Evaluation of an artificial subsurface flow wetland for the treatment of wastewater generated in the Institución Universitaria Colegio Mayor de Antioquia, Colombia

Juan Carlos BEDOYA PÉREZ¹*, Alba Nelly ARDILA ARIAS² y Julina REYES CALLE²

¹ Grupo de Investigación en Biociencias (GIB), Institución Universitaria Colegio Mayor de Antioquia. *Autor de correspondencia; juan.bedoya@colmayor.edu.co

² Grupo de Investigación en Química Básica y Aplicada (QUIBA). Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid

RESUMEN

En este artículo se presentan los resultados obtenidos en la implementación de un humedal artificial de flujo subsuperficial para el tratamiento de agua residual real generada por la Institución Universitaria Colegio Mayor de Antioquia (IUCMA). Se realizó una evaluación comparativa de la eficiencia de remoción de diferentes parámetros fisicoquímicos y microbiológicos: demanda bioquímica de oxígeno, demanda química de oxígeno, sólidos suspendidos totales, nitrógeno amoniacal, nitrógeno total, fósforo, coliformes y algunos metales como níquel y zinc en dos humedales independientes. Cada humedal caracterizado por una macrófita diferente (Typha latifolia y Cyperus papyrus). Con ambas macrófitas se logró un efluente con niveles inferiores de todos los parámetros analizados con respecto a los valores obtenidos en la caracterización inicial del agua residual original de la IUCMA. Sin embargo, la especie T. latifolia mostró un mejor rendimiento que la especie C. papyrus en términos de la calidad de agua obtenida en el efluente al finalizar el tratamiento.

Palabras clave: agua residual, parámetros fisicoquímicos, parámetros microbiológicos, Typha latifolia, Cyperus papyrus.

ABSTRACT

The results obtained from the implementation of a subsurface flow constructed wetland (SSFCW) at the Institución Universitaria Colegio Mayor de Antioquia (IUCMA) campus for wastewater treatment are presented in this article. For that purpose, two independent wetlands were constructed. Each one was characterized by different macrophytes (Typha latifolia and Cyperus papyrus). Different physicochemical and microbiological parameters, including biochemical oxygen demand, chemical oxygen demand, total suspended solids, ammonia nitrogen, total nitrogen, phosphorus, coliforms and some metals such as nickel and zinc were measured and compared. With both macrophytes an effluent with lower levels of all parameters analyzed with respect to the values obtained in the initial wastewater characterization was achieved. However, the species T. latifolia showed better performance than C. papyrus in terms of effluent water quality obtained after the treatment.

Key words: subsurface flow, wastewater, physicochemical parameters, microbiological parameters, Typha latifolia, Cyperus papyrus.

INTRODUCCION

En Colombia se generan más de 4.5 millones de m³ mensuales de aguas residuales en actividades domésticas, agropecuarias e industriales (PNUMA 2001). Según el Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible de este país, cerca del 90 % de estas aguas son vertidas directamente en los ríos, convirtiéndose en la principal fuente de contaminación de aguas superficiales (MAVDT 2004, MAVDT 2010b). Asimismo, en el país se generan diariamente unas 30 000 toneladas de residuos sólidos de los cuales sólo un 30 % se disponen adecuadamente y gran parte del 70 % restante terminan siendo descargados en los cuerpos de agua superficiales, con lo que se incrementa la problemática nacional (Ojeda y Arias 2000). A pesar de ello, en Colombia sólo existen 237 plantas de tratamiento de aguas residuales (PTAR). Sin embargo, al igual que en el caso de los residuos sólidos, el número real de PTAR en buen estado es desconocido y se estima la necesidad de construir unas 900 unidades adicionales para el tratamiento de la mínima cantidad de residuos generados (MAVDT 2002).

