TRATAMIENTO DE AGUA DE PRODUCCIÓN A TRAVÉS DE...
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REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD DEL ZULIA FACULTAD DE INGENIERÍA DIVISIÓN DE POSTGRADO PROGRAMA DE POSTGRADO EN CIENCIAS AMBIENTALES TRATAMIENTO DE AGUA DE PRODUCCIÓN A TRAVÉS DE HUMEDALES CONSTRUIDOS DE TIPO SUPERFICIAL A ESCALA PILOTO Trabajo de Grado presentado ante la Ilustre Universidad del Zulia para Optar al Grado Académico de: MAGÍSTER SCIENTIARUM EN INGENIERIA AMBIENTAL Presentado por: ING. NINOSKA M. PAZ PALACIOS Tutor: Prof. EDIXON GUTIÉRREZ Co-tutor: Ing. MARISEL NÚÑEZ Maracaibo, Marzo de 2008
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REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD DEL ZULIA FACULTAD DE INGENIERÍA DIVISIÓN DE POSTGRADO
PROGRAMA DE POSTGRADO EN CIENCIAS AMBIENTALES
TRATAMIENTO DE AGUA DE PRODUCCIÓN A TRAVÉS DE HUMEDALES CONSTRUIDOS DE TIPO SUPERFICIAL A ESCALA
PILOTO
Trabajo de Grado presentado ante la Ilustre Universidad del Zulia para
Optar al Grado Académico de:
MAGÍSTER SCIENTIARUM EN INGENIERIA AMBIENTAL
Presentado por: ING. NINOSKA M. PAZ PALACIOS
Tutor: Prof. EDIXON GUTIÉRREZ
Co-tutor: Ing. MARISEL NÚÑEZ
Maracaibo, Marzo de 2008
RESUMEN
Paz Palacios Ninoska Margarita. TRATAMIENTO DE AGUAS DE PRODUCCIÓN A TRAVÉS DE HUMEDALES CONSTRUIDOS DE TIPO SUPERFICIAL A ESCALA PILOTO. Maracaibo, Universidad del Zulia Facultad de Ingeniería División para Graduados.2008 (Trabajo Especial de Grado) La industria petrolera utiliza una gran cantidad de agua para el recobro de petróleo de los yacimientos; agua que por su procedencia posee una gran cantidad de contaminantes como cloruros, sulfuros, metales, fenoles e hidrocarburos, entre otros. En esta investigación se evaluó la eficiencia de humedales construidos de tipo superficial a escala piloto en el tratamiento de agua de producción. El diseño experimental consistió en dos humedales de tipo superficial los cuales constaron de un soporte con plantas acuáticas emergentes (Cyperus luzulae, Cyperus feraz L.C. Richard, Cyperuz ligularis, Paspalum sp. y Typha dominguense) y un control sin plantas, se abastecieron con agua de producción desde un tanque a flujo continuo con un tiempo de retención de 7 días durante 4 meses. En la etapa inicial se trabajó con proporciones de agua potable-agua de producción hasta finalizar con 100% de agua de producción. Se encontraron remociones de 20% de fósforo, 57% de hidrocarburos, 69% de sulfuro, 65% de fenol, 72% de nitrógeno en el sistema de control, 0,27% de fósforo, 69% de hidrocarburos 62% de sulfuro, 59% de fenol y 70% de nitrógeno para el HFSL II y 11% de fósforo, 68% de hidrocarburos, 66% de sulfuro, 57% de fenol, 72% de nitrógeno para el HFSL I; además en este humedal se dieron las mayores remociones de metales ( 91% de Cr, 20% de Ni, 91% de Cu, 28% de Zn y 7% de Pb). Los HFSL y el sistema de control se caracterizaron por presentar valores altos de pH, altas concentraciones de sólidos suspendidos totales y volátiles y por una nula remoción de la DQO. La alta concentración de cloruros y Na+ contribuyeron con la muerte de las plantas. En vista de los resultados obtenidos los humedales construidos pueden ser usados para la remoción de estos contaminantes como una tecnología verde fácil de operar.
Palabras claves: Humedales, flujo superficial libre, agua de producción, plantas acuáticas emergentes.
ABSTRAC
Paz Palacios Ninoska Margarita. WATER PRODUCTION TREATMENT THROUGH WETLANDS BUILT OF TYPE SUPERFICIAL IN A PILOT SCALE. Trabajo de Grado. Universidad del Zulia. Facultad de Ingeniería. División de Postgrado. Maracaibo, 2008. The oil industry use an amazing amount of water to recover oil from oilfields; water that for its origin, have a mass of contaminants like chlorides, sulphides, metals, phenols and hydrocarbons. In this investigation was evaluated the efficiency of wetlands built of type superficial in a pilot scale in the water production treatment. The design consisted in two wetlands of type superficial which have a stand with emergent aquatics plants (Cyperus luzulae, Cyperus feraz L.C. Richard, Cyprus ligularis, Paspalum sp. y Typha dominguensis) and one control without support, they were supplied with water production from one tank to continue flow with a retention time; 7 days during 4 months. The initial stage was worked from proportions of drinking water- water production until complete with water production 100%. In the superficial wetland II, were founded removals of: phosphorus 20%, hydrocarbons 57%, sulphide 69%, phenol 65%, and nitrogen in the control 72%, phosphorus 0.27%, hydrocarbons 69%, sulphide 62%, phenol 59% and nitrogen 70%. In the superficial wetland I, were founded removals of: phosphorus 11%, hydrocarbons 68%, sulphide 66%, phenol 57%, nitrogen 72%; besides, in this wetland were founded the largest removals of metals ( Cr 91%, Ni 20%, Cu 91%, Zn 28% and Pb 7%). Wetlands and control were marked by introducing high values of ph, high concentrations of total suspended solids and volatiles and a zero removal of DQO. The high concentration of chlorides and Na+ contributed to the death of the plants. Given the results of this built wetlands can be used for the removals of these contaminants as a green technology easy to operate. Key words: wetlands, free superficial flow, water production, emergent aquatics plants.
AGRADECIMIENTO
A TODAS Y CADA UNA DE LAS
PERSONAS E INSTITUCIONES
QUE HICIERON POSIBLE
ESTE LOGRO
DEDICATORIA
A DIOS, A MIS PADRES, HERMANOS Y
AMIGOS PORQUE SON LA FUERZA Y
LA RAZON PARA CONTINUAR.
TABLA DE CONTENIDO
Página
RESUMEN………………………………………………………………………………………… iii
ABSTRACT………………………………………………………………………………………. iv
DEDICATORIA………………………………………………………………………………… v
AGRADECIMIENTO…………………………………………………………………………. vi
TABLA DE CONTENIDO………………………………………………………………….. vii
LISTA DE TABLAS…………………………………………………………………………… xi
LISTA DE FIGURAS…………………………………………………………………………. xii
INTRODUCCIÓN………………………………………………………………………………. 1
CAPÍTULO…………………………………………………………………………………………
I FUNDAMENTOS TEORÍCOS 3
1.1 Antecedentes………………………………………………………. 3
1.2. Bases teóricas…………………………………………………… 7
1.2.1. Aguas de Producción (AP)……………………………… 7
1.2.1.1. Origen del AP………………………………………………. 7
1.2.1.2. Composición de AP……………………………………… 8
1.2.1.3. Usos de AP……………………………………………………. 9
1.2.1.4. Tratamientos del AP…………………………………….. 10
1.2.2. Humedales naturales………………………………………. 11
1.2.2.1. Definición……………………………………………………… 11
1.2.2.2. Clasificación de los humedales naturales……. 13
1.2.2.3. Funciones de los humedales naturales……….. 14
1.2.2.4 Componentes del humedal natural………………. 15
1.2.3. Humedales construidos………………………………….. 16
1.2.3.1. Definición……………………………………………………… 17
1.2.3.2. Elementos de un humedal construido…………. 18
1.2.3.3. Tipos de humedales construidos…………………. 23
1.2.3.4. Aplicaciones de los humedales construidos… 25
1.2.3.5. Ventajas y desventajas de los humedales construidos………………………………………………………………
26
1.2.3.6. Mecanismos de remoción de los humedales construidos…………………………………………………………………
27
1.2.3.7. Diseño de humedales construidos…………….. 31
II PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL……………….……………… 36
2.1 Área de estudio…………………………………………………… 36
2.1.1 El soporte………………………………………………………….. 36
2.1.2 El afluente…………………………………………………………… 36
2.1.3 Las plantas………………………………………………………….. 98
2.1.4 Etapas del estudio………………………………………………. 39
2.2 Determinación de parámetros………………………………. 44
2.2.1 ph y la alcalinidad…………………………………………….. 44
2.2.2 Demanda Química de Oxígeno (DQO) (Soluble, Método Digestión Cerrada)…………………………………………..
44
2.2.3 Sólidos (Método Gravimétrico)………………………….. 45
2.2.3.1 Sólidos Suspendidos Totales (SST)………………. 45
2.2.3.2 Sólido Suspendido Volátil (SSV)……………………. 46
2.2.3 Hidrocarburos - aceites y grasa (método Gravimétrico)………………………………………………………………
46
2.2.4 Sulfuro....................................................... 47
2.2.5. Fenoles (Método Colorimétrico)……………………… 47
2.2.6 Metales (ABSORCION ATOMICA)…………………… 48
2.2.8 Fósforo total…………………………………………………….. 49
2.2.8.1. Muestra de agua (Método de Digestión (Persulfato de potasio))………………………………………………
49
2.2.8.2.Muestras de suelo (Método colorimétrico del Acido Ascórbico ……………………………………………………………
49
2.2.9 Nitrógeno Total Kjeldahl……………………………………. 50
2.2.9.1 Muestras de agua……………………………………………. 50
2.2.9.2 Muestras sólidas…………………………………………….. 51
2.2.10 Cloruros (Método argentometrico (Mohr))………. 51
2.2.11 Sulfato………………………………………………………………. 52
2.2.12Carbón orgánico (materia Orgánica)(Método volumétrico de walkley-black)……………………………………
52
2.2.13 Variables fenológicas………………………………………. 53
III DISCUSION DE RESULTADOS…......................................
54
3.1. Primera etapa………………………………………………………..
54
3.2 Segunda etapa (adaptación)………………………………..
54
3.2.1 Efluente……………………………………………………………….
54
3.2.2 Suelo o substrato………………………………………………..
57
3.2.3 Plantas ………………………………………………………………..
58
3.3 Tercera parte (tratamiento)…………………………………..
62
3.3.1. pH y alcalinidad………………………………………………….
62
3.3.2. Fósforo Total y Nitrógeno total………………………….
65
3.3.2.1. Fósforo total…………………………………………………….
65
3.2.2.2 Nitrógeno total…………………………………………………
68
3.3.3. Cloruros (Cl-)………………………………………………………
71
3.3.3.1 Afluente y Efluentes……………………………………… …
71
3.3.3.1 Soporte o sedimento………………………………………..
73
3.3.4. Variables fenológicas………………………………………..
73
3.3.5. Metales………………………………………………………………
75
3.3.5.1. Afluente y efluente………………………………………….
75
3.3.5.2. Soporte o sedimento………………………………………
79
3.3.5.3. Plantas…………………………………………………………….
81
3.3.6. Hidrocarburos……………………………………………………..
83
3.3.7. Sulfuro………………………………………………………………..
84
3.3.8. Fenoles………………………………………………………………. 86
. 3.3.9. Sólidos………………………………………………………………..
87
3.3.9.1. Sólidos Suspendidos Totales (SST)………………..
87
3.3.9.2. Sólidos Suspendidos Volátiles (SSV)……………..
89
3.3.10. Demanda Química de Oxigeno (DQO)…………….
90
IV CONCLUSIONES……………………………………………………………………
. 92
V RECOMENDACIONES…………………………………………………………....
93
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS…………………………………..……………………….
94
LISTA DE TABLAS
Tabla Página
1 Resumen de los mecanismos de remoción en el humedal de flujo superficial libre ……………………………
31
2 Criterios para el diseño de un humedal de flujo superficial libre……………………………………………………….
35
3 Caracterización fisicoquímica del suelo y la grava utilizados en el estudio…………………………………………….
37
4 Caracterización fisicoquímica del AP……………………….. 38
5 Caracterización fisicoquímica inicial de las especies de plantas utilizadas en el estudio…………………………
40
6 Variables fenológicas iniciales de las plantas utilizadas en el estudio……………………………………….
41
7 Concentraciones promedios y remociones de los parámetros en los sistemas de humedales de flujo superficial libre en la segunda etapa (adaptación)….
55
8 Caracterización de la grava y el suelo en la adaptación…………………………………………………………….
62
9 Concentración de metales en el soporte de los sistemas de HFSL……………………………………………………
59
10 Variables fenológicas antes de la aplicación 100% AP (adaptación)…………………………………………………..
60
11 Concentración de metales en las plantas del HFSL I en la etapa de adaptación …………………………………….
60
12 Concentración de metales en las plantas del HFSL II en la etapa de adaptación…………………………………….
61
13 Concentración final de fósforo total y nitrógeno total en el suelo y la grava de los sistemas HFSL…
67
14 Concentración final de fósforo en las plantas del HFSL I………………………………………………………………………
68
15 Concentración final fósforo en las plantas del HFSL II………………………………………………………………………………..
68
16 Concentración final del nitrógeno en las especies de plantas del HFSL I………………………………………………….
70
17 Concentración final del nitrógeno en las especies
de plantas del HFSL II…………………………………………
70
18 Concentración de cloruro en el soporte de los sistemas de HFSL al final………………………………………….
73
19 Variables fenológicas finales en los sistemas de HFSL…………………………………………………………………………
74
20 Concentración de metales en el efluente del sistema de control……………………………………………….
76
21 Concentración de metales en el efluente del sistema HFSL I………………………………………………………..
76
22 Metales en el efluente del sistema HFSL II…………… 77
23 Remoción de metales en el efluente de los sistemas de HFSL…………………………………………………………………….
78
24 Concentración de metales en el soporte de los sistemas de HFSL…………………………………………………….
80
25 Concentraciones de los metales en las especies de plantas del sistema HFSL I…………………………….……..
82
26 Concentración de metales en las especies de plantas del sistema HFSL II…………………………………….
82
LISTA DE FIGURAS
Figura Página
1 Limites entre ecosistemas terrestres, humedales y ecosistemas acuáticos.…………………………………………….
12
2 Componentes estructurales típicos del ecosistema del humedal……………………………………………………………
16
3 Ubicación del patio de tanques de ULË (Tía Juana) Maracaibo, Venezuela…………………………………………….
37
4 Diagrama esquemático de los sistemas de humedales de flujo superficial libre a escala pilo……
42
5 Variación del pH en los sistemas de humedales de flujo superficial libre………………………………………………….
62
6 Variación de la alcalinidad en los sistemas de humedales de flujo superficial libre……………………….
64
7 Variación del fósforo total en los sistemas de humedales de flujo superficial libre…………………………
65
8 Remoción del NTK en los sistemas de humedales de flujo superficial libre………………………………………….
69
9 Variación de la concentración de cloruro en los sistemas de humedales de flujo superficial libre…….
72
10 Remoción de hidrocarburos en los sistemas de humedales de flujo superficial libre …………………………
84
11 Remoción de sulfuro en los sistemas de humedales de flujo superficial libre ……………………………………………..
85
12 Remoción de fenol en los sistemas de humedales de flujo superficial libre ……………………………………………..
86
13 Variación de sólido suspendidos totales en los sistemas de humedales de flujo superficial libre……
88
14 Variación de sólidos suspendidos volátiles en los sistemas de humedales de flujo superficial libre……
89
15 Variación de la DQO en los sistemas de humedales de flujo superficial libre…………………………………………..
90
INTRODUCCIÓN
En la industria petrolera venezolana el agua que es utilizada en la
inyección, principal método utilizado para el recobro de petróleo de los
yacimientos, es dispuesta en tanques de almacenamiento (Patio de
tanques Ulé, PDVSA, Municipio Simón Bolívar), para aplicarle un
tratamiento físico-químico que consta de separadores API y un
clarificador, y posteriormente un tratamiento con floculantes para eliminar
partículas coloidales.
En la actualidad se ha planteado la inquietud en relación al destino
final de las aguas de producción, ya que se espera que para un futuro los
tanques de almacenamiento lleguen a su capacidad máxima, viéndose
obligados a descargar éstos efluentes a cuerpos de agua de la región,
generando un impacto ambiental negativo tanto a la flora como en la
fauna, además de problemas de salud en la población.
Este tipo de agua son difíciles de tratar debido al gran volumen
generado (3 barriles por cada barril de crudo producido) (Arnold y col.,
2004), y por estar compuestas de una mezcla de materiales orgánicos e
inorgánicos cuya composición y contenido varían en función de las
características del yacimiento, localización de éste, tipo de crudo extraído
y método empleado para la extracción.
Muchos de estos compuestos químicos son hidrocarburos, aceites y
grasas, metales pesados y cloruros, entre otros, los cuales no pueden ser
removidos hasta las concentraciones requeridas mediante tratamientos
tradicionales para el depuramiento del agua y devolverle la calidad
ambiental a la misma; además, sus costos son altos y muchos de ellos
son difíciles de aplicar en condiciones de campo, como lo son los reactores
de manto de lodo de flujo ascendente continuo (UASB) y reactores por
carga secuenciales (SBR), los cuales necesitan de personal capacitado
para su mantenimiento, control y operación.
Unas de las técnicas naturales, simples y de bajo costo que se han
planteado son los humedales construidos (García y col., 2002), que
constituyen una de las opciones de mayor atractivo debido a su mínimo
requerimiento y simplicidad de operación y mantenimiento, su sencillez de
construcción, bajo o nulo consumo de energía, baja producción de
residuos e impacto ambiental y armonía con el medio ambiente.
Un humedal construido es un complejo sistema compuesto de agua,
sustrato, plantas (vasculares y algas), resto vegetal (principalmente caído
de las plantas), invertebrados (principalmente insectos de larvas y
gusanos) y una compleja fauna microbiana (los más importantes son las
bacterias).
En este estudio se planteó la evaluación de la eficiencia de los
humedales de flujo superficial libre (HFSL) a escala piloto, en el
tratamiento de aguas de producción, para permitir la obtención de un
agua con la calidad ambiental requerida y lograr la reducción de los costos
de tratamiento, disposición y manejo de las mismas.
CAPÍTULO I
FUNDAMENTO TEORÍCO
1.1 Antecedentes
En la actualidad, eran muy pocas las investigaciones realizadas en
Venezuela sobre el uso de humedales construidos para el tratamiento de
aguas de producción, la mayoría de los trabajos realizados se han basado
en el tratamiento para aguas residuales domésticas; de los cuales se han
obtenidos muy buenos resultados.
Uno de los estudios encontrados se realizó en China, donde los
humedales se han usado para el tratamiento de efluentes de la industria
petrolera para lograr la purificación del efluente de contaminantes tales
como crudo, fenol y benceno (Xia y col., 2002)
Xia y col. (2002), trabajaron con cuatro plantas herbáceas
(Vetiveria zizanioides, Phragmites australis, Tipha latifolia y Lepironia
articulata), plantadas en humedales construidos en macetas incrustadas,
con el propósito de probar sus eficiencias en la purificación del agua de
desecho de refinerías de crudo, que contienen bajas y altas
concentraciones de contaminantes orgánicos e inorgánicos, y su
crecimiento en el funcionamiento del humedal con esta agua.
Los promedios de remoción encontrados fueron del 97,7% de
nitrógeno amoniacal, 78,2% de DQO, 91,4% de DBO y 65,3% de crudo
para el desecho de alta concentración y por encima de 97.1% para
nitrógeno amoniacal, 71.5 % de DQO, 73.75 de DBO y 89.9% de crudo
para el agua de desecho de baja concentración.
La función de purificación de las plantas se incrementó gradualmente
con el crecimiento de las mismas y el aumento de la biomasa vegetal.
N de León y col. (200), reportaron los resultados de una
investigación desarrollada en un invernadero usando agua de producción
con un contenido de cloruro de 3000-8000 ppm y de fenol de 2,0-7,0
ppm.
4
El objetivo principal de la investigación fue la determinación de la
capacidad de un humedal construido para la remoción de compuestos
orgánicos presentes en el agua y el impacto de la evapotranspiración de
las plantas en el balance del agua.
