Tratamiento de aguas grises a partir de un humedal de flujo horizontal subsuperficial

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(1)TRATAM IENTO DE AGUAS GRISES A PARTIR DE UN HUM EDAL DE FLUJO HORIZONTAL SUBSUPERFICIAL. LAURA LUCIA VILLAM IZAR DUQUE. PROYECTO DE GRADO. ASESOR. MANUEL SALVADOR RODRIGUEZ, P.h.D.. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAM ENTO DE INGENIERIA CIVIL Y AM BIENTAL ENERO 2007. 1.

(2) IAMB 200720 17. Tabla de contenido 1. Introducción 1.1.. 7. Aguas grises……………………………………………………………… 1.1.1. Composición de las aguas grises…………………………………….. 1.2.. 8. Reutilización de las aguas grises………………………………………….. 11 1.2.1. Humedal artificial 1.2.1.1.. 1.3.. 7. Biden laevis. Alternativa en Colombia. 2. Metodología. 15 16 19 21. 2.1.. Descripción de fases del experimento. 21. 2.2.. Descripción del montaje. 21. 2.3.. Alimentación aguas grises. 25. 2.4.. Parámetros físicos, químicos y microbiológicos analizados. 27. 3. Diseño hidráulico. 30. 3.1.. Características hidráulicas. 30. 3.2.. Reactor Semibatch. 33. 4. Resultados y discusión 4.1.. 4.2.. M acrófitas. 35 35. 4.1.1. Cuantificación de macrófitas fase I. 36. 4.1.2.. 41. Cuantificación de macrófitas fase II. 4.1.3. Comportamiento general de cada macrófita durante fase I y fase II. 44. 4.1.4. Cuantificación de flores. 48. Análisis de laboratorio. 50. 4.2.1. Resultados generales. 50. 4.2.2. Temperatura. 51. 4.2.3. pH. 53. 4.2.4. Turbiedad y Sólidos Suspendidos Totales (SST). 54. 4.2.5. Potencial Redox. 56. 4.2.6. Color. 57. 4.2.7. Demanda Química de Oxígeno (DQO). 60. 4.2.8. Coliformes Totales y Fecales. 62 2.

(3) IAMB 200720 17. 4.2.9. Nitrógeno Total Kjeldahl (NTK) y Fósforo Total. 65. 4.2.9.1.. Nitrógeno Total Kjeldahl (NTK). 65. 4.2.9.2.. Fósforo Total. 67. 4.2.10. Sustancias Activas al Azul de M etileno (SAAM ). 68. 5. Conclusiones y recomendaciones. 70. 6. Bibliografía. 73. 3.

(4) IAMB 200720 17. LIS TA DE FIGURAS Figura 1. Flores de la especie Biden laevis Figura 2. Humedal artificial con macrófitas al tercer día de siembra Figura 3. Humedal de Córdoba Figura 4. Humedal artificial con mayor cantidad de macrófitas Figura 5. Vista frontal del humedal artificial Figura 6. Dimensiones del humedal artificial fase I Figura 7. Dimensiones del humedal artificial fase II Figura 8. Caudal de entrada Figura 9. Caudal de salida Figura 10. Distribución de macrófitas durante la primera semana de la fase I Figura 11. Distribución de macrófitas después de la segunda semana de la fase I Figura 12. Temperatura ambiental CITEC Figura 13. Humedad relativa CITEC Figura 14. M acrófitas en la semana 1 Figura 15. M acrófitas en la semana 3 Figura 16. M acrófitas en la semana 5 Figura 17. M acrófitas en la semana 6 Figura 18. M acrófitas en la semana 9 Figura 19. M acrófitas en la semana 11 Figura 20. M acrófitas en la semana 13 Figura 21. M acrófitas en la semana 15 Figura 22. Distribución de macrófitas muertas Figura 23. Equivalencia entre las Figuras de distribución de macrófitas y fotografías Figura 24. Variación de hojas en la macrófita 1 Figura 25. Variación de hojas en la macrófita 2 Figura 26. Variación de hojas en la macrófita 3 Figura 27. Variación de hojas en la macrófita 4 Figura 28. Variación de hojas en la macrófita 5 Figura 29. Variación de hojas en la macrófita 6 Figura 30. Variación de hojas en la macrófita 7 Figura 31. Variación de hojas en la macrófita 8 Figura 32. Variación de hojas en la macrófita 9 Figura 33. Variación de hojas en la macrófita 10 Figura 34. Cantidad de flores de macrófitas en agua gris Figura 35. Cantidad de flores de macrófitas en agua potable Figura 36. Remoción media Figura 37. Variación de la temperatura Figura 38. Reducción porcentual de la temperatura Figura 39. Variación del pH. 18 22 23 24 24 31 32 33 34 36 37 38 39 40 40 40 41 41 42 42 42 43 44 45 45 45 46 46 46 47 47 47 48 49 49 51 52 52 53 4.

(5) IAMB 200720 17. Figura 40. Variación de turbiedad Figura 41. Remoción de turbiedad Figura 42. Variación en la concentración de SST Figura 43. Remoción de SST Figura 44. Variación del potencial Redox Figura 45. Color del efluente en el análisis 4 Figura 46. Color del agua de entrada y salida del humedal Figura 47. Variación del color Figura 48. Presencia de algas, septiembre 17 Figura 49. Color agua de salida del humedal, septiembre 17 Figura 50. Color agua de salida del humedal, noviembre 23 Figura 51. Variación en la concentración de DQO Figura 52. Remoción de DQO Figura 53. Variación en el NM P de coliformes totales Figura 54. Remoción de coliformes totales Figura 55. Variación en el NM P de coliformes fecales Figura 56. Remoción de coliformes fecales Figura 57. Variación en la concentración de NTK Figura 58. Remoción de NTK Figura 59. Variación en la concentración de Fósforo Total Figura 60. Remoción de Fósforo Total Figura 61. A gua gris de alimentación, septiembre 8 Figura 62. A gua gris de alimentación, noviembre 3 Figura 63. Variación en la concentración de SAAM Figura 64. Remoción de SAAM. 54 54 55 56 57 57 58 58 59 60 60 61 61 62 63 63 64 66 66 67 67 68 68 69 69. 5.

(6) IAMB 200720 17. ÍNDICE D E TABLAS Tabla 1. Composición típica del agua gris. Tabla 2. Relación nitrógeno y fósforo en agua gris. Tabla 3. Componentes del agua gris doméstica proveniente de diferentes fuentes Tabla 4. Coliformes fecales en el agua gris. Tabla 5. Límites permisibles de reutilización para agua gris. Tabla 6. Límites permisibles de presencia de coliformes totales en algunos países Tabla 7. Límites permisibles para SST Tabla 8. Límites propuestos en el proyecto Aquarec Tabla 9. Límites de turbiedad y pH para reutilización doméstica Tabla 10. Calidad del agua filtrada con membrana metálica Tabla 11. Características de Biden laevis Tabla 12. Clasificación taxonómica de Biden laevis Tabla 13. Requerimientos de fósforo y nitrógeno en macrófitas emergentes Tabla 14. Requerimientos de fósforo y nitrógeno para Biden laevis Tabla 15. Dimensiones humedal artificial Tabla 16. Porcentajes de consumo agua gris y no gris propuesto en teoría Tabla 17. Porcentaje y volumen de alimentación propuesto en teoría Tabla 18. Porcentajes de consumo agua gris y no gris experimentales Tabla 19. Porcentaje y caudal por habitante semana experimental Tabla 20. Porcentaje y volumen de alimentación experimental Tabla 21. Volumen real de alimentación del humedal artificial Tabla 22. Parámetros de laboratorio analizados Tabla 23. Fechas de análisis de laboratorio para la fase I Tabla 24. Fechas de análisis de laboratorio para la fase II Tabla 25. Valores teóricos para el lecho Tabla 26. Resumen de las características hidráulicas del reactor Tabla 27. Fechas de monitoreo Tabla 28. Relación real N:P de alimentación y requerimiento teórico Tabla 29. Resultados análisis de laboratorio. 8 9 9 10 12 12 12 13 13 14 16 17 18 19 22 25 25 26 26 26 27 27 28 29 30 33 35 39 50. 6.

(7) IAMB 200720 17. 1. Introducción.. El recurso del agua se ha venido reduciendo debido al crecimiento de la población mundial que implica una mayor demanda. Para mediados del siglo XXI se estima que la población alcance los 12000 millones de habitantes, lo cual es alarmante y conlleva a que las reservas hídricas ya no serán suficientes para suplir las necesidades de consumo de la población, de acuerdo a la Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (UNESCO). Además, actualmente aproximadamente el 40% de la población mundial presenta problemas de escasez de agua (Ambientum, 2005). Por estas razones es necesario cambiar hábitos de consumo y adicionalmente pensar en estrategias de reutilización del agua consumida en nuestros hogares. Esta preocupación del recurso hídrico ha creado una inclinación en el hombre a diseñar estrategias de tratamiento, especialmente a partir de las aguas grises como se verá posteriormente. A continuación se explicará el concepto de aguas grises, su composición, los diferentes tratamientos existentes y la alternativa escogida para este estudio, que es el humedal artificial. 1.1.. Aguas grises.. Recientemente ha surgido un interés en diferenciar las aguas residuales. Estas se dividen en aguas grises y aguas negras. Las aguas grises que son nuestro objeto de interés, son las provenientes de lavadoras, duchas y lavamanos, sin incluir las aguas del lavaplatos o sanitarios. Se llaman aguas grises porque después de ser almacenadas por periodos de tiempo cortos, toman este color (Amman, 2006). En general, las aguas grises contienen baja cantidad de materia orgánica en comparación con las aguas negras, lo que hace pensar que son potencialmente reutilizables. Por esta razón, la inclinación por reutilizar las aguas grises está creciendo constantemente. Además se ha estimado que aproximadamente el 75% de las aguas residuales domésticas, son aguas grises. En países como Alemania, se ha demostrado que el re-uso de aguas grises provenientes de los baños es técnicamente viable (Erickson et al., 2001).. 7.