En general, las aguas residuales generadas en actividades humanas poseen una alta carga de sustancias tóxicas, sedimentos y materiales orgánicos e inorgánicos que son altamente demandantes de oxígeno y estimulan el crecimiento de plantas y microorganismos patógenos que en conjunto contaminan las fuentes hídricas y atentan contra la salud pública y la sostenibilidad de la sociedad (UNESCO 2003). Por tal motivo, a nivel mundial se ha visto la necesidad de implementar técnicas de tratamiento que incluyan procesos físicos, químicos y biológicos. El objetivo es reducir la carga de contaminantes contenida en las aguas residuales e, idealmente, recuperarlas, reciclarlas y reutilizarlas antes de verterlas directamente en cuerpos de aguas superficiales (Saeed y Sun 2012, Vymazal 2013).

En las últimas décadas diversos estudios realizados alrededor del mundo se han centrado en el desarrollo de sistemas de tratamiento que sean eficientes en la remoción o transformación de contaminantes y que además sean viables en términos económicos, técnicos y sociales. Producto de esta dinámica, en la actualidad existen diferentes métodos para el tratamiento de aguas residuales, entre los que los humedales artificiales de flujo subsuperficial (HFSS, por sus siglas en inglés), sobresalen como un método eficaz y económico para el tratamiento de diferentes tipos de efluentes (Lamchaturapatr et al. 2007). A pesar de que los HFSS han sido ampliamente utilizados y desarrollados en diferentes regiones del mundo, en Colombia -donde cerca de un 50 % de los sistemas de tratamiento corresponden a lagunas de estabilización (MAVDT 2010b)- es un campo desconocido, poco apreciado y prácticamente inutilizado.

Con la información anterior y por el hecho de que la mayoria de las investigaciones reportadas en la literatura resaltan la aplicabilidad y viabilidad de utilizar estos sistemas para el tratamiento de aguas residuales, se realizó un estudio a escala laboratorio sobre la eficiencia de remoción de carga contaminante presente en agua residual real generada en la Institución Universitaria Colegio Mayor de Antioquia (IUCMA), por medio de esta modalidad de tratamiento de residuos.

MATERIALES Y MÉTODOS

Caracterización fisicoquímica y microbiológica del agua residual original

Jornada de premuestreo. Con el objetivo de obtener una muestra representativa del agua residual, durante un periodo de dos semanas y en el horario comprendido entre las 6 y las 22 h (horario de actividades académicas), se realizaron jornadas de premuestreos. La finalidad de ellos fue estimar flujos volumétricos medios del agua residual descargada por la institución al sistema de alcantarillado municipal. Estos datos permitieron determinar en qué día de la semana y en qué horarios debería realizarse el muestreo para la caracterización inicial.

• Cada hora entre las 6 y las 18 h se estimó el caudal instantáneo (Qi) del agua residual, así como parámetros fisicoquímicos (temperatura, pH, color, turbiedad, oxígeno disuelto y conductividad), que fueron medidos in situ.

• Al final de la jornada se calculó el caudal promedio del efluente utilizando el método volumétrico (ecuación 1).

 

• Por medio de la ecuación 2, se determinó el volumen que debería mezclarse de cada una de las 13 muestras para obtener un volumen final de 2 L.

Todas las muestras fueron conservadas y vigiladas de manera adecuada para garantizar la integridad y la cadena de custodia de las mismas. Es decir, antes de recolectar cada muestra, cada recipiente se purgó dos o tres veces con la misma agua hasta 1/3 de su capacidad, a excepción de las muestras que se tomaron para realizar el análisis bacteriológico o los recipientes que contenían preservativos (ácido sulfúrico o ácido nítrico). Inmediatamente después de tomar la muestra, cada recipiente se tapó y se conservó a una temperatura de aproximadamente 4 °C hasta el momento del análisis. La cadena de custodia permitió hacer un control y seguimiento de las condiciones de recolección de la muestra, preservación, codificación, transporte y análisis, lo cual fue esencial para asegurar su integridad, desde la recolección hasta el reporte de los resultados.

