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Revista internacional de contaminacin ambientalversin impresaISSN 0188-4999

Rev. Int. Contam. Ambient vol.25 no.3 Mxico ago. 2009

Tratamiento de aguas residuales por un sistema piloto dehumedales artificiales: evaluacin de la remocin de la

carga orgnica

Wastewater treatment by an artificial wetlands pilot system:evaluation of the organic charge removal

Mariana ROMEROAGUILAR1, Arturo COLNCRUZ2, Enrique SNCHEZSALINAS1y Ma. Laura ORTIZHERNNDEZ1*

1Centro de Investigacin en Biotecnologa, Universidad Autnoma del Estado deMorelos. Av. Universidad 1001, Col. Chamilpa, C. P. 62210, Cuernavaca, Morelos,Mxico, Fax. (777) 3207030.*Correo electrnico:[email protected]

2Facultad de Qumica, Universidad Autnoma del Estado de Mxico. Paseo Coln Esq.

Paseo Tollocan. Toluca, Estado de Mxico. Mxico C.P. 50120.

Recibido septiembre 2007Aceptado enero 2009

RESUMEN

El tratamiento de las aguas residuales es una cuestin prioritaria a nivel mundial, ya

que es importante disponer de agua de calidad y en cantidad suficiente, lo quepermitir una mejora del ambiente, la salud y la calidad de vida. En Mxico, debido ala insuficiente infraestructura, los altos costos, la falta de mantenimiento y de personalcapacitado, slo 36 % de las aguas residuales generadas reciben tratamiento, lo cualcrea la necesidad de desarrollar tecnologas para su depuracin. Los humedalesartificiales son una alternativa de tratamiento debido a su alta eficiencia de remocinde contaminantes y a su bajo costo de instalacin y mantenimiento. En el presentetrabajo se evala el porcentaje de remocin de la carga orgnica de aguas residuales,en un sistema de tratamiento por humedales artificiales de flujo horizontal y con dos
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especies vegetales. El sistema fue diseado con tres mdulos instalados de manerasecuencial. En el primero se integraron organismos de la especie Phragmitesaustralis(Cav.) Trin. ex Steudel, en el segundo, organismos de la especie Typhadominguensis(Pers.) Steudel y en el tercero las dos especies. Los mdulosexperimentales fueron instalados a la salida de un tratamiento primario, el cualcontiene aguas residuales municipales provenientes de un edificio de investigacin. En

el agua se analizaron los siguientes parmetros: demanda qumica de oxgeno (DQO),los iones de nitrgeno (NNO3, NNO2y NNH4+) y el fsforo total. Tambin se

realiz el conteo de bacterias asociadas al sistema. Los resultados demostraron que elsistema es una opcin para la remocin de la carga orgnica y de nutrimentos, de bajocosto de operacin y mantenimiento.

Palabras clave:aguas residuales, humedal artificial, contaminantes.

ABSTRACT

Wastewater treatment is a priority at the global level, because it is important to haveenough water of good quality, which will allow an improvement of environment, healthand life quality. In Mexico, because of insufficient infrastructure, high costs, lack ofmaintenance and qualified staff, only 36 % of the generated wastewaters are treated,which generates the need for developing alternative technologies for their depuration.Artificial wetlands are an alternative due their high efficiency for removal of pollutingagents and their low installation and maintenance costs. This paper evaluates theremoval percentage of the organic charge of wastewaters in a treatment system ofartificial wetlands of horizontal flux, with two vegetal species. The system wasdesigned with three modules installed in a sequential way. At the first one, organismsof the species Phragmites australis(Cav.) Trin. ex Steudel were integrated; at thesecond, organisms of the species Typha dominguensis(Pers.) Steudel, and at thethird, both species. The experimental modules were installed at the effluent of a

primary treatment, which contains municipal wastewater coming from a researchbuilding. The following parameters were analyzed in the water: chemical oxygendemand (COD), ions of nitrogen (NO3, NNO2y NNH4

+) and total phosphorus.Additionally, the total count of bacteria associated to the system was evaluated.Results showed that the system is an option for the removal of organic matter andnutrients, of low operation and maintenance costs.

Key words: wastewaters, artificial wetland, pollutants.

INTRODUCCIN

El agua es uno de los recursos naturales que forma parte del desarrollo de cualquierpas; es el compuesto qumico ms abundante del planeta y resulta indispensable parael desarrollo de la vida. Su disponibilidad es paulatinamente menor debido a sucontaminacin por diversos medios, incluyendo a los mantos acuferos, lo cualrepresenta un desequilibrio ambiental, econmico y social (Esponda 2001).