(8) IAMB 200720 17. El re-uso de las aguas grises se realiza con fines no potables, tales como irrigación de jardines, campos de futbol, campos de golf, cementerios, lavado de vehículos, redes contra incendios y producción industrial (Erickson et al., 2001). De esta manera, se reduce la demanda de agua potable y la carga de agua residual vertida. Sin embargo, los sistemas implementados para tratar las aguas grises deben estar diseñados de una manera que no afecten la salud humana, plantas, suelo y ambiente.. 1.1.1. Composición aguas grises. De acuerdo a la World Health Organization [WHO] (2006b), las aguas grises están contaminadas con bacterias, virus, y parásitos provenientes del cuerpo y la ropa, junto con productos químicos que ponen en riesgo la salud humana. Estos productos son shampoo, jabón, crema dental, crema de afeitar, detergentes, cabello, pelusa, aceites y grasas. No obstante, algunas personas en especial niños pequeños orinan en la ducha, por lo cual se considera como otro contaminante que incrementa la carga de nutrientes en el agua. La composición físico química típica de las aguas grises se observa en la Tabla 1 y la relación nitrógeno y fósforo en la Tabla 2. Tabla 1. Composición típica del agua gris. Parámetro Sólidos Suspendidos Totales (SST) Turbiedad. Unidad mg/L NTU. Rango 45–330 22–200. Demanda Bioquímica de O xígeno (DBO5). mg/L. 90–290. Nitritos (NO2) Amonio (NH4) Nitrógeno Total Kjeldahl (NTK) Fósforo Total (PT) Sulfatos (SO4) pH Conductividad Sodio Fuente: WHO, 2006b.. mg/L < 0.1–0.8 mg/L < 0.1–25.4 mg/L 2.1–31.5 mg/L 0.6–27.3 mg/L 7.9–110 6.6–8.7 mS/cm 325–1140 mg/L 29–230. 8.

(9) IAMB 200720 17. Tabla 2. Relación nitrógeno y fósforo en agua gris. Parámetro. N:P. Agua gris 1.2 : 1 Fuente: WHO, 2006b. Además de la composición de las aguas grises, es importante diferenciar los usos y los componentes de cada fuente. Es necesario tener en cuenta la forma como se consume el agua en los hogares e instituciones. Existen tres maneras de utilizar el agua en un suministro normal (WHO, 2006b): Consumo (tomar agua y cocinar alimentos); higiene (personal y doméstica) y otros usos (Lavar carros e irrigar jardines). Cada una de estas fuentes, contiene diferentes contaminantes (Tabla 3). Tabla 3. Componentes del agua gris doméstica proveniente de diferentes fuentes. Fuentes de agua gris. Posible contenido. Sólidos suspendidos, materia orgánica, grasas y aceites, sodio, nitratos y fosfatos (de detergentes), alta salinidad y pH, blanqueador. Bacterias, materia orgánica y sólidos suspendidos (partículas de Lavaplatos comida), grasas y aceites, jabón y residuos de detergentes. M ateria orgánica y sólidos suspendidos (de comida), bacterias, Lavaplatos automático alta salinidad y pH, grasas y aceites, detergentes. Bacteria, cabello, materia orgánica, sólidos suspendidos (piel, Bañera, ducha y lavamanos partículas, pelusa), grasas y aceites, jabón y shampoo. Fuente: Adaptado de Amman, 2006. Lavadora. No obstante, el contaminante más significativo en las aguas grises, es el detergente de lavadora, en especial aquel rico en sodio y fósforo (Amman, 2006). En general, hay diversos tipos de detergentes. Por un lado tenemos los que poseen como agente activo Alquilbencenos Sulfonados de cadena Ramificada (BAS), cuyas propiedades determinan la difícil degradación del compuesto en el medio y mucha producción de espuma. Por otro lado, están los detergentes basados en Alquilbencenos Sulfonados de cadena Lineal (LAS) que se degradan fácilmente en el ambiente al igual que los jabones, debido a que sus estructuras lineales son semejantes (Barrera, 1999). Sin embargo, es preocupante el hecho de la contaminación en los cuerpos de agua a causa de detergentes en las aguas residuales 9.

(10) IAMB 200720 17. que no han sido tratadas, y adicionalmente es alarmante que algunos detergentes posean aditivos potencialmente tóxicos para el ser humano. Por lo tanto, la remoción de detergentes en los procesos de tratamiento es un aspecto importante a tener en cuenta. Vale la pena resaltar que los detergentes BA S son más baratos que los LA S, lo cual es un problema importante en los países en desarrollo. Otros aspectos relevantes a tener en cuenta, son los parámetros microbiológicos en las aguas grises representados principalmente por los coliformes totales y fecales. Los niveles de coliformes fecales en las aguas grises sobrepasan el nivel que garantiza seguridad en la salud. Por lo tanto, entrar en contacto con estas aguas genera un riesgo para la salud (Amman, 2006). Algunos valores típicos de estos indicadores de acuerdo a la fuente se observan en la Tabla 4. Adicionalmente, hay otros indicadores de contaminación fecal en las aguas grises. Estos son bacterias (Enterococci fecales, Escherichia coli, Clostridium perfringens, Salmonella y Campylobacter), protozoos (Giardia y Cryptosporidium) y virus. Los virus son de gran preocupación ya que pueden afectar la salud humana a dosis bajas que no se detectan fácilmente (Jefferson et al., 2000). Tabla 4. Coliformes fecales en el agua gris.. Fuente de agua gris. Coliformes fecales (UFC/100 mL). Bañera, ducha y lavadora con pañales de bebé. 104-106. Bañera y ducha. 6 x 103. Lavadora, lavamanos, ducha y lavaplatos. 3.44 x 106. Lavadora (con ropa de niños). 2.6 x 104-8.45 x 105. Lavadora (sin ropa de niños). 7 x 101 – 2.9 x 104. Ducha y lavamanos. 1.52 x 102 – 3.5 x 104. Ducha y bañera Fuente: Amman, 2006.. 101 - 5 x 103. De acuerdo a estudios realizados en Inglaterra en cuanto a los macro nutrientes como nitrógeno y fósforo, se estima que la relación DQO:NH3:P en las aguas grises es 10.

(11) IAMB 200720 17. 1030:2.7:1, mientras que para aguas negras es 100:5:1. Los bajos valores de materia orgánica biodegradable limitan la efectividad de un tratamiento biológico en las aguas grises (Jefferson et al., 2000). Un aspecto que puede ser ventaja en el tratamiento, es que la relación NH3:P es menor para aguas grises que aguas negras. Por otro lado, una desventaja de las aguas grises, es que al almacenarlas se crean condiciones adecuadas para que se multipliquen los microorganismos y también se producen malos olores. Sin embargo, estos olores no se crean inmediatamente el agua gris es vertida, sino únicamente al ser almacenada en un tanque. El oxígeno es consumido rápidamente y las condiciones pueden llegar a ser anaerobias. Por lo tanto, es recomendable tratar el agua gris inmediatamente sea generada, y reutilizada mientras no tenga un estado anaerobio. Para reutilizar las aguas grises hay que tener en cuenta que la cantidad y composición en una vivienda dependen de la dinámica que tengan los residentes y no solamente de la fuente. Factores como el número de ocupantes, la edad, el estilo de vida, los patrones de uso, el costo del agua potable y el clima influyen tanto en la composición como en la cantidad (Amman, 2006). La variación en la cantidad y composición, se atribuye a los productos químicos utilizados en un momento dado. Esta variabilidad es la principal dificultad para tratar las aguas grises, pero los beneficios que produce su tratamiento son aún más grandes que esta dificultad. 1.2.. Reutilización aguas grises.. La reutilización de las aguas grises puede implicar salvar hasta 1/3 de las aguas consumidas diariamente en los hogares, lo cual no solo es ambientalmente sostenible sino que también implicaría una reducción en las tarifas de acueducto (Ghermandi et al., 2006). Para lograr este objetivo, no solo se han creado diferentes tipos de tratamiento sino que también se han propuesto algunos estándares para los parámetros físicos, químicos y microbiológicos que se deben cumplir al reutilizar el agua gris.. En la Tabla 5 vemos algunos valores. permisibles propuestos por la WHO (2006b), en la Tabla 6 valores propuestos para coliformes totales en algunos países y en la Tabla 7 valores para SST. Se observa que los límites permisibles varían un poco de un país a otro de acuerdo a la WHO. La legislación de USA parece ser un poco más estricta en cuanto a coliformes totales que lo que plantearía 11.

