Biofiltro en humedales de flujo superficial y subsuperficial

Estos ecosistemas acuáticos ofrecen servicios ecosistémicos, como la regulación del ciclo hídrico superficial, la retención de sedimentos, estabilización micro climática, la regulación de ciclos de nutrientes, la productividad biológica o la captura de gases de efecto invernadero (Rivas et al., 2014).

Los humedales naturales son valiosos ecosistemas, que ocupan cerca del 6% de la superficie terrestre. Por su parte, los humedales construidos, que buscan emular el comportamiento de los humedales naturales, se están posicionando como una alternativa natural y económica para purificar el agua contaminada, en múltiples proyectos alrededor del mundo (Moshiri, 1993; Yeh, 2008). Los biofiltros corresponden a una técnica empleada en los humedales artificiales y naturales para lograr la fitorremediación de los ecosistemas acuáticos. Los humedales comprenden láminas de agua, donde existe vegetación (sumergida, flotante y emergente), así como especies animales y microorganismos (Cárdenas, 2012).

En un biofiltro de flujo superficial el agua se encuentra expuesta directamente a la atmósfera y circula a través de las raíces, tallos y hojas de las plantas que se encuentran parcialmente sumergidos, con niveles de agua poco profundos de 0.1 a 0.6 metros. Los sistemas de flujo libre pueden ser diseñados con el objetivo de crear nuevos hábitats para la flora y fauna o mejorar las condiciones de humedales naturales (Lara, 1999).

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En un biofiltro de flujo subsuperficial el sentido de circulación del agua puede ser horizontal o vertical. Para el biofiltro de flujo horizontal el agua circula a través del medio granular y los rizomas y raíces de las plantas. Este ha demostrado ser un mecanismo realmente eficiente para la remoción de contaminantes orgánicos. Este sistema es comúnmente empleado para el tratamiento de aguas residuales de áreas suburbanas, logrando tasas de remoción por sobre el 80% de las concentraciones de DBO5 en casos de éxito en países como República Checa, Noruega y Polonia (Vymazal, 1999).

El sistema funciona permanentemente inundado y presenta como limitante que, dado que las plantas no son capaces de suministrar el oxígeno a la velocidad requerida por las cargas orgánicas, tienden a que la nitrificación del medio ocurra a bajos niveles (Hernández et al., 2012).

Actualmente, los sistemas de flujo subsuperficial de flujo horizontal son diseñados incluyendo un mecanismo de aireación entre las celdas previo al paso del agua residual a través de las celdas del humedal. Esto dado que para el sistema subsuperficial de flujo horizontal existe una ausencia de zonas aeróbicas, lo cual limita el ciclo de desnitrificación (Skancke, 2007).

El biofiltro para humedales de flujo horizontal se presenta en la Figura 1.9.

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El biofiltro de flujo subsuperficial vertical se presenta en la Figura 1.10. Este corresponde a un método de funcionamiento intermitente. Esto implica que se tienen fases de llenado, reacción y vertido. Estos sistemas operan con cargas de contaminante superiores a los biofiltros de flujo horizontal y producen efluentes más oxigenados. La carga intermitente de las aguas residuales y la descarga o drenado vertical en el lecho permite que las reacciones aeróbicas se realicen con rapidez (Hernández et al., 2012).

Figura 1.10. Biofiltro de flujo subsuperficial vertical (Fuente: Cárdenas, 2012)

Los sistemas híbridos son aquellos que combinan los tipos de humedales previamente mencionados. Estos combinan la predominancia de los procesos aerobios (degradación, nitrificación) de los humedales de flujo subsuperficial vertical; en conjunto con los procesos anóxicos (desnitrificación) y anaerobios (reducción del sulfato y fermentación) de los humedales de flujo subsuperficial horizontal (Sierra et al., 2013).

Componentes del humedal

- Sustratos, sedimentos y resto de vegetación:

Los sustratos pueden ser de arena gruesa (2 mm), arena gravosa (8 mm), grava fina (16 mm), grava media (32 mm) o piedra partida (128 mm). Estos son importantes para el sistema, ya que sirven de soporte para algunos de los

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organismos vivientes en el humedal y es lugar de muchas transformaciones químicas y biológicas (sobre todo microbianas) (Miglio, 2009).

Para el caso de los sustratos saturados, el agua reemplaza los gases atmosféricos en los poros y el metabolismo microbiano consume el oxígeno disponible y, a pesar de que se presenta dilución de oxígeno en la atmósfera, puede formarse un sustrato anóxico, de importancia para la remoción de contaminantes como el nitrógeno y metales (Lara, 1999).

- Macrófita:

En el área de investigación sobre humedales, ya sea naturales o artificiales, se emplea el término macrófita como denominación para las plantas acuáticas. Estas pueden ser plantas acuáticas estrictas (hidrófitos), plantas anfibianas (emergentes) o plantas flotantes (Fernández, 2001).

