Universidad de La Salle Universidad de La Salle
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Ingeniería Ambiental y Sanitaria Facultad de Ingeniería
2021
Propuesta técnica y económica para el tratamiento de aguas Propuesta técnica y económica para el tratamiento de aguas residuales provenientes de una piscícola ubicada en el
residuales provenientes de una piscícola ubicada en el corregimiento de Patio Bonito, Cundinamarca, mediante un corregimiento de Patio Bonito, Cundinamarca, mediante un humedal artificial
humedal artificial
María Paula Perlaza Melo
Universidad de La Salle, Bogotá, [email protected] Juan Diego Lache Otero
Universidad de La Salle, Bogotá, [email protected]
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Citación recomendada Citación recomendada
Perlaza Melo, M. P., & Lache Otero, J. D. (2021). Propuesta técnica y económica para el tratamiento de aguas residuales provenientes de una piscícola ubicada en el corregimiento de Patio Bonito,
Cundinamarca, mediante un humedal artificial. Retrieved from https://ciencia.lasalle.edu.co/
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1 PROPUESTA TÉCNICA Y ECONÓMICA PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES PROVENIENTES DE UNA PISCÍCOLA UBICADA EN EL CORREGIMIENTO DE PATIO BONITO, CUNDINAMARCA, MEDIANTE UN
HUMEDAL ARTIFICIAL.
JUAN DIEGO LACHE OTERO MARÍA PAULA PERLAZA MELO
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE INGENIERÍA AMBIENTAL Y SANITARIA BOGOTÁ D.C
2021
2 PROPUESTA TÉCNICA Y ECONÓMICA PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES PROVENIENTES DE UNA PISCÍCOLA UBICADA EN EL CORREGIMIENTO DE PATIO BONITO, CUNDINAMARCA, MEDIANTE UN
HUMEDAL ARTIFICIAL.
JUAN DIEGO LACHE OTERO MARÍA PAULA PERLAZA MELO
Trabajo de Grado como requisito para optar al Título de Ingenieros Ambientales y Sanitarios
Director
Roberto Rafael Balda Ayala Ingeniero de Alimentos Especialización Ingeniería Sanitaria
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE INGENIERÍA AMBIENTAL Y SANITARIA BOGOTÁ D.C
2021
3 DEDICATORIA
“Esta lección debes aprender,
intenta una y otra vez; si no triunfas al principio, intenta una y otra vez;
y así obtendrás coraje, si no cejas en tu empeño, no temas que vencerás;
intenta una y otra vez.”
Anónimo.
Dedico este logro en primer lugar a mis padres, Mauricio y Diana, por siempre brindarme su amor, comprensión y apoyo en los momentos de mayor presión y angustia, por siempre darme fuerzas para seguir adelante. A mi hermano Sebastián, mi familia y mis viejas amistades por siempre animarme y darme su voz de aliento, sobre todo a Laura y Luisa.
A mi abuelo Leo, a quien le hubiera encantado poder verme graduar y convertir en profesional.
A todos los que han incidido en mi proceso de formación profesional, quedo infinitamente agradecida por ofrecerme sus conocimientos y alentarme a cuestionarme sobre diversos aspectos tanto en el ámbito académico como en la vida cotidiana.
Finalmente, para todos aquellos que se encuentran realizando su modalidad de grado, persistan, con esfuerzo lograrán todo aquello que se propongan.
María Paula.
4 DEDICATORIA
Creo que hay que pelear contra el miedo, que se debe asumir que la vida es peligrosa y que eso es lo bueno que la vida tiene para que no se convierta en un mortal aburrimiento.
Eduardo Galeano
Dedico este logro a mis padres, familiares y amigos que me ayudaron en mi proceso para ser un profesional, así como también a todos los docentes lasallistas que me formaron durante la carrera.
A mis abuelas Ana Julia y Hipólita mil agradecimientos por ser modelos de vida y ser grandes actoras de inspiración para lograr esta meta.
Le agradezco a la vida por darme la oportunidad de hacer parte activa del conocimiento y de forjar el futuro de Colombia y el mundo desde el servicio.
Por último, a todos los que están en la lucha educativa en el país les deseo persistencia, carácter y amor por el conocimiento, con el objeto de tener un mejor mundo para todos.
Juan Diego
5 AGRADECIMIENTOS
Agradecemos profundamente a nuestros familiares y amigos por su constante apoyo.
A nuestro director de tesis Roberto Balda, por guiarnos y brindarnos su apoyo durante el transcurso y desarrollo de nuestro proyecto de grado, a pesar de las dificultades que hemos afrontado en el camino.
Por último, a la Universidad de La Salle por concedernos la oportunidad de formarnos como profesionales e inculcarnos la importancia de nuestro aporte a la sociedad, como expresa su lema
“Educar para pensar, decidir y servir”.
María Paula y Juan Diego.
6 RESUMEN
La piscicultura es una práctica productiva de gran aplicación en el territorio colombiano, en parte gracias a la riqueza ecosistémica e hídrica con la que cuenta el país, el cual incide tanto en el mercado nacional, así como en el sector de la exportación, además de ofrecer un sustento económico para distintas comunidades a nivel local. No obstante, para el desarrollo de esta actividad productiva, se requieren grandes volúmenes de agua para la producción y, sumado a esto, durante el proceso se generan contaminantes en el agua en parte por los productos a causa del metabolismo de los peces, así como el alimento y las medicinas no consumidas por estos, generando vertimientos de agua residual con una alta carga contaminante.
En virtud de lo anterior, en este trabajo de grado se planteó una propuesta técnica y económica para el tratamiento de aguas residuales provenientes de un estanque piscícola ubicado en el corregimiento de Patio Bonito, Cundinamarca, con el fin de desarrollar una comparación entre un humedal artificial de flujo subsuperficial y un tratamiento convencional, en este caso una planta compacta modular. Para ello, se realizaron las memorias de diseño y planos tanto para el humedal artificial de flujo subsuperficial, como para un tren de tratamiento con una planta compacta modular, compuesta por un sedimentador, un filtro de arena, dos filtros de carbón activado en paralelo y un filtro de zeolita, que resultaba ser una alternativa más económica que una planta biológica del tipo de lodos activados y una más efectiva que una planta compacta anaerobia en cuanto a la remoción de compuestos nitrogenados.
Finalmente, se elaboró un presupuesto general para ambos sistemas de tratamiento, donde se evidenció que la propuesta formulada con el humedal artificial de flujo subsuperficial horizontal; si bien supera en un 24% los costos que acarrea la construcción de una planta compacta modular, con respecto a los costos de operación y mantenimiento es más económica con un costo
7 total, incluyendo la construcción y el costo de operación y mantenimiento para el primer año de COP $90.350.336, comparado con el costo de la planta compacta modular de COP $99.324.649.
Además, se estimaron los costos asociados de operación y mantenimiento en un periodo de 5 años, obteniendo un total de COP $104.031.790 para el sistema de tratamiento con el humedal artificial, en contraste con los costos respectivos para la planta compacta modular, que corresponden a COP
$192.116.934.
8 ABSTRACT
Fish farming is a productive practice of great application in the Colombian territory, partly due to the ecosystem and water wealth that the country has, which affects both the national market, as well as the exportation sector; in addition, it offers an economic livelihood for
different communities at the local level. However, for the development of this productive
activity, large volumes of water are required for production and, furthermore, during the process pollutants are generated in the water in part by the products due to fish metabolism, as well as food and medicines not consumed by them, generating wastewater discharges with a high pollutant load.
In virtue of the above comments, a technical and economic proposal was proposed for the treatment of wastewater from a fish pond located in Patio Bonito, Cundinamarca, in order to develop a comparison between a constructed subsurface flow wetland and a conventional treatment, for this case a modular package plant. Hence, design memories and drawings were done for both alternatives. In the case of the modular package plant, a settler, a sand filter, two activated carbon filters in parallel and a zeolite filter. The latter were chosen because they turned out to be a cheaper alternative than an activated sludge type unit and even more effective than a package anaerobic treatment plant, mainly in what nitrogen compounds removal concern.