Simularon varios sistemas de humedales construidos plantados con
especies de plantas halófitas resistentes a la salinidad (Eloacharis mutata,
typha domingensis, Echinochloa cruzgalli), alimentándolos con agua de
producción por 5 meses con bombas peristálticas, con tiempos de
residencia de dos a diez días, obteniendo remociones del 98% de fenoles
y sulfuros, un 70% de Demanda Bioquímica de Oxigeno (DBO), un 50%
de Demanda Química de Oxigeno (DQO) y 20% de cloruro, llegando a la
conclusión de que los sistemas de humedales construidos pueden ser
usados como sistemas de tratamientos para aguas de producción para la
remoción de contaminantes orgánicos presentes en ella.
Gessner y col. (2005), investigaron el uso de humedales
construidos de flujo superficial para la reducción de cianuro complejo y
libre, y de contaminantes asociados en agua subterránea de tierras
rehabilitadas de la industria de aluminio.
Trabajaron con 2 humedales de flujo superficial en serie, con un área
superficial por humedal de 75 m2 y 87 m2 respectivamente, y un caudal
de 5,5 m3/d para garantizar un tiempo de retención de 7 días.
Observaron una remoción de aproximadamente 67% de
hidrocarburos, además de un 56% y 88% de remoción en cianuro total y
libre respectivamente.
Llegaron a la conclusión de que los humedales tienen una habilidad
adecuada para la remoción significativa de contaminantes en el agua de
desecho.
Quílice y col. (2005), evaluaron el proceso de humedales
construidos para el tratamiento de aguas de producción.
En el estudio piloto evaluaron la aplicación del proceso de humedales
construidos a las aguas de producción, utilizando tres humedales en
5
paralelo de aproximadamente 4x10 m2 con diferentes especies de plantas
(Typha dominguensis, Brachiaria mutica, Echinochloa polystachia y
Cynodon nlemfuensis) y tiempos de residencia de 1-5 días, en temporada
de lluvia y sequía.
Encontraron remoción de 40-99% de fenoles y sulfuros,
confirmándoles la efectividad del proceso para el tratamiento de aguas de
producción de petróleo.
Klomjek y col. (2005), evaluaron la factibilidad del tratamiento
de humedales construidos para la remoción de contaminantes de aguas de
desecho salina. Trabajaron con 8 especies de plantas emergentes (Typha
angustifolia linn, Cyperus corymbosus Rotttb, E. cordifolius, B. mutica,
D.bicornis, V. zizamiodes, S. patents y L. jusca) las cuales se plantaron en
una parcela experimental, a razón de 11 rizomas por m2 de cada una,
alimentadas con agua de desecho municipal preparada con cloruro de
sodio simulando una concentración de 14-16 ms/cm, hasta que la
columna de agua alcanzó 0.3 m por 5 días.
Se repitió el experimento con flujo continuo con un tiempo de
retención de 2-5 días.
En el tratamiento en condiciones de flujo por carga se observó una
remoción de 72,4 a 78,9% de la DBO5 , de un 43,2 a 56% de sólidos
suspendidos totales, un 67,4 a 76,5% para nitrógeno amoniacal y un 28,9
a 44,9% para el fósforo total.
Mientras que para el de flujo continuo las reducciones fueron de 44,4
a 67,9% para la DBO5, 41,4 a 70,4% para sólidos suspendidos totales,
18,0 a 65,3% para el nitrógeno amoniacal y de 12,2 a 40,5% para el
fósforo total, llegando a la conclusión que los humedales construidos son
una opción eficiente para el mejoramiento de la calidad del agua de
desecho salina.
Ji y col. (2007) evaluaron el tratamiento de agua de
producción de petróleo pesado en dos humedales construidos de 75 m de
6
longitud y 7,5 m de ancho y una profundidad de 0,25 m con un área
superficial total de 1687 m2, plantados con macrófitas.
Trabajaron con caudales de 18,75 y 37,5 m3/d, con una carga
orgánica de 13,3 y 26,7 mg/L y tiempos de retención de 15 y 7,5 días
para cada humedal respectivamente.
Obtuvieron una eficiencia en la remoción de la DQO, DBO, aceites, y
nitrógeno en el primer humedal de 80%, 88%, 93% 86% y de 71%, 77%,
92% y 81% y en el segundo, llegando a la conclusión que la utilización de
macrófitas (juncos) es factible para la remoción de contaminantes del
efluente.
Kanagy y col. (2007) probaron la hipótesis de que un sistema
de humedales construidos puede proveer un tratamiento efectivo para el
agua producida del almacenamiento de gas natural.
El sistema de humedales construidos consistió de tres depósitos de
alimentación, un separador de crudo-agua, un par de celdas de humedales
de agua salina en serie, una unidad de osmosis inversa y dos series de 4
celdas de humedales de agua dulce
Trabajaron con 4 aguas sintéticas (fresca, salobre, salina y salmuera),
representando el rango de concentración típica de contaminantes del agua
de producción.
Las remociones que encontraron con respecto a cada agua fueron del
25%; 39%; 99,6% y 99,6% para el cadmio, de no detectable, 89%;
98,8% y >99,9% para el cobre, de no detectable, 93,1%; 97,7% y 99,3%
para el plomo, de 96,3%; 40%; 99,2% y 99.8% para el cinc y de no
detectable 11,5%; 99,2% y 99,5% de cloruro.
Por lo que sugieren que el uso de humedales construidos provee una
flexible y efectiva propuesta para el tratamiento de aguas de producción
de almacenamiento de gas con un amplio rango de composiciones.
Hadad y col. (2006), evaluaron la factibilidad del tratamiento
con humedales construidos para el agua de desecho industrial que tenían
7
una alta conductividad y pH, además de una elevada concentración de Cr,
Ni y Zn.
Trabajaron con un tiempo de residencia de 7 días, la calidad del
efluente y el afluente lo analizaron cada 15 días y la concentración del Cr,
Ni, Zn y fósforo en las hojas, raíces y sedimento (en la entrada y la salida)
la midieron mensualmente.
Encontraron remociones de sólidos suspendidos totales de un 32%,
carbonato de 91%, sulfato de 35%, fósforo total de 70%, cromo de 82%,
níquel de 69%, Cinc de 55% y de DQO del 79%, comprobaron que los
humedales retienen nutrientes y contaminantes efectivamente.
1.2 Bases teóricas
1.2.1 Aguas de Producción (AP)
1.2.1.1 Origen
La producción de petróleo y gas está asociada a una producción
significativa de agua; conocida como agua de producción, agua de
formación, agua asociada al petróleo o efluente salino (Xia y col., 2002),
agua que se encuentra naturalmente en las rocas y está presente en ellas
inmediatamente antes de la perforación de un pozo. Puede originarse de
tres formas: una, a partir de las aguas que quedaron entrampadas en los
procesos de sedimentación de la roca; otras, tienen su origen en las aguas
que se infiltran a través de los afloramientos de rocas y, una tercera
forma de origen son las aguas que se generan a partir de la mezcla de
aguas infiltradas con las aguas residuales. (Contreras, 2002).
Esta agua generada tanto en procesos de exploración como de
producción de petróleo presenta un alto volumen, en el Occidente de
Venezuela sobrepasan los 305 mil barriles diarios (Behiling y col., 2005), y
un gran nivel de salinidad que depende del gradiente hidráulico,
8
profundidad, movilidad de los elementos químicos disueltos, materiales
solubles de las rocas y la magnitud del intercambio iónico (Contreras,
2002).
El agua de producción es un bioproducto de la producción de pozos de
crudo, la cual está en contacto con el crudo y es generalmente separada
del petróleo encima del suelo en un separador agua/crudo (Murray y col.,
2003).
1.2.1.2.- Composición del AP
El AP está compuesta de una mezcla compleja de materiales
orgánicos e inorgánicos cuya composición y contenido varía en función de
las características del reservorio, la localización (formación geológica), los
años del pozo, el tipo de crudo extraído y del método empleado para la
reconversión del crudo.
El agua puede contener petróleo disperso, hidrocarburo liviano,
metales, sales y una amplia variedad de otros orgánicos e inorgánicos
(Arnold y col., 2004)
Las cantidades relativas y distribución de pesos moleculares de los
compuestos orgánicos que naturalmente se encuentran en el AP varían
considerablemente de yacimiento a yacimiento. Una relación que se ha
estado estudiando ampliamente es la variabilidad de la fracción soluble y
el tipo de crudo; los fenoles por ejemplo están siendo determinados en
diferentes cantidades en dichas aguas.
Las AP también presentan iones que forman incrustaciones como
(CaCO3), calcio (Ca++), sodio (Na+), magnesio (Mg++), hierro (Fe++),
cloruro (Cl-), carbonatos (CO3-), bicarbonato (HCO3
-) y sulfatos (SO4-);
todos estos elementos totalizan la mayoría de los compuestos inorgánicos
en el AP (II Foro Nacional, 2006).
Usualmente se supone que los iones cloruros Cl-, SO4=, HCO3
- y CO3=,
conforman prácticamente el 99% o más de los radicales ácidos, ya que los
9
aniones (I-), (Br-) y (F-), entre otros, se presentan en pequeñas
cantidades en las aguas AP.
Así mismo se supone que los cationes Ca++, Na+ y Mg++, además, los
cationes (K++), (Fe++), (Sr++) y (Ba++) pueden presentarse en cantidades
considerables en el agua (Contreras, 2002).
La presencia de metales tóxicos tales como (Cd), (Cu), (Pb), (Mg), y
(Fe) se encuentran presentes en concentraciones que en algunos casos
son superiores a los niveles de permisibilidad establecidos para uso en
agricultura o industrial (Grudeva, 2001).
1.2.1.3 Usos del AP
El agua suele ser un mal necesario. Si bien al agua impulsa la
producción primaria e interviene en la producción secundaria el exceso del
agua produce un pasivo y un costo significativo para las compañías
productoras de petróleo y gas (Arnold y col., 2004)
Cuando el agua es separa del crudo una fracción del agua producida
es reciclada y utilizada para la producción adicional de crudo, mientras
que, la fracción de agua restante, debe ser tratada, dispuesta o reusada
para aumentar el agua superficial, recarga de agua subterránea e
irrigación de cosechas de alimentación o césped (Murray y col., 2003).
En los campos maduros (campos de bajas presiones), dado el
incremento del agua utilizable, los ingenieros y científicos están tratando
de descubrir formas de transformar este pasivo económico en un recurso
viable.
La disponibilidad sustancial de agua producida, sumada con la
necesidad de contar con alternativas de eliminación menos costosas
conduce a estudiar la reutilización del agua de producción para irrigación,
uso industrial y otras aplicaciones. Con un tratamiento adecuado el agua
producida podrá ser utilizada con diversos fines aliviando la presión
10
ofrecida sobre los sistemas de abastecimiento de agua dulce (Arnold y
col., 2004)
1.2.1.4 Tratamientos de las AP
Las instalaciones de superficie separan el agua del petróleo y la
procesan hasta lograr una especificación aceptable adecuada para
desecharla en el medio ambiente o para reinyectarla.
El agua se reinyecta con el propósito de eliminarla y para mantener la
presión del yacimiento. Todas las corrientes de agua de cada etapa del
proceso de separación se someten a un proceso de eliminación de los
restos de petróleo hasta lograr un nivel compatible con la descarga al
medio ambiente o a la formación receptora, que por lo general oscila entre
10 y 40 ppm. En la etapa de filtración se utiliza un filtro de 10 a 50
micrones para quitar los sólidos, lo cual hace que el agua sea más
compatible con la formación antes de la reinyección (Bailey y col., 2000)
Los tratamientos químicos incluyen quebradores de emulsión, biocidas,
polielectrolitos y secuestrantes de oxígeno que se agregan al agua para
condicionarla para la reinyección, además de inhibidores de corrosión y
químicos para combatir las incrustaciones minerales, que se adicionan
para proteger las tuberías y los equipamientos de fondo. Cuando el agua
se produce a altas tasas, los aditivos químicos constituyen hasta un 20%
de los costos de manejo del agua en la superficie. El equipamiento de
superficie y las instalaciones representan el 80% restante.
Por ejemplo, la separación centrífuga realizada por Framo Engineering—
tecnología derivada de las prácticas de bombeo multifásico—podría
proporcionar en el futuro inmediato una importante disminución de los
costos operativos y ahorros de capital, ya que permite reducir la cantidad
y el tamaño del equipamiento y los costos de la inyección de químicos
(Bailey y col., 2000)
11
El proceso para conversión del agua producida en agua para irrigación se
somete a un proceso de filtración previo para la eliminación de la arena y
las partículas más grandes, los hidrociclones y las unidades microfiltración
separan la mayor parte del petróleo disperso en el agua, mediante la
utilización de absorbentes en base de arcilla modificadas orgánicamente
se elimina el petróleo remanente, esta agua pasa luego por una unidad de
osmosis inversa, reduciendo sólidos disueltos totales, la corriente de
salmuera rechazada es eliminada por métodos convencionales tales como
el método de inyección en pozos de eliminación de residuos (Bailey y col.,
2000).
1.2.2 Humedales Naturales
1.2.2.1 Definición
Según Reed y col., (1995), un humedal puede definirse como una
tierra que se encuentra cubierta por el agua por un período
suficientemente largo del año para mantener el suelo en condiciones de
saturación, junto por supuesto con la vegetación correspondiente.
Por otro lado, Kadlec y Knight, (1996) plantean que el término
humedal incluye una amplia variedad de ecosistemas cuyo atributo mas
consistente es la presencia de agua durante una parte o todo el año,
resultando en la ausencia de especies que depende de condiciones
aeróbica en los suelos.
Según Sundaravadive y Vigneswaran, (2001) citado por Espinosa
(2006); un humedal es un ecosistema de transición entre uno terrestre y
uno acuático (Figura 1); tienen el suelo saturado de agua o inundado al
menos estacionalmente, pero esa condición puede ser permanente.
Según el convenio RAMSAR sobre humedales, son: “Extensiones de
marismas, pantanos o superficies cubiertas de agua, sean éstas de
régimen natural o artificial, permanentes o temporales, estancadas o
12
corrientes, dulces, salobres o saladas, incluidas las extensiones de agua
marina cuya profundidad en marea baja no exceda de seis metros”
(Ramsar Convention 1971, citado por Espinosa, 2007).
Figura 1.- Limites entre ecosistemas terrestres, humedales y
ecosistemas acuáticos.
Los humedales naturales son complejos mosaicos de láminas de
agua, vegetación sumergida, vegetación flotante, vegetación emergente y
zonas con nivel freático más o menos cercano a la superficie, en los que el
suelo se mantiene saturado de agua durante un largo periodo de tiempo
cada año.
En los humedales crecen vegetales, animales y microorganismos
especialmente adaptados a estas condiciones ambientales.
Estos seres vivos junto a procesos físicos y químicos, son capaces de
depurar el agua, eliminando grandes cantidades de materia orgánica,
sólidos, nitrógeno, fósforo y, en algunos casos productos químicos tóxicos;
Arbitrario Arbitrario Terrestre Acuático Humedal
Agua alta
Agua baja
Alto índice de agua
Bajo índice de agua
Tierra estacionalmente
saturada Tierra estacionalmente
inundada
13
por esta razón se le ha llamado a los humedales “los riñones del mundo”
(Lehora, 2006).
Los humedales se consideran como ecosistemas altamente
transformadores y acumuladores de materia orgánica; en particular, los
naturales son unos de los más importantes, debido a su especial condición
hidrológica y su función como ecotono entre sistemas terrestres y
acuáticos (Prado, 1997).
1.2.2.2 Clasificación de los humedales naturales
Según su importancia funcional se ha hecho una clasificación en la
que se distinguen dos categorías de humedales:
Natural diversidad genética, mantenimiento de hábitat,
regulador térmico, soporte de la cadena trófica, almacenamiento de
nutrientes, regulador de recarga y descarga de aguas subterráneas,
soporte de especies migratorias, zona de reproducción y zoo-criaderos de
ictiofauna, control de erosión, enriquecimiento de suelos, exportación de
biomasa.
Antrópica fuente de alimentación (pesca, caza, cosecha
silvestre), abastecimiento de maderas, investigación, educación
ambiental, recreación, navegación, materia prima industrial, turismo,
abastecimiento de agua potable, tratamiento de efluentes, riego, fuente
de combustible, aporte de fertilizantes y abonos (Prado, 1997).
Hay otro tipo de clasificación en el que se considera el conjunto de
plantas y animales asociados entre los cuales tenemos: (Espinosa, 2005)
Swamp son humedales dominados por árboles y arbustos
enraizados en el suelo hídrico, pero no en turbas. Se presentan en una
amplia variedad de condiciones hidrológicas y de nutrientes. Pueden
aparecer aislados alimentados por la lluvia, o como bosques aluviales
inundados anualmente por ríos y corrientes adyacentes.
14
Marsh son humedales dominados por plantas herbáceas
enraizadas en suelos hídricos, pero no en turbas, que usualmente
emergen a través del agua.
Bog humedales con acumulación de turbas que no tiene salida
ni entrada significativa de agua, soportada por musgos acidófilos,
dominados por Sphagnum.
Fen humedal con acumulación de poco espesor de turba,
donde predomina la vegetación herbácea, los cuales reciben algún aporte
del suelo mineral que los rodea. Con frecuencia se presenta un flujo de
agua considerable a través del espesor de turba acumulado.
A esta clasificación hay que añadir los humedales continentales y
marinos costeros, que pueden contener ecosistemas herbáceos y
ecosistemas leñosos o arbóreos, con suelos minerales u orgánicos,
temporal ó permanentemente inundados.
1.2.2.3 Funciones de un humedal natural
Los humedales son unos de los ecosistemas más productivos y tiene
una amplia gama de funciones naturales, no obstante presentan en la
actualidad una alta vulnerabilidad debido al inadecuado uso, y
deforestaciones a gran escala (Prado, 1997).
Una función ecológica puede ser definida como la capacidad de los
procesos y componentes naturales, de proveer bienes y servicios para
satisfacer las necesidades humanas.
Considerando esta definición tenemos 4 categorías: (Espinosa, 2005).
Función de regulación: Describe la capacidad del sistema de
regular procesos ecológicos esenciales y los sistemas que soportan la vida
sobre la tierra, por ejemplo la regulación de la concentración del CO2 y el
O2 en la atmósfera.
Función de transportador: Describe el espacio o el substrato
apropiado necesario para conducir las actividades humanas como vivir, la
15
agricultura y la recreación, por ejemplo: suelos y lluvia para el crecimiento
de los cultivos.
Función de producción: Describe los recursos brindados por la
naturaleza, incluyendo alimentos, materia prima para industrias y material
genético, por ejemplo la producción de agua para consumo humano y la
producción de maderas para construir viviendas.
Función de información: Describe el papel que juegan los
ecosistemas naturales en el desarrollo cognitivo, inspiración espiritual y
apreciación científica del mundo, por ejemplo los Parques Nacionales
(Espinosa, 2005).
1.2.2.4 Componentes del humedal natural
En la Figura 2 se muestran los componentes estructurales típicos de
los ecosistemas de humedales. Comenzando con los sedimentos o la roca
de fondo inalterados debajo de los humedales, estos componentes típicos
están: (IWA, 2000)
Estrato fundamental: Son los estratos orgánicos, minerales los
cuales son típicamente saturados con agua impermeable y están debajo
de la zona activa que arraiga la vegetación del humedal.
Suelos hídricos: Es la capa de suelo mineral a orgánico del
humedal el cual es frecuentemente saturado con agua y conteniendo las
raíces, los rizomas, tubérculos, túneles, madriguera y otras conexiones
activas al ambiente superficial.
Detritus: Es la acumulación del material orgánico vivo y
muerto en un humedal, el cual consiste del material de plantas
emergentes muertas, algas muertas, animales vivos y muertos (sobre
todo invertebrados) y los microbios (hongos y las bacterias).
Agua: Es el agua estancada la cual proporciona un hábitat
para los organismos acuáticos incluyendo peses y otros animales
vertebrados, especies de plantas subemergentes y flotantes que dependen
16
del agua para flotar y soportar las algas vivas y las poblaciones de
microbios.
Figura 2.- Componentes estructurales típicos del ecosistemas del
humedal
Vegetación emergente: Son especies de plantas vasculares,
enraizadas, hidrofílicas, las cuales contienen componentes estructurales
que emergen por encima de la superficie del agua, incluyendo las dos
especies de plantas herbácea y leñosas.
