Eliminación de Fósforo en humedales Proyecto de Calidad del Agua Por: Gustavo Chaparro Cárcamo
En el presente trabajo se realizo una búsqueda de los procesos que abarca la eliminación del fósforo en humedales naturales como artificiales, para luego determinar posibles aplicaciones y limitaciones que puede llegar a tener utilizar este método para la remoción de P. Se obtienen que la utilización de humedales artificiales para la remoción de fósforo está limitado principalmente por el caudal a tratar ó el tiempo de retención hidráulica, ya que caudales muy altos requieren áreas muy extensas de humedales para la remoción efectiva de fósforo. Sin embargo, existen muy buenos resultados para la eliminación de fósforo con afluentes de bajo caudal, lo que resulta atractivo para la utilización de humedales artificiales para localidades pequeñas como para caudales provenientes de industrias, como del sector agrícola.
1. Introducción Dado que los humedales artificiales son sistemas que se han sido diseñados para el tratamiento del aguas aprovechando los procesos procesos naturales que le rodean (vegetación, suelos y microbiano) su utilización abarca una amplia gama de soluciones para el tratamiento de por ejemplo: materia orgánica, nutrientes, compuestos específicos contenidos en aguas residuales, vertidos líquidos industriales, estabilización de biosólidos e infiltraciones agrícolas, etc. Ya que existen muchas ventajas en su implementación, los humedales artificiales son usados cada día más para el tratamiento de aguas residuales ya que son una alternativa coste-efectiva a los sistemas convencionales de tratamiento, o bien una tecnología factible única para el caso de descargas difusas (Borin y Toccheto, 2007) .
En la figura 1 se observan los dos tipos de humedales de este tipo, con plantas flotantes y plantas emergentes respectivamente. Generalmente se utiliza una combinación de ambos por lo que generan una apariencia y funcionamiento similar al de los humedales artificiales en cuanto a la combinación de espejos de agua, vegetación flotante, sumergida y emergente. En la construcción de este tipo se debe tener en consideración que las plantas emergentes no toleran profundidades superiores a los 0,6 m. Este tipo de humedal artificial proporciona una eliminación constante de fósforo pero a una tasa relativamente baja debido a la falta de contacto de la columna de agua con el suelo.
Los humedales artificiales se pueden clasificar de acuerdo al comportamiento hidráulico: humedales de flujo superficial, humedales de flujo sub-superficial horizontal y humedales de flujo sub-superficial vertical. El objetivo del presente trabajo es realizar una descripción de la tecnología de humedales artificiales y su utilización para mejorar la calidad del agua vertidas en cuerpos de agua naturales, describiendo la remoción de nutrientes centrándose en la remoción de fosforo dada su importancia como factor limitante en el control de la eutrofización de cuerpos de agua dulce.
2. Desarrollo 2.1 Tipos de humedales artificiales artificiales Los humedales artificiales son sistemas de ingeniería que utilizan los procesos naturales para el tratamiento de aguas residuales, su clasificación se basa en la configuración hidráulica del sistema como la disposición de las plantas (macrófitos) (Jan Vymazal ,2010). A continuación se describen brevemente las principales configuraciones de humedales artificiales.
2.1.1 Humedal artificial de flujo superficial
Figura 1. Humedales artificiales de flujo superficial, con plantas flotantes y plantas emergentes respectiva-mente.
2.1.2 Humedales artificiales de flujo subsuperficial horizontal La figura 2 muestra la configuración de este tipo de humedal. En este sistema el flujo de agua escurre primero a través de un medio poroso bajo la superficie de forma horizontal y luego por la zona plantada, la altura típica de diseño son 0,5m. Este tipo de humedal artificial presenta mejores tasas de remoción de fósforo frente a los de flujo superficial pero presenta el inconveniente de tener zonas anaeróbicas que limitan la remoción. Sin embargo, se utilizan mucho para el tratamiento secundario de aguas residuales ya que es eficaz en la remoción de materia orgánica, sólidos en supensión, contaminación microbiana y por metales pesados.