Se considera que el agua est contaminada cuando se ven alteradas sus caractersticasqumicas, fsicas, biolgicas o su composicin, por lo que pierde su potabilidad para


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consumo diario o para su utilizacin en actividades domsticas, industriales oagrcolas. Las aguas residuales se definen como aguas de composicin variadaprovenientes de las descargas de usos municipales, industriales, comerciales, deservicios, agrcolas, pecuarios, domsticos, incluyendo fraccionamientos y en general,de cualquier otro uso, as como la mezcla de ellas (RodrguezMonroy y Duran deBaza 2006).

En Mxico se generan alrededor de 200 m3/seg de aguas residuales, de las cualesreciben tratamiento slo 36 % (CNA 2007), lo que indica que se requiere de mayorinfraestructura y recursos humanos para mejorar la calidad de este bien, adems depropuestas innovadoras que permitan implementar el tratamiento en diferentescondiciones ambientales y socioeconmicas.

Los procesos utilizados principalmente son fsicos, qumicos y biolgicos. Dentro deestos ltimos, los humedales artificiales (HA) son utilizados para aguas residuales detipo domstico, aunque tambin han funcionado para aguas de origen industrial(Fenoglio 2000). Su utilizacin fue desarrollada en Europa hace aproximadamenteveinte aos, donde siguen operando con xito (Cooper 1999). Los HA se definen comosistemas que simulan una zona de transicin entre el ambiente terrestre y el acutico,pero que son especficamente construidos para el tratamiento de aguas residuales bajocondiciones controladas de ubicacin, dimensionamiento y capacidad de tratamiento(Gerba et al. 1999).

Entre las ventajas de este sistema se encuentra el bajo costo de instalacin ymantenimiento, comparado con sistemas fsicos, qumicos y biolgicos convencionales,as como la generacin de un paisaje agradable. Los HA correctamente diseados yconstruidos, pueden depurar las aguas municipales, industriales y las de lluvia, y sonespecialmente eficaces en la eliminacin de contaminantes del agua, como son slidossuspendidos, nitrgeno, fsforo, hidrocarburos y metales. Son una tecnologa efectivay segura para el tratamiento y recirculacin del agua si se mantienen y operanadecuadamente (Miranda 2000).

El tratamiento de las aguas residuales por HA se basa en los principios de los sistemasnaturales, ya que se acercan a lo que ocurre en la naturaleza, por lo que, a pesar de laintervencin del hombre, se han catalogado como "sistemas naturales de tratamiento".Por tal motivo, esta tecnologa resulta altamente atractiva para ser aplicada en eltratamiento de aguas residuales por su versatilidad y rentabilidad econmica.

Los componentes de un HA son las plantas, el sustrato y la poblacin microbiana. Lasplantas pueden ser de diferentes especies y hbitos de enraizamiento y entre susprincipales funciones se encuentra la absorcin de nutrimentos, la relacin simbiticaque se establece con los microorganismos, el suministro de oxgeno y la filtracin departculas (Brix et al. 2001). El sustrato es el soporte para las plantas y un medio de

fijacin para los microorganismos en el sistema y funciona como conductor hidrulico(Faulkner y Richardson 1989). Por su parte, los microorganismos son la partefundamental del funcionamiento de los HA, ya que de ellos depende la eficiencia en laremocin de los contaminantes: contribuyen a la degradacin de la materia orgnica ya la transformacin de compuestos nitrogenados y de fsforo contenidos en las aguasresiduales, a compuestos ms simples.

Las diferentes especies de plantas acuticas que se utilicen son importantes, debido aque difieren en su capacidad de depuracin del agua residual, en la remocin de


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nutrimentos especficos, de elementos traza y de compuestos potencialmente txicoscomo los metales pesados (Gopal 1999). Se ha utilizado principalmente a laespeciePhragmites australis(comnmente llamada carrizo), la cual actualmentefunciona con xito (Cooper 1999). En Mxico, los HA se han implementado en losestados de Colima, Chihuahua, Distrito Federal, Estado de Mxico, Hidalgo, Nayarit,Oaxaca, Tamaulipas y Tlaxcala (CNA 2007). Los HA tienen una eficiencia de remocin

alta de los diferentes parmetros, inclusive es superior a otros sistemas de tratamientode aguas residuales.