1.2.3.- Humedales Construidos
Se ha tratado de aprovechar este gran potencial depurador de los
humedales naturales para el tratamiento de aguas residuales, diseñando
instalaciones capaces de reproducir las características de los humedales .
Los humedales específicamente construidos con el propósito de
controlar la contaminación de las aguas han recibido una gran cantidad de
nombres en las distintas partes del mundo donde han sido usados; la
Agua
Planta viva
Vegetación muerta de
Vegetación emergente
Vegetación descompuesta
Tierra hídrica
Extracto subyacente
17
denominación más extendida es “humedales artificiales” o “humedales
construidos” (Lahora, 2006).
1.2.3.1.- Definición
Los humedales son sistemas pasivos de depuración construidos con
aguas poco profundas, normalmente de menos de un metro de
profundidad, con plantas propias de zonas húmedas, y en los que los
procesos de descontaminación se realizan simultáneamente por
componentes físicos, químicos y biológicos. Los humedales están
diseñados por potenciar la degradación de la materia orgánica con
mecanismos que se dan de forma espontánea en la naturaleza (CSIC
2007), también pueden ser utilizados para restaurar ecosistemas y
entonces la depuración puede ser un objetivo secundario (García y col.,
2002).
En depuración de aguas residuales, generalmente se consideran
humedales aquellos sistemas que usan macrófitos (plantas que se ven a
simple vista), en contra posición a los micrófitos (generalmente
microalgas), y por lo tanto los lagunajes no pueden ser considerados
humedales (Lahora 2006).
También lo definen como un sistema de bajo costo particularmente
aplicable para el tratamiento de aguas residuales en cantidades de baja-
media densidad de población. Los humedales construidos son sistemas
de depuración natural que se caracterizan por: su simplicidad de
operación, un bajo o nulo consumo energético, una baja producción de
residuos, un bajo impacto ambiental sonoro y una buena integración con
el medio ambiente rural (García y col., 2002)
Este tipo de humedales, son aquellos en los que el hombre elige en
áreas donde antes éstos no existían y que tienen como función
fundamental el tratamiento de las aguas residuales. De aquí que ellos se
incluyan entre los llamados sistemas naturales de tratamiento. En estos
18
sistemas los contaminantes presentes en las aguas residuales son
removidos por una serie de procesos físicos, químicos y biológicos que se
efectúan en el ambiente natural, entre estos procesos se encuentran la
sedimentación, la adsorción a las partículas del suelo, la asimilación por
las plantas y la transformación microbiana (Contreras 2007).
1.2.3.2 Elementos de un humedal construido
Los componentes principales del sistema que puede influenciar el
proceso del tratamiento en humedales incluyen las plantas, el detritus, los
suelos, las bacterias, los protozoos, y los animales superiores. Sus
funciones y el funcionamiento del sistema alternadamente están
influenciados por profundidad del agua, temperatura, el pH, y la
concentración de oxígeno disuelto (Reed y col., 1995)
Plantas
Las macrófitas acuáticas emergentes son las especies más
comúnmente encontradas en los humedales construidos usados para el
tratamiento de aguas residuales. Las más frecuentemente utilizadas son:
las emergentes (eneas, espadañas, cañas, juncos, juncias, entre otras),
sumergidas (microalgas) y flotantes (la lemna sp o lenteja de agua, lirio
de agua, entre otras) (Reed y col., 1995).
Muchos de estos humedales construidos se han plantado con
monocultivo o en la mayoría con dos o tres especies de plantas como una
planta floreciente atractiva (Canna l¡ly, lirio, entre otros.) por razones
estéticas, pero estas plantas tienen tejidos finos suaves que se
descompone rápidamente cuando la porción emergente muere y cae, la
rápida descomposición da lugar a un aumento en la cantidad de DBO y del
nitrógeno sobrante del sistema de humedales.
19
En algunos casos se empleo el sistema de cosecha anual para retirar
estas plantas antes de la muerte. En la mayoría de los casos, los
problemas han sido evitados totalmente substituyendo estas plantas por
plantas más resistentes como: cañas, juncos o eneas, que no requieren
una cosecha anual. El uso de estas especies florecientes de tejido suave
fino no es recomendable para los sistemas futuros, excepto posiblemente
como frontera del sistema (Reed y col., 1995).
La presencia de las plantas en los sistemas de humedales es esencial,
el sistema de raíces es la fuente principal del oxígeno, y la presencia física
de las hojas, los tallos, las raíces, los rizomas, y detritus regulan el flujo
del agua y proporcionan numerosas oportunidades de contacto entre el
agua que fluye y la comunidad biológica. Estas piezas sumergidas de la
planta proporcionan el substrato para el desarrollo y soporte de los
microorganismos, que son responsables de mucho de los tratamientos.
Los tallos y las hojas sobre la superficie del agua en el humedal de
flujo superficial libre, proporcionan una cúpula que sombrea y limita la
penetración de la luz del sol y controlando el crecimiento de las algas. Las
partes expuestas de la planta que mueren cuando caen en la superficie,
reducen los efectos térmicos del viento y las pérdidas de calor (Reed y
col., 1995).
Las especies de plantas emergentes tienen la capacidad de absorber
el oxígeno y otros gases necesarios de la atmósfera a través de sus hojas
y tallos que se encuentran por encima de la superficie de agua, tienen
vasos que conducen esos gases a las raíces, así que las raíces son
mantenidas aeróbicamente en un ambiente anaerobio.
Las pérdidas de agua debido a evapotranspiración se deben
considerar para los diseños del humedal en climas áridos. Las pérdidas de
agua evaporadas disminuyen el volumen del agua en el sistema, y por lo
tanto la concentración de los agentes contaminadores restantes en el
sistema tiende para aumentar aunque el tratamiento es muy eficaz sobre
una base de masa removida. Para el propósito del diseño, la tasa de
20
evapotranspiración se puede tomar como el 80% de la tasa de la
evaporación del área del humedal.
Suelo o soporte
En humedales naturales los alimentos requeridos para el crecimiento
vegetal son obtenidos del suelo por las plantas acuáticas emergentes. El
tratamiento en estos casos es proporcionado por los organismos
microbianos unidos a las raíces, los rizomas, y a las superficies del medio.
La trayectoria principal del flujo en los humedales de flujo superficial libre
está sobre la superficie del suelo, y la actividad microbiana más activa
ocurre en las superficies de la capa detrítica y en las piezas sumergidas de
la planta. (Reed y col., 1995).
El suelo con un cierto contenido de la arcilla o los medios granulares
que contienen algunos minerales de arcilla puede ser muy eficaz para la
remoción del fósforo, también tienen cierta capacidad de intercambio
iónico, esta capacidad del intercambio de ion puede contribuir, por lo
menos temporalmente, a la remoción del amonio (NH4+) que existe en
aguas residuales en forma iónica, capacidad que se agota rápidamente en
la mayoría de los humedales de flujo subsuperficial y de flujo superficial
libre; puesto que las superficies de contacto están continuamente debajo
de agua y continuamente anaerobio. (Reed y col., 1995).
Los suelos de los humedales tienen una alta eficacia de interceptar
una variedad de componentes químicos; ellos son conservados dentro de
la matriz hidratada del suelo por las fuerzas que se extienden de la
vinculación química a la disolución física dentro del agua de la hidratación.
Una porción significativa del atascamiento del producto químico es el
intercambio catiónico, que es el reemplazo de un ión cargado
positivamente, unido al suelo o al sedimento, con otro ion cargado
positivamente. Las sustancias humicas encontradas en los humedales
21
contienen una gran cantidad de oxidrilos y grupos funcionales carboxilicos,
que son hidrofílicos y sirven como sitios cationicos. (Reed y col., 1995).
Los humedales son ambientes ideales para las transformaciones
químicas debido a la gama de la oxidación que ocurren naturalmente en
suelos de los humedales. El oxígeno libre disminuye rápidamente con la
profundidad en la mayoría de los suelos inundados debido al metabolismo
de los microorganismos que consumen la materia orgánica en el suelo y
con la oxidación química de sustancias reducidas. Los sistemas de
humedales mantienen una amplia gama de reacciones redox que los
suelos de la altiplanicie, y su función más importante pueden ser como
transformadores químicos. Posteriormente, los microorganismos
anaerobios utilizan una variedad de sustancias para sustituir el oxígeno
como el aceptador final del electrón durante la respiración. Esta
transferencia del electrón causa cambios significativos en el estado de la
valencia de la especie química usada y de la reducción total del suelo.
Las poblaciones microbianas del suelo de los procesos tienen
influencia significativa en la química de la mayoría de los suelos de los
humedales. Las transformaciones importantes del nitrógeno, del hierro,
del sulfuro y del carbón resultan de procesos microbianos. Estos procesos
microbianos son afectados típicamente por las concentraciones de reactivo
así como el potencial redox y el pH del suelo
Agua
Las condiciones hidrológicas también influencian los suelos y los
nutrientes, que alternadamente afectan el carácter de la biota. Los flujos y
el volumen de almacenaje determinan el tiempo que el agua pasa en el
humedal, y así la oportunidad para las interacciones entre las sustancias
flotantes y el ecosistema del humedal.
Los atributos más consistentes de un humedal es la presencia del
agua durante todo o algún período anual de tiempo; los humedales son
22
las áreas en las cuales el suelo esta saturado con agua o en las qué el
agua poca profunda resulta en ausencia de especies de la plantas que
dependen de condiciones aerobias del suelo. Los humedales son
dominados por especies de plantas que se adaptan al crecimiento en
suelos estacional o continuamente inundados dando como resultado las
condiciones anaerobias o con bajo oxígeno. Los humedales pueden ser
distinguidos de las altiplanicies por la tendencia a seguir inundados o
saturado por menos de 7-30 días cada año, se pueden calificar como
sistemas acuáticos que se inundan a una profundidad en la cual, las
plantas emergentes, arraigadas no pueden sobrevivir.
Organismos
En cualquier humedal, la complejidad ecológica de nutrientes que
requieren los microorganismos heterotróficos y autótrofos, para que
funcione todo este complejo mecanismo de transformaciones de energía,
son proporcionados por el agua residual (afluente), la cual provee energía
almacenada en moléculas orgánicas. La actividad microbiana es
particularmente importante en las transformaciones del nitrógeno en
varias formas biológicas utilizables. El fósforo que es tomado por las
plantas es dependiente en parte de la actividad microbiana, las cuales
convierten las formas insolubles en formas solubles disponibles para el
metabolismo de la planta (Groudeva 2001)
Bacterias, levaduras, hongos, y protozoarios consumen gran parte del
carbono orgánico y muchos nutrientes producto del crecimiento
microbiano.
La actividad microbiana permite:
1. Transformar un gran diversidad de sustancias orgánicas e
inorgánicas
2. Alterar las condiciones de potencial redox del substrato y así afecta
la capacidad de proceso del humedal.
23
3. El reciclaje de nutrientes.
Algunas transformaciones microbianas son aeróbicas (es decir,
requieren oxigeno libre) mientras otras son anaeróbicas (tienen lugar en
ausencia de oxígeno libre). Muchas especies bacterianas son facultativas,
es decir, son capaces de funcionar bajo condiciones aeróbicas y
anaeróbicas en respuesta a los cambios en las condiciones
medioambientales.
Las poblaciones microbianas se ajustan a los cambios en el agua que
les llega y se pueden extender rápidamente cuando se tiene la suficiente
energía. Cuando las condiciones medioambientales no son convenientes,
muchos microorganismos pueden permanecer inactivos durante años.
1.2.3.3 Tipos de humedales construidos
Los humedales construidos se han clasificado tradicionalmente en dos
tipologías atendiendo de si la circulación del agua es de tipo subterránea o
superficial:
Humedales de Flujo Superficial Libre (HFSL)
En este tipo, el agua está completamente expuesta a la atmósfera y
circula preferentemente a través de los tallos de las macrófitas.
Se puede entender como una modificación del lagunaje convencional
con menor profundidad (no más de 0.4 m) y con plantas, se suelen utilizar
como tratamiento adicional a efluentes previamente tratados en
depuradoras de tipo convencional. Pertenecen a los sistemas de
depuración basados en la acción de mecanismos que suceden en el agua
(CSIC, 2007).
Se caracterizan por requerir un área extensa, por ser efectivos, no
requieren la atención de personal adiestrado, pocos equipos mecánicos y
eléctricos.
24
Remueven de manera confiable la DBO, la DQO y los sólidos
suspendidos totales, produce bajas concentraciones de nitrógeno y fósforo
con tiempos de retención suficientemente largos, los metales también son
removidos eficazmente (EPA, 2000).
Algunas de sus ventajas son:
Proporcionan tratamiento efectivo en forma pasiva y minimiza
la necesidad de equipos mecánicos, electricidad y monitoreo por parte de
operadores adiestrados.
Pueden ser menos costosos de construir, operar y mantener
que los procesos mecánicos de tratamiento.
La operación a nivel de tratamiento secundario y terciario es
posible durante todo el año.
Proporcionan un adición valiosa al “espacio verde” de la
comunidad e incluye la incorporación de habitad de vida silvestre y
oportunidades para la recreación.
No producen biosólidos ni lodos residuales que requieran
tratamiento subsiguiente y disposición.
Algunas de sus desventajas son:
La necesidad de un terreno amplio.
La mayoría del agua en contenida en los humedales artificiales
de flujo superficial libre es esencialmente anóxica, limitando el potencial
de nitrificación rápida del amoniaco.
Los mosquitos y otros vectores de enfermedad pueden ser un
problema.(EPA, 2000)
Humedales de flujo Subsuperficial (HFS)
Es aquel en la que el agua circula de forma subterránea a través de
un medio granular ( con una profundidad de la lamina de agua de
alrededor de 0,6) y en contacto con raíces y rizomas de las macrófitas.
Este tipo podría entenderse como una modificación de los sistemas
25
clásicos de infiltración en el terreno, ósea forma parte de los sistemas
naturales de depuración basados en la acción del terreno (García, 2002).
1.2.3.4.- Aplicaciones de los humedales construidos
Entre las posibles aplicaciones de los humedales construidos
tenemos: agua de desechos domesticos, agua de desechos municipales,
agua de desecho industrial y comercial, agua de lluvia, drenaje de minas,
agricultura, entre otras.
Agua de desecho municipal y domésticas
En cuanto a su aplicación en el tratamiento de aguas domésticas es la
aplicación más conocida y puede estar destinada a la obtención de
efluentes secundarios o terciarios.
Aguas industriales (minas, alimento, petroquímica, pulpa y
papel, lixiviados)
En la mayoría de los casos se utilizan como una etapa posterior al
tratamiento convencional aplicado.
En el caso de las aguas de minería se suelen utilizar humedales del
tipo superficial ya estas pueden tener un alto contenido de materia en
suspensión o pueden haber muchos precipitados.
Agricultura (escorrenterias agrícolas y urbanas, agua de
desecho de animales)
La más conocida es el tratamiento de aguas de escorrentías urbanas
mezcladas con aguas residuales en redes de saneamiento unitarias
durante episodios de lluvia intensa; cuando esto sucede el agua que fluye
26
a la depuradora se desvía circulando hasta un humedal donde se trata
(Contreras, 2006)
1.2.3.5.- Ventajas y Desventajas de los humedales construidos
En cuanto a sus ventajas respecto a otros sistemas convencionales
tenemos:
Simplicidad de operación: requiere un tiempo bajo de
operación y pocos equipos electromecánicos.
Consumo energético poco o nulo: en general limitado al
pretratamiento o elevaciones.
Baja producción de residuos durante la operación del sistema:
los residuos y fangos se suelen limitar a los generados por el
pretratamiento y el tratamiento primario.
Bajo costo de explotación y mantenimiento en la operación del
sistema.
Fiabilidad en la operación del sistema de tratamiento: son
sistemas con tiempo de permanencia hidráulico muy altos con lo que
variaciones puntuales d caudal o carga contaminante afectan poco el nivel
de depuración.
Bajo impacto ambiental sonoro y buena integración en el
medio ambiente natural.
En cuanto a los inconvenientes tenemos:
Requieren una superficie netamente superior
Costo de construcción igual o superior si se debe adquirir el
terreno donde se va a realizar la obra
Larga puesta en marcha
Difíciles de diseñar debido al gran número de procesos y
mecanismos implicados en la eliminación de los contaminantes
Pocos o ningún factor de control durante la operación. (EPA,
2000)
27
1.2.3.6.- Mecanismos de remoción de los humedales construidos
Los humedales construidos pueden reducir significativamente la
materia orgánica expresada en términos de Demanda Bioquímica de
Oxígeno (DQO) y Sólidos Suspendidos Totales (SST), los nutrientes (N y
P), además de patógenos y metales pesados. Los mecanismos básicos del
tratamiento incluyen sedimentación, precipitación química, adsorción, e
interacción microbiana (biodegradación) de DBO, SST, y nutrientes (N y
F), así como absorción por la vegetación presente (Espinosa, 2005)
Materia Orgánica (Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO))
La remoción de materia orgánica sedimentable es muy rápida en los
sistemas de humedales construidos de flujo superficial libre (HFSL) debido
a las condiciones favorables para la sedimentación en estos sistemas
(aguas con muy poca o ninguna turbulencia) y a los procesos de filtración.
En HFSL la remoción de la DBO soluble se debe principalmente a
biodegradación por parte de microorganismos suspendidos y adheridos en
forma de biopeliculas en los tallos, hojas, restos vegetales y en la
superficie del suelo o del medio de soporte. La mayor fuente de oxígeno
para la biodegradación aerobia, es la transferencia de oxígeno a nivel de
la superficie del agua, ya que el aporte de oxígeno de las algas en estos
sistemas es mínimo.
La principal fuente de oxígeno de los componentes subsuperficiales de
los humedales construidos (suelo. grava, piedra u otro medio) son los
gases transmitidos por la vegetación en la zona radicular. En el caso de
humedales de flujo subsuperficial (HFS), la reaireación desde la atmósfera
en la superficie de agua es despreciable.
Nutrientes
28
a. Remoción de nitrógeno
Es un elemento clave en el ciclo bioquímico de los humedales. En las
aguas residuales municipales y en los humedales está presente en
diferentes estados de oxidación, como resultado de numerosos procesos
biológicos y físico-químicos que los transforman (Espinosa, 2005)
En humedales construidos el nitrógeno es removido principalmente
por una secuencia de procesos de amonificación, nitrificación y
desnitrificación.
Otros mecanismos de remoción son la absorción por las plantas y la
volatilización. En humedales construidos la remoción de nitrógeno varía en
un rango de 25 a 85 por ciento (Ji y col., 2007)
b. Remoción de fósforo
Los humedales naturales y los construidos son capaces de absorber
cargas de fósforo que ingresan en las aguas residuales y en apropiadas
circunstancias pueden constituirse en alternativas a bajo costo de
tratamiento biológico y químico. El fósforo interactúa activamente en el
suelo y la biota de los humedales, garantizándose así el almacenamiento
de estos nutrientes a corto y largo plazo.
En HFSL la capacidad de fijación del suelo provee inicialmente la
capacidad de remoción, y como en el caso anterior, esta capacidad se
puede perder en el tiempo. Las condiciones antecedentes de contenido de
fósforo un el suelo, pueden producir liberación de P incluso en la etapa
inicial de operación del humedal (Espinosa, 2005).
Metales
29
Algunos metales son requeridos en pequeñas cantidades (trazas) por
las plantas y animales para su crecimiento: bario, belirio, boro, cromo,
cobalto, cobít, hierro, magnesio, manganeso, molibdeno, níquel, selenio,
azufre y zinc. Esos mismos metales en altas concentraciones pueden ser
tóxicos. Otros metales como arsénico, cadmio; plomo, mercurio y plata,
no tienen una función biológica conocida, pudiendo ser tóxicos aún en
bajas concentraciones. Los mecanismos de remoción predominantes en
los humedales son la adsorción y la precipitación.
La adsorción implica la unión de partículas o sustancias disueltas en
solución las cuales se asientan sobre superficies, quedando allí retenidas.
En una reacción de intercambio catiónico, un ión metálico en solución
cargado positivamente se enlaza sobre la superficie del material de
adsorción en un sitio cargado negativamente. La capacidad de
Intercambio Catiónico (CIC) de un material es una medida del número de
sitios de enlace por masa ó volumen. Las propiedades de intercambio
cationico de las plantas en los humedales, se le atribuye a los grupos
funcionales (-COOH) contenidos en los ácidos húmicos del tejido celular
vegetal. La CIC en las plantas ha demostrado ser la misma si la planta
está viva o muerta. Los sedimentos y los suelos de los humedales también
tienen altos valores de CIC. La adsorción de metales sobre las superficies
de los suelos puede ser significativa en humedales construidos.