2.1.3 Humedales artificiales de flujo subsuperficial vertical
En este tipo de humedal artificial los residuos líquidos son aplicados de forma uniforma en la parte superior de la zona plantada, percolando de forma vertical a través del sistema recolectando el agua tratada en la parte baja, alturas típicas de diseño son de 0,8m. Se suele utilizar este sistema en forma escalonada, uno sobre otro para proveer oxigenación. Este tipo de humedal es el que presenta mejores tazas de remo-ción de fosfato, ya que presenta una mayor zona aeróbica que es más favorable para la remoción del nutriente (Donglin Zhu et al, 2011), lo que es potenciado al utilizar sistemas verticales escalonados.
del humedal. Se observan las diferentes tasas de remoción de fósforo para 4 tipos de plantas. 80
% o 60 d i v o 40 m e r 20 o i d 0 e m o r p
Acorus Calamus
Canna indica
Phragm Phragmite itess
Cyperu Cyperuss alternifoliu
Gráfico 1. Tasas promedio de remoción de fósforo para 4 tipos diferentes de plantas.
2.3 Procesos de eliminación del fósforo en un humedal
Figura 2. Humedales artificiales de flujo subsuperficial horizontal y vertical respectivamente.
Investigaciones que han estudiado la tasa de remoción de fosforo para determinar si es más optimo la utilización de los de flujo vertical o de flujo horizontal han determinado que para el caso de flujo vertical se tiene un promedio de remoción de fosforo de un 95% frente a un 80% de los de flujo horizontal. 2.2 Rol de la vegetación Las plantas presentes en los humedales absorben los nutrientes presentes en el agua, por ejemplo fósforo y nitrógeno. Además entregan un entorno favorable para el desarrollo de bacterias que degradan otros tipos de contaminantes. En el grafico 1 se muestran valores extraídos de los artículos revisados para señalar la importancia del tipo de planta presente y como afecta el rendimiento
La eliminación del fósforo está estrechamente relacionado con las propiedades físicas, químicas e hidrológicas del material filtro, ya que el P es principalmente absorbido-precipitado físicamente o químicamente debido al intercambio de ligandos con la interacción entre los medios del filtro, esto ocurre cuando los átomos de oxigenos presente en el fosfato desplazan principalmente a los grupos hidroxilos superficiales y moléculas de agua coordinadas con Fe y Al principalmente. Por lo que para sustratos que contiene por ejemplo oxido de aluminio, calcio y/o hierro se obtiene una excelente remoción de fósforo, obteniendo en humedales que presentaban un 67% de remoción de fósforo un aumento a un 98% por la presencia de estos minerales (Vohla et al, 2011). El fósforo se presenta principalmente en los sistemas tratados en forma de fosfato ya que sus otros estados son muy inestables termodinámicamente, encontrándose principalmente ligado orgánicamente en los fosfolípidos, ácidos nucleícos, nucleoproteínas y azucares fosforilados los que se pueden agrupar en dos grupos (1) fósforo de fácil descomposición(ácido nucleico, fosfolipidos) (2) fósforo de lenta descomposición. El fósforo tiene la singularidad que no presenta cambios de valencia en su asimilación de su forma inorgánica como de la descomposición desu
forma orgánica por microorganismos, presentando una velencia de +5 (Jan Vymazal, 2006). Los humedales artificiales como naturales proveen las condiciones para remover todas las formas de fósforo. El fósforo activo es principalmente absorbido por las plantas y en menor parte por los suelos, el fósforo insoluble bajo ciertas condiciones precipita o se transforma en soluble. Sin embargo, los procesos de absorción como de almacenamiento de fósforo en la biomasa es saturable, por lo que se tiene una capacidad finita de eliminación lo que debe ser estudiado a la largo plazo. Autores señalan que la capacidad de remoción de fósforo de un humedal artificial se redujo en 5 años de un 91% a un 10% (Shubaio Wu et al, 2012). A continuación se presentan las etapas que se deben considerar en la absorción del fósforo dentro de un humedal.
2.3.1 Acrecentamiento en la turba/suelo del humedal La gran mayoría de los estudios que han considerado el ciclo del fósforo en el humedal concluyeron que en el corto plazo no es rápida la remoción de fosforo por este medio pero llega a ser la más importante en el largo plazo como almacenamiento de fósforo., concentrando cerca del 95% del fosforo presente en humedales naturales. La tasa de acumulación de turba es muy lenta, entre 1 a 2 mm por año, traduciéndose en una remoción de 2 aproximadamente 1 g de P por m al año, esto cambia significativamente en humedales artificiales donde 2 llega a una tasa de 75 g por m al año.