En este trabajo se instal un sistema de HA de flujo horizontal a travs del cual se hizocircular agua residual de tipo municipal. Se midi la carga orgnica por medio delparmetro de la DQO, as como nutrimentos como el nitrgeno y el fsforo, los cualesfueron analizados en poca de lluvias y de estiaje. Asimismo, se calcul el tiempo deretencin hidrulico y la eficiencia de remocin global del sistema.

MATERIALES Y MTODOS

Diseo y operacin del HA

Con la finalidad de probar la eficiencia de remocin de la carga orgnica, nitrgeno yfsforo de aguas residuales de tipo municipal, se instal un sistema piloto de HA deflujo horizontal. El agua utilizada proviene de un edificio dedicado a la investigacincientfica en el rea de la biotecnologa, por lo que est formadas por una mezcla deaguas de sanitarios, jabonosas y de laboratorios, donde probablemente exista unaporte de sustancias qumicas (orgnicas e inorgnicas). El agua cruda es canalizada auna fosa sptica, tras lo cual, se infiltra en el suelo.

La instalacin hidrulica consisti en tres mdulos para constituir en conjunto el HA. Se

utilizaron contenedores construidos de fibra de vidrio con dimensiones de 0.8 m dealto, 0.6 m ancho 0.9 m largo, los cuales se instalaron de manera secuencial. Cadamdulo se conect al otro mediante tubos de PVC (policloruro de vinilo) y se les diouna pendiente de 1 % para permitir el flujo horizontal del agua. A la salida de cadamdulo se instal una llave de paso que permitiera la toma de muestras de agua y asevaluar la eficiencia de depuracin por separado y de manera global en el sistema,adems de controlar el caudal de agua que ingresa al sistema y a cada uno de losmdulos.

El material que se utiliz como sustrato (soporte para las plantas) fue una mezcla degrava de tezontle (roca volcnica nativa de Mxico, altamente porosa, con un tamaode partcula de 612 mm) y arena (0.2 a 2 mm), en proporcin 1:1. Las plantas quese instalaron en el sistema fueron del gnero Phragmites australis(carrizo) yTypha

dominguensis(tule), previamente aclimatadas a las condiciones ambientales del sitiode prueba. En el primer mdulo se utilizaron plantas de P. australis, tres organismospor m2 (Romero 2005); en el segundo, T. dominguensis, 12 plantas por m2(Marn2002) y en el tercero, una mezcla de ellas (tres plantas/mdulo; dos de T.dominguensisy una de P. australis). Todos los organismos tuvieron una tallaaproximada de 40 cm. Una vez que los mdulos fueron instalados y las plantas fueroncolocadas, se canalizaron las aguas residuales, abriendo y cerrando las llaves de pasopara permitir un tiempo de residencia del agua en los humedales, hasta que las


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plantas se reprodujeron y alcanzaron una talla promedio de un metro(aproximadamente tres meses).

Como se ha mencionado anteriormente, el soporte que se utilice en los humedalesartificiales tiene un efecto sobre la retencin de los componentes del agua residual. Sinembargo, en este trabajo no se estableci un mdulo empacado nicamente con el

material utilizado como soporte, ya que existen reportes que describen el efecto deltezontle y de la arena sobre la remocin de nutrimentos, de slidos disueltos y de laDQO (Fenoglio 2000).

Etapas del estudio

El estudio se realiz en dos etapas sucesivas. En la primera se evalu el tiempo deretencin hidrulica que proporcionara mejores condiciones de depuracin de las aguasresiduales en el sistema, y en la segunda, la eficiencia de remocin de la cargaorgnica, nitrgeno y fsforo.

Etapa I. Evaluacin del tiempo de retencin hidrulica

Se llev a cabo en temporada de lluvias y en temporada de estiaje. Despus deestablecer el sistema y las plantas como se describe arriba, se tomaron muestras deagua residual diariamente durante nueve das. Este tiempo fue establecido de acuerdocon lo reportado por Fenoglio (2000) para P. australis. Para el caso de T.dominguensisno se encontraron reportes del tiempo de retencin, por lo que se tomcomo referencia el reportado por Marn (2002) para T. latifolia, que fue de siete das.