La precipitación está asociada a procesos microbianos intermedios.
En un humedal se pueden desarrollar y constituir zonas óxicas y anóxicas.
La presencia de bacterias oxidantes de metales en zonas óxicas y de
bacterias reductoras de sulfatos en zonas anóxicas, son las causas de la
precipitación de óxidos metálicos y sulfatos respectivamente (Espinosa,
2005).
Patógenos
30
Las aguas residuales domésticas y municipales contienen patógenos
humanos, los cuales pueden sobrevivir al tratamiento primario y
secundario e ingresar a los humedales construidos. Estos incluyen
bacterias, virus, protozoarios y helmintos. Además en los humedales han
sido estudiados los estreptococos fecales, la Salmonella, Yersinia,
Pseudomonas y el Closiridium. Estos microorganismos entéricos humanos
comúnmente decrecen en número a su paso, por los humedales,
incluyendo los virus (Espinosa, 2005).
Sólidos suspendidos totales
La remoción de sólidos suspendidos es muy eficiente tanto en los
humedales de flujo superficial libre (HFSL) como en los de flujo
subsuperficial (HFS). En los HFSL gran parte de la remoción se alcanza en
los primeros metros a partir de la estructura de entrada, debido a las
propicias condiciones para la sedimentación que se presentan. Un buena
distribución del flujo en la entrada asegura bajas velocidades para la
remoción de sólidos. Las partículas suspendidas que ingresan en el flujo
tienen suficiente tiempo de retención en los humedales para sedimentar y
ser atrapadas por la hojarasca del fondo ó por las zonas muertas.
La combinación de estos procesos de remoción es llamada “filtración”.
El metano que se produce por procesos anaerobios en el fondo y logra
escapar libre por la columna de agua, puede causar flotación en partículas
en proceso de sedimentación. Resuspensión de partículas y sólidos por
fuerzas de corte generadas por el flujo no es usualmente un proceso
importante, excepto en la vecindad de las estructuras de salida, debido a
las bajas velocidades que normalmente predominan en los humedales.
Altas cargas de SST ingresando a los HFSL podrían causar el
incremento del nivel del fondo del humedal y la formación de lodos,
especialmente en las zonas cercanas a la entrada. En estos casos se
31
recomienda hacer una sedimentación previa al agua que ingresa al
humedal.
En la tabla 1 se presenta el resumen de los principales mecanismos
de remoción y transformación en humedales construidos en aguas
residuales municipales. ( Espinosa, 2005)
Tabla 1. Resumen de los mecanismos de remoción en el humedal de
flujo superficial libre
Contaminante
Compuestos orgánicos
biodegradables
Biodegradación por bacterias aerobias,
facultativas y anaerobias de DBO soluble,
adsorción, filtración y sedimentación de la
DBO particulada
Sólidos suspendidos Sedimentación filtración
Nitrógeno Amonificación seguida de
nitrificación/desnitrificación, asimilación
vegetal, volatilización
Fósforo Sedimentación, asimilación vegetal.
Metales pesados Adsorción de las plantas y detritos de la
superficie, sedimentación, asimilación
vegetal.
Organismos patógenos Muerte progresiva, prelación, irradiación
UV, sedimentación, excreción de
antibióticos por parte e las raíces
Fuente: Espinosa, 2005
1.2.3.7 Diseño de humedales construidos, (Espinosa, 2005).
Todos los sistemas de humedales construidos pueden considerarse
como reactores biológicos de biomasa adherida y su desempeño puede ser
modelado mediante una cinética de primer orden de un reactor de flujo de
pistón. Las ecuaciones que se desarrollarán a continuación representan
32
una aproximación razonable y conservadora para estimar los parámetros
de diseño, tanto para HFSL como en HFS. Por lo tanto, la construcción y
operación de plantas piloto es indispensable para proyectos a gran escala.
Humedales de Flujo superficial Libre (HFSL)
La remoción de la DBO en un reactor de pistón, un humedal
construido en este caso, puede ser descrita a través de un modelo con
cinética de primer orden:
( )TKCC te *exp*0 −= (1)
donde:
Ce: DBO efluente, mg/l.
C0: DBO que ingresa, mg/l.
Kt : Constante de reacción de primer orden, dependiente de la
temperatura, d-1
T: Tiempo hidráulico de residencia teórico, d.
El tiempo hidráulico de residencia teórico, puede calcularse como:
Q
HWLT **= (2)
donde:
L : es la longitud del sistema, m.
W : ancho del sistema, m.
H: profundidad de agua en el sistema, m.
Q : caudal medio (Qo+ Qe)/2 , m3/d,
En HFSL, una parte del volumen del sistema está ocupado por
vegetación. El tiempo hidráulico de residencia teórico (T) puede entonces
expresarse en función de la porosidad (N), así:
VV
N ν= (3)
donde Vν es el volumen ocupado por la vegetación en m3 y V es el
volumen total del sistema en m3.
33
El producto HN, es en efecto, la profundidad equivalente de flujo en el
sistema sin vegetación. Entonces el tiempo hidráulico de residencia teórico
T puede calcularse como:
Q
HNWLT **= (4)
Reed et al. (1988) desarrolló el siguiente modelo general para el
diseño de HFSL, combinado las ecuaciones 2 y 3 con la 1
( )
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡−=
QNHWLAK
ACC te *****7.0
exp*75.1
0
ν (5)
Aquí:
Ce: DBO efluente, mg/l.
C0: DBO que ingresa, mg/l.
A: fracción de la DBO no removida como sólidos sedimentables en los
primeros metros del sistema (se expresa como una fracción decimal).
Kt: Constante de reacción de primer orden, dependiente de la
temperatura en d-1.
AV: área superficial específica de actividad microbiana, m2/m3.
L: longitud del sistema paralela a la dirección del flujo, m.
W: ancho del sistema, m.
H: profundidad de diseño del sistema, m.
N: porosidad del sistema (es una fracción decimal).
Q: caudal medio = (Qo + Qe)/2 , m3/d.
La constante de reacción Kt (en d-1) a una temperatura t (en grados
centígrado), se cacula como:
( ) 2020 1.1* −= t
t KK (6)
donde K20 es la constante de reacción a 20 0C. Otros coeficientes de
la ecuación 20 pueden ser estimados como:
A = 0,52
K20=0,057d-1
AV= l5,7m2/m3.
N=0,75
34
Cuando la pendiente del gradiente hidráulico (S) es mayor que 0,01(1
%), es necesario ajustar el modelo de diseño de acuerdo a:
( )
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡−=
QS
HnWLAKA
CC te
**63.4
*****7.0exp*
31
75.1
0
ν (7)
La Tabla 2 resume los criterios de diseño para HFSL. Es importante
puntualizar que para considerar el modelo con flujo de pistón es necesario
que la relación L/W sea al menos 10/1.
Sustituyendo los criterios dados en la Tabla 2 en las ecuaciones 5 y 7,
reordenando términos y despejando el tiempo de retención y el área
superficial requerida se obtienen las siguientes ecuaciones de diseño para
HFSL:
Para el tiempo hidráulico de residencia:
( )
t
e
KCC
T*65
6539.0lnln 0 −−= (8)
Para pendientes del gradiente hidráulico (S) mayores al 1% (>0,01)
( )
31
0
**301
6539.0lnln
SK
CCT
t
e −−= (9)
El área superficial estará dada por:
( )HK
CCQA
t
e
**656539.0lnln
* 0 −−= (10)
Si la pendiente del gradiente hidráulico (S) es mayor que 1% (>
0,01):
( )
HSK
CCQA
t
e
***301
6539.0lnln*
31
0 −−= (11)
35
Tabla 2. Criterios para el diseño de un humedal de flujo superficial
libre.
Párametros Criterios
Carga orgánica, Kg DBO/ha.d menor de 112
Tiempo de residencia, d 3 a 15
Superficie especifica de la biomasa
adherida, m2/m3 15.7
Porosidad en el humedal 0.75
Relación largo / ancho mayores o iguales de 10:1
Profundidad del agua en el
humedal, cm
En meses calientes
Meses fríos
Menor de 10
Menor de 45
Fuente: Espinosa, 2005
CAPÍTULO II
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
2.1 Área de estudio
Los humedales de flujo superficial libre (HFSL) fueron ubicados en el
Centro de Investigaciones del Agua (CIA) de la Universidad del Zulia
(LUZ).
El sistema de HFSL a escala piloto consistió en dos bandejas con
plantas acuáticas vasculares emergentes (HFSL I y HFSL II) y una sin
planta (control) con las siguientes dimensiones: 1,728 m2 de área
superficial total, cada una constó de 1,28 m de largo por 0,45 m de
ancho con una profundidad de 0,25 m.
Las paredes y fondo de las bandejas estaban cubiertas con bolsas
negras para evitar la entrada de la luz al interior, simulando la oscuridad
de la fosa en el terreno, todas fueron puestas en marcha al mismo
tiempo, con un caudal de 8 mL/min, un tiempo de retención de 7 días y
una carga orgánica aproximada de 23,49 g/m2d.
2.1.1 El soporte
Las bandejas fueron provistas de un volumen de 0,144 m3 de suelo y
grava como material de soporte cuya características fisicoquímicas se
presentan en la Tabla 3, el suelo utilizado fue obtenido de la planicie de
Maracaibo, presentó un 75% de arena, 17,50% de limo y 7,50% de arcilla
con una textura franco arenoso y la grava se obtuvo de una casa
comercial.
2.1.2 El afluente
El agua utilizada para esta investigación fue colectada de la tubería de
la entrada del clarificador del patio de tanques de Ulé, ubicado en el
distrito Tía Juana (Figura 3), que produce 305 mil barriles de aguas de
37
producción diarios (MBAD) provenientes de las segregaciones Tía Juana
Mediano (TJM), Tía Juana Liviano (TJL), Urdaneta (UD) y las deshidratadas
en los patios de Punta Gorda Rosa Mediano (RM), Shell Ulé, F-6/H-7 y
Terminal Lacustre La Salina (TLLS). Las muestras de aguas de producción
fueron recolectadas durante el período comprendido entre Enero y Mayo
2007.
Figura 3. Ubicación del patio de tanques de ULË (Tía Juana) Maracaibo, Venezuela.
Estas muestras fueron transportadas al laboratorio de Biotecnología
Ambiental del CIA, en envases plásticos de 22 L de capacidad, donde
fueron refrigeradas (4°C) hasta el momento de su utilización. Para
compensar la demanda de efluente requerido para los ensayos
experimentales, debida a la operación a flujo continuo del sistema de
HFSL, se realizaron muestreos cada 7 días.
La alimentación del afluente a los sistemas de HFSL se realizó desde
un tanque de 520 litros de capacidad a través de un sistema de tuberías,
el flujo se controló por medio de válvulas para asegurar el caudal
adecuado para el cumplimiento del tiempo de retención hidráulico y
reponer el volumen perdido por la evaporación, a la salida se coloco un
sistema de tuberías para la recolección del agua ya tratada.
38
2.1.3 Las plantas
Las especies de plantas utilizadas en el estudio fueron recolectadas de
las áreas adyacentes al Patio de Tanques de Ulé y de las cañadas cercanas
a la zona universitaria, se sembraron en unas fosas de 4m2 para su
reproducción, separadas cada especie por una malla divisoria y regadas
con agua potable, para contar con el número de individuos o rizomas
necesarios para el estudio, llevándose luego a las bandejas y colocándolas
en filas, dejando aproximadamente 25 cm de separación entre los
rizomas.
Las especies de plantas que se colocaron en el humedal de flujo
superficial libre I (HFSL I) fueron la Cyperus luzulae y Cyperus ligularis L.
y en el humedal de flujo superficial libre II (HFSL II) las especies Typha
domiguensis, Cyperus Feraz L.C. y Paspalum sp.
La Figura 4 es un diagrama esquemático del sistema utilizado en el
estudio.
2.1.4 Etapas del estudio
El estudio se dividió en tres etapas: la primera de reproducción y
evaluación de la evapotranspiración de las plantas, la segunda de
adaptación (aplicación de dosis de 40:60 y 60:40, AP:agua potable) y la
tercera del tratamiento (aplicación de 100% AP).
La primera etapa tuvo una duración de un mes, la cual consistió en la
búsqueda de las plantas y reproducción de las mismas, adicionalmente se
evaluó las perdidas de agua por evaporación y evapotranspiración, por
medio de un ensayo que consistió en colocar un HFSL con en un nivel de
líquido conocido, y agregar diariamente la cantidad de líquido necesario
para llevarlo nuevamente al nivel de agua inicial fijada y ver que cantidad
de líquido que se evaporaba de la bandeja.
39
40
Durante la segunda etapa (adaptación) se trabajó con mezclas de
agua en proporciones de 40:60 y 60:40 AP–agua potable, este periodo
tuvo una duración de 15 días, con el propósito de ir adaptando a las
plantas al 100% AP, con una frecuencia de muestreo de tres veces por
semana, para evaluar los parámetros de interés (DQO, fenoles, sólidos
totales y volátiles, hidrocarburos, sulfuros, metales entre otros) y ver su
variación, los ensayos se realizaron por triplicado
La tercera etapa (aplicación de 100% AP) tuvo una duración de tres
meses, las muestras del agua tratada de cada humedal, del control y de la
entrada fueron tomadas tres veces por semana en frascos ámbar de 50 ml
para determinar la concentración de hidrocarburos, en botella de vidrio
transparentes de 150 ml para la determinación de sulfuro y en recipiente
de polietileno de 1 litro para el análisis del resto de los parámetros, los
ensayos se hicieron por triplicado.
El muestreo de las plantas consistió en tomar cuatro plantas al azar al
inicio y al final del tratamiento, se cuantifico el número de hojas, el peso
del tallo y raíz, también se midió la concentración de metales (cobre,
níquel, cromo, plomo, zinc y sodio), nitrógeno total y fósforo total.
Se analizó el material de soporte del humedal para lo cual se tomó
una muestra del soporte (suelo y grava) antes y después del tratamiento,
la cual fue homogeneizada mediante la técnica del cuarteo para garantizar
la reproducibilidad de los resultados, avaluándole los siguientes
parámetros: metales (cobre, níquel, cromo, plomo, zinc y sodio), pH,
nitrógeno total, materia orgánica y fósforo total,
La eficiencia del tratamiento fue determinada por los siguientes
parámetros: pH y alcalinidad, DQO, SST y SSV, hidrocarburos, sulfuros,
fenoles, metales (cobre, níquel, cromo, plomo, sodio y zinc), fósforo total,
nitrógeno total, cloruros y las variables fonológicas de las plantas.
41
2.2. Determinación de parámetros.
2.2.1 pH y alcalinidad
Medir 50 ml de la muestra previamente agitada, colocarla en una
fiola de 125 ml, introducir el electrodo del pHmetro, marca Orion
Reserarch Digital pH/millivolt meter 611, adicionar ácido sulfúrico 0.02 N
gota a gota desde la bureta, agitando la muestra constantemente hasta
llevar el pH a 4.30, anotar el volumen del ácido gastado en la titulación, la
concentración de la alcalinidad se determinó por la ecuación Nº12.
(Stándar methods, 1998)
mlmuestra1000x CaCOPx SONHx 3eq42 )(
3doácidogastavol
LmgCaCOdAlcalinida =⎟
⎠⎞⎜
⎝⎛ (12)
Vol. de ácido: Volumen de ácido gastado
N H2SO4 = 0.02 N
Peq. CaCO3 = 50
mL Muestra = 50
2.2.2 Demanda Química de Oxigeno (DQO) (Método Digestión
Cerrada, Soluble)
Se prepararon tres tubos con 4,5 ml de la solución digestota (1,5 ml
de K2CrO7 y 3 ml de ácido sulfúrico-sulfato de plata) con 2 ml de muestra
previamente filtrada. Tapar el tubo y mezclar lentamente.
Se prepararon tres tubos como blanco usando las cantidades
mencionadas de reactivos y como muestra 2 ml de agua destilada.
Se colocaron los tubos en un bloque de digestión, marca Hach
precalentado a 150ºC, para someterlos a reflujo durante 2 horas, se dejó
42
enfriar a temperatura ambiente, leer la absorbancia a 600 nm en el
espectrofotómetro Hach DR/2000, calcular la concentración con la
ecuación Nº13. (Stándar methods, 1998).
( ) 884,55135,3204*. −=⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ absLmgDQO (13)
2.2.3 Sólidos (Método Gravimétrico)
2.2.3.1 Sólidos suspendidos totales (SST)
Se colocó el papel de filtro (fibra de vidrio) junto con la cápsula a
500 ± 50 ºC en una mufla, marca thermolype Sybron Type 48000,
memmert, durante una hora, pasado este tiempo se sacó y se colocó en
un desecador hasta peso constante luego se pesó en una balanza
cientifica marca Metter Toledo Al 204, y este peso corresponde al peso 1
(P1).
Se hace pasar 50 ml de muestra bien mezclada por el papel de filtro
en un sistema de filtración al vació.
Se transfirió luego el papel de filtro a la cápsula de evaporación y se
llevó a la estufa a una temperatura de 103 a 105 ºC durante una hora,
pasado este tiempo se lleva la capsula con el papel de filtro al desecador
hasta peso constante, se pesó en la balanza y este peso es el peso 2 (P2),
se calculó la concentración de SST con la ecuación Nº 14 (Stándar
methods, 1998).
( ) 612 10*V
PPL
mgSST −=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ (14)
Donde:
P2 = Peso de residuo + cápsula, en g.
P1 = Peso de cápsula,+ el papel en g.
V = Volumen de muestra, en ml
43
2.2.3.2 Sólido suspendido volátil (SSV)
Se llevó luego la capsula del paso anterior a la mufla a 500ºC,
durante 15 minutos, pasado este tiempo se lleva al desecador hasta peso
constante, se pesó y este peso es el correspondiente al peso 3 (P3), se
calculó la concentración de SSV con la ecuación Nº15 (Stándar methods,
1998).
( ) 613 10*V
PPL
mgSSV −=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ (15)
P3 = Peso de residuo + cápsula, en g.
P1 = Peso de cápsula + papel en g.
V = Volumen de muestra, en ml.
2.2.3 Hidrocarburos - aceites y grasa (método gravimétrico)
Señalar el volumen de muestra contenida en la botella ambar con un
marcador o tirro, trasvasar el contenido del reciente (muestra) a un balón
de separación donde se la adicionan 3 ml de HCl.
Lavar el reciente con 15 ml del solvente (xileno) y se adiciona al
balón de separación.
Se procede luego a agitar vigorosamente el balón de separación,
abriendo ocasionalmente la válvula para liberar los gases y dejar reposar.
(Este procedimiento se realiza tres veces).
Preparar un embudo tallo largo con papel de filtro Whatman Nº 42 y
sulfato de sodio deshidratado (Na2SO4).
Separar la capa orgánica de la etérea decantandola sobre el embudo,
recolectando el filtrado en un vaso precipitado previamente secado y
pesado en una balanza cientifica marca Metter Toledo Al 204, este es el
peso 1 (P1)
44
Dejar evaporar el solvente, hasta alcanzar peso constante, luego se
pesa el recipiente y este es el peso 2 (P2), se calcula la concentración de
hidrocarburos con la ecuación Nº16 (Stándar methods, 1998).
( ) 612 10*v
PPL
mgroshidrocarbu −=⎟
⎠⎞⎜
⎝⎛ (16)
2.2.4 Sulfuro
En una botella de vidrio transparente se tomó un volumen
determinado de muestra, se agregaron 10 gotas de hidróxido de sodio 6N
y 10 de cloruro de zinc, se agitó y se dejó reposar, para que se forme un
precipitado en el seno de la solución que se dejó asentar, se marcó el
volumen en la botella, para comenzar con los diferentes lavados del
precipitado (por lo menos tres veces).
Se agregaron 10 ml de una solución de yodo y 2 ml de la solución de
almidón como indicador, la solución se tornó azul oscuro, luego se tituló
con tiosulfato de sodio hasta que la solución se tornó transparente se
anotó el volumen gastado del titulante. (Stándar methods, 1998).