Finally, a general budget was prepared for both treatment systems, where it was evidenced that the proposal made with a constructed subsurface flow wetland, although it
exceeds by 24% the costs involved in the construction of a modular package plant, in comparison to the operation and maintenance cost, is more economical with a total cost, including
construction and the cost of operation and maintenance for the first year of COP $90.350.336, compared to the cost of the modular package plant of COP $90.350.336. In addition, the
9 associated costs were estimated over a period of 5 years, obtaining a total of COP $104.031.790 for the operation and maintenance of the constructed wetland, in contrast to the costs included for the compact package plant, which corresponds to COP $192.116.934.
10 TABLA DE CONTENIDO
GLOSARIO ... 17
INTRODUCCIÓN ... 21
OBJETIVOS ... 24
Objetivo general ... 24
Objetivos específicos ... 24
1. MARCO DE REFERENCIA ... 25
1.1 Humedales artificiales ... 25
1.1.1 Generalidades sobre los humedales artificiales ... 25
1.1.2 Componentes de un humedal artificial ... 26
1.1.3 Remoción de contaminantes ... 29
1.1.4 Clasificación de humedales artificiales ... 32
1.2 Piscicultura... 40
1.2.1 Generalidades de la piscicultura ... 40
1.2.2 Agua residual procedente de la piscicultura ... 41
1.3 Plantas compactas ... 42
1.4 Localización del proyecto ... 46
1.5 Marco legal ... 49
2. METODOLOGÍA ... 52
3.1 Fase I ... 53
3.1.1 Prueba pre-experimental ... 53
3.1.2 Muestreo de agua residual de la piscícola ... 55
3.2 Fase II ... 56
3.2.1 Cálculo del caudal de agua residual a tratar ... 57
11
3.2.2 Diseño humedal artificial de flujo subsuperficial horizontal (HFSH) ... 58
3.2.3 Diseño planta compacta modular (PCM) ... 80
3.3 Fase III ... 91
3.1.1 Presupuesto general... 91
3.1.2 Flujo de efectivo ... 97
3.1.3 Valor presente ... 98
4. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS ... 100
4.1.1 Resultados prueba pre-experimental con macrófitas ... 100
4.1.2 Comparación resultados de la caracterización de agua residual con la Resolución 0631 de 2015 ... 100
4.1.3 Análisis sobre el diseño de los sistemas de tratamiento. ... 102
4.1.4 Comparación de costos de construcción, operación y mantenimiento. ... 104
5. CONCLUSIONES ... 108
6. RECOMENDACIONES ... 111
7. REFERENCIAS ... 113
8. ANEXOS ... 119
12 LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Valores típicos de medios utilizados en humedales artificiales ... 28
Tabla 2. Características de especies macrófitas más utilizadas en humedales artificiales. ... 34
Tabla 3. Criterios de diseño. ... 37
Tabla 4. Normativa legal vigente con incidencia en el proyecto. ... 49
Tabla 5. Resultados análisis agua residual estanque piscícola. ... 57
Tabla 6. Parámetros de entrada al sistema ... 59
Tabla 7. Balance de cargas de la alternativa con humedal artificial. ... 60
Tabla 8. Parámetros efluente del sistema con humedal artificial. ... 61
Tabla 99. Dimensionamiento final HFSH. ... 75
Tabla 100. Alturas dentro de cada filtro de arena. ... 77
Tabla 11. Caudal y velocidad de retrolavado. ... 79
Tabla 12. Volúmenes contemplados para cada filtro de arena. ... 79
Tabla 13. Parámetros de entrada PCM. ... 82
Tabla 14. Balance de cargas. ... 82
Tabla 15. Parámetros de salida PCM. ... 84
Tabla 16. Alturas filtros PCM. ... 86
Tabla 17. Caudal y velocidad de retrolavado. ... 87
Tabla 18. Volúmenes contemplados en los filtros de arena, carbón activado y zeolita. ... 88
Tabla 19. Balance de lodos. ... 89
Tabla 20. Costos por actividad para la construcción del HFSH. ... 93
Tabla 21. Costos operación y mantenimiento HFSH anuales. ... 94
Tabla 22. Costos por actividad para la construcción de la PCM. ... 95
Tabla 23. Costos operación y mantenimiento PCM anual. ... 96
Tabla 24. Financiación de la construcción. ... 97
13
Tabla 25. Valor presente gastos HFSH en un periodo de 5 años. ... 99
Tabla 26. Valor presente gastos PCM en un periodo de 5 años. ... 99
Tabla 27. Comparación caracterización agua residual con la Resolución 0631 de 2015. ... 101
Tabla 28. Matriz comparativa entre HFSH y PCM. ... 106
LISTA DE FIGURAS Figura 1. Componentes en un humedal artificial. ... 29
Figura 2. Esquema del proceso de nitrificación y desnitrificación. ... 31
Figura 3. Clasificación de los tipos de macrófitas para humedales artificiales. ... 33
Figura 4. Humedal artificial de flujo superficial. ... 36
Figura 5. Humedal artificial de flujo subsuperficial horizontal... 38
Figura 6. Humedal artificial de flujo subsuperficial vertical. ... 39
Figura 7. Ubicación Finca San Eleito. ... 47
Figura 8. Finca San Eleito y quebradas cercanas... 48
Figura 9. Vista de las quebradas cercanas respecto al corregimiento Patio Bonito... 48
Figura 10. Estanque piscícola. ... 49
Figura 11. Diagrama de flujo metodología... 52
Figura 12. Recolección de macrófitas en el humedal El Yulo. ... 54
Figura 13. Ejecución prueba pre-experimental con macrófitas. ... 55
Figura 14. Toma de muestras de agua residual de la piscícola... 56
Figura 15. Diagrama de flujo propuesta con HFSH. ... 59
Figura 16. Dimensiones HFSH y cámara de paso ... 69
Figura 17. Corte lateral HFSH. ... 70
14
Figura 18. Abertura trapezoide. ... 71
Figura 19. Área de trasplante de macrófitas. ... 72
Figura 20. Cara mayor y menor HFSH. ... 73
Figura 21. Vista lateral dimensiones zona de anclaje. ... 74
Figura 22. Diagrama de flujo propuesta con PCM. ... 81
Figura 23. Gráfica valor futuro costos operación y mantenimiento. ... 105
15 LISTA DE SIGLAS
A: Área real del HFSH.
Am: Área menor del HFSH.
AP: Área superficial de trasplante del HFSH.
As: Área superficial del HFSH.
Ased: Área sedimentador.
AT: Área teórica del HFSH.
At: Área transversal del HFSH.
AR: Área real del HFSH.
ATF: Área de filtración o superficial.
Atr: Área del triángulo tolva.
BI: Borde inferior.
BL: Borde libre.
Ce: Concentración de DBO5 efluente.
Co: Concentración DBO5 afluente.
Cs: Carga superficial.
CHS: Carga hidráulica superficial.
D: Diámetro del filtro.
DBO5: Demanda biológica de oxígeno.
DQO: Demanda química de oxígeno.
E: Eficiencia.
FOG: Grasas y aceites.
HFSH: Humedal artificial de flujo subsuperficial horizontal.
hm: Profundidad del medio filtrante.
HMF: Pérdidas de carga por el paso en los medios filtrantes.
Ks: Pendiente del HFSH.
Kt: Constante de remoción.
L: Largo real del HFSH.
Le: Espesor de la capa del medio filtrante.
Lme: Largo menor del HFSH.
Ls: Largo sedimentador.
n: Porosidad medio filtrante.
PCM: Planta compacta modular.
Ph: Profundidad del HFSH.
16 Q: Caudal volumétrico.
Qd: Caudal (m3/día).
q: Velocidad de filtración.
S: Conductividad hidráulica.
S0: Sólidos suspendidos del afluente sedimentador.
SST: Sólidos suspendidos totales.