(12) IAMB 200720 17. la WHO, teniendo como referencia los coliformes fecales propuestos para la cisterna sanitaria. Por otro lado, los límites propuestos por el proyecto Aquarec (Tabla 8) y la WHO (Tabla 5), son ligeramente similares en cuando a coliformes fecales. Tabla 5. Límites permisibles de reutilización para agua gris. Irrigación de Irrigación de lugares recreativos, Cisterna Parámetro vegetales para árboles de frutas y sanitaria consumir sin cocinar algunos cultivos DBO5 (mg/L) ≤240 ≤20 ≤10 Número de muestras 1 muestra/mes 2 muestras/mes 1 muestra/semana SST (mg/L) 140 ≤20 ≤10 Número de muestras 1 muestra/mes 2 muestras/mes 1 muestra/semana Coliformes fecales ≤1000 ≤200 ≤10 NMP/100 mL Número de muestras 2 muestras/mes 1 muestra/2 semanas 1 muestra/semana Fuente: Adaptado de la WHO, 2006b. Tabla 6. Límites permisibles de presencia de coliformes totales en algunos países.. Actividad/ Parámetro. US A. Florida. Australia. Alemania. WHO. Cisterna sanitaria. Irrigación lugares recreativos. Aplicaciones recreativas. Aplicaciones recreativas. Irrigación agricultura y campos deportivos. 2,2. 0. ≤150. ≤100. ≤1000. Coliformes Totales (NM P/100ml). Fuente: Adaptado de la WHO, 2006a. Tabla 7. Límites permisibles para SS T. Florida Actividad/Parámetro. SST (mg/l). WHO. Aplicaciones recreativas Cisterna sanitaria y lavado de carros. ≤ 140. ≤ 10. Fuente: Adaptado de la WHO, 2006a. 12.

(13) IAMB 200720 17. Tabla 8. Límites propuestos en el proyecto Aquarec.. Actividad Usos residenciales: recarga de acuíferos Agua de ducha Usos urbanos: Irrigación de cultivos consumibles, aspersores; e irrigación no restringida.. Coliformes Fecales (NMP/100m L) 0 <20-<100 0-<10000. Irrigación de pasto; cultivos no consumibles; cultivos de frutas y usos recreativos (no baño). 0-10000. Irrigación del paisaje; acuicultura; recarga de acuíferos por percolación. 0-<10000. Calidad de agua superficial; usos recreacionales de corrientes Refrigeración industrial (excepto comidas) Fuente: Ghermandi et al., 2006a.. <200<10000 0-10000. En la Tabla 9 se presentan algunos límites propuestos para turbiedad y pH en cuando a la reutilización con fines domésticos. Tabla 9. Límites para reutilización doméstica. Turbiedad pH (NTU) USA, NSF 90 USA, EPA 2 6-9 Australia 2 UK Japón 5 6-9 WHO Alemania 1-2 6-9 Fuente: Jefferson et al, 2000. País. Ahora bien, existen diferentes métodos para tratar las aguas grises. Por un lado está el tratamiento primario a bajo costo y por otro lado el secundario que puede incluir desinfección. Entre los diferentes tipos de tratamiento, los más utilizados a nivel global son los siguientes (Jefferson et al., 2000): 13.

(14) IAMB 200720 17. -. Desinfección con cloro: La desinfección es afectada por las partículas y materia orgánica. El material particulado resguarda microorganismos como por ejemplo coliformes, los cuales son resistentes a desinfección con cloro. Esta es una desventaja de la desinfección, y se debería remover primero los sólidos suspendidos (Winward et al., 2007). Además, el agua gris al contener partículas floculantes reduce la capacidad de desinfección.. -. Filtración por membrana: El agua tratada tiene baja turbiedad y coliformes. Este tipo de tratamiento tiene alto potencial para clarificar el agua (Kim et al., 2005). Sin embargo, los contaminantes disminuyen la vida útil de la membrana, aumentando la energía demandada para filtración y por lo tanto el flujo. En la Tabla 10 se observan algunos parámetros del tratamiento con membrana.. Tabla 10. Calidad del agua filtrada con membrana metálica de diferentes poros. Porosidad membrana 5 µm 1 µm 0.5 µm pH 7.27 7.36 7.41 6.81 Conductividad (uS /cm2) 194 181 187.1 163.8 Turbiedad (NTU) 12.6 5.9 4.76 3.2 Color 49 25 24 13 DQO (mg/L) 22.9 12.5 12.6 6.8 Fuente: Kim et al., 2005. Parámetro. -. Influente. Bio-reactores de membrana: Incluye procesos biológicos dentro de su mecanismo de tratamiento. Este proceso consiste en un reactor de lodos activados mas una micro-filtración mediante una membrana, y es muy eficiente removiendo materia orgánica. Remueve coliformes mucho en mayor cantidad que una filtración con membrana (Jefferson et al, 2000). Sin embargo, es un sistema muy costoso.. -. Humedal artificial: De acuerdo a Salas et al. (2006) el tratamiento en un humedal artificial se da mediante los procesos físicos, químicos y biológicos que se llevan a cabo gracias a la matriz medio-planta dando lugar a degradación de la materia 14.

(15) IAMB 200720 17. orgánica, toma de nutrientes y metales pesados por parte de las plantas, filtración, adsorción y precipitación. Para nuestros países en desarrollo, el humedal artificial es una alternativa muy viable como se verá a continuación.. 1.2.1. Humedal artificial.. Los humedales artificiales han demostrado altos porcentajes de remoción de contaminantes como DBO, DQO, SST, pero bajos porcentajes de remoción de nitrógeno (30-50%) (Guangzhi, 2006) y fósforo (40%) (EPA, 1993). Generalmente proporcionan 90-99% de remoción en coliformes totales y fecales cuando el agua residual ha tenido algún tipo de pre-tratamiento (Ghermandi et al., 2006). Esta tecnología combina factores físicos, químicos y biológicos. Para que el sistema funcione correctamente, es necesario entender estas relaciones y tener en cuenta que un proyecto pequeño puede incluir características similares a las de un humedal natural (EPA, 2000).. Clásicamente se habla de dos tipos de humedales artificiales: De flujo superficial y subsuperficial. Cada uno de estos, tiene un diseño y remoción de nutrientes diferente. De acuerdo a los estudios previos (EPA, 2000), se concluyó que el humedal de flujo subsuperficial es efectivo para tratar aguas residuales e implica un gasto mínimo de energía para su operación. Debido a que el nivel del agua a tratar se encuentra por debajo del lecho, no hay olores desagradables; no hay vectores y por lo tanto no hay riesgo de exposición del público con el agua residual. Otra gran ventaja, es su estética, la cual puede hacer a los humedales muy atractivos. Por eso también es importante saber cuál macrófita escoger para el tratamiento.. Los humedales con macrófitas son buenas alternativas de tratamiento de aguas residuales ya que mejoran la calidad del agua en la medida que reducen su velocidad, retienen sedimentos, toman nutrientes y funcionan como un medio para favorecer la vida de los microorganismos (Ray e Inouye, 2006). Los principales mecanismos de degradación de materia orgánica, se dan por las relaciones simbióticas entre las plantas y las bacterias, al producirse oxígeno gaseoso mediante fotosíntesis (Salas et al., 2006). En teoría, las aguas 15.

(16) IAMB 200720 17. grises pueden ser benéficas para las plantas porque contienen nutrientes como nitrógeno y fósforo pero también se puede encontrar sodio y cloruro, que puede ser dañino para la vida de las plantas. Adicionalmente, los detergentes contienen boro, peróxidos y cloruros. El boro es tóxico para la mayoría de las plantas (Jefferson et al., 2000).. Las plantas de los humedales están categorizadas de acuerdo a su crecimiento. Pueden ser emergentes, sumergidas y flotantes. Para este caso de estudio, se utilizaron macrófitas emergentes. Estas viven en aguas poco profundas, tienen gran habilidad de capturar la luz solar antes que penetre la superficie del agua y se encuentran enraizadas al sustrato. Algunas porciones de la planta crecen bajo la superficie del agua, pero sus hojas y órganos reproductivos son aéreos (Cronk y Fennesi 2001).. 1.2.1.1.. Biden laevis.. Para este estudio, se plantó la macrófita Biden laevis o su nombre común “botoncillo”. Se escogido debido a que su crecimiento es acorde con la altura del humedal artificial que se implementó, se encuentra fácilmente en los humedales de Bogotá, sus flores son hermosas luciendo como pequeños girasoles y se adapta a suelos de textura gruesa, fina y media. Son plantas que requieren alto uso de humedad, temperatura mayor a 12 °C y moderada radiación solar (Tabla 11).. Tabla 11. Características de Biden laevis. Requerimientos para el crecimiento Altura (m) Adaptada a suelos de textura gruesa Adaptada a suelos de textura fina Adaptada a suelos de textura media. Valor 1.01 Si Si Si. Requerimientos para el crecimiento Tolerancia al fuego Uso de humedad pH, mínimo pH, máximo. Tolerancia a CaCO3 M edio Tolerancia a la sombra Tolerancia a sequías Bajo Temperatura, M ínima (°C) Requerimiento de fertilizantes M edio Periodo de florecimiento Fuente: United States Department of Agriculture [USDA], 2007.. Valor Bajo Alto 5 7 Intermedio 12.77 Verano. 16.