La concentración se calculó con la siguiente ecuación
muestravoltuisulfatoVoltiosulfatoNiodovoliodoNLmgSulfato
()16000*)).(*)((()(*)(((()/( −
= (17)
2.2.5 Fenoles (Método Colorimétrico)
Se tomaron 50 m se la muestra y se le añadieron 100 ml de agua
destilada, se transfirieron a un balón de destilación con perlas de
ebullición, para someterla a una destilación por arrastre de vapor a
100ºC.
El destilado (≈100 ml) se recogió en una fiola de 250 ml, se le
adiciono 1,25 ml de hidroxido de amonio (NH4OH), se neutralizó con el
45
buffer de fosfato hasta que el pH se encontrara en un rango entre 7,8 –
8,00, logrado este pH se adicionó 0,5 ml de hexacionato ferrato de potasio
III (K3(Fe(CN)6)) y 0,5 ml de una solución de 4-aminipiridina (C11H3N); se
agito, se dejo reposar durante 15 minutos para logara el desarrollo del
color y luego se leyó la absorbancia a 600 nm, en el espectrofotómetro
Hach, se registro la lectura para realizar el calculo correspondiente, con la
ecuación Nº18. (Stándar methods, 1998).
FdAbsLmgFenoles *294069,0
0362,0)/( += (18)
2.2.6 Metales (Absorción Atómica)
Se determinaron los valores de cromo, níquel, plomo, cobre, sodio,
hierro y zinc en una las muestras de agua, plantas y suelo colectadas. Se
coloco un 1ml ó 1g de muestra y se sometieron a una digestión ácida (2
ml de HNO3 concentrado y 1 ml de HCl concentrado con 5 ml de agua
filtrada), en una bomba tipo parr en la estufa a una temperatura entre
103-105 ºC durante 4 horas. Todas las muestras se realizaron por
triplicado
Se dejo enfriar, luego se filtra usando papel de filtro Whatma Nº 42 y
el filtrado se recoge y se afora en un balón de 25 ml con agua destilada.
Las concentraciones de los metales en los digeridos de cada muestra
fueron determinadas por la técnica de espectrofotometría de absorción
atómica con atomización a la llama empleando lámparas de cátodo hueco
para cada elemento, excepto para el sodio se realizó por emisión
utilizando espectrofotómetro marca Perkin-Elmer 3030B, cada
concentración de los metales se calculo utilizando la ecuación 19 para las
muestras sólidas ( soporte y plantas) y la 20 para muestras líquidas.
(Stándar methods, 1998).
46
( )Kestragramosdemu
gLLmglecturaKg
mgMetal1*
1000*25.0*)/(=⎟
⎠⎞⎜
⎝⎛ (19)
( ) fdlecturaLmgMetal */ = (20)
Donde fd es el factor de dilución
2.2.8 Fósforo total
2.2.8.1 Muestra de agua (Método de Digestión (Persulfato de
potasio)).
A 50 ml de muestra, se agrego 1 ml de solución de H2SO4 30 % v/v
y 0.5 g de persulfato de potasio. Se llevo a digestar hasta un volumen
aproximado de 10 ml, se dejó enfriar y posteriormente se procedió a
neutralizar la muestra adicionando una gota de fenolftaleína y NaOH
(1N), logrando que la solución se tornase fucsia luego se le agregan
tantas gotas de H2SO4 30 % v/v hasta desaparecer el color fucsia, se
filtro y se recolecto el filtrado en balones aforados de 50 ml con agua
destilada.
Se Tomaron 25 ml de muestra, se agrego 1 ml de reactivo vadanato
– molibdato, se esperaron 15 min para desarrollar el color y se leyó luego
en el espectrofotómetro Hach a 430nm. Se calculó la concentración de
las muestras líquidas con la ecuación Nº 21 (Stándar methods, 1998).
( )1164871,0
0039479,0.−=⎟
⎠⎞⎜
⎝⎛ abs
LmgFósforo (21)
2.2.8.2 Muestras de suelo (Método colorimétrico molybdovanadato)
A 1 g de suelo pesado con en una balanza científica marca Metter
Toledo Al 204, se le adicionaron 10 ml de HNO3 y 5 ml de HCl, se llevó a
digestar por 10 ó 15 minutos evitando que la muestra se seque por
47
completo, pasado este tiempo se filtró utilizando papel de filtro Whatman
Nº 1, el filtrado se recogió en balones aforados de 50 ml aforandolo con
agua destilada.
La neutralización del filtrado, desarrollo del color y el cálculo de la
concentración se realizó igual que el en caso de la muestra de agua. Pero
el cálculo de la concentración se realiza con la ecuación Nº 22. (Stándar
methods, 1998).
KgestragramosdemugLLmgfosforoen
KgmgFósforo
1*1000*50.0*)/(
=⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ (22)
2.2.9 Nitrógeno total Kjeldahl
2.2.9.1 Muestras de Agua
A 50 ml de la muestra se le agregaron 3 ml de la solución digestora
(H2SO4:H2O2 en una relación 1:3).
Colocar la solución en el digestor Hach, Tecator 2020, durante 15
min, hasta que se clarifique la muestra (no dejar que la muestra se
seque). Se dejó enfriar, se agregaron 15 ml de la solución de hidróxido de
sodio-tiosulfato de sodio, se conecto el tubo al destilador Hach, marca
Buchi 315, recogiendo el destilado en un erlenmeyer conteniendo 25 ml
de la solución indicadora mixta de acido bórico hasta un volumen de 75
ml, se tituló luego con H2SO4 0,02N.
El volumen del blanco se obtiene repitiendo el procedimiento anterior
pero con agua destilada en lugar de la muestra. (Stándar methods, 1998).
( )muestraVol
NBTL
mgNTK.
1000**14*−=⎟
⎠⎞⎜
⎝⎛ (23)
Donde:
T = Volumen del ácido gastado en la titulación de la muestra, ml.
B = Volumen del ácido gastado en la titulación del blanco, ml.
48
N = Normalidad del titulante.
14= es un factor de conversión
2.2.9.2 Muestras sólidas
A 2 gramos de la muestra pesada con en una balanza cientifica marca
Metter Toledo Al 204, colocada previamente en los tubos digestores, se le
adicionaron 10 ml de la solución digestota de ácido sulfúrico y ácido
salicílico y 1 pastilla catalizadora; se llevó al digestor Hach, Tecato 2020,
durante 45 min o hasta que se clarifique la muestra.
Luego de la digestión se dejo enfriar, agregar 25 ml de la solución
hidróxido de sodio-tiosulfato de sodio con mucho cuidado ya que la
reacción es violenta, se conecta el tubo de inmediatamente al destilador
Hach, Modelo Buche 315, procediendo a la destilación del nitrógeno y
recogiendo el destilado en un erlenmeyer conteniendo 25 ml de la solución
indicadora mixta de acido bórico hasta un volumen de 75 ml, se tituló
luego con H2SO4 0,02N.
El volumen del blanco se obtiene repitiendo el procedimiento anterior
pero con agua destilada en lugar de la muestra. (Stándar methods, 1998).
( )muestragramosdeNBT
KgmgNTK
.1000**14*−
=⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ (24)
Donde:
T = Volumen del ácido gastado en la titulación de la muestra, ml.
B = Volumen del ácido gastado en la titulación del blanco, ml.
N = Normalidad del titulante (0.02 N)
14= es un factor de conversión
2.2.10 Cloruros (Método argentometrico (Mohr))
2 ml de la muestra previamente agitada y se colocó en una fiola de
250 ml, se agrego agua hasta completar 100 ml, luego se agregaron 10
49
gotas del indicador cromato de potasio.
A la solución resultante se tituló con nitrato de plata 0.02828 N,
agitando constantemente, hasta cuando se aprecio el primer color
amarillo-rojizo en el seno de la solución. Se registro el volumen gastado
en la titilación.
Se repite el mismo procedimiento pero con agua destilada para saber
el volumen gastado del titulante para los cálculos correspondientes de
cloruro utilizando la ecuación Nº 23. (Stándar methods, 1998).
B = ml Nitrato gastados para la muestra – ml Nitrato gastado para el
agua destilada.
muestramls.1000x35.5x0.0282xB(mg/ Cloruro =)L (25)
2.2.11.- Sulfato
El calculo de la concentración de sulfato en las muestras se realizo
tomando 25 ml de la muestra y trasvasándolos a una fiola de 125 ml, se
le adicionaron 5 ml del buffer de sulfato mas 1.3 gramos de cloruro de
bario se agita por 1 minuto aproximadamente y luego se deja reposar por
4 minutos, para leer la absorbancia en el Hach a 450 nm. (Stándar
methods, 1998).
( )0127,0
0017,0.+=⎟
⎠⎞⎜
⎝⎛ abs
LmgSulfato (26)
2.2.12 Carbón orgánico (materia Orgánica) (Método volumétrico de
walkley-black)
Se peso 1 gr de suelo tamizado con un tamiz de 2mm y pesado en
una balanza cientifica marca Metter Toledo Al 204, se coloco en un frasco
50
erlenmeyer de 500 ml donde se le adicionaron 10 ml dicromato de potasio
y 20 ml de ácido sulfúrico concentrado agitando suavemente por 1 min;
se dejó reposar por media hora.
Pasado este tiempo se diluyó con 200 ml de agua destilada y se le
adicionó 10 ml de ácido fosforito, 0.20 g de fluoruro de sodio y 30 g de
difenilamina, se mezclo bien y se tituló con sulfato ferroso amoniacal 0.5
N hasta que la solución cambio de azul a verde brillante, se anota el
volumen gastado para el calculo correspondiente de la materia orgánica
con la siguiente ecuación. (Manual de Fertilizantes, 1992)
( )( )grmuestra
fmeFeSOOCrmeKCO *100*003.0*% 4722 −= (27)
Donde:
me K2Cr2O7= miliequivalentes de cidromato de potasio
me FeSO4 = miliequivalente de sulfato ferroso amoniacal
f= factor= 1.33
724.1*%% COanicaMateriaorg = (28)
Donde :
%CO= porcentaje de carbono organico presente en la muestra
2.2.13 Variables fonológicas
Se tomaron cuatro plantas al azar de cada especie presentes en las
diferentes bandejas (HFSL I y HFSL II) al inicio, al final y antes del 100%
de agua de producción, a las cuales se les cuantifico el número de hojas
por conteo manual, con una cinta métrica se midió el largo del tallo desde
el comienzo del tallo hasta la hoja más larga, se introdujeron en unas
bolsas de papel hasta que estuvieran completamente secas, se determino
el peso de la raíz con una balanza cientifica marca Metter Toledo Al 204 y
el tallo se procedió a cortar en pequeños trozos para realizar los análisis
correspondientes de metales, nitrógeno, fósforo.
51
2.2.14 Tratamiento de datos.
Durante el desarrollo de las metodologías analíticas se realizaron
determinaciones triplicadas para cada parámetro y determinar las
concentraciones de los parámetros antes mencionados. Estos resultados se
sometieron a un análisis estadístico descriptivo calculando la media, mediana
y desviación estándar, con la finalidad de evaluar la reproducibilidad de los
resultados. Todas las evaluaciones estadísticas se realizaron usando el
programa estadístico comercial SSPS.
Se realizo una comparación de medias aplicando tukey con un 95% de
confianza.
CAPÍTULO III
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 Primera etapa
Durante la primera etapa se logró la reproducción de las especies
Cyperus luzulae, Cyperus ligularis L., Typha domiguence, Cyperus Feraz
L.C. y Paspalum sp en la fosa obteniéndose la cantidad de rizomas y
macollas necesarias para el estudio y se determinó que el caudal de
8mL/min aproximadamente era el necesario para cumplir con el tiempo de
retención hidráulico del estudio (7días), con un volumen de perdida de
7L/día por la evotranspiración y la evaporación sufrida por los sistemas.
Durante esta etapa se realizó la caracterización fisicoquímica del suelo
y la grava, del agua de producción y las plantas utilizadas en el estudio,
estos resultados se presentan en la Tabla 3, Tabla 4 y Tabla 5
respectivamente.
Tabla 3. Caracterización fisicoquímica del suelo y la grava utilizados
en el estudio.
Parámetro Suelo
(x±s)
Grava
(x±s)
% materia Orgánica 0.24±0.01 0.22±0.01
pH 6.23±0.05 6.40±0.05
Fósforo (mg/kg) 0.68±0.04 2.02±0.02
Nitrógeno (%) 0.01±0.04 0.01±0.05
Cromo (mg/Kg) 13.72±0.99 13.44±1.35
Cobre (mg/Kg) 15.46±1.50 8.71±1.54
Plomo (mg/Kg) 27.19±0.69 1.74±1.26
Niquel (mg/Kg) 70.25±0.25 23.45±0.58
Sodio (mg/Kg) 122.22±0.25 126.93±0.36
Zinc (mg/Kg) 88.55±0.19 24,76±0.20
x= promedio, s= desviación estándar
53
La concentración de nitrógeno en la grava y en el suelo es la misma
de 0.01%, mientras que la mayor concentración de fósforo se encontró en
la grava, sin embargo el suelo presento en general las mayores
concentraciones de metales.
La caracterización fisicoquímica inicial del agua de producción se
presenta en la Tabla 4, los parámetros que se encontraron fuera de los
límites permisibles de gaceta oficial 883 fueron: los hidrocarburos, la
demanda química de oxigeno, cloruros, sólidos suspendidos totales,
sulfuros, fenoles y especialmente el sodio cuya concentración se
encuentra es de 8880,32 mg/Kg, característica típica del agua de
producción de petróleo.
Tabla 4. Caracterización fisicoquímica del agua de producción de
petróleo
Parámetro AP (x±s) Limites permisibles
pH 8,03±0.02 6-9
Alcalinidad (mg/l) 2635±0.21 -
Fósforo (mg/l) 3.67±0.05 10
Nitrógeno (mg/l) 17,55±0.09 40
Hidrocarburos (mg/l) 1723,25±0.25 20
DQO (mg/l) 1391,85±0.36 350
Cloruro (mg/l) 1404,87±0.21 1000
SST (mg/l) 2033.33±0.25 80
SSV (mg/l) 82,35±0.19 -
Sulfuro (mg/l) 7,32±0.08 0,5
Fenoles (mg/l) 2,14±0.05 0,5
Cromo (mg/Kg) 0,31±0.09 2
Cobre (mg/Kg) 0,19±1.50 1
Plomo (mg/Kg) 0,17±0.09 0,5
Niquel (mg/Kg) 0,20±0.05 -
Sodio (mg/Kg) 8880,32±0.25 -
Zinc (mg/Kg) 1,37±0,09 5
x=promedio, s=desviación estándar, - no esta reportado en los Limites permisibles de la Gaceta Oficial (Decreto 883, 1995)
54
En la Tabla 5 se presenta la caracterización fisicoquímica de las
plantas, pudiéndose observar que el plomo fue no detectable tanto en
tallo como en las raíces de las plantas con la excepción de las raíces de la
Paspalun sp donde se encontró una concentración de 2,25 mg/Kg.
El níquel no se detecto en los tallos de las plantas mientras que en las
raíces se encontraron valores desde 2,60 a 14,55 mg/Kg.
La concentración de fósforo es mayor que la concentración de
nitrógeno, destacándose que las mayores concentraciones se encontraron
en los tallos, no siendo igual para el nitrógeno cuya concentración tendió a
variar.
En la Tabla 6 se presentan las características fenológicas de las
plantas iniciales, donde el número de plantas iniciales fue de 30 plantas
por especies con una altura de 10 cm cada una y con un número de hojas
en general de 6, con un peso de raíz en general mayor de 0,60 gramos.
3.2 Segunda etapa (adaptación)
3.2.1 Efluente.
En esta etapa las concentraciones en los efluentes obtenidos de los
sistemas de humedales se evaluaron en base a los parámetros de interés,
cuyas concentraciones se pueden observar en las Tablas 7 y 8
correspondiendo a las dosis de 40:60 agua de producción: agua potable y
60:40 agua de producción: agua potable respectivamente.
El pH en los sistemas se caracterizó por valores alcalinos (pH ≥ 9),
muy por encima del pH de la entrada lo que indica que las diferentes
actividades desarrolladas dentro de los sistemas tienden a aumentar este
indicador de basicidad, en base a esto y observando la concentración de la
alcalinidad se puede decir que los especies que originan dichas
concentraciones son los carbonatos y bicarbonatos.
.
55
Tabla 5
56
Tabla 6
57
Tabla 7. Concentraciones de los parámetros para la dosis 60:40 ( agua potable: agua de producción)
ND: No detectable Tabla 8. Concentraciones de los parámetros para la dosis 40:60 (agua potable: agua de producción)
ND: No detectable
Las alcalinidades encontradas en los sistemas nos indica la presencia
de carbonatos y bicarbonato debido al ph por encima de 8,3 y menor de
Parámetro Entrada Control HFSL I HFSL II pH 8,26 9,24 9,38 9,38
Alcalinidad (mg CaCO3 /L) 1050,00 1999,00 1449,00 1447,00 Fósforo (mg/L) 0,89 0,63 0,55 0,56 Cloruro (mg/L) 920,70 878,91 858,31 875,46
Hidrocarburos (mg/L) 370,00 259,52 168,90 160,48 Sulfuros (mg/L) 3,90 0,63 0,36 0,30 Fenoles ( mg/L) 0,48 0,47 0,52 0,42
SST (mg/L) 1142,33 421,56 319,00 321,28 SSV (mg/L) 63,25 139,61 188,18 239,10 DQO ( mg/L) 1114,74 553,25 343,94 365,51 Cr (mg/Kg) 0,05 ND 0,05 0,05 Cu (mg/Kg) 0,04 0,04 0,12 ND Pb (mg/Kg) 0,14 0,13 ND 0,10 Ni (mg/Kg) 0,19 0,10 ND ND Na (mg/Kg) 3227,06 5665,00 643,00 807,00 Zn (mg/Kg) 1,26 2,38 0,35 0,31
Parámetro Entrada Control HFSL I HFSL II pH 8,08 9,38 9,44 8,96
Alcalinidad (mg CaCO3 /L) 1330,00 2150,00 3401,50 1450,00 Fósforo (mg/L) 1,12 1,04 1,07 1,10 Cloruro (mg/L) 1192,49 1065,27 1004,76 915,52
Hidrocarburos (mg/L) 420,00 178,69 83,16 85,00 Sulfuros (mg/L) 6,76 0,94 0,56 0,81 Fenoles ( mg/L) 0,88 0,66 0,73 0,76
SST (mg/L) 1301,01 637,00 528,10 609,61 SSV (mg/L) 65,80 131,30 136,67 238,00 DQO ( mg/L) 1144,22 877,70 518,05 467,85 Cr (mg/Kg) 0,06 0,06 ND ND Cu (mg/Kg) 0,05 0,14 ND ND Pb (mg/Kg) 0,18 0,18 0,19 0,17 Ni (mg/Kg) 0,21 0,22 0,15 0,17 Na (mg/Kg) 3288,33 4031,25 2510,00 3631,25 Zn (mg/Kg) 1,49 1,12 1,47 0,92
58
11, aunque la alcalinidad en la entrada es debida a los carbonatos ya que
el valor de pH que indica su presencia es menor de 8,3.
Las concentraciones de fósforo en los sistemas fueron similares,
encontrándose que no hay diferencia entre ellas, lo que nos indica
posiblemente que en estas etapas las plantas asimilaron este nutriente
para su crecimiento y posible reproducción, además posiblemente las
actividades microbianas que se empezaron a desarrollar posiblemente
mineralizaron el fósforo orgánico para el aprovechamiento de las plantas y
fijación en el soporte.
La concentración de la materia orgánica hallada en los HFSL I y II
menores que en el control en las diferentes dosis, encontrándose
diferencia entre ellas; esto podría deberse a la producción de microalgas
en el control. Mientras que en las dosis de 40:60 agua potable:agua de
producción estas concentraciones fueron mayores que en la dosis 60:40
agua potable:agua de producción, indicando que a mayor volumen de
agua de producción menor es la remoción, debiéndose quizás al aumento
del material suspendido particulado como consecuencia de la
descomposición de las plantas muertas además de los precipitados
químicos como por ejemplo hidróxidos metálicos.
La concentración de los sólidos suspendidos volátiles en las dosis se
mantuvo similar, lo que indica que no hubo diferencia, mientras que en la
concentración de los sólidos suspendidos totales se pudo observar que hay
una disminución comparando las entradas de cada dosis con sus salidas
correspondientes, aunque las concentraciones de las dosis fueron mayores
en la de 40:60 agua potable:agua de producción lo que indica una mayor
producción de sólidos suspendidos totales debido posiblemente a la
descomposición de las plantas muertas.