Tr: Tiempo de recambio de agua.
TRH: Tiempo de retención hidráulico.
V: Volumen de la tolva.
Ve: Volumen del estanque.
Vt: Volumen total sustrato.
W: Ancho real del HFSH.
Wme: Ancho menor del HFSH.
Ws: Ancho sedimentador primario.
Wt: Ancho del sedimentador.
x: Abertura cresta del HFSH.
y: Altura del agua en el HFSH.
∅: Diámetro partícula del medio filtrante.
17 GLOSARIO
Acuicultura: Corresponde al conjunto de técnicas y conocimientos sobre el cultivo de especies acuáticas tanto vegetales como animales. (Real Academia Española [RAE], s/f)
Aeróbico: Que contiene o requiere oxígeno en su forma molecular (O2). (Campbell, Mitchell y Reece, 2001)
Agua residual: Corresponden a las aguas de cualquier tipo donde su calidad se ve afectada de manera negativa por influencia antropogénica. Las integran las aguas utilizadas, domésticas, urbanas y los residuos líquidos industriales o mineros destruidos, o las aquellas aguas que se mezclaron con las anteriores (aguas pluviales o naturales). (Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales (IDEAM), s/f-a)
Anaeróbico: Que carece o no requiere del oxígeno en su forma molecular (O2). (Campbell et al., 2001)
Anaerobio facultativo: Cuando un microorganismo elabora ATP mediante la respiración aeróbica si hay oxígeno presente, sin embargo, cambia a la fermentación cuando se presenta una falta de oxígeno. (Campbell et al., 2001)
Anóxico: Son los procesos llevados a cabo en ausencia de oxígeno, pero donde hay aceptores de electrones como lo es el nitrato, donde mediante la desnitrificación se transforma biológicamente en nitrógeno molecular. (Buitrón, Reino y Carrera, s/f)
18 Bacteria heterótrofa: Bacterias las cuales subsisten de una fuente de carbono de compuestos orgánicos, a diferencia de las bacterias autótrofas, donde su fuente de carbono es material inorgánico, como dióxido de carbono. (Universitat Politècnica de València - UPV, 2019) Biomasa: Se refiere a la cantidad o masa, de materia orgánica presente en un ecosistema.
(Campbell et al., 2001)
Biopelícula (biofilm): Son comunidades de microorganismos los cuales se encuentran adheridos a una superficie inerte a un tejido vivo, acumulándose y formando comunidades sedentarias y sésiles. (Hollmann & Perkins, s/f; Lasa, Poso, Penadés y Leiva, 2005)
Carga contaminante: Es el producto de la concentración de una sustancia por el caudal volumétrico del líquido que la contiene, para vertimientos se expresa en kilogramos por día (kg/d). (Decreto 3930, 2010)
Coloides: Corresponden a las partículas de materia de un tamaño muy fino, entre 10-5 y 10-7 centímetros de diámetro. (Fuentes Díaz, s/f)
Demanda bioquímica de oxígeno (DBO5): Medida de la cantidad de oxígeno que requieren los microorganismos para la estabilización en condiciones aeróbicas de la materia orgánica
biodegradable. (Navarro, 2007)
Demanda química de oxígeno (DQO): Es la medida que determina la cantidad de oxígeno que se requiere para oxidar la materia orgánica de determinada muestra de agua, bajo condiciones específicas en cuanto a temperatura, tiempo y agente oxidante. (Rodríguez, 2007)
Desnitrificación: Proceso en el cual el nitrato pasa al estado elemental del nitrógeno, por
intercesión de bacterias heterótrofas desnitrificantes en condiciones anóxicas, las cuales emplean
19 los productos de la degradación orgánica como fuente de energía y carbono. (Cárdenas Calvachi
& Sánchez Ortiz, 2013)
Día pluviométrico: Se refiere a la precipitación que ocurre entre las 7:00 horas de un día respecto a las 7:00 horas del día siguiente, siendo este periodo el día pluviométrico, que comprende las precipitaciones de 24 horas. (Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales (IDEAM), s/f-b)
Eutroficación: Proceso por el cual se producen cambios en el ecosistema acuático en vista de incrementos en los niveles de nutrientes (nitrógeno y fósforo), los cuales promueven el
crecimiento de microalgas, generando efectos ecológicos y toxicológicos negativos sobre el medio acuático y los organismos en este. (Claros Bedoya, 2012)
Fitorremediación: Proceso por el cual se aprovecha la capacidad de absorción, acumulación, metabolización, volatilización y estabilización de los contaminantes presentes en el suelo, aire y agua, destacándose por su aplicación en diversos ámbitos y su bajo costo. (Delgadillo, González, Prieto, Villagómez y Acevedo, 2011)
Humedal natural: Zonas donde la tierra se encuentra cubierta por aguas poco profundas, los cuales son una fuente de agua y productividad para especies tanto vegetales como animales, además comprenden un ecosistema intermedio entre medio acuático y terrestre. (Humedales. - Secretaría Distrital de Ambiente, s/f; Secretaría de la Convención de Ramsar, 2006)
Humedal artificial: Es una cuenca con poca profundidad la cual se llena con un sustrato, como arena y grava, el cual sostiene vegetación tolerante a condiciones de saturación utilizada, con el fin de que se depuren aguas residuales las cuales fluyen entre el sustrato hasta ser descargadas fuera del sistema. (UN-HABITAT, 2008)
20 Macrófita: Hace referencia a las plantas vistas a simple vista, siendo las macrófitas acuáticas plantas que subsisten en el agua y se hallan bien sea flotando o adherida al fondo del cuerpo hídrico; dentro de estas abarcan grupos de plantas como vasculares acuáticas, briófitos, carófitos y algas filamentosas. (Meco Molina & Cezón, s/f; Taboada, 2014)
Nitrificación: Corresponde a la conversión aerobia del nitrógeno amoniacal a nitrato, proceso en el cual interceden bacterias quimioautótrofas las cuales toman energía gracias a la oxidación de compuestos inorgánicos. En el proceso se transforma el amonio a nitrito y el nitrito a nitrato.
(Cárdenas Calvachi & Sánchez Ortiz, 2013)
Nutrientes: Los nutrientes esenciales son aquellos que requieren las plantas para un crecimiento adecuado, entre los que se encuentran el carbono, oxígeno, hidrógeno, nitrógeno, fósforo,
potasio, calcio, magnesio, azufre, hierro, manganeso, zinc, cobre, boro, molibdeno y cloro. (Sela, 2019)
Sólidos Suspendidos Totales (SST): Corresponden al material particulado el cual se mantiene en suspensión en el agua superficial o residual. (Ficha técnica - Sistema de Información del Medio Ambiente, s/f)
Tolva: Es un dispositivo empleado para la canalización y/o el depósito de materiales,
generalmente diseñado como un cono invertido con una salida dispuesta en la parte inferior, lo cual simula un embudo. (Rodríguez Nuñez, 2017)
Vertimiento: Se refiere a la descarga final ya sea a una fuente de agua, al alcantarillado o suelo, de sustancias o compuestos presentes en determinado líquido. (Decreto 3930, 2010)
21 INTRODUCCIÓN
El desarrollo de diferentes actividades productivas a nivel mundial ha contribuido progresivamente a la contaminación del recurso hídrico a causa del vertimiento y disposición de distintos residuos, lo cual representa actualmente una creciente problemática conllevando al detrimento de las fuentes disponibles de agua.
Una de estas actividades productivas es la acuicultura, como la cría de animales acuáticos, dentro de la cual se encuentra un área enfocada en la producción de peces, que corresponde a la piscicultura; como señala la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO, 2020), se estima un aumento en la producción de peces a nivel mundial en un 32% para el año 2030, que se traduce en 26 millones de toneladas con respecto al año 2018.