(17) IAMB 200720 17. La clasificación de esta planta se puede apreciar en la Tabla 12. Tabla 12. Clasificación taxonómica de Biden laevis. Reino. Plantae. Subreino. Tracheobionta. Superdivisión. Spermatophyta. División. Manoliophyta. Clase. Magnoliopsida. Subclase. Asteridae. Orden. Asterales. Familia. Asteraceae. Genero. Biden l.. Especie. Biden laevis. Fuente: USDA, 2007.. Biden laevis pertenece a la familia Asteraceae. Esta familia se caracteriza por sus flores (Figura 1). Sin embargo, en Nueva Zelanda es considerada como una planta invasiva. Sus frutos tienen vellosidades o ganchos para adherirse a la piel de los animales para la difusión de semillas (USDA, 2007). Además, sus flores son atractivas para mariposas y pájaros. Estas macrófitas emergentes poseen algunas de sus partes y flores sobre la superficie del agua, y la polinización ocurre por mecanismos típicos de plantas terrestres. Utilizan insectos y viento como vectores para transportar el polen, es decir, la mayoría de angiospermas son polinizadas por insectos. En los humedales los vectores más comunes son abejas y moscas (Cronk y Fennesi, 2001).. Por otro lado, las semillas germinan en suelos húmedos o bajo el agua. La dominancia de semillas es inducida cuando hay carencia de oxígeno (hipoxia), la germinación es inhibida por lugares oscuros, y disminuye con la profundidad de enterramiento.. 17.

(18) IAMB 200720 17. Figura 1. Flores de la especie Biden laevis.. Adicionalmente la planta tiene una necesidad de nutrientes especiales para sobrevivir. Debido a que Biden laevis es una macrófita emergente, los requerimientos de nitrógeno y fósforo deben ser similares a los de este tipo de macrófitas (Tabla 13 y Tabla 14).. Tabla 13. Requerimientos de fósforo y nitrógeno en macrófitas emergentes. Planta. Contenido de Fósforo (mg/g) Contenido de nitrógeno (mg/g) Hoja Raíz Rizoma Hoja Raíz Rizoma. Especies emergentes Cyperus involucratus 3.5 4 4.5 29 Phragmites australis 2 2 2 25 Tyha spp 3 4.5 4 18.5 Scirpus tabernaemontani 3 5 4.5 15.5 Bolboschoebus 3 4.5 5 8.5 Baumea articulata 5 5 4.5 14.5 Promedio 3.3 4.2 4.1 18.5 Fuente: Adaptado de Cronk y Fennesi, 2001.. 28 23 28 12.5 8.5 16.5 19.4. 13 18 21 13.5 16 13.5 15.8. 18.

(19) IAMB 200720 17. Tabla 14. Requerimientos de fósforo y nitrógeno para Biden laevis. Especie N:P Biden laevis 5.69 : 1 6.66 : 1 3.878 : 1 Fuente: Adaptado de Cronk y Fennesi, 2001. De acuerdo a los requerimientos de nitrógeno, es cuestionable la supervivencia de la planta en el humedal alimentado con aguas grises, ya que la relación nitrógeno- fósforo de estas aguas es muy diferente a la que requiere la planta. Sin embargo, debido a que la relación N:P en aguas grises es casi 1:1, es posible que las macrófitas consuman todo el nitrógeno pero solo un poco de fósforo. Debido a que las aguas grises contienen más fósforo que nitrógeno por la naturaleza de los detergentes en Colombia, una alternativa a estos humedales artificiales es una planta carnívora. En caso de que las macrófitas no sobrevivan en el agua gris, se pueden mezclar con plantas carnívoras. La explicación se basa en la fijación del nitrógeno por parte de las plantas. Este es el proceso mediante el cual el nitrógeno gaseoso se hace disponible para plantas y otros organismos. La fijación de nitrógeno no es común en las plantas de humedales. Sin embargo, se ha encontrado que en los humedales de suelo orgánico (producido por la acumulación de material de las plantas) que contienen bajas cantidades de nutrientes, se pueden encontrar plantas carnívoras. Estas plantas absorben los nutrientes a partir de los animales. Sus hojas están hechas para atraer, retener, matar y digerir los animales. En nuestro continente, podemos encontrar 3 especies de plantas carnívoras de la familia Pinguicula, 16 especies de Genlisea y 275 especies de Utricularia. Esta última especie es capaz de incorporar 75% de nitrógeno requerido a partir de su presa (Cronk y Fennesi, 2001). Sin embargo, para efectos prácticos se utilizó una macrófita convencional. 1.3.. Alternativa en Colombia.. El humedal artificial es una de las tecnologías que promete buenos resultados en países en desarrollo. Es una alternativa viable en viviendas, conjuntos residenciales o comunidades pequeñas. Además, para aquellas comunidades de bajos recursos es una opción muy adecuada, sobre todo para nuestro país que aún no está preparado para implementar altas tecnologías debido a la escasez del dinero. Algunos países en Europa como Alemania, 19.

(20) IAMB 200720 17. Dinamarca e Inglaterra han empezado a implementar sistemas naturales como este tipo de humedal. Durante los últimos 5 años, en España se han construido el 80% de la totalidad de humedales artificiales con los que el país cuenta, en aras de mejorar la calidad de vida de comunidades pequeñas (Puigagut et al., 2007). En general, desde 1980 se han construido 950 humedales artificiales en el Reino Unido (Guangzhi, 2006).. Por lo tanto, en el siguiente trabajo se pretende plantear preliminarmente como alternativa de tratamiento de aguas grises en Colombia, un humedal artificial de flujo subsuperficial. El humedal se construyó a escala pequeña, y se monitorearon los principales parámetros físicos, químicos y microbiológicos: Temperatura, pH, turbiedad, color, Potencial redox, Sólidos suspendidos totales (SST), Demanda química de oxígeno (DQO), Coliformes totales y fecales, Sustancias activas al azul de metileno (SAAM ), Nitrógeno (NTK) y Fósforo.. El humedal artificial se diseñó de acuerdo a algunos parámetros encontrados en la bibliografía, y se alimentó de manera continua ya que esto se ajusta más a la realidad que si se hubiera alimentado de forma intermitente. A pesar que la alimentación intermitente proporciona mayores condiciones de oxidación y por lo tanto mayor remoción de amonio (Casseles y García, 2007), no se escogió porque no es aplicable a la realidad. Finalmente, se demostrará la viabilidad de reutilización de las aguas grises con esta tecnología, en base a la remoción de los contaminantes.. 20.

(21) IAMB 200720 17. 2. Metodología.. La metodología desarrollada se llevó a cabo desde agosto hasta diciembre del año 2007. El proyecto se dividió en dos fases acorde con la ubicación del humedal. Se construyó un humedal artificial alimentado con aguas grises provenientes de la ducha, lavamanos y lavadora de una residencia de Bogotá. A continuación se describe cada fase del experimento, el montaje, la alimentación del humedal, la operación del reactor y los ensayos de laboratorio analizados.. 2.1.. Descripción de fases del experimento.. El experimento se llevó a cabo durante dos fases. La fase I del 15 de agosto al 10 de octubre y la fase II del 11 de octubre al 10 de diciembre. Se dividió en estas fases debido a las diferentes condiciones ambientales, distribución de macrófitas y localización, como se mostrará posteriormente.. Fase I: La ubicación del humedal se realizó en el Centro de Innovación y Desarrollo Tecnológico (CITEC) de la Universidad de Los Andes, en la localidad de Puente Aranda. Este lugar se caracteriza por ser el más contaminado de Bogotá en cuanto a material particulado debido a las fuentes móviles y grandes industrias. El humedal operó en un lugar techado, donde la luz solar solo penetraba a las macrófitas lateralmente a partir de las 3:00 pm. Fase II: El humedal se trasladó a una residencia de Bogotá en la calle 135 con carrera 7ª, donde operó en una terraza. Por lo tanto, recibió luz solar durante todo el día, precipitación y en general las condiciones ambientales cambiaron significativamente. Esta fase simuló condiciones diferentes a los de la Fase I.. 2.2.. Descripción del montaje.. Para la construcción del humedal se utilizó un contenedor plástico con las siguientes características (Tabla 15): 21.

(22) IAMB 200720 17. Tabla 15. Dimensiones humedal artificial. H. 0.4. m. L. 0.87. m. W. 0.46. m. L:W. 2a1. El agua se almacenó en un contenedor plástico gris opaco con capacidad de 50 L. El color se escogió debido a que el agua se almacenaba durante una semana, y no era conveniente que recibiera la luz solar para que no ocurrieran reacciones que aceleraran el crecimiento de microorganismos. El tanque de almacenamiento se conectó a una bomba peristáltica mediante una manguera de caucho negra de ¼” y esta terminaba en el humedal al conectarse a una te de PVC ½”. El humedal se escogió transparente, para poder observar el comportamiento dentro del sistema (Raíces, agua, sedimentos, obstrucciones, color). Posteriormente, el agua tratada se conducía a otro tanque de 50 L mediante un tubo de PVC ½” (Figura 2).. Figura 2. Humedal artificial con macrófitas al tercer día de siembra. Agosto 22 de. 2007.. 22.

(23) IAMB 200720 17. Las macrófitas se recogieron el día 18 de agosto del humedal de Córdoba (Figura 3), situado en la calle 127 con avenida Suba de Bogotá, y se sembraron el 21 de agosto. En este humedal predominan las macrófitas de la especie Biden laevis.. Figura 3. Humedal de Córdoba.. Debido al drástico cambio de hábitat, las macrófitas se debilitaron y algunas murieron durante la semana en que se sembraron. Por lo tanto, se procedió a sembrar más macrófitas el 25 de agosto. Durante la fase I el humedal se encontraba en un lugar techado pero en la tarde los rayos solares llegaban lateralmente a las macrófitas (Ver Figura 4 y Figura 5).. 23.