La toma de muestras y los tiempos máximos para los análisis del agua residual se realizaron de acuerdo con las normas establecidas en la Guía para el monitoreo de vertimientos, aguas superficiales y subterráneas del Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales (IDEAM 2002) y con los procedimientos estándares establecidos por el Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación (ICONTEC) en la norma NTC-ISO 5667-10 (ICONTEC 1995). Cada muestra se identificó con la información necesaria, se rotuló y se llevó al laboratorio para su respectivo análisis.

Una vez obtenida la muestra compuesta del agua residual original, se caracterizó, por medio de parámetros fisicoquímicos y microbiológicos ex situ como: acidez, demanda química de oxígeno (DQO), demanda bioquímica de oxígeno (DBO5), carbono orgánico total (COT), fósforo, cloruros, nitritos, nitrógeno amoniacal, nitrógeno total, sólidos suspendidos totales (SST), coliformes totales, coliformes fecales, arsénico, cadmio, cobre, cromo, mercurio, níquel, plomo y zinc. El análisis se realizó en un laboratorio acreditado de la ciudad de Medellín, siguiendo los protocolos presentados en los métodos normalizados y establecidos en las más recientes ediciones de los métodos estándar para el análisis de agua y agua residual de la asociación de salud pública norteamericana (APHA, por sus siglas en inglés), de la asociación norteamericana de servicios del agua (AWWA, por sus siglas en inglés) ), y de la federación para el control de la contaminación del agua (WPCF, por sus siglas en inglés) para el caso particular de aguas residuales.

Adaptación y puesta en marcha del humedal a escala de laboratorio

Características del humedal. El HFSS consistió en un tanque trapezoidal de acrílico de 1.1 m de largo, 0.4 m de base menor, 0.6 m de base mayor y 0.6 m de profundidad con una inclinación del 1 % (Fig. 1). Estas dimensiones fueron determinadas con base en las recomendaciones que se establecen en el manual para el tratamiento de aguas residuales municipales (EPA 2000).

En cuanto al material de soporte, diversos investigadores han estudiado el efecto que presenta el tipo de sustrato utilizado sobre el rendimiento del humedal, pero en limitadas ocasiones se ha encontrado un efecto significativo de este parámetro sobre el proceso global de remoción de carga contaminante en humedales artificiales (Chan et al. 2008, Bialowiec et al. 2011, Saeed y Sun 2012, Tee et al. 2012, Arroyo et al. 2013, Haibo et al. 2013). Teniendo en cuenta esta observación, únicamente se utilizó grava como sustrato con diámetros comprendidos entre 5 y 20 mm.

Por otra parte, la eficiencia de remoción y el éxito de implementar un humedal están determinados en gran medida por el tipo de macrófitas utilizadas. Así, las macrófitas de mayor uso en humedales artificiales de flujo subsuperficial han sido los géneros Phragmites, Scirpus y Typha, los cuales son de amplia distribución biogeográfica o cosmopolita (Shutes 2001, Saeed y Sun 2012). En este trabajo se utilizaron las especies Typha latifolia y Cyperus papirus, por ser macrófitas propias de la región que se encuentran adaptadas a las condiciones climáticas del lugar de estudio.

De acuerdo con lo anterior, se construyeron dos humedales idénticos y se plantó una macrófita diferente en cada uno, con el fin de comparar la eficiencia en la remoción de los parámetros fisicoquímicos y microbiológicos con cada macrófita. Las plantas fueron adquiridas en el jardín botánico "Joaquín Antonio Uribe" de la ciudad de Medellín y después de ser colectadas fueron sometidas a un periodo de adaptación.

Periodo de adaptación. Inicialmente los humedales fueron alimentados con agua potable (ICONTEC 1994), posteriormente con una mezcla entre agua potable y agua residual en proporción 1:1 y finalmente con 100 % de agua residual. Cada una de estas fases se realizó por un periodo de 15 días. Para el tratamiento de datos se hizo un análisis de varianza con una prueba de comparación entre medias (prueba de Duncan) con el paquete Statgraphics Centurion XV.

