar a la del amonio (Figura 5) para ambas especies, a excepción del mes de agosto/13 cuando la carga en el efluente del humedal plantado con C. ligularis fue superior. La carga total afluente tuvo un promedio de 0.06 (± 0.05) gNO3 -N m2.d-1, para el efluente de C. ligularis de 0.11 (± 0.19) y para E. colonum de 0.02 (± 0.01). Es probable que las altas cargas de nitrato en el efluente de C. ligularis registradas en el primer mes de estudio correspondan a una eficiente nitrificación en el periodo de rápido crecimiento de la macrófita. Sin embargo, en los meses restantes, las concentraciones en el efluente descendieron, permitiendo una eficiencia promedio de 71% (Figura 3). La eficiencia en la eliminación de nitratos en el humedal plantado con E. colonum fue de 67%. Estas eficiencias de eliminación de compuestos nitrogenados son superiores a las reportadas por Leto et al. (2013) para especies como Typha latifolia y Cyperus alternifolius.
Figura 5 Valores promedio de la carga superficial de nitratos (NO3 --N) eliminada en los humedales construidos de flujo subsuperficial plantados con C. ligularis y E. colonum durante el periodo de estudio.
Las concentraciones de ortofosfatos en el agua residual afluente fueron de 43.6 (± 19.5) mg.l-1 y de 34.3 (± 17) para el efluente de C. ligularis y de 23.1 (± 11.1) para el efluente de C. colonum. Contrario al comportamiento de la eliminación de materia orgánica (DQO) y nitrógeno (amonio y nitrato), donde se presentó una mayor eficiencia de eliminación en C. ligularis, la remoción de ortofosfatos fue superior en el humedal plantado con E. colonum. En la Figura 6 se describe el comportamiento de la carga de ortofosfatos para el afluente y los efluentes de las dos macrófitas evaluadas, y en la Figura 3 se muestra la eficiencia de eliminación (32% para E. colonum y 58% para C. ligularis). Aparentemente, esta alta eliminación parece corresponder a mayores requerimientos de fósforo para el crecimiento de E. colonum, sumado al afecto de adsorción por el sustrato, como otro mecanismo de eliminación (García & Corzo, 2008). La eficiencia de eliminación de fósforo en HC de FSSH, por lo general no supera el 30% (Kadlec & Wallace, 2009) y depende de los mecanismos de eliminación de fósforo, como la precipitación y adsorción en el medio de soporte; es por esto que cuando los humedales operan con bajas cargas o cuando están recién construidos, se obtienen altas remociones de ortofosfatos (García & Corzo, 2008).
Figura 6 Valores promedio de la carga superficial de ortofosfatos (PO4 3--P), eliminada en los humedales construidos de flujo subsuperficial plantados con C. ligularis y E. colonum durante el periodo de estudio.
A nivel de microorganismos coliformes, la eliminación fue de tres unidades logarítmicas, para ambos tipos de especies, alcanzando una eficiencia de eliminación de 99.9%. Estos resultados corroboran las altas eficiencias de los HC de FSSH para eliminar coliformes totales y fecales, tal como lo han reportado otros estudios bajo condiciones tropicales (García, Paredes, & Cubillos, 2013).
Por otra parte, los valores de las características fisicoquímicas de los efluentes de este estudio son concordantes con lo exigido en la normativa de vertimientos puntuales para aguas superficiales y alcantarillado de Colombia, principalmente para factores como pH y DQO, cuyos valores máximos permisibles están entre 6 y 9, y 200 mg.l-1, respectivamente.
Conclusiones
La eficiencia de eliminación de bacterias coliformes, materia orgánica, amonio, nitrato y ortofosfatos estuvo entre 99.9, 93, 65, 71 y 32% para E. ligularis, y entre 99.99, 85, 54, 67 y 57% para E. colonum, respectivamente. E. colonum presentó las mayores eliminaciones de ortofosfatos, mientras que C. ligularis fue más eficiente en la eliminación de DQO, amonio y nitrato. Estos resultados permiten inferir que C. ligularis podría ser una especie de macrófita acuática recomendable en un sistema de humedales construidos a gran escala para el Caribe colombiano, dadas las altas eficiencias de eliminación de estos sistemas y la factibilidad de operación en zonas rurales donde no existen sistemas de tratamiento de agua residual.