(24) IAMB 200720 17. Figura 4. Humedal artificial con mayor cantidad de macrófitas. S eptiembre 5 de 2007.. Figura 5. Vista frontal del humedal artificial. Septiembre 5 de 2007.. 24.

(25) IAMB 200720 17. 2.3.. Alimentación de aguas grises.. Semanalmente se alimentó el humedal con aguas grises provenientes de la ducha, la lavadora y el lavamanos a partir del 25 de agosto. Debido a que se asumió un caudal de 5 L/día y. 35 L/semana como se presentará posteriormente en el diseño hidráulico, los. porcentajes de mezcla se calcularon de acuerdo a Ochoa (2006) y a un experimento en la residencia donde se llevó a cabo el trabajo. Esto se hizo debido a que los patrones de uso de agua potable varían mucho de una residencia a otra. Además, el estrato, las costumbres, la edad, el número de habitantes por vivienda y la cultura de ahorro de agua influyen mucho en la cantidad.. En la Tabla 16 se observan las cantidades reportadas por Ochoa (2006) y en la Tabla 17 el porcentaje y volumen de cada actividad acorde a los 35 L/semana. Es necesario resaltar, que esta vivienda es habitada por 2 personas y estrato 4.. Tabla 16. Porcentajes de consumo agua gris y no gris propuestos en teoría. Semana 1. Semana 2. Semana 3. Promedio. Lavadora. 4%. 10%. 5%. 6%. Lavamanos. 1%. 1%. 1%. 1%. Ducha. 21%. 20%. 19%. 20%. Otras Aguas. 74%. 69%. 75%. 73%. Fuente: Adaptado de Ochoa, 2006.. Tabla 17. Porcentaje y volumen de alimentación humedal propuestos en teoría. Actividad. Porcentaje (%) Volumen (L/semana). Lavadora. 22.22. 8.89. Lavamanos. 3.70. 1.48. Ducha. 74.07. 29.63. Fuente: Adaptado de Ochoa, 2006.. 25.

(26) IAMB 200720 17. Por otro lado, se cuantificaron los porcentajes de consumo de agua potable en la residencia donde se efectuó el proyecto, durante una semana. Los resultados encontrados se muestran en las Tablas 18, 19 y 20. Esta residencia está compuesta por 5 personas y estrato 5.. Tabla 18. Porcentajes de consumo agua gris y no gris experimentales. Actividad. Porcentaje (%) Volumen (L/hab-semana). Lavadora. 22.70. 281.1. Ducha. 32.22. 399. Lavamanos. 4.66. 57.68. Otras Aguas. 39.80. 492.8. Tabla 19. Porcentaje y caudal por habitante semana experimental. Actividad. Porcentaje (%) Volumen (L/hab-semana). Lavadora. 38. 281.1. Ducha. 8. 399. Lavamanos. 54. 57.68. Tabla 20. Porcentaje y volumen de alimentación humedal. Actividad. Porcentaje (%) Volumen (L/semana). Lavadora. 38. 13.34. Lavamanos. 8. 2.74. Ducha. 54. 18.93. Debido a que los porcentajes de consumo de agua potable varían un poco de una residencia a otra, se hizo un promedio entre estas dos residencias analizadas para obtener los valores de alimentación para el proyecto. Finalmente, el porcentaje de mezcla que se utilizó durante se encuentra en la Tabla 21. El 8 de septiembre se procedió a alimentar el humedal con las aguas grises provenientes de una vivienda de Bogotá, haciendo uso de los porcentajes propuestos.. 26.

(27) IAMB 200720 17. Tabla 21. Volumen real de alimentación del humedal artificial. Actividad Porcentaje (%) Volumen de alimentación (L/semana) Lavadora Lavamanos Ducha 2.4.. 30.16 5.77 64.07. 10.56 2.02 22.43. Parámetros físicos, químicos y microbiológicos analizados.. La Tabla 22 muestra los parámetros físicos, químicos y microbiológicos analizados en el laboratorio de Ingeniería Ambiental de la Universidad de Los Andes. Los métodos de cada ensayo, corresponden a los proporcionados por los Standard M ethods for Examination of Wastewater y por el Laboratorio de Ingeniería Ambiental. Para el análisis de DQO, nitrógeno y fósforo se preservó la muestra con H2SO4. El resto de muestras se refrigeraron durante los días pertinentes.. Tabla 22. Parámetros de laboratorio analizados.. Parámetro. Método. Tiempo máximo de almacenamiento. Temperatura pH Turbiedad OR Color SST DQO. Termómetro pHmetro Turbidímetro pHmetro Comparación con patrones Gravimétrico Oxidación K2Cr2O4. 24 horas -. Coliformes Totales. Tubos múltiples. Tubos múltiples Coliformes Fecales S AAM Nitrógeno total Kjeldahl Nitrógeno Fósforo Total Fósforo. 7 días 28 días 48 horas 48 horas 48 horas 28 días 28 días. 27.

(28) IAMB 200720 17. Para iniciar los análisis de laboratorio, se dejó estabilizar el flujo del reactor durante dos semanas (agosto 25 – septiembre 8) alimentándolo con agua potable durante la primera semana. La muestra se tomó al cumplir el tiempo de retención hidráulica en las fechas que se presentan en la Tabla 23 y 24. Tan pronto la muestra se recogía, se analizaban los parámetros en el laboratorio. Sin embargo, a pesar que todas las muestras fueron analizadas en el lapso de tiempo estipulado para mantener sus características, para los análisis de SAAM no se cumplió con el tiempo máximo de almacenamiento requerido durante los análisis 3 y 4, lo cual puede causar imprecisión en el resultado.. Tabla 23. Fechas de análisis de laboratorio para la fase I. FAS E I. Parámetro. Análisis 1 M uestra tomada en septiembre 8 Semana 3 (TRH = 6.72 días). Fecha de análisis. Temperatura pH Turbiedad. sep-08 sep-08 sep-08. Cumplimiento Tiempo Cumplimiento Tiempo Fecha de Máximo de Máximo de análisis Almacenamiento Almacenamiento Si. OR Color SST DQO Coliformes Totales Coliformes Fecales S AAM Nitrógeno Fósforo. Análisis 2 M uestra tomada en septiembre 22 Semana 5 (TRH = 6.72 días). sep-22 sep-22 sep-22. -. sep-22. -. sep-10 sep-11 sep-08. Si Si. sep-22 sep-22 sep-22. Si Si. sep-08. Si. sep-22. Si. sep-08 sep-10 sep-27 sep-27. Si Si Si Si. sep-22 sep-24 sep-27 sep-27. Si Si Si Si 28.

(29) IAMB 200720 17. Tabla 24. Fechas de análisis de laboratorio para la fase II. FAS E II. Parámetro. Análisis 3 M uestra tomada en noviembre 10 Semana 13 (TRH=6.16 días). Análisis 4 M uestra tomada en noviembre 24 Semana 15 (TRH=6.16 días). Fecha de análisis. Cumplimiento Tiempo Cumplimiento Tiempo Fecha de Máximo de Máximo de análisis Almacenamiento Almacenamiento. Temperatura pH Turbiedad. nov-12 nov-12 nov-12. Si. nov-26 nov-26 nov-26. Si. OR. nov-13. -. nov-27. -. Color SST DQO. nov-13 nov-13 nov-24. Si Si. nov-26 nov-26 nov-27. Si Si. Coliformes Totales. nov-12. Si. nov-26. Si. Coliformes Fecales S AAM Nitrógeno Fósforo. nov-12 dic-03 dic-03 dic-03. Si No Si Si. nov-26 dic-03 dic-03 dic-03. Si No Si Si. 29.

(30) IAMB 200720 17. 3. Diseño hidráulico. El humedal operó como un reactor semibatch alimentado continuamente como se explicará posteriormente y las características hidráulicas se calcularon de acuerdo al caudal asumido y algunos valores de la literatura.. 3.1.. Características hidráulicas.. Para el diseño del humedal, se asumió un caudal de 5 L/día. y de acuerdo a las. características geométricas del reactor se calcularon los demás parámetros. La porosidad se asumió de acuerdo a la literatura para grava fina (Tabla 25).. Tabla 25. Valores teóricos para el lecho. Tamaño Medio. efectivo D10 (m). Porosidad n ( %). Conductividad hidráulica Ks (m3/m2/d). Arena gruesa. 2. 32. 1000. Arena gravosa. 8. 35. 5000. Grava fina. 16. 35. 7500. Grava media. 32. 40. 10000. Roca gruesa. 128. 45. 100000. Fuente: United States Environmental Protection Agency [USEPA], 1993. *Los valores de conductividad son para agua y medio limpio. No tiene en cuenta el fenómeno de taponamiento.. Para el cálculo del tiempo de retención hidráulico, volumen del humedal y volumen del reactor se usó la siguiente nomenclatura:. VTH : Volumen total del humedal. n: Porosidad efectiva el medio. TRH: Tiempo de retención hidráulico. d : Profundidad promedio del líquido en. VR: Volumen del reactor. el medio 30.

(31) Para la fase I y fase II estos valores son diferentes, debido a que la altura del agua cambia en la fase II donde hubo una nueva redistribución del medio.. Fase I Tiempo de retención hidráulico . . . . . ! "#$í%&. Volumen del reactor . ' . ' ( ) )**!+*. Figura 6. Dimensiones del humedal artificial fase I.. 31.