Etapa II. Evaluacin de la eficiencia de remocin de la carga orgnica,nitrgeno y fsforo

Se tomaron muestras de agua y se analizaron de la misma forma en que se describe

en la etapa I (Fig. 1). El tiempo de retencin encontrado para el caso particular de estesistema fue de cinco das, por lo que se tomaron muestras diariamente durante esteperodo. De la misma forma, este muestreo se llev a cabo en poca de lluvias y deestiaje.
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La remocin se entiende como la capacidad del sistema para eliminar parte de laconcentracin de contaminantes que se encuentra en el agua residual. En este estudio,para el clculo del porcentaje de la remocin hidrulica, se utiliz la siguienteecuacin:

Remocin (%) = (CiCf) x 100/Ci

donde Ci= Concentracin inicial y Cf= Concentracin final

Mtodos de anlisis

En funcin del tipo de aguas residuales que se sometieron a tratamiento en los HA, losparmetros que se eligieron para evaluar la carga orgnica fueron la DQO y losnutrimentos nitrgeno y fsforo. Las muestras de agua se recolectaron a la salida de lafosa sptica (correspondiente a la entrada al primer mdulo del HA) y a la salida decada uno de los tres mdulos (Fig. 1).

En el mismo da del muestreo se realizaron los siguientes anlisis: DQO, para lo cual seutiliz un digestor (ORION COD125) y un espectrofotmetro (ORION AQUAfast II


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Photometer, rango 01500 mg/L); fsforo total, nitrgeno amoniacal (NNH4+),

nitratos (NNO3) y nitritos (NNO2). Las muestras se recolectaron y analizaron deacuerdo con las tcnicas establecidas por la APHA (1992) y por triplicado para cadaparmetro.

Anlisis bacteriolgico en el sistema

Con el objetivo de estimar el nmero de bacterias presentes en el sistema, serealizaron muestreos de aguas residuales simultneamente con el muestreo que serealiz para la etapa II, incluyendo la temporada de lluvias y la de estiaje. Se tomaronmuestras de cada contenedor por separado y de tres diferentes medios: agua residual,rizsfera y sustrato (Fig. 1).

Para el anlisis bacteriolgico del agua residual, se tom una muestra simple enmatraces Erlenmeyer previamente esterilizados a 121 C y a 1.5 kg/cm2de presin,durante 15 minutos en una autoclave (Tommy SS325E). En el caso de la rizsfera, setomaron 30 g de raz utilizando unas tijeras previamente desinfectadas y se colocaronen una caja de Petri estril. Para el caso del sustrato, se tomaron 30 g del material de

arena y tezontle y de igual manera se coloc en cajas Petri.

Para estimar el nmero de bacterias presentes en el sistema se aplic la tcnica decuenta viable (Madigan et al. 2004). El medio de cultivo que se utiliz fue agar de soyatripticaseina (Bioxon) y las condiciones de incubacin fueron a 37.5 + 0.5 C, durante24 horas. La cuantificacin de colonias se realiz en un cuentacolonias (Qubec).

RESULTADOS

Etapa I. Anlisis del tiempo de retencin hidrulica del sistema

Los resultados del anlisis del agua residual (Fig. 2yCuadro I)a su paso por elsistema, permitieron determinar el tiempo de retencin hidrulica en el humedalartificial, que para este trabajo fue de cinco das, ya que al final de este perodo sepresent la menor concentracin (50 mg/L), con una remocin de la carga orgnicamayor a 50 % con respecto a la concentracin inicial en el agua. Despus de los cincodas de retencin en el sistema se presentaron incrementos en la concentracin de laDQO. Quipuzco (2002) reporta que los humedales artificiales en alguna etapa nopresentan reducciones de las concentraciones de la DQO, ms bien los valores seincrementan debido al arrastre de races o desprendimiento de la biopelcula formadaalrededor de los rizomas. As, se provoca su degradacin en el medio y por lo tanto elincremento en compuestos orgnicos e inorgnicos que aumentan la concentracin dela DQO. Por otro lado, de acuerdo con Korkusuz et al. (2004), las concentraciones de

los nutrimentos y de la carga orgnica en el influente y el efluente son afectadas porcambios en el volumen del agua en el sistema, debido a los efectos de la precipitacinpluvial, de la evaporacin y de la evapotranspiracin. Los dos ltimos procesosconcentran especialmente los componentes en el humedal, ya que el volumen de aguabaja y las concentraciones de nutrimentos y carga orgnica se incrementan, fenmenoque pudo haber ocurrido en el presente trabajo para el caso de la DQO.
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Los resultados obtenidos en la poca de lluvias aportan una mayor variabilidad en laconcentracin de DQO a travs del tiempo (datos no mostrados), aunque la tendenciaindica que el tiempo de retencin idneo es de cinco das. Por lo tanto, se fij estelapso para el establecimiento del sistema de tratamiento y monitorear la eficiencia de

remocin de la carga orgnica.