En cuanto a los fenoles, las concentraciones de la entrada y la salida
no muestran diferencia en esta etapa, aunque en la dosis 40:60 agua
potable:agua de producción es donde se puede observar una disminución
de la concentración mas apreciable, debido probablente a reacciones foto
químicas, en especial en el control donde la columna de agua se
59
encontraba expuesta directamente a las radiaciones solares mientras que
en los HFSL I y II había sombra proporcionada por las plantas impidiendo
un poco la penetración de los rayos solares.
La mayor concentración de hidrocarburos se encontraron en el
control, mientras que en los HFSL I y II las remociones fueron cercanas en
la dos dosis, se nota una diferencia muy marcada entre los HFSL I y II y el
control debido a la biomasa vegetal que facilita la adsorción del
hidrocarburo en los tallos de las raíces, lo que puede indicar que la
presencia de las plantas favorece la remoción de este compuesto de las
aguas de producción.
La concentración del sulfuro en los HFSL I y II fue baja en
comparación con la entrada y el control, lo que indica que este sistema es
efectivo en la remoción el sulfuro y que la presencia de las plantas
favorece la remoción de este compuesto, además de la formación de
complejos metálicos.
La concentración de los metales en la dosis 40:60 agua potable:agua
de producción fue mayor que en la dosis 60:40 agua potable:agua de
producción lo que indica que posiblemente tendieron a acumularse,
aunque con ciertas excepciones como es el caso del Cr y Cu que en la
segunda dosis fueron no detectables.
La concentración de los metales encontradas en las dos dosis fueron a
nivel de elementos trazas especialmente el Cr, Cu, Ni, Pb, mientras que el
sodio presento una alta concentración característica típica del efluente
utilizado.
La concentración de cloruro en los efluentes de esta etapa fueron
menores que la de la entrada al mismo tiempo no presentan diferencia
entre ellas, lo que indica que la presencia de las planta no tienen una
influencia marcada sobre la remoción de este parámetro ya que
posiblemente la reducción de la concentración del mismo se deba a
probablemente a la absorción en los soportes de los sistemas.
60
3.2.2 Soporte (suelo y grava)
En la Tabla 9 se pueden observar las concentraciones obtenidas de la
caracterización del substrato o soporte en la etapa de adaptación.
Tabla 9. Caracterización de la grava y el suelo en la fase de adaptación
X= promedio, s= desviación estándar
La concentración de cloruro en los sistemas de HFSL I y II se
encuentra por debajo de 1000 mg/Kg, lo que demuestra una posible
absorción en el suelo, el valor del pH en el soporte indica la presencia de
un suelo alcalino.
La concentración de fósforo mas baja se encontró en el sistema HFSL
I, seguido del sistema HFSL II y por ultimo en el control, lo que indica la
posible asimilación por parte de las plantas para su crecimiento en primer
lugar y en segundo lugar podría deberse a por la actividad microbiana
transformando el fósforo insoluble en su forma soluble y asimilable para
las plantas como lo son (H2PO4 y HPO4=)
En la Tabla 10, se presenta la concentración de los metales en el
soporte de los sistemas HFSL en esta etapa de la investigación.
La concentración de los metales en la dosis 40:60 agua potable:agua
de producción fue mayor que en la de la dosis 60:40 agua potable:agua
de producción, según esto se podría decir que los metales tendieron a
acumularse aunque con ciertas excepciones como es el caso de Cr y Cu
que en la segunda dosis fueron no detectable.
En el sistema de control las concentraciones de los metales en la
grava y el suelo no presentaron diferencia entre si con la excepción de la
Muestra Cloruro (mg/Kg)
x±s
Fósforo (mg/Kg)
x±s
Nitrógeno (%) X±s
pH
Suelo del control
800,08±32,1 4,89±0,01 0,04±0,03 8,86±0,10
Suelo del HFSL I
980,82±15,02 2,75±0,05 0,03±0,01 9,37±0,07
Suelo del HFSL II
803,21±23,02 4,51±0,03 0,03±0,02 9,42±0,09
61
Tabla 10
62
concentración del Ni donde se puede apreciar una diferencia marcada en
la concentración 12,79 mg/Kg en la grava y de 41,12 mg/Kg en el suelo;
por otra parte se observa que hay una disminución de la concentración de
los metales en el suelo y la grava con excepción del Na que tendió a
acumularse en el soporte.
En el HFSL I los metales ( Cr, Pb, Ni y Zn) presentan diferencia en la
concentración hallada en el suelo y la grava; del mismo modo en el HFSL
II se presentan diferencia en la concentración de estos metales.
El Pb se correlaciona positivamente con el cinc, de manera que en las
muestras que presentan las mayores contenidos de uno de ellos también
posee la mayor concentración del otro ( Pearson), en base a esto esta
correlación se cumple con el Pb y el Zn en todos los sistemas, con
respecto a la concentración hallada en la grava que es donde se
encuentran las mayores, Por el contrario las mayores concentraciones de
Ni se encontraron en el suelo, observándose concentraciones similares
entre si en las muestras, alrededor de 45 mg/Kg en el suelo y de 14
mg/kg en la grava.
3.2.3 Plantas
En esta etapa la mayor cantidad de las especies se encontró en el
sistema HFSL I con un total de 81 plantas, con un incremento de 21
plantas como se puede apreciar en la Tabla 11, mientras que en el HFSL II
se cuantificaron 81 plantas, pero con la diferencia de que en este sistema
desaparecieron 9 plantas del total de plantas sembradas al inicio, debe
indicarse que en este sistema se localizaron tres especies mientras que en
el primero solo se ubicaron dos.
El número de especies desaparecidas del HFSL II fueron: la Cyperus
feraz L.C, Paspalum sp y Typha domingensis fueron 4; 1 y 4
respectivamente, por lo tanto cave destacar que posiblemente no se
adapten al efluente; por el contrario en le HFSL I hubo un aumento de 12
63
individuos de la especies Cyperus ligularis y de 9 especies de la Cyperus
luzulaes.
Tabla 11. Variables fenologicas antes de la aplicación 100% AP
(adaptación)
x= promedio, s= desviación estándar
La especie Tipha dominguensis presentó la mayor longitud de tallo
(18 cm), el mayor peso de raíz (0,69 g) y el mayor peso de tallo (0,74 g),
mientras que la especie Cyperus feraz L.C. presento la mayor cantidad de
hojas (9 hojas), las demás especies presentaron valores menores a estas
dos especies en estos parámetros.
Las especies ubicadas en el HFSL I aun cuando presentaron un bajo
desarrollo en comparación con las especies del HFSL II mostraron
reproducción, además en el HFSL II a pesar que crecieron algunas plantas
no hubo reproducción ya que el número de especies disminuyó, lo que
indica que no podría lograrse una buena adaptación de las mismas.
En cuanto a la concentración de metales en las plantas utilizadas en
los sistemas de HFSL en esta etapa la podemos observar en las Tablas 12
y 13 correspondiente al HFSL I y II respectivamente.
Se puede notar que el orden de concentraciones de metales en las
plantas de los HFSL I y II fue Na>Zn>Ni>Cr>Cu>Pb, notándose la alta
HFSL I HFSL II
Parámetros Cyperus luzulae
Cyeprus ligularis L
Cyperus Feraz L.C. Richard
Typha Dominguense
Paspalum sp
Longitud del tallo(cm)
x±s 14±1,1 16,5±1,2 11,0±0,5 18,1±15,5 15,1±0,7
Peso de la Raíz(g)
x±s 0.59±0.05 0.46±0.06 0.68±0.03 0.69±0.04 0.68±0.08
# de plantas desarrolladas
45 36 28 28 25
Peso del tallo (g) x±s
0.65±0.02 0.43±0.04 0.63±0.02 0.74±0.04 0.66±0.05
#de hojas x±s
3±0,7 7±0,3 9±1,4 3±0,5 4±0,3
64
concentración del Na, debido a la condición salina del afluente,
característica propia del agua de las producción de petróleo.
Tabla 12. Concentración de metales en las plantas del HFSL I en la
etapa de adaptación Cyperus luzulae
Cyeprus ligularis L.
Metales (mg/Kg)
Tallo Raíz Tallo Tallo Cr 7,10±0,14 2,58±0,16 8,81±0,52 6,25±0,31 Cu ND ND 30.42±0.25 15,05±0,13 Pb ND ND 0,02±0,01 0,01±0,01 Ni 28,40±0,25 18,45±0,25 18.41±0.35 11,31±0.35 Na 27729,57±5,26 28729,57±2,58 19552.51±5.60 20296,04±5,23 Zn 27,26±0,25 15,58±1,25 86.46±0.15 26,46±1,85
x= promedio, s= desviación estándar
las concentraciones de Na y Pb en el tallo y la raíz de las plantas del
HFSL I no presentaron diferencia tanto en la especie Cyperus luzulae y
Cyperuz ligularis, pero en las concentraciones de los metales Cr, Cu, Ni y
Zn se puede observar diferencia en las concentraciones de los tallos y las
raíces, apreciándose las mayores en los tallos lo que indica que hubo
asimilación y en consecuencia pasaron a formar parte de la biomasa
vegetal.
Las mayores concentraciones de Zn y Ni, se encontraron en las raíces
de las especies del sistema HFSL II como se puede observar en la Tabla
13, encontrándose diferencia muy marcadas entre los valores; como es el
caso del Zn en las especies Cyperus feraz L.C. y Paspalum sp.
Las concentraciones de los metales en las plantas del HFSL II fueron
mayores que el HFSL I, lo que podría dar explicación a la reducción del
número de individuos de las especies de este sistema.
65
Tabla 13
66
3.3 Tercera etapa (tratamiento)
3.3.1 pH y alcalinidad
La variación del pH en los sistemas se caracterizó por presentar
valores altos fluctuando en un rango de 9,10 a 10,09; 9,13 a 10,50 y
8,84 a 9,93 con una media correspondiente a cada sistema de 9,60;
9,81 y 9,40 para el control, el HFSL I y HFSL II respectivamente, como
se puede observar el la Figura 5.
7
7,5
8
8,5
9
9,5
10
10,5
11
1 10 18 22 24 31 36 38 40 45 50 52 57 59 64 66 71 73 80
tiempo (días)
pH
control HFSL I HFSL II alimentación
Figura 5. Variación del pH en los sistemas de humedales de flujo superficial libre
El pH de la alimentación se mantuvo en un rango estable 87,62 a
8,21), relativamente bajo en comparación con los pH de los efluentes
tratados, lo que indica que posiblemente debido que las actividades que
se desarrollan en los sistema HFSL afectan el pH, como por ejemplo el
crecimiento de microalgas, descomposición de la vegetación muerta,
actividad microbiana, precipitaciones, formación de complejos, entre
otros.
Según Murray y col., (2003), en zonas de agua abierta dentro de
humedales pueden desarrollarse altos niveles de actividad de microalgas
67
generando un ambiente de pH alto (pH>9), tal es el caso de los valores
de pH encontrados en el estudio, de igual manera Lin y col., (2002), en
su trabajo realizado con un HFSL y agua de cultivo encontraron que el
valor de pH se incrementó a causa de las algas, situación semejante a la
ocurrida en los sistemas de HFSL del actual trabajo.
Por el contrario los siguientes autores en sus trabajos indicaron
valores bajos de pH en comparación con los hallados en el presente
estudio; Gessner y col.,(2005) que trabajaron con HFSL y agua
subterránea, hallaron fluctuaciones de pH de 6,8 a 7,6; así mismo Ji y
col. (2007), que realizaron su estudio con un HSFL y aguas de
producción de crudo pesado; reportaron valores de pH de 7,63 a 7,77;
de igual forma Scholes y col., (1999), obtuvieron un rango de pH de 7 a
8,2.
Por otra parte Hadad y col.,(2006) quienes trabajaron con aguas de
desecho industrial y un sistema de HFSL, reportaron una disminución
del pH de 9,9 a 7,9 en relación con la entrada y la salida, igualmente
Álvarez y col.,(2003) observaron una disminución del pH de 9 a 8,1, en
el efluente de agua residual del sistema de HFSL, debido posiblemente a
la actividad heterótrofa de las plantas lo que produce un menor pH,
resulta claro que el comportamiento de los valores obtenidos en los
trabajos mencionados anteriormente son opuestos al comportamiento
del pH observado en el presente estudio.
El incremento reportado por Song y col., (2006), de 7,17 a 7,36
respecto a la entrada y la salida del agua de desecho del HFSL es
mínimo en comparación con el incremento sufrido por el efluente de los
sistemas de HFSL del presente trabajo.
Los valores de pH de los efluentes se encuentran un poco más
elevados que el intervalo permitido en la Gaceta Oficial 883 para
descargas de efluentes que es de 6-9.
La alcalinidad debido a las especies carbonato y bicarbonato está
asociado a un rango de pH mayor de 8,3 y menores de 11; lo que
confirma que en consecuencia la alcalinidad hallada es debido a la
68
presencia de estas especies en los efluentes de los sistemas HFSL y a
los carbonatos en el afluente o alimentación.
Las concentraciones de alcalinidad en los sistemas de HFSL variaron
entre 2125 y 5375 mgCaCO3/L, mientras que en la alimentación la
concentración vario de 2100 a 3500 mgCaCO3/L, como se puede
observar en la Figura 6.
800
1800
2800
3800
4800
5800
1 10 22 26 36 40 50 57 64 71 80
tiempo (días)
Alc
alin
idad
(mg/
L)
control HFSL I HFSL II alimentación
Figura 6. Variación de la alcalinidad en los sistemas de humedales de flujo superficial libre
La alcalinidad de la entrada o afluente fue menor en comparación
con los valores encontrados en los efluentes o salidas de los sistemas.
El principal origen del carbono para el crecimiento de las microalgas
es el ion bicarbonato (HCO3) (Reed y col., 1995), el cual consigue una
concentración máxima a un pH de 8,3; además en un sistema buffer de
carbonato-bicarbonato el pH tiende a incrementarse a medida que
crecen las microalgas, lo que podría dar una explicación del incremento
del pH en los sistemas en especial en el control el cual presentó el
mayor valor de pH (pH=10,00) y la mayor concentración de alcalinidad
de 5375 mgCaCO3/L de los sistemas, siendo este donde se pudo
evidenciar la mayor cantidad de microalgas en la columna de agua.
69
3.3.2 Fósforo Total y Nitrógeno total. 3.3.2.1 Fósforo total
Efluente y Afluente
La concentración en el tiempo de fósforo del afluente y los sistemas
se pueden apreciar en la Figura 7; se observa que los valores del afluente
se encontraron en un rango de 1,50 a 4,72 mg/L, presentando variaciones
durante todo el periodo del estudio, mientras que en los efluentes de los
sistemas, el rango fue 1,26 a 2,85; 1,61 a 3,67 y 1,14 a 3,5 mg/L para el
control, el HFSL I y II respectivamente.
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
1 8 10 18 22 24 26 31 36 38 45 50 52 57 59 64 71 73 80
tiempo (días)
Fósfor
o (m
g/L)
control HFSL I HFSL II Alimentación
Figura 7. Variación del fósforo total en los sistemas de humedales de flujo superficial libre
Las concentraciones de fósforo en los efluentes tratados tendieron a
aumentar con el tiempo; sin embargo se mantuvieron con algunas
excepciones por debajo de la concentración del afluente, encontrándose
remociones promedios cerca del 20,35%; 11,21% y 0,27% para el
control, HFSL I y HFSL II respectivamente.
La remoción del control indica que los procesos microbiológicos y
fisicoquímicos pueden contribuir con la remoción de este compuesto, es
decir que el papel de las plantas no contribuyo significativamente con la
remoción de este compuesto.
70
Según Chen y col., (2006), una baja concentración de oxigeno en los
sistemas puede causar una eficiencia relativamente baja en la remoción
del fósforo, las remociones reportadas por este grupo de investigadores es
menor del 35% para un tiempo de retención de 7 días y un agua de
desechos industrial tratada en un HFSL, las remociones encontradas en el
estudio fueron inferiores a esta, es por ello que se cree que está sea la
razón de dichas remociones ya que durante todo el periodo del estudio en
las mediciones del oxigeno disuelto en el afluente y efluentes era nulo.
La remoción de fósforo total reportada por Song y col.,(2006), del
29,6% es mayor a las encontradas en el presente estudio al igual que las
reportadas por Klomjek y col.(2005) de 12,2 a 40,5% para una
concentración de fósforo de 4,7 a 7,4 mg/L en el efluente de aguas salinas
tratadas en HFSL.
La eliminación del fósforo en el humedal envuelve muchas partes de
un ciclo biogeoquímico complejo y algunas reacciones químicas que son
reversibles lo que podría confirma las fluctuaciones e ineficiencias en la
remoción, aunado a esto las altas tasas de evapotranspiración pueden
aumentar las concentraciones en el efluente (EPA,2000).
Las concentraciones de fósforo de los efluentes tratados se
encontraron por debajo del límite permisible de la Gaceta Oficial 883.
Soporte o sedimento
El fósforo es rápidamente inmovilizado en sólidos orgánicos,
alcanzando una saturación durante el proceso, siendo particularmente
reversible (Gearhert, 1992).
El análisis estadístico revelo que existe diferencia significativa
(p<0,05) entre la concentración inicial y final de fósforo en el suelo,
indicando posiblemente una acumulación en el soporte al final del estudio.
En la Tabla 3 se presenta la caracterización inicial del soporte (suelo y
grava) apreciándose una concentración de fósforo de 0,68 y 2,02 mg/Kg
para el suelo y la grava respectivamente.
71
En la Tabla 14 se puede observa la concentración del fósforo en el
soporte de los sistemas de HFSL al final del estudio, en la cual se puede
notar que las mayores concentraciones se encuentran en la grava (37,86;
12,97 y 22,96 mg/Kg del control, HFSL I y HFSL II respectivamente)
debido posiblemente a la capacidad de absorción de la grava, por el
contrario en el suelo se encontraron las menores concentraciones de
fósforo por efecto de la asimilación de las plantas para su crecimiento y a
microorganismos presentes, demostrando con esto que el sistema es
efectivo en la remoción de fósforo.
Tabla 14. Concentración final de fósforo total y nitrógeno total en el
suelo y la grava de los sistemas HFSL.
Muestra
Fósforo (mg/Kg) x±s
Nitrógeno (%) x±s
Suelo del control 11,59±0,07 0,043±0,02 Grava del control 37,86±0,1 0,01±0,01 Suelo del HFSL I 6,01±0,01 0,047±0,02 Grava del HFSL I 12,97±0,07 0,013±0,01 Suelo del HFSL II 12,49±0,05 0,065±0,05 Grava del HFSL II 22,96±0,20 0,012±0,01
x= promedio, s= desviación estándar
Plantas
En las Tablas 15 y 16 se pueden observar la concentración del fósforo
en las plantas de los sistemas HFSL I y HFSL II respectivamente
La concentración de fósforo encontradas en las plantas al final del
estudio fueron mayores que la inicial, lo que sugiere que parte del fósforo
fue asimilado por la planta y en consecuencia las mayores concentraciones
fueron halladas en el tallo, en otras palabras pasó a formar parte de la
biomasa vegetal.
Además que en suelos con pH elevado la mayor cantidad de fósforo
se presenta en forma de ion divalente HPO4-2 que se absorbe con menor
facilidad debido a que se presenta en forma de fosfato de calcio insoluble
(Salisbury y Ross, 1992).
72
Tabla 15. Concentración final de fósforo en las plantas del HFSL I
Fósforo Especies
Tallo (mg/Kg) (x±s)
Raíz(mg/Kg) (x±s)
Cyperus luzulae 13,696±0,24 8,16±0,25 Cyeprus ligularis L. 2,92±0,6 41,00±0,12
x= promedio, s= desviación estándar
Tabla 16. Concentración final fósforo en las plantas del HFSL II
Fósforo
Especies Tallo(mg/Kg)
(x±s) Raíz (mg/Kg)
(x±s) Cyperus Feraz L.C.R. 11,63±0,08 4,93±0,09
Paspalum sp 24,26±0,14 7,25±0,10 Typha Dominguense 70,61±0,25 38,76±0,21
x= promedio, s= desviación estándar
3.3.2.2.- Nitrógeno total
Afluente y Efluente
La remoción de nitrógeno es un proceso limitado por la concentración
del oxigeno (Prado, 1997), en general los humedales de flujo superficial
libre no son efectivos nitrificadores como consecuencia del bajo nivel de
oxigeno disuelto, pero son sistemas desnitrificadores potencialmente
efectivos en vista de la presencia de áreas anoxicas (Gearhert, 1992)
El análisis estadístico mostró que no hay diferencia significativa
(P>0,05) entre las remociones halladas en los sistemas de HFSL.