(32) IAMB 200720 17. Fase II. Tiempo de retención hidráulico . . . . . ! ,!$í%&. Volumen del reactor . ' . ' ' . . Figura 7. Dimensiones del humedal artificial fase II.. 32.

(33) IAMB 200720 17. Tabla 26. Resumen de las características hidráulicas del reactor. Parámetro Profundidad reactor (H) Longitud reactor (L) Ancho reactor (W) L:W. 3.2.. Dimensión Unidad 0.4 m 0.88 m 0.47 m 2a1. Tiempo de retención hidráulico (TRH) Volumen reactor (V). 6.69 33.45. d L. Caudal (Q) Caudal (Q ) Área S uperficial (A) Porosidad (n) Profundidad del agua (h). 5 35 0.4136 30 0.20. L/día L/semana m2 % m. Reactor Semibatch.. Las partículas del flujo pasan a través del tanque y salen en la misma secuencia que entran (Figura 8). Las partículas mantienen su identidad y permanecen en el interior del tanque durante un tiempo de retención hidráulico. El monitoreo no tuvo en cuenta el tiempo de retención hidráulico, sino que operó 2.5 hr/día y así completar 5 L/día (Figura 7). La bomba peristáltica se conectó a un regulador de caudal (timer).. Caudal entrada Caudal (L/hr). 6 5 4 3 2. Caudal (L/hr). 1 0 1. 3. 5. 7. 9 11 13 15 17 19 21 23. Tiempo (Horas) Figura 8. Caudal de entrada. 33.

(34) IAMB 200720 17. Caudal salida. Caudal (L/hr). 5 4 3 2 Caudal (L/hr). 1 0 1. 3 5. 7. 9 11 13 15 17 19 21 23. Tiempo (Horas) Figura 9. Caudal de salida.. 34.

(35) IAMB 200720 17. 4. Resultados y discusión.. Durante el desarrollo de este trabajo se obtuvieron resultados para las macrófitas en la fase I y la fase II y los análisis de laboratorio como se verá a continuación. Las fechas utilizadas para el monitoreo tanto para las macrófitas como para los análisis de laboratorio, se presentan en la Tabla 27.. Tabla 27. Fechas de monitoreo. Semana 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 4.1.. Fecha Inicio ago-20 ago-27 sep-03 sep-10 sep-17 sep-24 oct-01 oct-08 oct-15 oct-22 oct-29 nov-05 nov-12 nov-19 nov-26. Fecha Final ago-26 sep-02 sep-09 oct-16 sep-23 sep-30 oct-07 oct-14 oct-21 oct-28 nov-04 nov-11 nov-18 nov-25 dic-02. M acrófitas.. El seguimiento a las macrófitas se basó en contabilizar sus hojas verdes, secas, flores y registrar su muerte durante cada fase del experimento. Así mismo, se correlacionó la muerte de algunas de ellas con las variables medio ambientales, su distribución en el humedal artificial y los requerimientos de nitrógeno y fosforo suplidos por el agua gris de alimentación.. 35.

(36) IAMB 200720 17. 4.1.1.. Cuantificación de macrófitas fase I.. En la Figura 10 se presenta la distribución de las macrófitas durante la fase I y en la Figura 11 la distribución de las mismas a partir de la segunda semana de la fase I y primeras dos semanas de la fase II, cuando se plantaron más macrófitas.. Figura 10. Distribución de macrófitas durante la primera semana de la fase I.. 36.

(37) IAMB 200720 17. Figura 11. Distribución de macrófitas después de la segunda semana de la fase I y las dos prime ras semanas de la fase II.. Los resultados mostraron que las macrófitas 4, 5 y 6 fueron las primeras en morir. En esa ubicación, la luz solar llegaba únicamente en la tarde y el agua de alimentación se distribuía correctamente ya que no se notaron deficiencias en su distribución. Las macrófitas 1, 2 y 3 fueron las últimas en morir y se encontraban a la salida del humedal. Esto se podría explicar porque a la salida del humedal hubo más nitrógeno y fósforo como se mostrará más adelante, por lo cual las plantas tuvieron mayor asimilación de nutrientes. El nitrógeno y fósforo del efluente se encontraron en mayor cantidad en el agua tratada de acuerdo a los análisis de laboratorio, debido a que las plantas se sembraron de la misma forma que se sacaron del humedal. Es decir, con los nutrientes arraigados a sus raíces. A medida que se trataba el agua, estos nutrientes se iban limpiando de las raíces de las macrófitas. 37.

(38) IAMB 200720 17. Por otro lado, en la fase I el humedal se encontraba en Puente Aranda la cual es una zona bastante contaminada especialmente por material particulado. Esta podría ser otra explicación a la muerte de las macrófitas, especialmente aquellas ubicadas en el costado izquierdo (recibiendo luz solar). Al estar ubicadas en esta posición, estas recibían directamente todo el material particulado proveniente de las industrias cercanas mientras que a su vez actuaban como una barrera para no dejar ingresar estos contaminantes a las macrófitas que se encontraban en el costado derecho.. Además, las macrófitas que se encontraban en la sombra, presentaron una alta tolerancia debido a que vivieron más tiempo que las que se encontraban expuestas al sol, lo cual confirma lo expuesto en la Tabla 11. Por otro lado, de acuerdo a datos suministrados por Rivera (2007) del Centro de Investigación de Ingeniería Civil de la Universidad de Los Andes, acorde con una estación meteorológica portátil, se tienen registros de algunos parámetros medio ambientales en el CITEC para los primeros días de agosto que fue cuando se procedió a sembrar las macrófitas. A pesar que los datos son muy pocos y no son muy representativos, se puede observar que al comenzar el mes de agosto la temperatura ambiental tiende a la baja (Figura 12) y aumenta la humedad relativa del aire (Figura 13). Se registraron temperaturas por debajo de 12.77°C, la cual es la temperatura mínima en la que pueden vivir las macrófitas.. 09/08/2007. 08/08/2007. 07/08/2007. 06/08/2007. 05/08/2007. 04/08/2007. 03/08/2007. 02/08/2007. 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 01/08/2007. Temperatura (°C). Temperatura ambiental (°C). Fecha Figura 12. Temperatura ambiental CITEC. Fuente: adaptado de Rivera, 2007.. 38.

(39) IAMB 200720 17. 09/08/2007. 08/08/2007. 07/08/2007. 06/08/2007. 05/08/2007. 04/08/2007. 03/08/2007. 02/08/2007. 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 01/08/2007. Humedad (%). Humedad relativa. Fecha Figura 13. Humedad relativa CITEC. Fuente: adaptado de Rivera, 2007.. Otras razones que podrían explicar la muerte de las macrófitas durante la primera fase, son los requerimientos de macronutrientes. En realidad se está ingresando con el agua de alimentación mayor cantidad de fósforo que de nitrógeno, lo que contradice los requerimientos de las macrófitas estipulados en la Tabla 14 y adaptados en la Tabla 28. Sin embargo, como se explicará mas adelante, las macrófitas durante la fase II no murieron, lo cual implica que las condiciones ambientales fueron más determinantes que la calidad del agua de alimentación. Tabla 28. Relación real N:P de alimentación y requerimiento teórico.. Parámetro Lab 1 Lab 2 Lab 3 Lab 4 N:P real 1:1.8 1:2,3 1:22.3 1:103.7 N:P teórico 5.41:1 5.41:1 5.41:1 5.41:1 De la Figura 14 hasta la Figura 18, se presenta la variabilidad de las hojas verdes y secas para las 10 macrófitas hasta la semana 9 que fue la última de la fase I. Al culminar esta fase, el 50% de las macrófitas murieron y el porcentaje de hojas verdes que tenían las plantas vivas fue muy bajo.. 39.

(40) IAMB 200720 17. % Hojas. Semana1 100 80 60 40 20 0. % hojas verdes % hojas secas 123 4 5 6 7 8 9 10. Macrófita Figura 14. Macrófitas en la semana 1.. Semana 3. % Hojas. 100 50 % hojas verdes 0. % hojas secas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10. Macrófita Figura 15. Macrófitas en la semana 3.. Semana 5 % Hojas. 100 50 % hojas verdes 0. % hojas secas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10. Macrófita. Figura 16. Macrófitas en la semana 5.. 40.

(41) IAMB 200720 17. Semana 6. % Hojas. 100 80 60 40 20 0. % hojas verdes % hojas secas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Macrófita. Figura 17. Macrófitas en la semana 6.. % Hojas. Semana 9 100 80 60 40 20 0. % hojas verdes % hojas secas 12 34 5 6 7 8 9 10 Macrófita. Figura 18. Macrófitas en la semana 9.. 4.1.2. Cuantificación de macrófitas fase II. Durante esta fase se reemplazaron las macrófitas 9 y 10. Se observó una recuperación en las macrófitas 1, 2 y 3 durante la semana 11, mientras que las macrófitas 4, 5 y 6 murieron desde la anterior fase. Durante esta semana hubo lluvia todos los días, lo cual puede influir en la recuperación de las macrófitas. La Empresa de Acueducto y Alcantarillado (EAAB) informó que “durante octubre cayeron 33.1 mm de lluvia y los aguaceros superaron en 60% del promedio histórico invernal de este mes”. La lluvia aporta oxígeno (entre 8 y 9 mg/L a saturación). A partir de esta fase se notó una recuperación significativa de la mayoría de las macrófitas como se presenta en la Figura 19, 20 y 21. 41.