Etapa II. Eficiencia de remocin de la carga orgnica, fsforo y nitrgeno

Para presentar y discutir los resultados de la eficiencia de remocin del sistema, cadaparmetro se mencionar y analizar de manera independiente.

Demanda qumica de oxgeno (DQO)


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La DQO es una medida aproximada del contenido de materia orgnica biodegradable yno biodegradable de una muestra de agua. En condiciones naturales, dicha materiaorgnica puede ser biodegradada lentamente (oxidada) hasta CO2 y H2O mediante unproceso que puede tardar desde unas pocas semanas hasta unos cuantos cientos deaos, dependiendo del tipo de materia orgnica presente y de las condiciones de laoxidacin. En las pruebas de DQO se acelera artificialmente la biodegradacin que

realizan los microorganismos, mediante un proceso de oxidacin forzada, utilizandooxidantes qumicos y mtodos debidamente estandarizados, que tienen por objetogarantizar la reproducibilidad y comparabilidad de las mediciones (APHA 1992).

En el presente trabajo y durante el muestreo realizado en la temporada de estiaje a laentrada del sistema, se present una concentracin inicial de 164 mg/L, y despus desu paso por el sistema, de 7 mg/L, lo que significa una remocin de 95.73 % (Fig. 3).Para el muestreo realizado en la temporada de lluvias, la concentracin inicial en elagua residual fue de 306 mg/L y a la salida del sistema, de 30 mg/L, lo que representa90.2 % de remocin, ligeramente menor al porcentaje en la poca de estiaje (Fig. 3).Este resultado supera lo reportado por Conte et al. (2001) y Kao et al. (2001), quienesapuntan porcentajes de remocin de 50 a 70 %. Lafigura 3muestra la tendencia adisminuir de la concentracin de DQO a su paso por los humedales para ambaspocas. A pesar de un ligero incremento en el segundo mdulo en la temporada delluvias, la concentracin se reduce al final del tratamiento, por lo que no afecta a lacapacidad de remocin del sistema.

Las concentraciones resultantes de DQO en este trabajo son similares a las reportadaspor Burgoon (2001), Conteet al. (2001), Giraldo y Zrate (2001), Kao et al. (2001),Koottatep et al. (2001), Shrestha et al. (2001) y Elias et al. (2001), quienes tambintrabajaron con aguas residuales municipales tratadas con humedales artificiales,utilizando principalmente carrizo.

En los humedales artificiales, la capacidad de remocin se debe a los efectoscombinados entre el tiempo de retencin hidrulica, la accin filtrante del sustrato pararetener slidos suspendidos del agua y la actividad biolgica del sistema (RodrguezMonroy y Durn de Baza 2006). La disminucin en la concentracin de DQOpresentada en los mdulos, probablemente se debe al metabolismo de los macro ymicroorganismos hetertrofos aerobios y anaerobios, utilizando los compuestosorgnicos del agua para la produccin de biomasa, aunque en el sistema tambin segeneran reacciones qumicas, principalmente de oxidoreduccin (Kadlec et al. 2000).
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La carga de DQO de las aguas residuales canalizadas a los mdulos, el diseo del HA,las condiciones de operacin y el tipo de sustrato, afectan la difusin y conveccin deoxgeno (Vymazal 2002). Otro parmetro importante que afecta la remocin de DQOes el posible aporte de oxgeno por las races de las plantas a la rizsfera. La absorcinde materia orgnica por las plantas es insignificante comparada con la degradacinbiolgica.

Fsforo total

El fsforo en aguas residuales se encuentra principalmente como fosfatos y en formasorgnicas. La contaminacin de agua por este elemento tiene su fuente principal en eluso de productos de limpieza con compuestos fosforados como principios activos. Elfsforo es esencial para el crecimiento de los organismos y puede ser un nutrimentolimitante de la productividad primaria. En concentraciones elevadas por laincorporacin de aguas residuales o tratadas, estimula el crecimiento acelerado demacro y microorganismos, provocando eutroficacin (APHA 1992).

Para este trabajo y con respecto al muestreo realizado en la poca de estiaje, la

concentracin de la muestra que ingres al sistema fue de 0.9 mg/L de la cual seremueve 3.13 % en el primer humedal (0.87 mg/L). En el caso del segundo humedal,la concentracin del fsforo total aumenta a 0.9 mg/L. Al final del sistema, se presentauna remocin total de 21.87 % (0.7 mg/L). En la poca de lluvias, la concentracin delfsforo total present una concentracin de 1.96 mg/L antes de su entrada al sistemay se removi 40.35 % al final del tratamiento (Fig. 4). Los resultados demuestranvalores mayores en la poca de lluvias y con mayor variabilidad a su paso por losdiferentes mdulos del sistema.