2.3.2 Absorción y precipitación La absorción se refiere al movimiento del P inorgánico acumulándose en los poros del suelo, por lo que el tipo de suelo suelo presente es importante, aumentando la absorción para suelos que contengan arcilla. La tasa de absorción depende del equilibrio entre el fósforo sólido presente en el suelo y el presente en los poros del suelo. El fósforo orgánico absorbido está relacionado con la cantidad de minerales (Al, Fe o Cal), La precipitación ocurre cuando los iones de fosfato reaccionan con los cationes de algunos metales, formando sólidos amor-
fos o cristalinos, estas reacciones ocurren para altas concentraciones de fosfato o metales. Algunos de los minerales que precipitan utilizando a fósforo como ligando son: Apatito Ca5(Cl,F)(PO4)3,Hidroxilopatito Ca5(OH)(PO4)3, Variscita Al(PO4)·2H2O, Strengite Fe(PO4)·2H2O, VivianitaFe3(PO4)2·8H2O y Wavelita Al3(OH)3(PO4)2·5H2O
2.3.3 Consumo microbiano El consumo microbiano es muy rápido debido a su tasa elevada de crecimiento, pero a pesar de esto la remoción por este factor es muy baja, dependiendo principalmente de la situación trófica del humedal, removiendo menos en humedales eutrofizados. Se considera que los organismos presentes en el humedal solubilizan el P, pero la cantidad que tratan es difícil de determinar, por lo que rara vez se conoce la cantidad removida de fósforo por este medio.
2.3.4 Consumo de las plantas La absorción de nutrientes por parte de las plantas es principalmente por la raíz, siendo esto altamente variable estacionalmente, aumentando considerablemente en época de crecimiento (primavera generalmente) y variando además por el tipo de planta como se vio anteriormente. El fósforo almacenado es nuevamente liberado al sistema por las plantas luego de desintegrarse o pudrirse. La tasa anual de absorción de fósforo puede llegar a 2 los 126 g de P por m al año.
3. Aplicaciones 3.1 Aplicaciones para controlar la eutrofización de lagos y lagunas. En los últimos años lagunas y lagos que se encuentran en zonas muy pobladas o con alta productividad agrícola se han visto afectadas por una evolutiva eutrofización. Se ejemplifica esto con el caso de la Laguna grande en San Pedro de la Paz, debido a la alta tasa de nutrientes que se descargan a la laguna debido por ejemplo al lavado del exceso de fertilizantes de las zonas urbanas por las lluvias que terminan escurriendo a la laguna, degradando el ambiente acuático. Se asumirá que la remoción de fosforo tiene un comportamiento cinético de primer orden, lo que se puede escribir de la siguiente forma:
C p
=
C0 e
− kt ∆t
(3.1)
De los artículos revisados se encontraron parámetros para k x, x, que varían entre 0,009 y 0,0014 (Robert John Wilcock et al, al, 2011). El termino k x, puede ser escrito de la siguiente forma para poder determinar k t.
k x
=
k t v
(3.2)
A partir de esto, se asumirá que los parámetros entregados rigen para el caso de los humedales de la Laguna Grande y se asume una velocidad de 0,001 m/s. El punto a estudiar es la forma de gestionar las aguas lluvias que provienen de la zona residencial y que desembocan en la laguna, se utilizara un humedal natural existente para estimar la capacidad de remoción de fósforo a partir de una lluvia típica de 4mm/h y el caudal proveniente de la zona residencial 3 2 Andalue que abarca un área de 350x10 m . El humedal seleccionado está ubicado a un costado de la laguna, ubicado a los pies de la península de Andalue (ver figura 3).