(42) IAMB 200720 17. % Hojas. Semana 11 100 80 60 40 20 0. % hojas verdes % hojas secas 12 3 4 5 6 7 8 9 10. Macrófita. Figura 19. Macrófitas en la semana 11.. % Hojas. Semana 13 100 80 60 40 20 0. % hojas verdes % hojas secas 1. 3. 5. 7. 9. 11. Macrófita. Figura 20. Macrófitas en la semana 13.. % Hojas. Semana 15 100 50 % hojas verdes. 0 1. % hojas secas 3. 5. 7. 9. 11. Macrófita. Figura 21. Macrófitas en la semana 15.. 42.

(43) IAMB 200720 17. A partir de la semana 13 se empezó a monitorear el crecimiento de una nueva macrófita que empezó a crecer en la zona de entrada del humedal. Esta es la macrófita 11, la cual se localizó donde muestra la Figura 22. En esta zona de entrada se presentó un crecimiento de hojas en algunas macrófitas, debido a que en este instante el agua no había comenzado a tener un tratamiento, por lo que tiene una mayor cantidad de nutrientes. Las macrófitas 4, 6, 9 y 10 murieron en la semana 13. Finalmente murió la macrófita 7 en la semana 15 mientras que las demás macrófitas siguieron retoñando.. Figura 22. Distribución de macrófitas mue rtas.. La muerte de las macrófitas como se muestra en la Figura 22, puedo ser causada por la distribución del flujo. Probablemente estas zonas laterales donde se presenta la muerte. 43.

(44) IAMB 200720 17. tienen unas condiciones de nutrientes desfavorables para las macrófitas, y no tienen una actividad biológica significativa. En la Figura 23 vemos las diferentes zonas del humedal.. Figura 23. Equivalencia entre las gráficas de distribución de macrófitas y fotografías.. 4.1.3. Comportamiento general de cada macrófita durante la fase I y la fase II.. A continuación se presenta la variación independiente de cada macrófita en base a sus hojas verdes y sus hojas secas. La mayoría de ellas presentan en general el mismo comportamiento observándose un pico de hojas secas durante la semana 9, y tendiendo a aumentar sus hojas verdes a partir del cambio de fase (Figura 24-Figura 33).. 44.

(45) IAMB 200720 17. Macrófita 1 100. % Hojas. 80 60 40. % hojas secas. 20. % hojas verdes. 0 1. 3. 5. 6. 9. 11 13 15. Semana Figura 24. Variación de hojas en la macrófita 1.. Macrófita 2 100. % Hojas. 80 60 40. % hojas secas. 20. % hojas verdes. 0 1. 3. 5. 6. 9. 11 13 15. Semana Figura 25. Variación de hojas en la macrófita 2.. Macrófita 3 100. % Hojas. 80 60 40. % hojas secas. 20. % hojas verdes. 0 1. 3. 5. 6. 9. 11 13. 15. Semana Figura 26. Variación de hojas en la macrófita 3. 45.

(46) IAMB 200720 17. Macrófita 4 100. % Hojas. 80 60 40. % hojas secas. 20. % hojas verdes. 0 1. 3. 5. 6. 9. 11. 13 15. Semana Figura 27. Variación de hojas en la macrófita 4.. Macrófita 5 100. % Hojas. 80 60 40. % hojas secas. 20. % hojas verdes. 0 1. 3. 5. 6. 9. 11 13. 15. Semana Figura 28. Variación de hojas en la macrófita 5.. Macrófita 6 100. % Hojas. 80 60 40. % hojas secas. 20. % hojas verdes. 0 1. 3. 5. 6. 9. 11. 13. 15. Semana Figura 29. Variación de hojas en la macrófita 6. 46.

(47) IAMB 200720 17. Macrófita 7 100. % Hojas. 80 60 40. % hojas secas. 20. % hojas verdes. 0 5. 6. 9. 11. 13. 15. Semana Figura 30. Variación de hojas en la macrófita 7.. Macrófita 8 100. % Hojas. 80 60 40. % hojas secas. 20. % hojas verdes. 0 5. 6. 9. 11. 13. 15. Semana Figura 31. Variación de hojas en la macrófita 8.. Macrófita 9 100. % Hojas. 80 60 40. % hojas secas. 20. % hojas verdes. 0 5. 6. 9. 11. 13. 15. Semana Figura 32. Variación de hojas en la macrófita 9. 47.

(48) IAMB 200720 17. Macrófita 10 100. % Hojas. 80 60 40. % hojas secas. 20. % hojas verdes. 0 5. 6. 9. 11. 13. 15. Semana Figura 33. Variación de hojas en la macrófita 10.. 4.1.4. Cuantificación de flores. Se realizó otro experimento adicionalmente, para corroborar qué tan importante era el factor medio ambiental de las diferentes localidades y qué tan nociva era el agua gris que se estaba alimentando en el humedal, para provocar las muertes de las macrófitas.. M ientras el humedal artificial se encontraba operando en la fase I, se mantuvieron 3 macrófitas en un balde que contenía agua potable en el lugar de localización de la fase II. El indicador para este experimento fue la cantidad de flores. Se encontró que para ambos casos la curva de cantidad de flores presentaba la misma tendencia. La cantidad disminuye más rápido para el caso de las macrófitas en agua gris, culminando en la semana nueve pero recuperándose a partir de la semana 12 aunque con muy pocas flores. En el caso de las macrófitas en agua potable la cantidad de flores desaparece en la semana 11, sin presentarse ninguna recuperación posteriormente. Esto se podría deber a que la tolerancia de Biden laevis a CaCO3 presente en agua potable es media como se afirma en la Tabla 11, debido a que la macrófita pudo sobrevivir durante unas semanas en esta agua, aunque finalmente murieron.. 48.

(49) IAMB 200720 17. Por otro lado, a partir de la semana 9 empezó el invierno con fuertes lluvias, lo cual produjo que las macrófitas no tuvieran flores puesto que su período de florecimiento es únicamente en verano (Figura 34 y Figura 35).. Cantidad de Flores Agua Gris Cantidad de flores. 25 20 15 10 Flores. 5 0 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9 10 11 12 13 15. Semana Figura 34. Cantidad de flores de macrófitas en agua gris.. Numero de flores. Cantidad de Flores Agua potable 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0. Flores. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. Semana Figura 35. Cantidad de flores de macrófitas agua potable.. 49.

(50) IAMB 200720 17. 4.2.. Análisis de laboratorio.. Los resultados de los análisis de laboratorio de muestran a continuación. Se dividen en resultados generales de los parámetros y por último cada resultado específico para los mismos.. 4.2.1. Resultados generales.. Los análisis de laboratorio realizados fueron 4 y los resultados de cada parámetro se muestran en la Tabla 29. En general, estos resultados están sujetos a incertidumbre causada por errores de calibración de equipos o errores humanos. Sin embargo, los resultados fueron coherentes.. Tabla 29. Resultados análisis de laboratorio. TRH = 6.72 días. Parámetro Te mpe ratura (°C) pH Turbie dad (NTU) O RP (mV) Color (NTU) SST (mg/l) DQO (mg/l). TRH = 6.16 días. Análisis 1 Análisis 2 Análisis 3 Análisis 4 Entrada Salida Entrada Salida Entrada Salida Entrada Salida 25 15 20 17 20 19 20 17.7 7.76 7.01 9.65 7.77 7.72 7.5 9.51 7.72 204.0 5 1730.0 614.4. 26.8. 194.0. 47.7. 42.4. 11.6. 129.0. 20 1136.4 55.7. -17.5 7 176.0 795.9. 14.5 20 37.8 312.1. -36,0 15 34.3 260.5. -47.5 30 3.8 23.7. 147,0 15 100.0 250.0. 6.68 -49.6 40 5.0 23.7. Coliformes Totales (NMP/100ml). 240000 15000 1100000 110000 2400000 46000 1600000. Coliformes Fe cales (NMP/100ml). 93000. 2100. 15000. 200. 15000. 300. 6000. 0. SAAM (mg/l). 43.7. 7.7. 131.4. 71.6. 7.7. 3.6. 23.5. 3.6. Nitrógeno (mg NT/L). 3.8. 69.1. 3.8. 62.0. 1.4. 13.5. 0.8. 0.2. Fósforo (mg P/L). 7.1. 7.7. 8.7. 9.3. 30.9. 18.6. 79.7. 25.1. 240. En cuanto a la remoción de los contaminantes analizados, los resultados fueron bastante satisfactorios (Figura 36). La remoción de nitrógeno presentada se tuvo en cuenta 50.