En Colombia, gracias a la gran oferta hídrica disponible y a una numerosa cantidad de cuencas hidrográficas, se posibilita la práctica de la piscicultura que se figura como una de las actividades más importantes dentro del sector agropecuario y como una fuente de sustento en zonas rurales (Merino, Bonilla y Bages, 2013). No obstante, se teme por las repercusiones sobre el medio natural, debido a los contaminantes presentes en las aguas residuales originadas en el proceso, en donde se reflejan altas cantidades de nitrógeno y fósforo resultado del porcentaje de alimento no consumido por los peces, la deposición de materia fecal, químicos y
microorganismos, lo cual conduce a la disminución de oxígeno en el agua, generando condiciones eutróficas (Buschmann, 2001).
Sumado a esto, en el territorio nacional se presenta el vertimiento de cargas
contaminantes de agua a ríos y mares que, en la mayoría, se realizan sin un tratamiento previo
22 (Sistema de Información Ambiental de Colombia (SIAC), s/f). Esto genera eutroficación en el medio, lo cual perjudica la subsistencia de especies vegetales, especies animales y comunidades aledañas, como resultado del deterioro del recurso hídrico del cual subsisten.
Debido a este panorama, resulta apremiante la implementación de sistemas de tratamiento de aguas residuales provenientes de las piscícolas, con el fin de disminuir la carga contaminante que llega a distintos cuerpos de agua y, asimismo, dar la posibilidad de un reúso de estas aguas por medio de la recirculación. Además, la depuración de estos vertimientos implica la inversión en unidades de tratamiento por parte de los piscicultores, lo cual puede llegar a ser costoso. Por ende, se requieren sistemas eficientes y de bajo costo, los cuales permitan en el largo plazo su replicación.
Entre estos se encuentran los humedales artificiales, los cuales son un sistema idóneo para el tratamiento de aguas residuales, ya que como menciona Al-rawahi (2014), emplean un bajo consumo de energía, requieren pocos gastos de operación, no requieren insumos químicos y tienen una larga expectativa de vida (Arce Cardona, 2018), a comparación de otros sistemas biológicos de alta tasa que acarrean elevados costos, una compleja construcción y
mantenimiento. Por otra parte, esta tecnología es capaz de remover materia orgánica, sólidos suspendidos totales (TSS), patógenos, así como nitrógeno y fósforo (TECPA, s/f). Es por esta razón, que este tipo de sistemas permite minimizar los impactos generados al recurso hídrico sin afectar la producción piscícola, brindando una alternativa sostenible y viable.
Por lo tanto, para este trabajo de investigación se llevó a cabo una propuesta técnica y económica para la implementación a futuro de un sistema de tratamiento del efluente proveniente de una piscícola de bocachico y cachama, ubicada en el corregimiento Patio Bonito, en el
departamento de Cundinamarca. De modo que se elaboró el diseño de ambos sistemas teniendo
23 en cuenta los criterios y parámetros pertinentes en cada unidad de tratamiento y, se desarrolló un presupuesto general en torno a la construcción, operación y mantenimiento, de un humedal artificial de flujo subsuperficial horizontal (HFSH), a fin de realizar una preevaluación
económica entre esta alternativa de tratamiento de agua residual, frente a una planta compacta modular (PCM). Se concluyó que la propuesta establecida de un sistema de tratamiento con un humedal artificial es factible tanto técnica como económicamente que, aunque su costo de construcción excede en un 24% al de la planta compacta modular, con un costo de construcción de $62.308.983; el costo de operación y mantenimiento anual es de $28.041.354, el cual es menor al obtenidos para la propuesta de una planta compacta modular, que corresponde a
$51.784.352.
24 OBJETIVOS
Objetivo general
Establecer una propuesta técnica y económica con la tecnología de humedales artificiales para el tratamiento de aguas residuales provenientes de un cultivo piscícola ubicado en el
corregimiento de Patio Bonito, en el departamento de Cundinamarca.
Objetivos específicos
• Efectuar una prueba de resistencia con especies macrófitas a las condiciones fisicoquímicas del agua residual procedente de un cultivo piscícola para su implementación en un humedal artificial.
• Diseñar un sistema de tratamiento mediante un humedal artificial, con base en la caracterización de los parámetros fisicoquímicos del efluente del cultivo piscícola y proporcionar una guía de construcción de este.
• Elaborar el presupuesto para la implementación y operación del humedal artificial que tratará el agua residual del cultivo piscícola y determinar su viabilidad comparándola con los costos e impactos de una planta compacta convencional.
25 1. MARCO DE REFERENCIA
1.1 Humedales artificiales
En el presente capítulo se abordan los conceptos implícitos que caracterizan el principal elemento de esta investigación, el cual es los humedales artificiales, particularmente de flujo subsuperficial horizontal. Se especifican generalidades, la remoción de contaminantes efectuada por este tipo de sistemas de tratamiento, así como la clasificación de estos en cuanto al tipo de flujo y el tipo de macrófitas empleadas.
1.1.1 Generalidades sobre los humedales artificiales
La Convención de Ramsar, establece la importancia de la conservación y uso racional de los humedales debido a las múltiples funciones ecosistémicas que estos desempeñan, como lo es el almacenamiento de agua, la protección que estos brindan ante tormentas y la mitigación de crecidas, la recarga de acuíferos, la depuración de agua, la retención tanto de nutrientes,
sedimentos como contaminantes y la estabilización de condiciones climáticas locales; asimismo los beneficios económicos que estos acarrean, como el abastecimiento de agua, la pesca,
recursos, entre otros. (Secretaría de la Convención de Ramsar, 2006)
Los humedales artificiales son sistemas controlados empleados para el tratamiento de aguas residuales mediante el uso de vegetación propia de un humedal, considerándolos como un tratamiento alternativo o complementario (Kayombo, Mbwette, Katima, Ladegaard y Jrgensen, 2004). Asimismo, se contemplan como un sistema de tratamiento biológico que imita los
procesos que se desarrollan dentro de un humedal natural, considerándose una tecnología de bajo costo debido al reducido costo en electricidad, mano de obra, construcción y mantenimiento.
(Lee, Fletcher y Sun, 2009)
26 Esta dinámica de tratamiento adopta el concepto de fitorremediación, donde a través de mecanismos tanto, biológicos, químicos como mecánicos, como señala Paulson et al. (2014), se realiza la remoción de contaminantes resultado de la absorción de estos por acción de las plantas en el humedal artificial. (Hernández Puerta & Luna Galvis, 2016)
Según Stearman et al. (2003), este tipo de humedales son capaces de eliminar
contaminantes, mediante procesos como la sedimentación, la degradación microbiana, la acción de las plantas, la absorción, las reacciones químicas y la volatilización (Delgadillo, Camacho, Pérez y Andrade, 2010). Gracias al flujo lento y a la poca profundidad del agua manejada dentro de los humedales artificiales, se facilita el asentamiento de sedimentos durante el paso del agua a través del sistema del sustrato, rizomas y raíces de las plantas, sumado a tiempos de retención de mayor prolongación entre el agua y las superficies dentro del humedal. (DuPoldt, Edwards, Garber, Isaacs y Lapp, 1995)
El funcionamiento de estos sistemas de tratamiento depende de sus componentes que corresponden a la vegetación, el sustrato y el material impermeabilizante empleado, así como de factores tales como la temperatura la cual influye dentro de los procesos de remoción llevados a cabo y, el sistema hidráulico teniendo en cuenta las estructuras de entrada y salida, la relación largo-ancho, caudal, los cuales inciden en la eficiencia de remoción de los contaminantes (Larriva Vásquez & González Díaz, 2017). Su diseño se realiza con base al origen, volumen y calidad del agua residual que se busca tratar, el espacio disponible, así como las características del terreno. (Luna Pabello & Aburto Castañeda, 2014)
1.1.2 Componentes de un humedal artificial
Dentro de estos sistemas de tratamiento se consideran ciertos componentes imprescindibles para su correcto funcionamiento, como se exhiben en la Figura 1.