Como ya se coment, el agua residual cruda proviene de un edificio donde sedesarrolla investigacin cientfica; por lo tanto, tiene un aporte de detergentes, loscuales se utilizan en la limpieza de las instalaciones, de materiales de laboratorio y delpersonal. El fsforo presente en esta agua es principalmente de compuestosfosfatados, que son los principios activos de la mayora de los detergentes.

El fsforo puede ser absorbido por las plantas en diferentes formas inicas, el cual seintegrar al metabolismo principalmente en el proceso de fotosntesis, razn por la cualdisminuye su concentracin en el agua a su paso por los humedales. Adems, puede


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ser aprovechado por los microorganismos o fijado en el sustrato. Sin embargo, lacantidad de fsforo en el efluente es prcticamente el mismo que en el influente. Enconsecuencia, la cantidad de fsforo asimilado o fijado en el sustrato es pequea enrelacin a la aportada por el agua residual. Estos resultados sugieren que loshumedales, bajo las condiciones experimentales de este trabajo, no constituyeron unmtodo efectivo para la eliminacin de fsforo. De acuerdo con Korkusuz et al. (2004),

esta situacin podra mejorar si se utilizara grava rica en hierro y aluminio otratamientos alternativos de eliminacin de fsforo.

La remocin del fsforo en los humedales artificiales es eficiente en un perodo cortohasta que el medio se satura. Sin embargo, a largo plazo los procesos son mslimitados y se reducen a la asimilacin por parte de las plantas y la biomasa (Karpiscaky Foster 2000).

Especies nitrogenadas

Como puede observarse en los resultados de este trabajo, el nitrgeno influente en elhumedal artificial se encuentra como nitrgeno orgnico o amoniacal, con escasas

cantidades de nitratos. Los procesos de descomposicin y mineralizacin llevados acabo por los microorganismos, transforman este nitrgeno a nitritos o nitratos(nitrificacin) y finalmente a N2 (denitrificacin). Las proporciones de estos procesosdependen en gran medida de la concentracin de oxgeno en el sistema (LaraBorrego1999).

Los procesos de remocin de nitrgeno en humedales artificiales incluyen diferentesmecanismos como: su utilizacin por los organismos del sistema (plantas ymicroorganismos), amonificacin, nitrificacin/denitrificacin y adsorcin en la matrizdel sustrato. Numerosos estudios han demostrado que el mecanismo ms importantede remocin es el proceso de nitrificacin/denitrificacin (Vymazal et al. 2002).

Los compuestos nitrogenados constituyen nutrimentos clave para el crecimiento de losseres vivos, as que el nitrgeno puede ser eliminado del agua siempre que seaasimilado por microorganismos. Para las plantas, el nitrgeno es un nutrimento vitalque utilizan en la sntesis de protenas para su crecimiento, especialmente en forma denitrato (CervantesCarrillo et al. 2000).

En este trabajo y en la poca de estiaje, la concentracin de NNH4+antes de la

entrada de agua residual al sistema de tratamiento fue de 58.69 mg/L. Al final deltratamiento, se present una remocin del 73.85 %, con una concentracin de 15.35mg/L. Para el caso de la temporada de lluvias, la concentracin NNH4+ fue de 173.26mg/L y despus del sistema de tratamiento se present una remocin de 89.70 %.Lafigura 5muestra las concentraciones de NNH4

+del agua residual bajo tratamiento,que demuestran valores menores durante el estiaje, al igual que en el caso de la DQO

y del fsforo total. Sin embargo, en ambas temporadas se obtiene una remocinimportante en la concentracin de NNH4

+.


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Para el caso de los nitritos en la temporada de estiaje, se encontr una concentracinde 0.24 mg/L de NNO2en el agua residual que ingresa al sistema y se incrementa

hasta 2.52 mg/L a la salida del segundo mdulo. Por lo tanto el sistema no removiesta especie del nitrgeno, sino que la nitrificacin condujo a la formacin de nitritos,probablemente porque en algunas zonas del sistema predominan las condicionesanaerobias. Los resultados de la poca de lluvias muestran una tendencia similar:incremento de nitritos en el agua a su paso por los humedales (Fig. 6).