(51) IAMB 200720 17. únicamente para el último análisis y la de fósforo para la fase II, por razones que se explicarán más adelante. Las remociones más bajas se presentaron en fósforo (54%) y SAAM (66%). Sin embargo, durante la fase II todos los parámetros presentaron una tendencia a aumentar la remoción, debido a que el sistema se estaba estabilizando satisfactoriamente en un nuevo ambiente. No obstante, las remociones de todos los parámetros demuestran la viabilidad y el potencial que tiene el humedal artificial para tratar aguas grises.. Remoción media (%) 100. 95 82. 80. 99. 83. 79. 74. 66 54. 60 40 20. Remoción (%). Fósforo. Nitrógeno. SAAM. Coliformes Totales Coliformes Fecales. DQO. SST. Turbiedad. 0. Figura 36. Remoción media.. 4.2.2. Temperatura.. La temperatura es importante ya que afecta el crecimiento y supervivencia de los microorganismos. En todos los análisis, la temperatura del efluente siempre fue menor que en el influente. En el análisis 1 la temperatura de entrada fue 25°C, pero es necesario resaltar que el contenedor de almacenamiento se encontraba posicionado en un lugar donde recibía luz solar directamente, mientras que el contenedor de salida se encontraba en la sombra. Sin embargo, durante los otros 4 análisis la temperatura de entrada fue 20°C y la de salida disminuyó (Figura 37). Esto indica la presencia de perfiles de temperatura del. 51.

(52) IAMB 200720 17. agua dentro del humedal, los cuales aún cuando no son muy importantes podrían generar nichos selectivos para el desarrollo de microorganismos específicos.. Temperatura. Temperatura (°C). 30 25 20 15 Entrada. 10. Salida. 5 0 3. 5. 13. 15. Semana Figura 37. Variación de la temperatura.. Durante todo el proceso, la temperatura se redujo en promedio 18%. En el análisis 3 se redujo sólo 5 % (Figura 38).. Reducción temperatura (%). Temperatura 45 40 35 30 25 20 15 10. Reducción (%). 5 0 3. 5. 13. 15. Semana Figura 38. Reducción porcentual de la temperatura. 52.

(53) IAMB 200720 17. 4.2.3. pH. Durante todo el proceso el pH de la entrada fue mayor que la salida, es decir, hubo acidificación (Figura 39). El rango de pH en el influente fue de 7.7-9.8 y en el efluente fue de 7.0 -7.8 para los 4 análisis. Aunque hubo reducción de pH en todos los análisis, el influente siempre fue alcalino debido a los jabones o detergentes característicos de esta agua, y el efluente también posiblemente a que no se removió SAAM en su totalidad. Esto plantea la posible existencia de algunos microorganismos alcalófilos, que obtienen su energía a partir de un gradiente de Na+ (M adigan et al., 2001) presente en el agua jabonosa. La disminución de pH también puede implicar la presencia de bacterias anaerobias productoras de ácidos orgánicos que producen olores desagradables.. Por otro lado, El pH en general fue mayor a 7, lo cual supera los requerimientos de las macrófitas como se mostró en la Tabla 11.. pH 12 10. pH. 8 6 Entrada 4. Salida. 2 0 3. 5. 13. 15. Semana. Figura 39. Variación del pH.. No obstante, los resultados de pH se encuentran entre los rangos establecidos por la Tabla 9 para reutilización de las aguas grises con fines domésticos. Se cumple con los estándares aún más exigentes que son Japón y Alemania. 53.

(54) IAMB 200720 17. 4.2.4. Turbiedad y sólidos suspendidos totales (SST).. En todos los análisis la turbiedad disminuyó a la salida del reactor (Figura 40). La remoción fue en promedio 82%. Durante la fase II esta remoción aumentó de un análisis a otro, mostrando un proceso de maduración del humedal hasta lograr una remoción de 94% (Figura 41). Este es un indicador importante ya que su presencia implica res guardo de microorganismos en las partículas sólidas en suspensión. Además, su remoción se relaciona con la no presencia de los coliformes en el efluente.. Turbiedad (mg/L). Turbiedad 250 200 150 100. Entrada. 50. Salida. 0 3. 5. 13. 15. Semana Figura 40. Variación de turbiedad.. Remoción Turbiedad (%). Turbiedad 100 80 60 40 Remoción (%). 20 0 3. 5. 13. 15. Semana Figura 41. Remoción de turbiedad.. 54.

(55) IAMB 200720 17. En general, la remoción de SST también es muy eficiente en el humedal en promedio 74 % y tiende a aumentar a medida que aumenta el tiempo de operación del humedal (Figura 43). La máxima remoción alcanzada fue 95% en el último análisis, al igual que lo que pasó con la turbiedad. Adicionalmente, la concentración de SST presentes en el influente, se encuentran entre los rangos establecidos por la literatura (45-330 mg/L de Tabla 1) para este parámetro, excepto la concentración correspondiente al análisis 1 (1739 mg/L), lo cual puede implicar un error o una afectación medio ambiental en esta agua. Esta concentración de alimentación en el análisis 1 es demasiado alta y la remoción fue baja, pero esto se puede atribuir a la localización del humedal. El humedal se encontraba en una zona muy contaminada con material particulado, lo cual pudo afectar los resultados (Figura 42).. Durante el análisis 2 se estableció mayor control en el ingreso de partículas al tanque de almacenamiento (cerrándolo muy bien) y la remoción aumentó. El mecanismo de remoción de sólidos suspendidos se da principalmente por filtración en el medio y sedimentación.. Concentración SST (mg/L). SST 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0. Entrada Salida. 3. 5. 13. 15. Semana Figura 42. Variación en la concentración de SST.. 55.

(56) IAMB 200720 17. Remoción SST (%). SST 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0. Remoción (%). 3. 5. 13. 15. Semana Figura 43. Remoción de SST.. Ahora bien, los valores del efluente en cuando SST se encuentran en los rangos de reutilización establecidos por la WHO (Tabla 5), para irrigación de lugares recreativos, de algunos cultivos y uso en la cisterna sanitaria. En cuanto a la turbiedad, se encuentra entre el rango de reutilización para fines domésticos (Tabla 9) de acuerdo a la legislación de USA. Sin embargo, aún no cumple con estándares más exigentes como Japón, Alemania y Australia.. 4.2.5. Potencial Redox.. Los microorganismos realizan reacciones de oxidación-reducción, para obtener energía en su crecimiento y mantenimiento celular. Las variaciones del potencial redox de la entrada a la salida, muestran el poder de reducción que tiene el substrato. La existencia del potencial negativo (Figura 44), indica la existencia de una zona con condiciones reducidas en el humedal. Esto quiere decir que el oxígeno puede ser reemplazado por CO2, NO3 y SO4 como aceptores de electrones, que es lo mismo que la existencia de zonas anóxicas y anaerobias. Además, esto se corroboró con la presencia de olores desagradables, los cuales clásicamente son generados bajo estas condiciones. Es probable la presencia de bacterias. 56.

(57) IAMB 200720 17. anaerobias como por ejemplo las reductoras de SO4 y CO4, al igual que protozoos anaerobios que se nutren de bacterias.. Potencial ORP Potencial Redox (mV). 200 150 100 50. Entrada Salida. 0 5. -50 -100. 13. 15. Semana Figura 44. Variación del potencial Redox.. 4.2.6. Color. En este análisis se registró el color verdadero, es decir, el contribuido por los sólidos disueltos. El resultado fue preocupante, ya que el color del efluente siempre fue mayor que el influente, lo cual indica mayor presencia de materia orgánica disuelta y quizá inorgánica (Figura 45 y Figura 46).. Figura 45. Color del efluente en el análisis 4. Noviembre 23 de 2007.. 57.

(58) IAMB 200720 17. Figura 46. Color del agua de entrada y salida del humedal, noviembre 23 de 2007.. El color más alto registrado en el efluente fue en el análisis 4 (40 NTU), el cual es un valor muy alto teniendo en cuenta que el color del influente nunca sobre pasó 15 NTU (Figura 47). En promedio, el color aumentó en 63% y a medida que se incrementaba el tiempo de operación del humedal, este fue mayor.. Color (NTU). Color 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0. Entrada Salida. 3. 5. 13. 15. Semana Figura 47. Variación del color.. 58.

(59) IAMB 200720 17. Una explicación a este fenómeno puede ser que el crecimiento de algas en el humedal produce color, gracias a sus secreciones extracelulares. Las algas secretan una gran cantidad de materiales orgánicos, cuyos residuales causan el color parduzco al agua (Figura 49 y Figura 50). Por ejemplo, Microcystis aeruginosa produce secreciones notorias de materia orgánica mediante acidificación (James, 1999). Pueden producir también polisacáridos, muy resistente a la degradación biológica. Sin embargo, las algas son importantes porque regulan el paso de nutrientes entre el sustrato, los sedimentos y el agua, pueden fijar nitrógeno, carbono e incorporar fósforo. Además durante el día, estas proporcionan oxígeno al agua residual. Por lo tanto, las macrófitas dependen de las algas para obtener nutrientes.. Desde que se empezó a alimentar el humedal con aguas grises, se notó la presencia de algas. En la fase I el color del efluente era negro (Figura 48 y Figura 49) y durante la fase II el color se tornó parduzco y adicionalmente el agua del efluente contenía un poco de algas (Figura 50).. Figura 48. Presencia de algas, septiembre 17 de 2007.. 59.

(60) IAMB 200720 17. Figura 49. Color agua de salida humedal, septiembre 17 de 2007.. Figura 50. Color agua de salida del humedal noviembre 23 de 2007.. 4.2.7. Demanda Química de Oxígeno (DQO).. Este indicador se eligió debido a que el método de laboratorio es más exacto (por oxidación muy fuerte con K2Cr2O4) que el de la DBO5. Adicionalmente se hicieron ensayos de DBO5, pero arrojaron errores y por lo tanto este resultado no pudo ser reportado. Por esta razón se tuvo en cuenta únicamente la DQO. Una falencia de este indicador, es que no sabemos qué 60.