humedales artificiales

SECRETARÍA DE EDUCACIÓN PÚBLICA
Proyecto
“TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES PORCINAS
MEDIANTE HUMEDALES ARTIFICIALES”
I.
Introducción
De acuerdo con estudios obtenidos por diferentes instituciones ambientales
responsables de proporcionar la información correcta y verídica, menciona que
es la peor crisis ambiental registrada en los últimos 14 años. Aunado a esto el
problema de escasez del agua que se está agravando, sobre todo en las regiones
áridas como la Mediterránea (SEMARNAT, 2014; ONU, 2016)
Manifestando las necesidades de satisfacer una demanda creciente de recursos
hídricos, evitando la degradación o extinción de los ecosistemas, siendo así un
verdadero reto que debe ser afrontado desde una perspectiva multidisciplinaria
en la que se tenga en cuenta criterios ambientales, sociales y económicos de
gestión del agua (SEMARNAT, 2015)
El agua es uno del recurso más importante para la vida en el planeta, su uso
sustentable es un reto que enfrenta el mundo actual, sin embargo, este se ve
afectado por el uso no razonable de este en la sociedad, principal mente en el sector
industrial de países en vía de desarrollo como México (Plan de desarrollo, 2012).
Donde la contaminación de los cuerpos de aguas ha generado problemas graves
que tienen influencia en los recursos hídricos, por esta razón se convierten en
recursos no renovables (CONAGUA, 2016).
Esto debido en muchos casos a la intervención del hombre donde se han puesto
peligro diversos ecosistemas, el problema incrementa cuando estos ecosistemas
son empleados con diversos fines recreativos, ya que en alguno de los casos son
la principal fuente de los recursos para actividades diarias (Marín-Muñiz, 2017).
Este recurso hídrico forma parte de los principales componentes del cuerpo
humano, esencialmente para los procesos biológicos y las reacciones bioquímicas
que el cuerpo realiza, como la absorción, digestión y eliminación de
desechos metabólicos Iglesias Rosado et al., (2011).
De acuerdo con (Hernandez- Salazar et al., 2018) a nivel nacional existen 4904
plantas de tratamiento, de las cuales, 2617 tratan aguas residuales industriales.
Este número de sistemas solo tratan el 29 % de las aguas industriales.
Una alternativa viable para el tratamiento del agua son los humedales artificiales
(HA) los cuales consisten principalmente en estanques poco profundos en los que
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se implantan especies vegetales adaptadas a la vida acuática y en los que la
depuración se basa en procesos naturales de tipo microbiológico, biológico, físico
y químico, son de bajo costo de implemetación, construcción y facil operación (Li et
al., 2018: Lu et al., 2019).
El papel que juegan las plantas ornamentales terrestres en los humedales
artificiales se ha evaluado, con relación a los contaminantes, sustrato y el tipo de
agua que se desea tratar (Sandoval-Herazo, 2019). Los micrófitos son la principal
fuente de oxígeno a través de un proceso que ocurre en la zona de la raíz, llamada
pérdida de oxígeno radial. Las plantas mediante la producción de raíces y rizomas
proporcionan sustratos para las bacterias adheridas y la oxigenación en áreas
adyacentes a la raíz, para absorber los contaminantes del agua. El nitrógeno (N),
el fósforo (P) y otros nutrientes son absorbidos principalmente por las plantas de
los humedales a través de la epidermis y los haces vasculares de las raíces, y se
transportan más hacia el tallo y las hojas. Esto proporciona carbono para la
desnitrificación durante la descomposición de la biomasa y evita que los
contaminantes se liberen de los sedimentos (Sandoval et al., 2019b).
El crecimiento acelerado de la población a nivel nacional ha generado una demanda
mayor del sector industrial lo cual deriva no solo en mayor economía para las zonas
productoras sino también para el crecimiento de la contaminación, afectando
directamente a las aguas nacionales y los mantos freáticos de la misma (Ramírez
y Rodríguez, 2017; García y Adam, 2017). Una de las industrias que mayormente
contamina es la porcina, sin embargo, no existen registros oficiales que demuestren
la contaminación, puesto que las empresas que mayor contaminación tienen son
las microempresas (Garzón-Zúñiga et al., 2014).
El desarrollo de la industria porcícola en México es desde hace más de cinco
décadas una de las actividades agropecuarias de mayor importancia en la
producción y comercialización de ganado porcino con un gran impacto en la
generación de fuentes de trabajo para aquellos granjeros y agricultores que ven
en esta actividad una fuente de sustento económico para sus familias (Suero
Sánchez, 2016), el punto que se ha descuidado en estos aspectos es que al
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crecer este tipo de microempresas también aumenta considerablemente el uso
del agua para desarrollar las tareas de esta industria, generando contaminación,
como consecuencia de la alta cantidad de carga orgánica que contienen sus
aguas residuales y por consecuencia al estar en contacto con cuerpos de aguas
superficiales y subterráneos, producen un efecto sumamente negativa
convirtiéndose en un problema que afecta tanto la vida en el planeta y puede
generar fuertes problemas en materia de salud pública para las personas
aledañas a estos cuerpos de agua (Garzón-Zúñiga et al., 2014).