Las remociones promedios encontradas en los sistemas fueron de
72,24%, 72,11% y 70,49% para el control, HFSL I y II respectivamente,
en la Figura 8 se puede se ilustra esta similitud; por lo tanto se puede
decir, que además de la asimilación del nitrógeno por parte de las plantas
enraizadas utilizadas en los HFSL I y II para su crecimiento, las microalgas
también asimilan el nitrógeno para su metabolismo y crecimiento en el
control
73
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
1 18 38 45 52 59 66 80
tiempo (días)
Rem
oció
n d
e ni
tróge
no (%
)
control HFSL I HFSL II
Figura 8. Remoción de NTK en los sistemas de humedales de flujo superficial libre.
Además de la asimilación de las plantas, podría de igual forma
intervenir la liberación del nitrógeno en forma gaseosa en la remoción del
sistema, dando como resultado una remoción de nitrógeno semejante en
todos los sistemas, obteniendo un efluente con una concentración menor a
la del afluente
El promedio de remoción reportado por Ji y col., (2007) de 84%
trabajando con agua de producción de crudo pesado fue mayor a la
encontrada en el estudio debido a la absorción o asimilación por parte de
las plantas y las actividades bioquímicas microbiologicas.
Las remociones encontradas por Lin y col.,(2002), ellos trabajaron
con agua de cultivo encontrando remociones de 4,3% menores a las
halladas, esto podría indicar que HFSL son una buena opción para el
tratamiento de las aguas de producción de crudo, ya que las remociones
encontradas por Ji y col. Y el presente estudio fueron mayores que las
reportadas por Lin y col. Que trabajaron con agua de cultivo.
La concentración de nitrógeno en los efluentes tratados se encuentra
por debajo del límite permisible de la Gaceta Oficial 883.
74
Soporte o Sedimento
En la Tabla 3, se presenta la caracterización inicial del soporte (suelo
y grava) donde se puede observar que la concentración de nitrógeno en
ambos es igual de 0,01%.
En la Tabla 14 se pueden apreciar las concentraciones de nitrógeno
al final del estudio, donde se puede resaltar que en el soporte (suelo y
grava) del control la concentración de nitrógeno permaneció igual que en
la fase anterior, mientras que en el suelo de los sistemas HFSL I y II la
concentración aumentó, y en la grava fue menor, lo que indica que el
suelo tiene mayor capacidad de absorción que la grava, este aumento en
el suelo puede deberse al retorno del nitrógeno al sistema por parte de la
descomposición de las plantas muertas al caer en la columna de agua.
Plantas
En las tablas 17 y 18 se puede observar las concentraciones finales
de nitrógeno en las plantas del sistema HFSL I y HFSL II respectivamente.
Tabla 17. Concentración final del nitrógeno en las especies de plantas del HFSL I
Nitrógeno Especies
Tallo (mg/L) (x±s)
Raíz (mg/L) (x±s)
Cyperus luzulae 0,53±0,04 0,35±0,02 Cyeprus ligularis L. 0,66±0,08 0,63±0,05
x= promedio, s= desviación estándar
Tabla 18. Concentración final del nitrógeno en las especies de plantas del HFSL II
Nitrógeno Especies
Tallo (mg/L) (x±s)
Raíz (mg/L) (x±s)
Cyperus feraz L.C.R 0,70±0,04 0,26±0,02 Paspalum sp 0,74±0,05 0,32±0,05
Typha dominguensis 0,97±0,08 1,11±0,10 x= promedio, s= desviación estándar
75
en las tablas se puede apreciar que en el sistema donde hubo mayor
asimilación de nitrógeno fue en el HFSLII; vale la pena señalar que en
este sistema se encontró la mayor concentración de nitrógeno en el
soporte, posiblemente debido al retorno del nutriente al medio como
consecuencia de la muerte de las plantas.
La especie que presentó mayor asimilación de nitrógeno fue la Typha
dominguensis y la de menor asimilación fue la Cyperus luzulae.
Así mismo las mayores concentraciones de nitrógeno se encontraron
en los tallos de cada planta; lo que hace suponer que la mayor parte del
nitrógeno asimilado pasó a formar parte de la biomasa vegetal.
Además de la asimilación de las plantas, también pudo haberse
perdido por volatilización, transformaciones microbiológicas, difusión,
desnitrificación debido al bajo nivel de oxígeno disuelto en los sistemas.
Según Gessner y col. (2005), otra causa que puede reducir el
promedio de nitrógeno asimilado es la alta concentración de sal en los
afluentes ya que este tipo de muestra se caracterizó por tener un elevado
nivel de cloruro (Cl-) y sodio (Na).
3.3.3.- Cloruros (Cl-)
3.3.3.1 Afluente y Efluentes
El nivel de cloruro está muy relacionado con la salinidad, que limita la
incorporación de nutrientes, genera un shok osmótico, reduce la
producción de ATP y altera la producción de mitocondrias en las plantas
(Hamdaoui y col., 2003).
La concentración de este contaminante depende mucho de los
factores hidrológicos, es decir del clima, previo al estudio se realizó un
análisis para evaluar la pérdida de agua y tener un volumen promedio de
afluente que permitiera cubrir la falta y asegurar un volumen de efluente
para realizar las determinaciones de todos los parámetros o
76
contaminantes del efluente tratado de los sistemas, encontrándose que el
caudal de trabajo era de 8mL/min.
En la Figura 9 se pueden observar, la concentración de cloruro en el
afluente y en los efluentes tratados en los sistemas de HFSL.
Se observa que el afluente tuvo un comportamiento estable en los
valores determinados durante el estudio en un rango 1045,15 a 1852,03
mg/L, por el contrario el efluente de los sistemas de HFSL presentaron un
comportamiento variable en el tiempo con una tendencia a aumentar, lo
que indica una posible acumulación leve de cloruro en el sistema.
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
1 8 10 18 22 26 31 36 38 40 45 50 52 57 59 64 66 71 73 80
tiempo (días)
Clo
ruro
(mg/
L)
Control HFSL I HFSL II Alimentación
Figura 9. Variación de la concentración de cloruro en los sistemas de humedales de tipo superficial libre
La concentración de cloruro en los efluentes tratados en los sistemas
HFSL varió de 1651,81mg/L a 3804,18 mg/L; de 1489,31 mg/L a 3704,07
mg/L y 1500,74 mg/L a 3503,85 mg/L para el control, el HFSL I y II
respectivamente, también se puede apreciar que los valores obtenidos del
afluente fueron menores, lo que indica que no hubo remoción, sino una
posible acumulación en el sedimento y por lo tanto en el efluente.
Dicha variación podría deberse a la evotranspiración y evaporación
sufrida por los espejos de agua en los sistemas superficiales conllevando a
que la concentración de cloruro aumentara con el tiempo en los efluentes.
77
La mayor concentración de cloruro se encuentra en el control debido
tal vez a la falta de la sombra de plantas, el agua estuvo en contacto
directo con las radiaciones solares provocando con ello una mayor
evaporación, promoviendo la producción excesiva de microalgas y la
resuspensión de sólidos.
Según Kanagy y col, (2007), que trabajaron con agua producida del
almacenamiento de gas natural, encontraron concentraciones de cloruros
en un amplio rango, desde lo no detectable (nd) <25 mg/L a 384000
mg/L, contribuyendo con el nivel de toxicidad y alterando el potencial
toxico de otros constituyentes del afluente tratado por ellos.
De León y col.,(2000), que evaluaron el tratamiento de agua de
producción en HFSL, reportaron una remoción de cloruro del 20%,
remoción muy superior a la hallada en el estudio, por lo que propone que
los sistemas de humedales construidos se utilicen como sistemas de
evaporación natural en los cuales las halofitas y la evotranspiración
reducen el volumen del agua.
Los valores obtenidos se encuentran por encima del valor máximo
permisible por la Gaceta Oficial 883.
3.3.3.2 Soporte o sedimento
El análisis estadístico revelo que hay diferencia significativa (P<0,05)
entre la concentración inicial y la final de cloruro en el soporte
demostrando una acumulación.
En las Tabla 19 se puede apreciar la concentración de cloruro en el
soporte (suelo y grava) al final del estudio, encontrándose que estas
concentraciones son mayores en el sedimento que en los efluentes. Las
mayores concentraciones se encontraron en el HFSL II, lo que podría
contribuir con la muerte de las plantas de este sistema.
78
Tabla 19. Concentración de cloruro en el soporte de los sistemas de HFSL al final
x= promedio, s= desviación estándar
Cuando el agua presenta un alto contenido salino, provoca tras la
evapotranspiración y la evaporación la acumulación de las sales en el
suelo (Lin y col, 2002), sobre la base de esto se podría confirmar la
acumulación del mismo en el soporte.
3.3.4.- Variables fenológicas
En la Tabla 20 se presentan las variables fenológicas del número de
plantas sobrevivientes en cada sistema: en el HFSL I sobrevivieron
alrededor de 83 plantas en total, mientras que en el HFSL II 67 plantas en
total, es decir 23 plantas nuevas en el HFSL I, mientras que en el HFSL II
no se presentaron nuevas plantas, lo que indica que en el HFSL I hubo
una mayor reproducción de biomasa vegetal.
Inicialmente se plantaron 30 plantas de cada especie encontrándose
al final un aumento en el número de individuos de 16 para la especie
Cyprus luzula y 7 para la Cyperus ligularis, por el contrario en las especies
del HFSL II se encontró una desaparición de 3 plantas de la especie
Cyperis feraz L.C., 10 de la Typha dominguensis y 10 de la Paspalum sp..
El HFSL II presentó la mayor cantidad de plantas muertas, lo que
podría justificar el porqué se encontró la mayor concentración de
nitrógeno en su soporte, como consecuencia de que al morir las plantas y
al descomponerse podrían aportar cierta cantidad de nutrientes asimilados
en su tejidos al sistema, aunado a esto no se realizó poda de las plantas
lo que también pudo contribuir con la acumulación del compuesto.
muestra Cloruro (mg/Kg)
(x±s) Suelo del control 9057.86±321 Grava del control 10887.89±231. 1 Suelode HFSL I 13494.97±134.7 Grava de HFSL I 4895.10±24.3 Suelo de HFSL II 13178.50±214.6
Gravan de HFSL II 11768.39±145.5
79
Se podo observar que as plantas utilizadas en los HFSL I y II,
normalmente tiene un gran desarrollo en su altura de tallo, número de
hojas, reproducción y un gran número de inflorescencia en su ambiente
natural, pero debido a las condiciones del afluente en cuanto a salinidad
(Na+ y Cl-), crudo presente, fenoles, sulfuros, entre otros pudieron inhibir
el desarrollo normal de las mismas.
Tabla 20. Variables fenologicas finales en los sistemas de HFSL
HFSL I HFSL II
Parámetros Cyperus luzulae
Cyeprus ligularis L
Cyperus feraz L.C. Richard
Typha dominguensis
Paspalum sp
Longitud del tallo(cm) x±s
48,1±23,5 43,1±15,5 42,3±8,4 53,4±4,9 74,4±11,3
Peso de la Raíz(g) x±s
0,44±0,08 0,66±0,05 0,26±0,03 0,67±0,05 0,19±0,07
# de plantas desarrolladas
46 37 27 20 20
Peso del tallo (g) x±s
0,69±0,04 0,68±0,05 0,66±0,03 0,63±0,04 0,66±0,05
#de hojas x±s 5±0,3 11±0,5 7±0,2 6±0,1 7±7,03 x= promedio, s= desviación estándar
Las plantas en general al final del tratamiento, presentaron un bajo
desarrollo, baja reproducción, pocas presentaron inflorescencia y casi
todas presentaron un color amarillento en sus hojas, además de
resequedad y ciertas zonas quemadas lo que podría indicar síntomas de
necrosis y clorosis.
Klomjek y col., (2005) que trataron aguas salinas en HFSL observaron
la misma apariencia que las plantas utilizadas en el estudio: enanas,
secas, arrugadas y amarillentas a diferencia de Ji y col. (2007), que
reportaron una altura de los juncos, utilizados en su estudio con HFSL y
agua de producción de crudo pesado, de 182 a 208 cm, un promedio de
número de hojas de 20 a 22 y una biomasa de 751 a 657 g/m2 valores
que superan en todo sentido a los hallados en el estudio de 42,3 a 74,4
cm de lato, un número de hojas de 5 a 11 y una biomasa de 1,96 g/cm2
Cyperus luzulae; 2,33 g/cm2 para la Ciperuz ligularis, 1,59 g/cm2 de
80
Cyperus feraz L.C., 2,25 g/cm2 Typha dominguensis y 1,47 g/cm2 de la
Paspalum sp.
Cuando una planta llega al límite de tolerancia a la salinidad presenta
un cese al crecimiento, seguida por la muerte de los tejidos que comienza
a manifestarse con zonas dispersas de aspecto quemado en las hojas;
todas estos aspectos lo presentaron las plantas al final del estudio.
3.3.5 Metales
3.3.5.1 Afluente y Efluente.
Los metales tienen una alta afinidad para la adsorción y complejación
con materiales orgánicos y son acumulados en el ecosistema del humedal
(Murray y col., 2003).
La concentración promedio de los metales (Cr, Cu, Pb, Ni, Na y Zn)
en el afluente se presentan en la Tabla 4, notándose una concentración de
8880,32 mg/L de sodio lo que indica la alta salinidad en el mismo.
En las tablas 21, 22 y 23 se presentan las concentraciones de los
metales en estos efluentes efluentes tratados en los sistemas de HFSL,
correspondiendo al sistema de control, HFSL I y II respectivamente.
Se puede apreciar una disminución de la concentración del Cr, en los
efluentes de los sistemas comparada con la concentración inicial (0,31
mg/L), igual en todos los sistemas variando desde no detectable (nd)
hasta 0.06 mg/L correspondiente a una remoción del 90% para todos los
sistemas.
Se encontraron concentración de Cu al final desde nd a 0.11, de nd a
0,04 y nd a 0,04 mg/L, correspondiente al 86%; 97% y 96% de remoción
para el sistema de control, el HFSL I y II respectivamente.
Además se observó una reducción al final de la concentración del Na
en los sistemas, correspondiendo con el 57,67%; 59,96% y 43,94% de
remoción para el sistema control, el HFSL I y II respectivamente.
81
Tabla 21. Concentración de metales en el efluente del sistema de control Tiempo (días)
Cr (mg/L) x±s
Cu (mg/L) x±s
Pb (mg/L) x±s
Ni (mg/L) x±s
Zn (mg/L) x±s
Na (mgLl) x±s
1
0,06±0,01 0,11±0,01 0,14±0,02 0,18±0,01 0,98±0,02 3992,12±0,3
10
0,05±0,07 0,09±0,02 0,18±0,05 0,21±0,08 1,80±0,05 4408,75±0,05
22
nd nd 0,25±0,02 0,11±0,01 1,85±0,07 3521,25±0,05
31
0,05±0,05 nd 0,15±0,08 0,37±0,05 0,99±0,01 4677,50±0,2
50
nd nd 0,27±0,01 0,21±0,01 0,70±0,02 3248,75±0,1
59
nd nd 0,20±0,01 0,13±0,01 1,14±0,01 3821,25±0,3
71
0,04±0,01 nd 0,19±0,07 0,21±0,02 0,87±0,03 3196,25±0,5
80
0,03±0,01 0,01±0,01 0,18±0,01 0,19±0,01 0,90±0,02 3205,01±0,3
nd: no detectable, x= promedio, s= desviación estándar
Tabla 22. Concentración de metales en el efluente del sistema HFSL I Tiempo (días)
Cr (mg/L) x±s
Cu (mg/L) x±s
Pb (mg/L) x±s
Ni (mg/L) x±s
Zn (mg/L) x±s
Na (mgLl) x±s
1
0,05±0.07 nd nd nd 0,29±0,09 258,75±0,08
10
nd nd 0,18±0.05 0,17±0,03 1,78±0,08 454,00±0,1
22
nd nd 0,22±0.01 0,11±0,09 1,86±0,02 4618,75±0,01
31
0,06±0.01 nd 0,20±0.01 0,25±0,02 0,75±0,06 3460,00±0,01
50
nd nd 0,25±0,01 0,23±0,01 0,62±0,02 3732,50±0,01
59
nd 0,04±0.01 0,23±0.02 0,19±0,01 1,48±0,02 7160,00±0,02
71
0,05±0.01 nd 0,15±0.01 0,22±0,02 0,76±0,01 342,00±0,2
80
0,06±0.01 nd 0.17±0.05 0,27±0,03 0,45±0,04 1462,50±0,2
nd: no detectable, x= promedio, s= desviación estándar
De igual manera, pero con una menor reducción el Zn presentó
remociones bajas, por debajo del 40%, en los sistemas de HFSL.
Por otra parte el Pb y Ni tendieron a aumentar levemente su
concentración en comparación con la de la entrada, lo que podría indicar
una acumulación en los sistemas de HFSL.
82
Tabla 23. Metales en el efluente del sistema HFSL II Tiempo (días)
Cr (mg/L) x±s
Cu (mg/L) x±s
Pb (mg/L) x±s
Ni (mg/L) x±s
Zn (mg/L) x±s
Na (mgLl) x±s
1
0,05±0,01 nd 0,15±0,01 0,17±0,01 0,50±0.03 4321,02±0,30
10
nd nd 0,16±0,01 0,14±0,01 1,33±0.05 4177,50±0,21
22
nd 0,05±0,05 0,8±0,04 0,16±0,04 2,20±0.08 11776,25±0,21
31
0,06±0,01 Nd 0,18±0,04 0,24±0,02 0,43±0.02 2683,75±0,15
50
0,04±0,01 Nd 0,25±0,01 0,25±0,01 0,99±0.02 3986,25±0,24
59
0,04±0,01 0,02±0,01 0,22±0,02 0,20±0,01 0,72±0.01 4003,52±0,26
71
0,05±0,01 nd 0,19±0,01 0,25±0,01 0,62±0.01 3793,75±0,34
80
0,06±0,01 nd 0,12±0,01 0,31±0,01 0,42±0.01 5077,50±0,37
nd: no detectable, x= promedio, s= desviación estándar
Los mecanismos de remoción que pudieron haber intervenido en la
fase disuelta (efluente) son la evaporación, dilución, formación de
complejos, descomposición, oxido-reducción microbiana y precipitación;
se cree que el mecanismo predominante fue el de la formación de
complejos, además de la precipitación como hidróxidos debido al pH
elevado, lo que limita su movilidad y disponibilidad para ser asimilado en
los sistemas.
En la Tabla 24 se pueden observar las remociones de los metales de
cada sistema.
Los porcentajes de remoción encontrados por Kanagy y col.,(2007),
para el Zn, Pb y Cu estuvieron alrededor del 99%; 98% y 99%
respectivamente para aguas de diferentes concentraciones de salinidad;
por el contrario los porcentajes de remoción hallados en el estudio fueron
menores que los de estos autores debido posiblemente al pH del efluente
de los sistemas el cual por ser alcalino disminuye la movilidad de los
mismos.
Según Hadad y col., (2006), que trataron agua de desecho industrial
con un HFSL, obtuvieron remociones de un 82% Cr, 69% Ni, 55% Zn, en
comaparación con las remociones encontradas en el estudio; con respecto
83
al Cr la remoción obtenida en el estudio fue menor, mientras que las
remociones del Ni y el Zn fueron mayores.
Scholes y col.,(1999), que trabajaron con HFSL en el tratamiento de
aguas urbanas encontraron remociones del 55%; 62%; 85%; 77% y 63%
para el Zn, Pb, Cu, Ni y el Cr respectivamente, estos fueron mayores a las
del estudio ya que comparando con los porcentajes de remoción
encontrados, las remociones de los metales se encontraron en un rango
de 88,06 a 91,26% para el Cr, de 86,30 a 97,36% para el Cu, de 43,94 a
59,66% para el Na y de 16,02 a 34,34 para el Zn, mientras que Pb y Ni
tendieron a acumularse.