27 Vegetación. Su selección depende de su adaptabilidad y estabilización a las condiciones del lugar. Estas en su mayoría consisten en macrófitas emergentes, por las cuales se desarrolla la oxigenación del sustrato y la absorción de contaminantes presentes en el agua residual, ya que el crecimiento microbiano toma lugar en las superficies del sustrato, al igual que en los rizomas y raíces de las plantas. (TECPA, s/f; United States Environmental Protection Agency (EPA), 1993)
Sustrato. El sustrato permeable como rocas, grava, arena y suelo influye en el soporte de las raíces de las plantas, además de sostener la actividad de organismos que habitan en el
humedal artificial. Semejante a una de las características de la vegetación, el sustrato permite la fijación de la biopelícula bacteriana (Silva & Zamora, 2005; UN-HABITAT, 2008) y, contribuye a la acumulación de la materia orgánica, fósforo, sulfato, arseniato y también en la eliminación de patógenos. (Parde, Patwa, Shukla, Vijay, Killedar y Kumar, 2021)
Según De Matos et al. (2018), en humedales artificiales sin presencia de vegetación, pero con presencia de sustrato, procesos como la filtración física, la precipitación química para remoción de hierro y metales pesados, la degradación microbiológica de materia orgánica e inorgánica gracias a la biopelícula y, la sedimentación para la eliminación de material suspendido, contribuyen al tratamiento de contaminantes. (Jamwal et al., 2021)
A continuación, en la Tabla 1, se encuentran los valores típicos de ciertas características de los tipos de medios empleados según la United States Environmental Protection Agency [EPA], (1993).
28 Tabla 1. Valores típicos de medios utilizados en humedales artificiales
Tipo Tamaño efectivo
(mm)
Porosidad n (%) Conductividad hidráulica ks
(m3/m2/d)
Arena gruesa 2 32 1.000
Arena de grava 8 35 5.000
Grava fina 16 38 7.500
Grava media 32 40 10.000
Roca gruesa 128 45 100.000
Fuente: Autores, 2021. Adaptado de United States Environmental Protection Agency [EPA], (1993).
Sistema de entrada y salida. Por el cual se distribuye el afluente del agua residual a tratar, de manera que no se formen caminos preferenciales. En algunos casos, tanto a la entrada como a la salida se emplean tuberías perforadas; además, se recomienda el uso de un accesorio a la salida ajustable, ya que permite inundar la superficie del lecho en el humedal artificial
fomentando el desarrollo de la vegetación recién plantada y, asimismo disminuir el nivel del agua ante condiciones de precipitación prolongada. (United States Environmental Protection Agency (EPA), 1993)
Material impermeable. También llamado “liner”, para el cual se utilizan materiales como lo son el geotextil, la geomembrana, película de polietileno o cloruro de polivinilo, cuya función es de revestimiento para evitar escapes e infiltraciones en el suelo que derivan en la contaminación de posibles reservorios de aguas subterráneas. (Crespi et al., 2018; DuPoldt et al., 1995)
29 Figura 1. Componentes en un humedal artificial.
Fuente: UN-HABITAT, 2008.
1.1.3 Remoción de contaminantes
Los humedales artificiales son capaces de remover materia orgánica, nutrientes,
patógenos, metales pesados, coliformes fecales, como señala Kayombo et al. (2004) y, asimismo, reducen a bajas concentraciones la DBO5 y los TSS, dado que se sedimenta e inmoviliza el material capturado entre los intersticios del sustrato, en zonas cercanas a la entrada del sistema, además la DBO5 es removida por acción de la degradación microbiana tanto aerobia, anaerobia, como facultativa (Arteaga, Quevedo, Valle, Castro y Bravo, 2019). Por otro lado, se ha
evidenciado la reducción de grasas y aceites en humedales artificiales por la acción de microorganismos como Pseudomona aeruginosa y Bacillus subtilis. (Irvindiaty Hendrawan et al., 2013)
Durante la sedimentación se reduce la materia orgánica y se eliminan bacterias
coliformes, sumado a esto, como puntualiza el Departamento de biotecnología de Nueva Delhi, (2019), teniendo en cuenta los tiempos de retención manejados en el humedal artificial, entre mayor sea el tiempo de retención del agua residual, aumentará el tiempo de sedimentación.
(Parde et al., 2021)
Sustrato
Vegetación
Entrada Salida
Impermeable Zanja
30 En lo que respecta a los compuestos de nitrógeno, que se consideran uno de los
contaminantes de mayor previsión debido a sus efectos en el agua como el aumento de la acidez, la eutroficación y el aumento de niveles de toxicidad (Cárdenas Calvachi & Sánchez Ortiz, 2013); se encuentran rangos de remoción entre el 25% y el 85%, debido a procesos de nitrificación y desnitrificación llevados a cabo por los microorganismos, así como la misma absorción de las plantas, donde las macrófitas convierten el nitrógeno inorgánico en compuestos orgánicos para células y tejidos. (Lee et al., 2009; United States Environmental Protection Agency (EPA), 1993)
En el proceso para la remoción de nitrógeno, inicialmente como resultado de la
amonificación, se transforma el nitrógeno orgánico presente a nitrógeno amoniacal (N-NH4), el cual llega a ser asimilado ya sea por las raíces de las plantas o por los microorganismos, también llega a ser volatilizado, o llega a oxidarse a nitrato (NO3) debido a la nitrificación en la cual actúan tanto bacterias amonio-oxidantes, donde el amoniaco se oxida a nitrito, como bacterias nitrito-oxidantes, donde el nitrito se oxida a nitrato; luego, por acción de la desnitrificación en condiciones anóxicas y anaerobias, el nitrato se transforma en nitrógeno molecular (N2) (Arteaga Cortez et al., 2019; Lee et al., 2009).
Las reacciones que ocurren dentro de este proceso (ver Figura 2), resultan importantes para garantizar que la calidad del agua de las piscícolas no sea nociva para la población de peces.
31 Figura 2. Esquema del proceso de nitrificación y desnitrificación.
Fuente: Metcalf y Eddy (1995), citado por Claros Bedoya (2012).
Por otra parte, debido a las condiciones anóxicas que se generan dentro del humedal a causa del sustrato saturado de agua, se consume el oxígeno disponible gracias al metabolismo de los microorganismos alojados en los poros del sustrato, conllevando a crear un ambiente óptimo para la remoción de contaminantes como nitrógeno y metales. (DuPoldt et al., 1995)
Otro contaminante clave que remueven los humedales artificiales y que es de gran
importancia debido a su influencia en la eutroficación de fuentes de agua, es el fósforo. Mientras las raíces de las plantas sirven como trampa para atrapar sedimentos, también son la fuente principal por la cual se remueve el fósforo debido a la absorción de este como nutriente, el cual, junto al nitrógeno, causan el aumento de la cantidad de algas y la disminución del oxígeno disuelto disponible. (Arteaga Cortez et al., 2019)
En cuanto a la remoción de patógenos presentes en las aguas residuales se llevan a cabo ciertos procesos, como menciona Marín y Correa (2010), “la remoción de microorganismos,
32 incluyendo bacterias patógenas, virus y helmintos, se efectúa por filtración en el suelo,
adsorción, desecación, radiación, predación y exposición a otras condiciones ambientales adversas” (p.21). Además, como establece Rodríguez (2003), esta remoción de patógenos se propicia por procesos como la sedimentación, la filtración, así como la radiación de rayos
ultravioleta, la excreción de antibióticos por las raíces y la muerte natural. (Arteaga Cortez et al., 2019)
1.1.4 Clasificación de humedales artificiales
Esta clasificación se da entre dos factores importantes que corresponden a las macrófitas empleadas y al flujo de agua a través del humedal artificial, puesto que el tipo de flujo que se requiera manejar define que tipo de vegetación se puede utilizar, teniendo en cuenta que la forma de obtención del agua por las macrófitas depende del tipo de estructuras que estas posean.
Clasificación por tipos de macrófitas
Las macrófitas son plantas acuáticas superiores, las cuales como establece Fernández et al. (2004), citado por Delgadillo et al. (2010), son visibles a simple vista, donde se incluyen plantas vasculares acuáticas, musgos, helechos y algas.