Tratamiento de las aguas residuales usando el HFSS

Dado que en la IUCMA no existe un sistema de tratamiento primario para las aguas residuales, se instaló un tanque de almacenamiento previo al HFSS simulando las características de una fosa séptica para permitir la sedimentación parcial de los sólidos y los procesos de digestión propios de estos sistemas. El propósito de este tanque de almacenamiento fue evitar la obstrucción del humedal con partículas sólidas grandes contenidas en el agua residual.

Para el proceso de tratamiento del agua residual, los dos humedales se alimentaron simultáneamente con el mismo afluente, el cual se dividió en dos corrientes (una para cada humedal).

Para evaluar la eficiencia de los humedales en la remoción de carga contaminante basada en DQO, COT y SST, se realizaron muestreos y análisis de los mismos por un espacio de tres meses. Otros parámetros físicos, químicos y microbiológicos definidos en el cuadro I fueron evaluados únicamente en la última semana de muestreo.

RESULTADOS Y DISCUSION

Caracterización fisicoquímica y microbiológica del agua residual original

Los datos tomados durante las jornadas de pre-muestreo permitieron determinar que el miércoles correspondía al día con mayor afluencia estudiantil y por lo tanto a la mayor generación de agua residual. Lo anterior se reflejó en un flujo volumétrico continuo y características fisicoquímicas similares, especialmente entre las 8:00 y las 18:00 h. En la figura 2 se muestran los resultados obtenidos durante la jornada de premuestreo seleccionada. Aunque estos valores no pueden tomarse como referencia para todos los días durante el tratamiento, sí representan el comportamiento general de la descarga diaria de las aguas residuales generadas por la IUCMA al sistema de alcantarillado.

Al analizar horarios consecutivos, en general las descargas en horas pares superan a las de horas impares (tercera columna) dado que corresponden a periodos de cambio de clase. En estos periodos los alumnos y los docentes hacen un mayor uso de lavamanos y sanitarios. Asimismo, se encontró que los mayores flujos volumétricos están comprendidos entre las 8:00 y las 18:00 h por ser horarios con un mayor número de clases en esta institución. En la misma figura 1 se muestran, para este caso particular, los volúmenes que fueron tomados de cada alícuota para completar los 2 L de muestra compuesta de acuerdo con las ecuaciones 1 y 2.

Las características físicas, químicas y microbiológicas medidas in situ y ex situ en el agua residual original, se muestran en el cuadro I. De acuerdo con la normatividad ambiental colombiana, las aguas residuales generadas en la IUCMA son catalogadas como aguas de origen doméstico (Decreto 3930 de 2010) y se encuentran en la categoría mundial de aguas residuales municipales (Vymazal 2007). Sin embargo, parámetros como DBO₅, fósforo total, nitrógeno amoniacal y nitrógeno total se encuentran por encima de los valores máximos permitidos para el vertimiento de aguas residuales en sistemas de alcantarillado y aguas superficiales (200, 10, 5 y 20 ppm respectivamente; MAVDT 2010b). Lo cual indica la necesidad de implementar un sistema de tratamiento previo a la descarga.