Por su parte, la concentracin inicial de NNO3durante el muestreo realizado en latemporada de estiaje fue de 5.63 mg/L y disminuye a la salida del sistema a una

concentracin de 3.07 mg/L (45.46 % de remocin). Para el muestreo realizado en latemporada de lluvias, la concentracin inicial fue de 5.8 mg/L, aunque se presentanvariaciones importantes a su paso por los tres mdulos, lo que ha impedido calcular elporcentaje de remocin total por el sistema. Estas variaciones sugieren un incrementoen el proceso de nitrificacin, probablemente debido a una mayor oxigenacin o por elincremento de esta especie nitrogenada, causados por el aporte del agua de lluvia alsistema (el humedal se instal al aire libre y en una zona urbana). Lafigura 7muestrala dinmica de la concentracin de NNO3en ambos muestreos.
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De acuerdo con los resultados obtenidos, en el agua residual cruda por su origensanitario, el nitrgeno se present mayormente como NNH4

+, probablementeprocedente de la urea humana y de compuestos orgnicos nitrogenados. De acuerdo

con las condiciones que prevalecen en el sistema, se favorecen los procesos denitrificacin, dando como resultado la formacin de nitratos y nitritos por la actividadde bacterias nitrificantes (Nitrosomasy Nitrobacter). Los resultados sugieren adems,que existen zonas anaerobias al interior del humedal, que conducen a la formacin denitritos.

La remocin de NNH4+del sistema es alta, probablemente debido al aprovechamiento

por las plantas y microorganismos o por el proceso de nitrificacin (incluyendo laformacin de nitritos). En algunos casos se han obtenido importantes disminuciones dela concentracin de especies de nitrgeno, asociadas a un aporte de oxgeno por lasraces de las plantas en sistemas de poca profundidad (0.3 m; LaraBorrego 1999),como es el caso del sistema piloto evaluado en este trabajo.

Anlisis bacteriolgicos

Los resultados de la cuenta de bacterias se muestran en lafigura 8.Se encontraronconcentraciones en un rango entre 1 x105a 1 x107(UFC/ mL para el agua residual yUFC/g para la rizsfera y el sustrato), siendo mayor en la poca de estiaje. Dichosvalores indican que existen bacterias asociadas al sustrato y en mayor proporcin a larizsfera. Estos resultados ponen de manifiesto la presencia de los microorganismos enel sistema, establecidos como biopelcula sobre el sustrato (tezontle y arena) yasociados a las races de las plantas. Adems, estos datos sugieren que no existe unacorrelacin entre el nmero de bacterias y la especie de las plantas que se instalaronen el sistema.

DISCUSIN

De acuerdo con la remocin de la DQO, fsforo y especies del nitrgeno de las aguasresiduales, el tiempo de retencin hidrulica ptimo del sistema es de cinco das en losmdulos donde se encuentran instalados Phragmites australisy Typhadominguensispor separado. Sin embargo, los resultados encontrados en el mdulo
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mixto, requieren un tiempo de retencin menor, probablemente por la accincombinada de las dos especies de plantas. El tiempo de retencin define el lapso enque los contaminantes permanecen en contacto con las plantas y los microorganismospara ser transformados biolgica y qumicamente.

La carga orgnica del sistema se comport de la siguiente manera: la DQO present

una mayor remocin durante temporada de estiaje (95.73 % comparativamente con90.2 % en temporada de lluvias). En trminos globales, la remocin de la materiaorgnica en el tercer mdulo es mayor, probablemente como producto de ladescomposicin de la misma por las biopelculas microbianas formadas sobre eltezontle y por la presencia de las dos especies de plantas instaladas en este mdulo.

Con respecto al fsforo total, los resultados indican una baja eficiencia del sistema,independientemente de la temporada de monitoreo. La remocin de fsforo en lamayora de los sistemas de humedales artificiales no es muy eficaz debido a las pocasoportunidades de contacto entre el agua residual y el terreno. La adicin de arcillaexpandida y de xidos de hierro y aluminio al sustrato puede ser prometedora para laeliminacin ms efectiva de fsforo. Algunos sistemas en Europa usan arena en lugarde grava para aumentar la capacidad de retencin del fsforo, pero este mediorequiere instalaciones muy grandes, debido a la reducida conductividad hidrulica de laarena comparada con la grava (LaraBorrego 1999).