Los humedales artificiales constan de un conjunto de macrófitas ya sean de una sola especie (monocultivo) o de diversas especies (policultivo) (Crespi, Soler, Soler y Pugliese, 2018), las cuales realizan la fitodepuración del agua residual, donde actúa la fotosíntesis para el aprovechamiento de energía solar. Como establece Delgadillo et al. (2010), los humedales artificiales se clasifican por dos tipos de macrófitas a emplear, las macrófitas enraizadas que están fijas al sustrato y las macrófitas flotantes libres. A continuación, se sintetiza esta clasificación en la Figura 3.
33 Fuente: Autores, 2021. Adaptado de Delgadillo et al., 2010.
Las macrófitas flotantes libres en humedales artificiales brindan una gran superficie de contacto con el agua residual gracias a sus raíces, sin embargo, poseen una baja capacidad para la acumulación de biomasa, es decir, una baja sedimentación de sólidos, por lo que se requiere mano de obra para la remoción periódica de estos, además, prevalece la aparición de vectores como mosquitos y malos olores. (Martelo & Lara Borrero, 2012)
Según Peña et al. (2007), entre las especies de macrófitas más utilizadas para humedales artificiales se encuentran Eichhornia crassipes, Lemna minor y Pistia stratiotes, Elodea
canadensis, Cerato phyllumdemersum, Alternanthera philoxeroides y las especies de macrófitas emergentes Scirpus l., Juncos sp., Sagittaria sp., y Phragmites australis (Palta Prado & Morales
Sistemas de macrófitas Enraizados
Emergentes
Flujo
superficial Flujo subsuperficial
Horizontal
Vertical
Sumergidas Flotantes Flotantes
Figura 3. Clasificación de los tipos de macrófitas para humedales artificiales.
34 Velasco, 2013). Cuando se maneja un flujo subsuperficial en el humedal, se utilizan diversas especies, como las exhibidas en la Tabla 2.
Tabla 2. Características de especies macrófitas más utilizadas en humedales artificiales.
Especie Penetración
de raíces (m)
Tasa de transferencia de oxígeno (g/m2-d)
Número de plantas por m2
Cáñamo (Pragmites sp.) 60-76 4,8 2-4
Papiro (Scirpus sp.) 76 5,7 2-4
Junco (Juncos sp.) 30 No disponible No disponible
Tifácea (Typha sp.) 50 2,1 No disponible
Guadua (Bambusa sp.) 100-200 No disponible No disponible Bambulina (Dendrocalamus sp.) 30-40 No disponible No disponible Fuente: Autores, 2021. Adoptado de Peña et al. (2003), citado por Madera (s.f.).
De acuerdo con Almuktar, Abed y Scholz (2018), se tienen antecedentes del uso de varias especies de macrófitas para el tratamiento de distintos tipos de aguas residuales, como por
ejemplo el estudio realizado en Queensland (Australia) por Greenway y Simpson (1996), donde se plantaron cinco especies de macrófitas para un humedal artificial de flujo libre y un humedal artificial de flujo subsuperficial, obteniendo remociones entre 48-52% de DBO y una reducción del 8% de DQO. Asimismo, es importante tener presente la resistencia que tengan las plantas macrófitas a las condiciones del agua a tratar, puesto que incide tanto en su supervivencia como en su eficacia de tratamiento (Almuktar et al., 2018). Por otro lado, un estudio realizado en Morelos (México), demostró que comparando la depuración generada en un humedal artificial por especies solitarias de Phragmites australis y Typha dominguensis es menor que
35 combinándolas en una misma zanja en una diferencia de eficiencia entre el 20 y 5%. (Romero, Colín, Sánchez y Ortíz, 2009)
Clasificación por tipos de flujo
Como establece Ponzi (2014), citado por Crespi (2018), la clasificación de humedales artificiales se da con base al tipo de vegetación empleado, sumado al flujo del agua residual manejado, esto es si hay presencia o no de un espejo de agua expuesto a la atmósfera.
Humedales de flujo superficial. Estos consisten en balsas o canales compuestos en el fondo por suelo relativamente impermeable para evitar la contaminación freática, donde la superficie de agua se encuentra expuesta a la atmósfera (ver Figura 4), manejando niveles poco profundos, los cuales son variables y reducidos, con un flujo horizontal (Arias Lafargue, 2013; Crespi et al., 2018). Tienen limitaciones en cuanto a la disponibilidad de oxígeno que dificulta la remoción de amoniaco mediante la nitrificación, sin embargo, posee una efectiva remoción en DBO, SST y metales. Entre las especies de macrófitas emergentes mayormente utilizadas se encuentra las espadañas y aneas (Typha spp.), los juncos (Scirpus spp.) y los carrizos (Phragmites spp.).
(United States Environmental Protection Agency (EPA), 2000)
36 Figura 4. Humedal artificial de flujo superficial.
Fuente: Delgadillo et al., 2010.
Humedales de flujo subsuperficial. En estos sistemas el flujo de agua sumergido se da a causa del flujo pistón de manera continua, donde la velocidad se determina por la pendiente del fondo y el nivel hidráulico se determina por la posición de la tubería a la entrada y salida del sistema (Arias Lafargue, 2013). Dentro de las ventajas que acarrean, son las altas remociones en DBO5 y sólidos totales suspendidos (SST), con costos bajos en su construcción operación y mantenimiento, asimismo ofrecen un buen control sobre vectores, malos olores y aerosoles, eliminando el riesgo sanitario por contacto con el agua residual, además de brindar una
protección térmica al agua en periodos invernales; sin embargo, una de las deficiencias de este tipo de humedales es la posible aparición de un flujo superficial sobre el lecho del medio, a causa de la obstrucción en los intersticios bien sea por las mismas raíces de las plantas y el material vegetal o la acumulación de SST en el agua residual. (Arias Lafargue, 2013; United States Environmental Protection Agency (EPA), 1993)
37 Para el diseño de esta unidad de tratamiento, Tchobanoglous (1974), citado por Romero Rojas (2000), establece los criterios más importantes en el momento del diseño del humedal artificial de flujo subsuperficial (HFSH), como se enuncian en la Tabla 3.
Tabla 3. Criterios de diseño.
Criterio Valor
Tiempo de retención (días) 3-4 (DBO) 6-10 (N) Carga hidráulica superficial (m3/hab-d) 470 – 1870
Carga orgánica (kg DBO/Ha-d) <112
Carga SST (kg/Ha-d) 390
Profundidad agua (m) 0.3-0.6
Eficiencia remoción DBO/SST/NT/PT (mg/L) <20%/20/10/5
Fuente: Autores, 2021. Adoptado de Tchobanoglous (1974), citado por Romero Rojas (2000).
Flujo horizontal. En este tipo de humedales, el sistema se sustenta con una tubería de entrada, la cual distribuye el agua residual bajo la superficie a través del sustrato donde ingresa a zonas aeróbicas, anaeróbicas y anóxicas, para después ser recolectada en la salida del sistema ubicada en el fondo, como se aprecia en la Figura 5 (Vymazal, 2009). Son eficientes en la remoción de DBO, DQO, SST, nitrógeno amoniacal, fosfatos, entre otros, donde la desnitrificación representa el mecanismo de mayor remoción de nitrógeno, pero con baja remoción de amonio por la falta de oxígeno. (Parde et al., 2021; Vymazal, 2010)
38 Figura 5. Humedal artificial de flujo subsuperficial horizontal.
Fuente: Kadlec y Wallace, 2009.