La relación DBO₅/DQO permite determinar qué cantidad de la DQO (materia orgánica e inorgánica contenida en una muestra) de un vertido es susceptible de ser depurada por los microorganismos en cinco dias (DBO5) y por tanto el carácter de biodegradabilidad de los diferentes vertimientos. Así, de acuerdo con el cuadro II, cuando la relación DBO5/DQO es menor a 0.3, el vertimiento es no biodegradable, valores entre 0.3 y 0.7 lo hacen poco biodegradable, mientras que valores superiores a 0.7 favorecen las condiciones de recuperación por métodos biológicos (Ardila et al. 2012). Según la relación DBO5/DQO obtenida para el agua residual original (0.78), se puede afirmar que este efluente es de naturaleza biodegradable, es decir, la mayor cantidad de la DQO (materia orgánica e inorgánica) presente en el vertido se puede oxidar bioquímicamente. De esta forma, el presente vertido puede ser reducido mediante la implementación de sistemas biológicos de tratamiento de aguas residuales entre los que precisamente se encuentran los humedales artificiales. Por lo tanto, este valor obtenido nos permite asegurar una buena remoción de los contaminantes de naturaleza orgánica por el método propuesto en el presente trabajo.

Adaptación y puesta en marcha del humedal a escala de laboratorio

En el cuadro III se muestran los datos de adaptabilidad y supervivencia de las especies utilizadas. Aparentemente, los resultados indican una mayor capacidad de supervivencia de la especie C. papyrus al estrés generado durante el periodo de adaptación y puesta en marcha del humedal (primeros dos meses). No obstante, durante el periodo de montaje, ajuste e implementación de los humedales no se presentaron diferencias significativas entre ambas especies en términos del número de plantas iniciales (P = 0.6945), número de plantas muertas (P = 0.4486) y número de plantas nuevas (P = 0.5109).

En la figura 3 se muestran los porcentajes de remoción de DQO con cada macrófita durante el periodo de estimación de los tiempos de retención hidráulicos. En términos de la disminución de DQO se lograron mejores rendimientos para un TRH de nueve días para T. latifolia y de siete días para C. papirus con porcentajes de remoción de DQO del 79.4 % y 68.1 % respectivamente. En el caso específico de T. latifolia se obtuvieron tiempos que han sido recomendados por Tejeda (2010) para lograr desempeños satisfactorios en humedales que utilizan esta especie. De acuerdo con estos resultados la fase del tratamiento de aguas residuales se realizó con flujos volumétricos de 15 L/día para T. latifolia y de 19 L/día para C. papirus.

Tratamiento de las aguas residuales usando el HFSS

En las figuras 4 y 5 se muestra la variación en el tiempo de la DQO, COT y SST de los humedales para cada especie. Con ambos tipos de macrófita el mayor porcentaje de remoción se observó durante los primeros diez días de funcionamiento del humedal, tiempo adecuado para superar los tiempos de retención establecidos anteriormente.

Las oscilaciones de estos parámetros en tiempos posteriores al TRH (Fig. 4 y 5), probablemente se deben a que el afluente no siempre tenía las mismas características iniciales por ser un agua residual real. Además, es importante resaltar que durante el tercer y cuarto mes hubo una mayor variación en el número total de plantas presentes en cada humedal por efectos de muerte y surgimiento de nuevos individuos, lo cual pudo afectar directamente el desempeño del sistema de tratamiento.

De acuerdo con los valores obtenidos para los parámetros fisicoquímicos y microbiológicos del agua residual original, se puede decir que al final del tratamiento se obtuvo un promedio de remoción de DQO de 53.9 % con T. latifolia y de 47.9 % con C. papyrus. En términos de DBO₅, el porcentaje de remoción fue casi similar con ambas especies (83.2 con T. latifolia y 82.9% con C. papyrus). De acuerdo con la literatura (Axler 2000, Davison 2000, EPA 2000), la eficiencia de los humedales con respecto a la DBO₅ oscila entre el 20 y el 93 % con un promedio de 70.9 %. Por lo anterior, se puede afirmar que con ambas especies se obtuvo una remoción dentro del rango esperado y por encima del promedio.

Por otro lado, se logró remover 69.5 % de COT con T. latifolia y 36.8 % con C. papyrus. En cuanto a los porcentajes de remoción de SST, se lograron remociones de 95.5 % con T. latifolia y de 40.3 % con C. papyrus. Los altos niveles de remoción de fósforo obtenidos con ambas macrófitas (97.2 % con T. latifolia y 95.9 % con C. papyrus), demuestran la gran demanda de nutrientes que tienen ambas especies. La remoción de este elemento se puede dar por captación de las plantas, por la adsorción al medio y por la sedimentación.