Batty y Younger, (2004), que trabajaron con agua de minas y con un
HFSL encontraron remociones del 95% de Ni, remoción mayor en
comparación con la obtenida en el estudio donde solo se obtuvo remoción
del 8,16% en el HFSL I, mientras que en los otros sistemas se acumulo.
Tabla 24. Remoción de metales en el efluente de los sistemas de HFSL
Sistemas Metal (%) control HFSL I HFSL II Cr 90,96 91,29 88,06 Cu 86,31 97,36 95,78 Pb - - - Ni - 8,16 - Na 57,67 59,66 43,94 Zn 16,02 27,89 34,34
-=no hubo remoción
3.3.5.2 Soporte (suelo y grava).
En la Tabla 3 se puede observar la concentración de metales en el
soporte inicialmente y en la Tabla 25 se puede apreciar la concentración al
final del estudio en cada sistema.
Los metales pueden quedar retenidos en el suelo, ya sea disueltos en
la solución del suelo o bien fijados por procesos de adsorción,
complejación y precipitación; pueden también ser absorbidos por las
plantas y así pasar a la cadena trófica, ya que algunos de ellos como el
84
Pb, Cu y Ni presentan la propiedad de acumularse en los organismos vivos
y por ende en las plantas resultando altamente tóxicos (Murray y col.,
2003).
La concentración de los metales en el suelo varia considerablemente
con la profundidad y como en este caso, un suelo franco arenoso con un
bajo porcentaje de arcilla (7.50%), carece de la capacidad de fijación de
los metales pesados los cuales pasan rápidamente a la zona baja de la
columna del sedimento.
A pH elevados los metales son poco móviles en el suelo y tienden a
acumularse en la parte superficial, en forma de hidróxidos metálicos
posiblemente quedando retenidos en la zona superficial del soporte.
Las mayores concentración son las del Na, el Zn, seguida del Ni,
luego Pb y con una concentración muy cercana Cu y el Cr.
Los otros metales que se acumularon fueron el Ni y el Pb
especialmente en la grava debido tal vez a la capacidad de absorción de la
mismas. Todas las acumulaciones y remociones dependen de la movilidad
del metal en el sedimento ya que los metales tienden a estar más
disponibles a pH ácidos; en medios alcalinos se producen precitaciones
como hidróxidos pudiendo nuevamente pasar a la solución como
hidroxicomplejos.
La alta concentración de Na+ y Cl- es un indicio de la alta salinidad
presente en los sistemas y que pudiera incrementar la movilización de los
metales pesados por: reemplazo de los metales en lugar de adsorción por
cationes asociados con la sal; también los aniones Cl- pueden formar
complejos solubles estables con metales tendiendo a dar suelos de pH
básicos, como se pudo observar en las Tabla 14 para todos los sistemas.
Por todo lo anterior se piensa que los mecanismos predominantes en
la remoción de los metales, fueron el cambio de ion debido a alta salinidad
y precipitación por el pH alcalino.
85
Tabla 25
.
86
3.3.5.3.- Plantas
La concentración de los metales en las plantas del sistema HFSL I y el
sistema HFSL II se presentan en las Tablas 26 y 27 respectivamente,
En la Tabla 25 se puede ver la manera en la que la concentración de
los metales vario de la raíz al tallo en las plantas Cyperus luzulae y
Cyeprus ligularis L. las cuales formaban parte del HFSL I. Las mayores
concentraciones de Cr, Cu, Pb y Zn, en las plantas se encuentran en las
raíces y las menores en los tallos.
La concentración del Cu en la raíz de la Cyperus luzulae no se
detecto, no obstante en su tallo la concentración fue de 20,67 mg/Kg, en
la misma forma el Pb tampoco se detecto en la raíz de la Cyperus luzulae
y el tallo de la Cyperuz ligularis; aun cuando en el tallo de la Cyperuz
luzulae se encontro una concentración de 17,66 mg/Kg.
En la Tabla 27 se aprecia la variación de los metales en el tallo y la
raíz de la Cyperus feraz L.C. Richard, Paspalum sp y Typha dominguensis
en el HFSL II.
El Cu, Pb y Ni fueron no detectable en la mayoría de las plantas tanto
en la raíz como en el tallo, a excepción del Pb en la raíz de la Paspalum
sp. y del Ni en la raíz de la Typha Dominguensis; estos valores podrían
deberse al contacto directo de las raíces con el suelo y el efecto de la
salinidad en las capacidades de adsorción de las raíces.
Tabla 26. Concentraciones de los metales en las especies de plantas del sistema HFSL I
nd: no detectable
Especies Cyperus luzulae Cyeprus ligularis L. Metales
(mg/Kg) Tallo Raíz Tallo Raíz
Cr
13,98±0,24 15,48±0,37 9,33±0,14 17,49±0,14
Cu
12,51±0,35 nd 5,33±0,14 6,36±0,14
Pb
17,66±0,34 nd nd 20,67±0,25
Ni
15,48±0,35 30,90±0,23 25,99±0,25 28,63±0,24
Na
20581,96±0,24 20477,00±0.26 47774,52±0,14 29759,06±0,14
Zn 24,20±0,25 66,57±0,24 12,32±0,14 83,25±0,14
87
Tabla 27. Concentración de metales en las especies de plantas del sistema HFSL II
Especies Cyperus Feraz L.C. Richard Paspalum sp Typha Dominguense
Metales (mg/kg)
x±s Tallo Raíz Tallo Raíz Tallo Raíz Cr
12,56±0,13 15,80±0,12 14,19±0,24 21,22±0,34 11,47±0,29 16,77±0,12
Cu
nd nd nd nd nd nd
Pb
nd nd nd 27,85±0,32 nd nd
Ni
nd nd Nd nd nd 12,20±0,10
Nax103
51,51±0,10 32,39±0,10 71,38±0,14 22,57±0,17 23,86±0,18 18,84±0,10
Zn 12,7±0,10 85,40±0,10 10,6±0,18 5,24±0,19 80,9±0,23 43,5±0,16 nd: no detectable
Las mayores concentraciones de Na fueron halladas en el tallo de las
plantas y las menores en las raíces en los dos sistemas debido
posiblemente a la capacidad de asimilación de cada planta hacia este
compuesto.
El comportamiento de los metales fue similar en los sistemas ya que
las mayores concentraciones de los metales en ambos sistemas fueron el
Ni, Na y Zn presentando una mayor concentración el Na debido
posiblemente a la naturaleza del afluente
Hadad y col., (2006) reportaron que las concentraciones de los
metales fue mayor en los tallos que en las raíces, presentando
concentraciones de Ni en el tejido de las plantas de 55 mg/Kg en el tallo y
de 28 mg/kg en la raíz y valores de Zn de 392mg/kg en el tallo y de 61
mg/kg en la raíz, comparando estos resultados con los hallados en el
estudio encontramos que son mayores y que además son opuestos.
El Cr, Cu, Ni y Zn son metales que se consideran micronutrientes, es
decir que las plantas necesitan trazas de ellos para su desarrollo, pero al
pasar cierto umbral se vuelven tóxicos para las plantas que se podría decir
que es el caso del estudio, debido que cuando se habla de trazas las
concentraciones se encuentran por el orden de 10-2 y las concentraciones
encontradas superan esta concentraciones.
88
Los metales en los humedales son atrapados a través de muchos
mecanismos como: la incorporación y metabolización de las plantas,
intercambio cationico con el suelo y absorción con el material partículado
y la materia orgánica.
3.3.6.- Hidrocarburos
El análisis estadístico reveló que no existe diferencias significativas
(P>0,05) entre las remociones del hidrocarburo en los sistemas.
En la Figura 10 se puede observar la variación de la remoción de los
hidrocarburos durante el periodo de experimentación.
Los porcentajes de remoción del HFSL I y II fueron mayores a las
obtenidas en el control debido posiblemente a la presencia de las plantas
que facilitan la adsorción del hidrocarburo a los tallos y raíces de las
plantas además que se da la posibilidad de sedimentación debido al flujo
laminar predominante en los sistemas.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1 18 24 31 38 45 52 57 59 64 66 71 73 78 80
tiempo (días)
Rem
oció
n d
e hi
droc
arbu
ros
(%)
control HFSL I HFSL II
Figura 10. Remoción de hidrocarburos en el sistema de humedales de flujo superficial libre
89
Los porcentajes de remoción fueron muy parecidos en los HFSL I y II,
alrededor del 67,70% y 69,53% respectivamente, mientras que en el
sistema de control fue de 56,71%.
Ji y col., (2007) en su estudio con agua de producción de crudo
pesado, reporto que obtuvo una eficiencia del 92.,8% y 91,6% para los
sistemas de humedales de flujo superficial libre, remociones que están por
encima de las halladas, estas remociones indican que se debió tal vez a la
temperatura, a la biomasa de las plantas y los tipos y grandes cantidades
de microorganismos desarrolladas.
Xia y col., (2002) que trabajaron en su estudio con agua de refinería
de crudo, reporto una remoción del 89,8% a 95,3% mucho mayor que la
encontrada en los sistemas.
Dentro del humedal ocurren una cierta cantidad de procesos aerobios
y anaerobios microbianos que promueven la degradación del hidrocarburo,
además están sujetos a procesos fisicoquímicos como la evaporación,
lixiviados, sorción de partículas sólidas y sedimentación los cuales pueden
asegurar una alta eficiencia de remoción del mismo.
3.3.7.- Sulfuro
El análisis estadístico entre las remociones de sulfuro en los sistemas
reveló que existe diferencia significativas (P>0,05).
La remoción promedios encontradas fueron de 68,61%; 66,11% y
62,18% para el control, el HFSL I y II respectivamente como se puede
observar en la Figura 11, donde no hay diferencia entre los sistemas, lo
que podría indicar que para la remoción de este compuesto la presencia
de las plantas no jugo un papel fundamental.
90
0
20
40
60
80
100
1 8 10 18 24 26 31 36 38 40 45 50 52 57 59 64 66 71 73 80
tiempo (días)
Rem
oció
n de
sul
furo
(%)
control HFSL I HFSL II
Figura 11. Remoción de sulfuro en los sistemas de humedal de flujo superficial libre
En los sistemas podría haberse dado la presencia de bacterias verdes
y rojas reductoras del azufre debido a la formación de una gran capa de
estos colores en la superficie de los sistemas, además que las condiciones
eran propicias para su crecimiento y desarrollo, las condiciones anóxicas,
elevado pH (pH>9), la concentración elevada de salinidad del afluente y el
efluente y las altas concentraciones de sulfato halladas a la salida de los
sistemas, hace indicar que parte o todo el azufre fue reducido a sulfuro y
éste oxidado a sulfato llegando a la saturación con una concentración
cercana a 10.000 mg/L en los sistemas al final del trabajo.
Keith y col., (1999) reporto en su estudio con agua de desecho de
una estación de comprensión de gas natural, una remoción del 75% de
sulfuro, valor cercano a los encontrados en el estudio.
Quilice y col., (2005) quienes trabajaron con agua de producción de la
industria petrolera nacional, encontraron una remoción del 98% del
sulfuro, valores mayores a los encontrados.
La concentración de sulfuro en el efluente a pesar que estuvieron por
debajo que los del afluente no están dentro de la normativa oficial de
91
descargas de efluentes (0.5 mg/L) en algunas muestras, de igual manera
la concentración de sulfato estuvo por encima de los límites de
concentración máxima (1000 mg/L) (Gaceta Oficial, 1995).
3.3.8 Fenoles
El análisis estadístico reveló que no existe diferencia significativa
(p>0,05) entre la remociones reportadas de los sistemas.
La remoción de fenoles se ilustra en la Figura 12. Se observa un
comportamiento similar en los tres sistemas, con remociones promedios
de 64,96%; 57,19% y 58,77% para el control, el HFSL I y el II
respectivamente.
0
20
40
60
80
100
1 18 26 38 64 80
tiempo (días)
Rem
oció
n d
e fe
nole
s (%
)
control HFSL I HFSL II
Figura 12. Remoción de fenol en los sistemas de humedales de flujo superficial libre
Cuando la concentración del fenol está presente en un rango de 1 a
10 mg/L se vuelve tóxico para las plantas y los seres humanos, las
concentraciones encontradas de fenol en el afluente estuvo dentro de este
rango, por esta razón se puede decir que este compuesto contribuyo con
la muerte de las plantas en los sistemas.
92
La tendencia del comportamiento de los valores encontrados de
fenoles en los sistemas fue similar presentando una remoción mayor en el
sistema de control debido posiblemente la fotooxidación ya que el espejo
de agua estaba en contacto directo con las radiaciones del sol, mientras
que en los sistemas de HFSL, las plantas daban un poco de sombra a la
columna de agua.
En la investigación realizada por Gessner y col., (2000), obtuvieron
una remoción del 98% de fenoles, debidas a la absorción experimentada
por las plantas en los sistemas pues estos autores reportan que la Typhad
dominguensis es eficiente en la reducción de este parámetro, remoción
que es mayor a las obtenidas.
Por contrario de Quilice y col., (2005) reportaron una remoción del
40% de fenoles, siendo esta remoción menor a la encontrada en el
estudio.
Keith y col., (1999) y De León y col., (2000), reportaron una
remoción similar de un 98%, debido a procesos tales como la
volatilización, oxidación fotoquímica, sedimentación, sorción y
degradación biológica (microbiana), valores que son mayores a los
reportados en el presente estudio
Estos trabajos muestran tanto los procesos de remoción de tipo
biológico (microorganismos), asimilación de las plantas y fotooxidación
(químico), procesos físicos como la sedimentación, porción que pueden
darnos un idea de los procesos que pueden ocurrir en el humedal para la
remoción de este contaminante.
3.3.9 Sólidos
3.3.9.1 Sólidos Suspendidos Totales (SST)
La concentración de SST vario en un rango de 72 a 325 mg/L en el
afluente, mientras que en los afluentes de los sistemas se encontraron
concentraciones de SST de 140 a 1132,35; de 66 a 337,14 y de 76 a
93
373,33 mg/L para el control, el HFSL I y II respectivamente, como se
observa en la Figura 13.
Estas concentraciones en los HFSL I y II corresponden a porcentajes
promedios de remoción de 20,13% y 14,23% respectivamente.
10
110
210
310
410
510
610
710
810
910
1010
1110
8 10 18 22 24 26 31 36 40 45 50 52 57 59 64 66 71 73 80
tiempo (días)
SS
T (m
g/L)
control HFSL I HFSL II Alimentación
Figura 13. Variación de los sólidos suspendidos totales en los sistemas de humedales de flujo superficial libre
La alta concentración de sólidos en los efluentes trajo como
consecuencia que en el control no hubiese remoción, debido
primordialmente a la gran producción de microalgas en este sistemas,
dichas concentraciones fueron en muchos casos iguales e incluso mayores
que en el afluente lo que indica que los sólidos fueron generados en el
humedal especialmente en el sistema de control.
El aumento en la producción del material particulado en los HFSL I y
II, podría deberse a la descomposición de las plantas muertas además de
la formación de precipitados químicos como sulfuros de metales.
La remoción de SST es principalmente debido a procesos físicos
(sedimentación y fltración) y no a procesos biológicos, principalmente al
flujo laminar, el cual favorece la sedimentación del material particulado y
94
la adsorción de otros tipos de compuestos (hidrocarburos por ejemplo) en
los tallos de las plantas.
Chen y col., (2006) que trabajaron con un HFSL y agua de desecho
industrial, encontró una remoción de SST del 81% muy superior a la
encontrada.
Klomjek y col. (2005) quienes trabajaron con afluentes salinos y
humedales de flujo superficial libre, consiguieron un rango de reducción
de 34,6 a 56,0% para una concentración de sólidos que variaron entre
37,3 a 50,4 mg/l, para concentraciones menores a las evaluadas en este
estudio reportan porcentajes de remoción similares.
La remoción reportada por Song y col., (2006) fue mayor (70%) a la
encontrada en el estudio.
La concentración de sólidos encontrada a la salida en este estudio fue
similar a la reportada por Lin y col., (2002), quienes trabajaron con agua
de cultivos, la cual estuvo en un rango de 26 a 305 mg/L.
3.3.9.2 Sólidos Suspendidos Volátiles (SSV)
La concentración de SSV en el afluente fue de 20 a 82.36 mg/L y en
los efluentes fue de 50 a 464; de 32 a 276 y de 32 a 410 mg/L para el
control, el HFSL I y II respectivamente como se puede observar en la
Figura 14.
10,00
60,00
110,00
160,00
210,00
260,00
310,00
360,00
8 10 18 22 24 26 31 36 40 45 50 52 57 59 64 66 71 73 80
tiempo (días)
SSV (m
g/L)
control HFSL I HFSL II Alimentación
Figura 14. Variación de los sólidos suspendidos volatiles en los sistemas de humedal de flujo superficial libre
95
Los rangos de concentraciones de SSV en los efluentes son mayores
al rango del afluente lo que nos indica que la concentración de materia
orgánica en estos es mayor en la salida que en la entrada ya que este
parámetro es un equivalente de la cantidad de la misma en los sistemas.
Estas concentraciones podrían deberse a la gran producción de
microalgas en el caso del control, además de las descomposiciones de los
restos de las plantas muertas que caían en la superficie de las columnas
de agua de los efluentes de los sistemas I y II.
Lin y col., (2002), encontraron una remoción el 54% de SSV en su
estudio remoción superior a la hallada en el estudio.
3.10 Demanda Química de Oxígeno (DQO)
Las concentraciones de la DQO para el afluente se encontraron en un
rango de de 315,01 a 1383,19 mg/L y para los efluentes en un rango de
571,38 a 1468,64; de 443,20 a 1863,87 y 472,10 a 1921,01 mg/L para el
control, el HFSL I y II respectivamente como se ilustra en la Figura 15.
100
600
1100
1600
2100
1 10 22 26 38 45 52 64 71 80
tiempo (días)
DQ
O (m
g/L)
control HFSL I l HFSL II Alimentación
Figura 15. Variación de la DQO en los sistemas de humedal de flujo superficial libre
96
Las concentraciones de DQO en los efluentes fue mayor que la del
afluente; en consecuencia la remoción de este parámetro no se llevo a
cabo, es decir que a la salida hubo un incremento de la materia orgánica
debido al desarrollo excesivo de microalgas y al aporte de la
descomposición del material vegetal muerto sobre la superficie de los
sistemas perturbando el funcionamiento de los sistemas
Los autores Xia y col.,(2002), De León y col.,(2000), Hadad y
col.,(2006) y Chen y col., (2006) reportaron remoción de materia
orgánicas por encima del 50%, remociones mayores a las halladas en el
estudio.
Ji y col., (2007) reportaron un rango de remoción de 71 a 80%
indicando que los humedales de flujo superficial libre podría reducir la
concentración de la DQO, caso similar el de Song y col., (2006)
encontraron una reducción de la concentración de la DQO de 249.41 a 91
mg/L con una remoción del 62%, por el contrario en este estudio hubo en
todo momento un incremento de la DQO lo que implica que no se dio la
remoción del parámetro como se esperaba, debido tal vez a que no se
llevó a cabo la poda de las plantas para evitar que se descompusieran las
plantas dentro de la columna de agua provocando el aumento de la
materia orgánica.
CONCLUSIONES
Los Humedales de flujo superficial Libre (HFSL), son eficientes en la remoción
de los sulfuros, fenoles, hidrocarburos, nitrógeno y metales como el Cr, Cu, y
Na.
Son moderadamente efectivos en la remoción de fósforo, sólidos suspendidos
totales y metales como el Zn, Ni.
No fueron efectivos en la remoción de sólidos suspendidos volátiles y en la
remoción de la demanda química de oxígeno, debido tal ves a que no se
realizó la poda de las plantas o retiro de los tejidos muertos de las mismas.
Las plantas Cyperus luzulae y Cyperus liguralis L., tuvieron una mejor
adaptación a las condiciones del AP.
RECOMENDACIONES
La poda de las plantas al terminar su ciclo de crecimiento.
La recirculación del efluente del sistema.
Ubicar HFSL en series para garantizar una área mayor de contacto para
el tratamiento
REFERENCIAS BIBLIOGRACAS
1. Alvarez, J. y Becares, E. (2005, Julio). El papel de la vegetación en humedales construidos para el tratamiento de aguas residuales. Encuentro Internacional en Fitodepuración. Disponible en: http://www.macrophytes.info/documentacion/Conferencias%20y%20P%F3sters/P-9%20Torres%20L.A.pdf.
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