Por otro lado, el sistema de tratamiento, para las condiciones de este trabajo, es capazde remover un porcentaje alto de nitrgeno amoniacal, aunque tambin seencontraron otras especies nitrogenadas como nitratos y nitritos. Esto sugierecondiciones ambientales variables en el sistema, causadas por el efecto de dilucin oconcentracin de los componentes en el agua residual y las posibles variaciones en laconcentracin de oxgeno en el sistema. Tambin es posible aseverar que en losdiferentes mdulos se llevan a cabo los dos procesos de eliminacin de nitrgeno: laasimilacin o la nitrificacindesnitrificacin, lo cual indica el papel tan importante quedesempean las plantas y los microorganismos en el sistema de depuracin.

De manera general, considerando los resultados individualmente, el humedal 3, esdonde se presentan la mejor eficiencia de remocin, lo que sugiere que elestablecimiento de las dos especies podra dar mejores resultados queutilizando Phragmites australis(carrizo) o Typha dominguensis(tule) por separado. Noobstante, se requieren anlisis complementarios y mayor tiempo de operacin delsistema para llegar a conclusiones ms contundentes.

El diseo del HA aplicado en el sistema no incluy el anlisis del comportamiento de lacarga orgnica, de los nutrimentos y de los microorganismos del agua residual en unmdulo sin plantas (slo sustrato). El sustrato es un material importante ya quecumple con varias funciones como ser el medio de soporte de los microorganismos y

de las plantas, adems de funcionar como medio filtrante para retener los slidossuspendidos que se depositan en la superficie del sustrato, para luego ser degradadospor los microorganismos. No obstante, el material utilizado en este trabajo ya ha sidoestudiado anteriormente y la informacin pertinente ya se ha reportado por Fenoglio(2000).

Fenoglio (2000) compara la capacidad de retencin de materiales orgnicos, medidoscomo DQO y demanda bioqumica de oxgeno (DBO), de dos materiales utilizadoscomo soportes en humedales artificiales: tezontle y grava. En ambos casos se observ


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una eficiencia de retencin superior a 90 % a los 20 das de estar en contacto con elagua residual, pero el tezontle es ligeramente ms eficiente que la grava. Por lo tanto,en la remocin del sistema, probablemente existi una influencia importante delsustrato utilizado; sin embargo, el mismo autor menciona que el verdadero efecto deremocin de la materia orgnica tiene lugar una vez que los microorganismos seencuentran depositados sobre el material de soporte. Tambin es sabido que el

tezontle tiene una amplia superficie de contacto, por lo que los microorganismos seasocian en mayor medida a este material y tienen mayor actividad para la degradacinde la materia orgnica que se encuentra en el agua residual.

Los resultados encontrados en este trabajo demuestran el establecimiento de bacteriasen el sistema, tanto en el sustrato como en las races de las plantas, lo que ayuda a laremocin de la carga orgnica y de los nutrimentos del agua residual que est bajotratamiento. Los microorganismos son la parte principal del funcionamiento de loshumedales artificiales, ya que de estos depende la eficiencia en la remocin de loscontaminantes. Los compuestos orgnicos, nitrogenados y fosforados sontransformados a formas ms simples y por lo tanto, ms fciles de eliminar delsistema.

Es indudable que los humedales artificiales son ecosistemas que pueden ser utilizadospara el tratamiento de aguas residuales de una manera segura, confiable, esttica yeconmica. La remocin de contaminantes es eficiente y no se invierte en el suministrode energa adicional para su funcionamiento. Como se ha mencionado anteriormente,el funcionamiento de estos sistemas de tratamiento se basa en la actividad combinadade plantas, microorganismos y sustrato, que en conjunto propician una depuracineficiente.

Es recomendable que para conocer con mayor precisin los procesos que ocurren en elsistema de tratamiento, se evalen a detalle otros procesos bajo las condiciones deeste trabajo, como el efecto del sustrato sobre la retencin de materia orgnica ynutrimentos, las mejores condiciones de empaque de cada mdulo, la distribucin

hidrulica a lo largo del sistema, las asociaciones de microorganismos con las dosespecies de plantas y el control de la poblacin de las plantas instaladas en elhumedal, para que en conjunto se logre una mayor eficiencia de remocin. Tambin estil el conocimiento de los procesos de nitrificacin/denitrificacin y que se estudien labiodiversidad de microorganismos presentes que potencialmente sean tiles paraprocesos biotecnolgicos que ayuden a degradar otro tipo de compuestos orgnicos.

AGRADECIMIENTOS

Se agradece la colaboracin de Claudia Rodrguez Mendoza por su participacin en la

parte analtica de los microorganismos; a Adriana Carolina Gutirrez Osorio, MagdalenaOrtega Silva y Leticia Pea Camacho, por su apoyo en las tcnicas de anlisis qumicosdel agua residual.

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