Aunque los niveles de metales pesados presentes en el agua residual original son bastante bajos, los valores obtenidos en el agua residual después del tratamiento son menores o iguales en todos los casos con las dos especies. De acuerdo con los datos anteriores, se puede afirmar que durante los últimos días de tratamiento se logró obtener un efluente más homogéneo con ambas especies. Lo que podría estar relacionado con una mejor adaptación de las plantas a su medio, así como de la comunidad de microorganismos que forman parte del humedal.

Con las dos macrófitas se logró un efluente cuyos niveles en todos los parámetros analizados resultaron inferiores a los valores obtenidos en la caracterización inicial del agua residual original de la IUCMA. Sin embargo, la especie T. latifolia mostró un mejor rendimiento que la especie C. papyrus en términos de la calidad de agua obtenida en el efluente al finalizar el tratamiento (Cuadro I).

A pesar de lo anterior, con ninguna de las dos especies se logró obtener un efluente que cumpliera con los niveles máximos de remoción establecidos para el nitrógeno total y el nitrógeno amoniacal en un vertimiento de aguas residuales hacia aguas superficiales o hacia un sistema de alcantarillado. No obstante, al comparar los resultados finales con las características del agua residual sin tratamiento podría suponerse que se lograron disminuciones considerables en estos parámetros.

Es posible que no se haya efectuado una remoción efectiva del nitrógeno debido a la poca profundidad del humedal, lo que impidió la formación de zonas anóxicas y posiblemente anaeróbicas, con las que se inhiben los procesos de nitrificación y desnitrificación. Lo anterior indica la necesidad de realizar variaciones en la construcción del humedal con el objetivo de lograr mejores resultados en la disminución de nitrógeno amoniacal y nitrógeno total por ser los parámetros que más alejados se encuentran de la norma colombiana.

Diferentes estudios han mostrado la limitación que tienen estos sistemas de tratamiento para lograr disminuciones considerables en estos parámetros. En estos trabajos se reportan reducciones que en promedio oscilan entre el 40 y el 55 % para el nitrógeno total y del 46 al 50 % para el nitrógeno amoniacal (Vymazal 2007, Yang et al. 2008, Lieyu et al. 2011). Entre las estrategias que han sido utilizadas para reducir estas formas de nitrógeno se encuentran, principalmente, una variación en la profundidad del humedal, la aireación del sistema (Yang et al. 2008), el uso de sustratos alternos (Tao y Wang 2009), la recirculación de efluentes (He et al. 2008), el tratamiento con diferentes plantas acuáticas (Lamchaturapatr et al. 2007) y la construcción de sistemas híbridos (Vymazal 2013).

Los mayores niveles de remoción de DQO (70.4 %), DBO5 (96.7 %) y SST (81.4 %) presentes en el agua residual de la IUCMA, se obtuvieron en el humedal que contenía la especie T. latifolia.

Con ninguna de las macrófitas usadas se logró obtener un efluente que cumpliera con los niveles máximos de remoción establecidos por la normatividad colombiana para el nitrógeno total y el nitrógeno amoniacal en un vertimiento de aguas residuales hacia aguas superficiales o hacia sistemas de alcantarillado. Sin embargo, la comparación de los resultados finales con las características del agua residual sin tratamiento evidencia disminuciones considerables de estos parámetros.

Los resultados obtenidos en el presente trabajo demuestran que es posible implementar la tecnología de humedales artificiales subsuperficiales para el tratamiento de aguas residuales domésticas en municipios de Medellín, de forma económica y ambientalmente responsable.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen a la Institución Educativa Colegio Mayor de Antioquia por el financiamiento del presente proyecto de investigación.

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