A partir de la ecuación (3.2) (3.2) se determina que k t -6 varía entre 9x10 y 1,4x10-5. Reemplazando los valores obtenidos en la ecuación (3.1) se obtiene:
C p
=
0,66C o
(3.3)
Se observa al aplicar el modelo señalado al humedal, se logra un 44% de remoción de fósforo para el caso ejemplificado. En el artículo donde se baso el análisis se señalaba un 93% de remoción de fósforo, la diferencia se puede deber al tiempo de retención hidráulica ya que existen diferencias importantes en los caudales de entrada. 3.2 Aplicación de humedales artificiales como parte del tratamiento secundario de aguas aguas servidas. La norma chilena exige para la descarga a cuerpos de agua lacustres una concentración menor a 2mg/l de fósforo, lo que puede llegar a ser un factor importante en el diseño de plantas de tratamiento de aguas servidas. A partir de datos obtenidos en una planta de tratamiento de aguas servidas que descarga a ríos, por lo que se le exige una concentración bajo 10mg/l, se determino una concentración de fosforo en el efluente de 8 mg/l. Del punto punto 2.3 2.3 Procesos de eliminación del fósforo en un humedal, se logra determinar que la capacidad de remoción de los humedales artificiales es de 2 T.R.P=205 g de P por m por año ó 0,56 g de P por 2 m por día. Para determinar el área necesaria de humedal artificial se utilizara la siguiente ecuación.
Q∆ CP Figura 3. Humedal natural seleccionado.
A partir de la lluvia base de 4 mm/h, se estima que si todo el caudal de la zona residencial es canalizado a un punto se obtiene un caudal aproximado de 3 3 Q=700m /h=0,2m /s. El área abarcada por el 2 humedal es de aproximadamente 8000m y se asumirá que se tiene un espejo de agua de 1 m. Por lo tanto, ante este caudal de entrada se tendrá una tiempo de retención hidráulica de 30000s.
=
T .R.P ×
(3.3)
La planta de tratamiento de aguas servidas tiene un 3 caudal de entrada de 3500m /día y la concentración de fosforo se tiene que reducir en 6mg/l. Reemplazando en la ecuación (3.3) se obtiene que se 2 necesita un humedal artificial que abarque 37500m . Por lo tanto para reducir la concentración en 6 mg/l de fosforo se requiere una extensa área de humedal, lo que seguramente no es muy viable y no se consideraría como una solución al problema.
4. Conclusiones Se puede concluir que la eficiencia de los humedales artificiales es muy amplia abarcando eficiencias de un 20% hasta un 90% de remoción de fósforo, pero generalmente fueron obtenidos para experimentos a escala o en terreno pero sin grandes caudales, lo cual puede limitar el uso de los humedales artificiales para el mejoramiento de la calidad del agua, esto quedo ejemplificado en el punto 3.2 ya que lo requerido por la planta de tratamiento de aguas servidas es un área muy extensa de humedal artificial, pero sería importarte estudiar el caso para localidades más pequeñas donde el caudal diario tratado por la planta es menor. En la revisión de los artículos se encontraron buenos resultados para humedales artificiales ya construidos donde su afluentes no sobrepasa un caudal de 3 180m /día y donde las áreas abarcadas por el 2 humedal van desde los 1000 a 4000m , obteniendo tiempos de retención hidráulica promedio de 4-6 días, removiendo más del 80% de fósforo en la mayoría de los casos (J.Vymazal, 2009) La gran variación de eficiencia de remoción se puede atribuir a que se trata de un sistema natural, lo que depende fuertemente del ambiente donde se realicen los estudios y como este configurado el humedal, por ejemplo para el caso del tipo de planta se encontró que la remoción de fósforo varía entre un 35 a un 70%. Además existirá una mayor remoción de nutrientes en zonas que permitan un mayor crecimiento, lo que da a esperar que en zonas más cálidas se remuevan más nutrientes que en zonas más templadas. La forma como es removido el fósforo en los humedales se encuentra bien descrito físicamente, pero no se encuentra más detalles de lo que ocurre químicamente lo que limita la posibilidad de modelar el sistema. Por lo tanto se debe estudiar más en profundidad la dinámica del fósforo. En la aplicación para controlar la eutrofización de lagunas, es importante poder determinar los parámetros que controlan la remoción, ya que al tratarse de un sistema natural es altamente variable. En el ejemplo de la Laguna grande se obtuvo que se
puede llegar a remover un 44% del fosforo, lo que a largo plazo puede ser determinante en el control de la eutrofización de la laguna, y se lograría esto sólo mejorando la forma en que se gestionan las aguas lluvias canalizando las aguas a la cabecera del humedal primero antes de que desemboquen en la laguna. Es importante señalar que se debe estudiar el impacto que tendría esta medida en el humedal.
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