Las especies macrófitas desempeñan un papel importante en los aspectos estructurales y funcionales de los ecosistemas acuáticos, al mejorar la calidad del agua mediante la regulación del equilibrio de oxígeno y los ciclos de nutrientes, y la acumulación de metales pesados (Kumar, 2018). Las plantas se encargan de la transferencia de oxígeno de la superficie del medio acuoso a las raíces y parte de este oxígeno penetra en los sedimentos, produciéndose la degradación de la materia orgánica en los sedimentos anaeróbicos (Yeh, 2008).

La vegetación proporciona superficies para la formación de películas bacterianas, facilita la filtración y la adsorción de los constituyentes del agua residual, permite la transferencia de oxígeno a la columna de agua y controla el crecimiento de algas al limitar la penetración de luz solar (Lara, 1999). Existen diversas especies de macrófitas, con diferencias en el grado de tolerancia a contaminantes como metales, así como diferentes comportamientos con respecto a su capacidad para acumular elementos en raíces, tallos y/o hojas. Por tal motivo, la elección de la especie macrófita a emplear depende tanto de la disponibilidad en el medio, como de los contaminantes a tratar en el biofiltro (Kumar, 2018).

En la Figura 1.11 se presenta el esquema de una planta emergente, identificando las raíces, rizomas y el inicio de nuevos brotes.

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Figura 1.11. Esquema de una planta emergente (Fuente: Cárdenas, 2012)

Para los humedales de flujo superficial, las hojas y tallos sumergidos pueden degradarse y son convertidos en parte del substrato para el crecimiento de la película microbiana, partícipes en el tratamiento del agua (Lara, 1999). Las macrófitas emergentes típicamente empleadas en el proceso de fitorremediación en humedales incluyen carrizos y juncos, por ejemplo, las especies Typha latifolia o Phragmites australis. Se seleccionan este tipo de plantas dada su fácil propagación y capacidad de crecer bajo diversas condiciones medioambientales (Sierra et al., 2013). En los humedales de flujo superficial se pueden emplear macrófitas flotantes, como la lechuga de agua (Pistia strartiotes) o algunas especies de lentejas de agua (Lemna Spp., Spirodella Spp.) (Martelo et al., 2012).

- Microorganismos:

Los microorganismos incluyen bacterias, levaduras, hongos y protozoarios, que consumen gran parte del carbono orgánico y muchos nutrientes. Estos actúan en la descomposición de la materia orgánica, así como en la degradación y transformación de compuestos tóxicos (Miglio, 2009).

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Etapas de un sistema de tratamiento de biofiltro de flujo horizontal

El tratamiento de efluentes con un sistema de biofiltro de flujo horizontal es comúnmente empleado para el tratamiento de aguas residuales domésticas. Las etapas que componen el sistema son: pretratamiento, tratamiento primario, tratamiento secundario y pila de secado de lodos.

El pretratamiento consta del paso de las aguas residuales a través de una rejilla, con la intención de remover sólidos gruesos, y el paso por un desarenador. El tratamiento primario se da en el tanque de sedimentación, en el cual se retienen los sólidos suspendidos. Los lodos generados por el desarenador y el tanque de sedimentación son acopiados en la pila de secado de lodos, y extraídos luego de ocurrir su estabilización. Por último, se tiene el tratamiento secundario, conformado por el biofiltro de flujo horizontal, ocurriendo la fitorremediación del agua (WSP-LAC, 2006).

En la Figura 1.12 se presentan las etapas de un sistema de biofiltro de flujo superficial.

Figura 1.12. Sistema de biofiltro de flujo horizontal (Fuente: WSP-LAC, 2006)

Criterios de diseño de humedales artificiales

Para el correcto funcionamiento de los humedales artificiales se deberá disponer de agua durante todo el año, para mantener a las plantas y bacterias vivas. Así mismo, se deberá considerar un flujo natural por gravedad a través del biofiltro.

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Además, se deberá evitar el estancamiento de las aguas ya que conlleva a la proliferación de mosquitos (Cruz, 2013).

El diseño de estos sistemas usualmente considera que la remoción de contaminantes del agua tiene un comportamiento de primer orden y los reactores se diseñan como sistemas de flujo pistón, considerando los tiempos de retención hidráulica para la remoción de materia orgánica o sólidos suspendidos empleando modelos empíricos (Sierra et al., 2013).

Para el diseño de humedales construidos de flujo superficial para el tratamiento de aguas residuales domésticas, se estima que el tiempo de retención hidráulica es de 5 a 15 días, con una profundidad menor a 60 cm y una pendiente en el lecho menor al 1% (Sierra et al., 2013).