Como afirman Zachritz y Jacquez (1993), el uso de los humedales artificiales de flujo subsuperficial horizontal para el tratamiento de aguas residuales de cultivos de peces de alta densidad es prometedor, con el fin de disminuir tanto sólidos como el fósforo en los
vertimientos. (Vymazal, 2009)
Flujo vertical. En estos humedales artificiales el agua residual ingresa desde la parte superior del sustrato donde penetra hasta el fondo para después ser drenado (ver Figura 6), se bombea de manera intermitente el agua residual en la superficie del sustrato hasta que quede completamente inundada, con el fin que esta se filtre durante su paso a través de este medio poroso, no obstante, a diferencia de los sistemas de flujo horizontal, tiene mayores condiciones aeróbicas que permiten dar lugar a la nitrificación, pero no se lleva a cabo la desnitrificación, además cuentan con mayores requerimientos a nivel operacional y de mantenimiento debido a la forma en que estos funcionan. (UN-HABITAT, 2008; Vymazal, 2010)
Capa de grava superior
Afluente
Efluente Material impermeable
Nivel del agua
Control nivel del agua
Medio de soporte Vegetación
39 Figura 6. Humedal artificial de flujo subsuperficial vertical.
Fuente: Parde et al., 2021.
Sistemas híbridos. Son la combinación entre humedales tanto de flujo horizontal como de flujo vertical, los cuales permiten obtener resultados con mayor remoción de contaminantes, teniendo buenos resultados en la remoción de DBO5 y SST en un tratamiento secundario; son de gran interés ya que estos sistemas combinados al utilizar ambos tipos de flujo enmiendan las limitaciones que acarrean ambos tipos de flujo, con las ventajas operativas del otro y viceversa.
(UN-HABITAT, 2008; Vymazal, 2010)
Otros tipos no convencionales de humedales construidos son, por un lado, el humedal artificial de flujo vertical francés de dos etapas dispuesto de manera paralela con funciones en serie, el humedal artificial de flujo subsuperficial “Baffled” donde el agua residual circula hacia arriba y abajo del lecho filtrante, por último, el humedal artificial aireado el cual tiene mayor eficiencia en la descomposición más rápida de materia orgánica, gracias al uso de aireadores.
(Parde et al., 2021)
40 1.2 Piscicultura
Para el presente proyecto de tratamiento de aguas residuales provenientes de un estanque piscícola es importante conocer los elementos constitutivos de este, así como la caracterización de este tipo de agua residual, como se exhibe a continuación.
1.2.1 Generalidades de la piscicultura
La piscicultura es una rama dentro de la acuicultura, que contempla la producción de especies acuáticas, como peces, moluscos, crustáceos y plantas acuáticas; esta se clasifica en dos tipos, ya sea continental, es decir en tierra firme con el uso generalmente de agua dulce, o
marina, que se lleva a cabo en zonas costeras (González Legarda, 2017).
Se contemplan tres tipos de sistema para la producción de animales acuáticos, en primer lugar, los sistemas de flujo (flow-through systems), tales como canales, pozos, o tanques con un flujo constante a través de estas estructuras. Por otro lado, los sistemas de recirculación
(recirculating systems), en estos se trata el efluente y se reutiliza repetidas veces antes de realizar su descarga a cuerpos de agua, siendo este tipo característico en la acuicultura de alta intensidad.
Finalmente, los corrales de redes (net pens), que consisten en redes suspendidas en el agua, ya sea en puertos o anclados en mar abierto. (United States Environmental Protection Agency (EPA), s/f)
Dentro de la acuicultura se encuentra un área específica con un enfoque a la producción de peces, en cuanto a la cría y engorde, la cual corresponde a la piscicultura. Esta práctica emplea distintas tecnologías, la piscicultura extensiva que maneja una baja densidad con un pez por cada 5-10 m2, la piscicultura semi-intensiva que maneja de 2 a 4 peces por 1 m2, la
piscicultura intensiva que maneja altas densidades con 5 a 20 peces por 1 m2 y, por último, la piscicultura superintensiva donde se utilizan jaulas flotantes. (Merino, Salazar y Gómez, 2006)
41 1.2.2 Agua residual procedente de la piscicultura
A pesar de que la piscicultura representa una actividad productiva que beneficia a las comunidades, repercute en los cuerpos de agua aledaños, a raíz de la presencia de contaminantes en las aguas residuales procedentes de las piscícolas (estanques donde se alojan los peces), la cual contiene cantidades sustanciales de contaminantes tales como sólidos suspendidos, nitrógeno y fósforo, los cuales implican efectos negativos en el medio ambiente (Omotade, Alatise y Olanrewaju, 2019).
Esto contribuye en la disminución del oxígeno disuelto en el agua (OD), en el aumento tanto de sólidos suspendidos totales (SST), como de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) y la demanda química de oxígeno (DQO), además del aumento de la carga orgánica, así como nitritos, nitratos, fosfatos y fósforo total (González Legarda, 2017; Luna Imbacuan, 2011). En vista de los compuestos nitrogenados, se obtienen niveles tóxicos en el agua que afectan el desarrollo normal de animales acuáticos, al afectar su crecimiento y reproducción. (Cárdenas Calvachi & Sánchez Ortiz, 2013)
Así pues, esto conlleva varias implicaciones negativas a causa de estos sistemas, en primer lugar, el elevado gasto de agua cruda para el proceso, lo cual disminuye la disponibilidad del recurso en otros usos (Calderón, Bayona, Bonilla, Guerrero y Calderón, 2017). En segundo lugar, es en la fase de operación donde se da lugar al vertimiento de aguas residuales, en la cual se encuentran peces muertos y enfermos, sustancias químicas, material patógeno, así como alimento no consumido por los peces, heces y orina, siendo estos últimos los que inciden en mayor medida en la eutroficación que estimula el crecimiento de microalgas; además, debido a los sólidos suspendidos, se reduce la penetración de luz solar en el cuerpo de agua, que interfiere en las cadenas tróficas, además la competencia de oxígeno por los microorganismos presentes en
42 el agua resulta en el estímulo de ambientes anaeróbicos que traen consigo olores ofensivos.
(Luna Imbacuan, 2011)
Por otro lado, estas aguas residuales llegan a tener presencia de amonio, el cual puede ser removido por gran variedad de procesos, como por intercambio iónico mediante zeolita gracias a su estructura aluminio-silicato y la macroporosidad de este medio, también por la nitrificación para oxidar el amonio a nitrito mediante la acción de bacterias aerobias autótrofas en un reactor y la separación del amonio en el agua por membranas (Govind, s/f). Además, se encuentran
procesos de tratamiento por biofiltración para eliminación de olores, donde se tratan corrientes de aire con presencia de amonio y otros compuestos volátiles, producidos en el tratamiento de aguas residuales. (Hort et al., 2009)
1.3 Plantas compactas
Para la presente investigación, se busca comparar el tratamiento de un humedal artificial, con el tratamiento convencional mediante una planta compacta, ya que es uno de los métodos más utilizados, como lo son los sistemas fisicoquímicos o reactores biológicos aerobios y anaerobios. Por otro lado, no es usual el diseño de sistemas de tratamiento de agua residual donde se tiene en cuenta la implementación de un tren que se acople con el medio natural, aprovechando los mecanismos de depuración que ofrecen las macrófitas.
Las plantas compactas representan una opción viable para comunidades rurales, ya que estas plantas tienen un mayor aprovechamiento sobre el espacio y la mano de obra, suelen ser construidas en acero al carbón o en poliéster reforzado en fibra de vidrio (PRFV) y se instalan directamente en el lugar solicitado, simplemente haciendo las conexiones de entrada y salida correspondientes. Por ende, los diseños de estos pueden tener variaciones dependiendo de los requerimientos del lugar y del mismo diseñador. Generalmente el tratamiento de las aguas
43 residuales se divide entre el pretratamiento, el tratamiento primario (si es necesario remover sólidos suspendidos y grasas y aceites que pudieren afectar el tratamiento biológico), secundario y terciario, donde se llegan a involucrar procesos de cribado, desarenado y separación de grasas y aceites, así como tratamiento biológico (aerobios y anaerobios) y tratamiento fisicoquímico.
Tipos de plantas compactas
A continuación, se exhiben las plantas compactas de tipo fisicoquímico, de filtración y las de tratamiento biológico aerobio y anaeróbico.
Plantas con sistema anaerobio. Estas se caracterizan por tener una depuración de contaminantes asistida por microorganismos anaerobios contenidos en un filtro de flujo ascendente (FAFA) o en un reactor anaerobio de flujo pistón, que garantizan las condiciones adecuadas de para mantener una biomasa activa, la cual se retiene en un medio poroso, como lo son la grava, rocas o medios plásticos, como las rosetas. Estas plantas son atractivas, puesto que no conllevan un gasto energético considerable, solo requieren el uso de bombas para el ingreso de caudal cuando no es posible aplicar por gravedad.
Principalmente se encuentran tres tipos de biorreactores, por un lado, el biorreactor anaerobio de flujo ascendente (FAFA/UASB), opera con flujo ascendente y como desecho produce biogás por el metabolismo de los microorganismos. Por otro lado, el biodigestor, donde se aprovecha la liberación de biogás como combustible, gracias a la descomposición de material biodegradable por acción de los microorganismos, siendo este material del cual depende la eficiencia en función de la temperatura y el pH. (Acuña Torres, 2021)
Plantas con sistema aerobio. Estas plantas operan gracias a la presencia de
microorganismos, los cuales asimilan materia orgánica y nutrientes como el nitrógeno y fósforo,
44 con la diferencia que se lleva a cabo el tratamiento en función de la presencia de oxígeno,
además, a diferencia del sistema anaerobio, no se produce biogás (Tuset, 2017). Dentro de esta categoría se encuentran varios sistemas, entre ellos los biofiltros aireados (biological aerated filter - BAF), se consideran un tratamiento secundario y terciario para agua residual, además, que se caracterizan por la remoción en una sola unidad de amoniaco, compuestos de carbono y sólidos, así como también remoción de nutrientes como nitrógeno y fósforo, empleando como sustrato granular o sintético (Mendoza Espinosa & Stephenson, 1999). Asimismo, cabe aclarar que los biofiltros sumergidos y los filtros percoladores tienen características similares, no obstante, los filtros percoladores no son sumergidos. (Mann & Stephenson, 1997)
Por otro lado, se encuentran las plantas compactas por lodos activados, que consisten en un reactor aerobio con un decantador que, por medio de reacciones biológicas y la biomasa dentro del tren de tratamiento (flóculos formados por microorganismos que conforman en lodo activado), degradan los contaminantes presentes en el agua residual. Sumado a esto, se emplean en mayor medida bacterias heterótrofas facultativas, que descomponen materia orgánica disuelta y particulada en compuestos más simples, como dióxido de carbono y agua. (Buitrón Méndez et al., s/f)
Es común el uso de estas plantas en sistemas de tratamiento de aguas domésticas, sin embargo, conllevan un gasto energético elevado debido a la aireación constante que debe tener el reactor. Adicionalmente, la operación y control en esta planta compacta es más compleja debido a que se requiere la revisión constante de los parámetros, tales como oxígeno disuelto, nitratos, pH y temperatura. En los últimos tiempos, se ha incrementado la utilización de reactores de membrana (MBR) para reducir aún más los espacios en este tipo de plantas compactas, así como los reactores de lecho móvil (MBBR), sin embargo, para este caso y por ser plantas que
45 requieren de un diseño especializado, no se consideraron como métodos viables de tratamiento, a no ser que se requirieran de eficiencias elevadas para permitir que el efluente tratado pudiera ser reutilizado. (Balda Ayala, 2017)
Plantas compactas fisicoquímicas. En las plantas compactas con procesos fisicoquímicos de remoción de contaminantes, se involucran procesos de coagulación y floculación asistidas por químicos, como lo son el hidroxicloruro de aluminio y polímero aniónico. Se caracterizan por la remoción de sólidos suspendidos y material coloidal, más no remueven material orgánico soluble; además, un aspecto positivo de estas plantas es el reducido espacio requerido para su implementación en la zona de interés. (Alemany, 2004)
Para este tratamiento, es necesario un sistema de mezcla rápida el cual incorpore los químicos al agua a tratar, así como un sedimentador donde se realice la clarificación del agua permitiendo la decantación de sedimentos. Adicional a este sistema de tratamiento, se debe realizar una homogeneización previa del agua a tratar, de lo contrario el sistema presentaría muchas fluctuaciones en la carga contaminante. Por otro lado, en lo que respecta a los costos de este tipo de sistemas, el gasto de operación y mantenimiento requerido se incrementa por la compra de químicos y un análisis constante de dosificación de estos.
Plantas compactas con sistema de filtración. Estos sistemas de tratamiento son simples, puesto que constan de una serie de filtros a presión, los cuales pueden emplear como medio filtrante arena, carbón activado, antracita, zeolita, entre otros. Este último medio filtrante, la zeolita, cuenta con propiedades tanto de intercambio catiónico como de adsorción; tal es el caso del ion amonio y de algunos metales pesados, especialmente los iones de carácter catiónico (Elshorbagy & Chowdhury, 2013). Recientemente se han realizado investigaciones en Brasil
46 con diferentes tipos de zeolitas naturales por parte de la compañía CELTA (2020), que han encontrado que por cada 100 g de zeolita se logra eliminar 1 g de amonio del agua.
En determinadas ocasiones se les cataloga como modulares puesto que se pueden añadir cuantos módulos se requieran de estas unidades para aumentar su capacidad. Este tipo de plantas se suelen usar para caudales muy pequeños con cargas contaminantes no tan elevadas; sumado a esto, suponen la ventaja de ocupar poco espacio y requerir de un mantenimiento simple, es decir, el retrolavado de los filtros. No obstante, la eficiencia de remoción de contaminantes en este tipo de plantas es baja, ya que no se cuenta con un sistema biológico para la eliminación de carga orgánica tanto disuelta como concentrada. Su implementación es común dentro de ciudades y para un vertimiento en alcantarillados. (Synertech, 2021)
1.4 Localización del proyecto
El lugar donde se llevó a cabo el muestreo de agua residual procedente de un estanque piscícola y en el cual se concibe el diseño de un humedal artificial es la Finca San Eleito, se localiza en las coordenadas 4°31'56.9"N y 74°29'47.4"W. Esta se ubica en la zona veredal del centro poblado Patio Bonito cerca al municipio de Anapoima (ver Figura 7), en el departamento de Cundinamarca, a una altura de 810 msnm, con una temperatura promedio de 21,3°C.
Por otra parte, gracias a los datos de las precipitaciones presentadas para el municipio de Anapoima del portal del Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales
(IDEAM), entre el periodo comprendido entre 2015 y 2021, se obtiene un promedio diario de
47 precipitaciones referentes al día pluviométrico de 0,48 mm de agua lluvia diario. (Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales (IDEAM), 2021)
La zona donde se localiza la finca, que está dentro de la jurisdicción de Anapoima, hace parte de la cuenca media del río Bogotá, en el sector El Salto de Tequendama – Apulo.
(Corporación Autónoma Regional de Cundinamarca (CAR), 2006)
Figura 7. Ubicación Finca San Eleito.
Fuente: Google Earth, 2021.
Para la georreferenciación de las fuentes hídricas cercanas a la zona, se empleó el
geoportal del Instituto Geográfico Agustín Codazzi (IGAC), ubicando en este el departamento de Cundinamarca y el municipio de Anapoima, correspondiéndole la plancha 246IA4. En esta zona cruza la quebrada Paicón y la quebrada La Campana (ver Figuras 8 y 9).
48 En la Finca San Eleito se desarrolla la actividad de piscicultura en un estanque de 18 metros de largo y 15 metros de ancho, con una profundidad de 2 metros y una capacidad de 540m3 de agua (ver Figura 10), donde se manejan las especies bocachico (Prochilodus
magdalenae) y cachama (Piaractus brachypomus), presentando una densidad alrededor de 500 Figura 8. Finca San Eleito y quebradas cercanas.
Fuente: IGAC, 2021.
Figura 9. Vista de las quebradas cercanas respecto al corregimiento Patio Bonito.
Fuente: IGAC, 2021