Las microempresas porcinas generan en grandes cantidad residuos de aguas,
se busca mejorar su competitividad al interior de la cadena productiva, con miras
a fortalecer su participación en el mercado interno y crear opciones en el mercado
externo de proteína animal, lo que no se toma en cuenta es la cantidad de litros
de agua que se desechan desde las instalaciones las que se trabaja y los
contaminantes que contienen estas aguas. Existe un 75.4% de microempresas
en el estado de Veracruz, las cuales corresponde en un 13.5% a las granjas
porcinas (INEGI, 2016), el agua que estas pequeñas empresas generan
desembocas a cuerpos de agua superficiales y subterráneos por infiltración como
los son ríos, mares, manantiales, entre otros. Lo anterior contamina de una
manera latente estos cuerpos receptores al no ser tratadas antes de su disección
final. México cuenta con un alto número de microempresas registradas y no
registradas generando que la cantidad de agua que está industria generan, no
estén reportada en fuentes oficiales, esto no las obliga a tratar el agua que
contaminan, por otra parte, los ingresos generados por este tipo de
microempresas son bajos, lo que dificulta tener una planta de tratamiento de
aguas residuales en sus pequeñas granjas (Hernández-Salazar et al., 2018).
Debido
a
la
contaminación
de
la
industria
porcina
ocasionada
por
microempresas, un sistema de tratamiento de aguas residuales por medio de
humedales artificiales parcialmente saturados, con el objetivo de evaluar la
degradación de los contaminantes que contiene en mayor proporción este tipo de
industrias, como lo son materia orgánica, nitrógeno, oxígeno disuelto (OD) y
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coliformes fecales (CF) empleando policultivos y monocultivos de plantas
ornamentales y sustratos híbridos.
II.
Antecedentes
La utilización de HC se remonta a los inicios del siglo XX, tuvo su origen en
Alemania a principios de 1950 (Dahl & Allord, 1996).
Posteriormente se siguieron realizando investigaciones como la de Zurita et al.,
(2008) que realizaron un estudio donde utilizaron cuatro especies ornamentales
Zantedeschia aethiopic, Strelitziareginae, Anturium andreanum y agapanthus
africanus en dos tipos de humedales sud superficiales para el tratamiento de
aguas domésticas, evaluando parámetros de la calidad del agua a la entrada y a
la salida.
Después Luna et al., (2009) evaluaron la capacidad de un humedal artificial (HA),
acoplado a un filtro de pulimento, diseñado para obtener agua apta para la
preservación de vida acuática silvestre. Con la finalidad de remover materia
orgánica carbonosa, nitrógeno y fósforo.
En ese mismo año Albuquerque et al., (2009) estudiaron la influencia que tienen
los medios medios de lecho en la eliminación de amoníaco y nitrato en humedales
construidos de flujo subsuperficial horizontal poco profundos.
Zurita et al., (2011) en México, investigaron el estado actual de los tratamientos
de las aguas residuales municipales en las comunidades rurales en México,
encontrando que los humedales artificiales enfrentan algunas barreras, que han
evitado su implementación en forma masiva; por el poco conocimiento de esta
tecnología y la falta de diseños accesibles a los usuarios directos.
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Un año más tarde E, Azocoitia (2012) evaluó el rendimiento de reducción de
materia en suspensión, materia orgánica (DQO y DBO), nitrógeno y fosforo en la
carga hidráulica de humedales construidos.
Posteriormente Luna & Aburto, (2014) en México, implementaron un sistema que
consiste en un filtro de agregados calcáreos, un sedimentador, un humedal
artificial de flujo subsuperficial (HAFSS), un humedal artificial de flujo superficial
(HAFS) y un muro gavión filtrante para el control de la eutroficación del lago del
Bosque de San Juan de Aragón.
Marín Muñiz J, L, (2016) realizo un estudio en Actopan, Veracruz, México donde
se evaluó la remoción de contaminantes de aguas residuales mediante
microcosmos de humedales sembrados con Typha spp, piedra porosa de rio y
tepezil en periodo de sequía y lluvia.
Año más tarde en base a que existen pocos estudios sobre (HC) Marín Muñiz J,
L, (2017) realizo una investigación con la finalidad de describir a los HC, sus
principales usos y los trabajos realizados en México en base a esta tecnología,
así como la utilización de plantas de ornato en la remoción de contaminantes de
estos sistemas.
Después Leiva et al., (2018) en Chile evaluaron el efecto de dos plantas
ornamentales (Cyperus papyrus y Zantedeschia aethiopica) en humedales
construidos con monocultivo y policultivo de flujo subsuperficial horizontal (HSSF)
para el tratamiento de aguas residuales con la finalidad de evaluar la eficiencia
en la eliminación de DQO, DBO5, SST, TN, TP Y TC.
En ese mismo año Sandoval et al., (2018) realizaron una investigación sobre los
efectos del uso de plantas ornamentales y diferentes sustratos en la eliminación
de las aguas residuales contaminantes a través de los microcosmos de
humedales construidos.
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Sandoval et al., (2019) estudiaron la importancia de la vegetación en humedales
construidos y el uso de plantas con flores ornamentales en humedales
construidos para el tratamiento de aguas residuales.
III.
Justificación
La calidad de agua en México aún es poco conocida, no se han realizado los
suficientes análisis en cada fuente de suministro, si bien la (CONAGUA,2016)
reporta que en 83% de sus estaciones de monitoreo se encuentran en operación
2,807, se otorga una prioridad a los siguientes indicadores: Demanda Biológica
de Oxigeno (DBO), Demanda Química de Oxigeno (DQO) y Sólidos Suspendidos
Totales (SST), para valorar de manera integral la calidad de dicho recurso Arias
et al., ( 2016).
La cantidad de plantas de tratamiento de agua residual industriales en México es
escasa, puesto que los costos tan elevados de construcción, instalación,
operación y mantenimiento representan una problemática ya que solo se logran
tratar el 70.8 m3/s de agua residuales industriales equivalente al 38% de las
industriales legalmente registradas Hernández-Salazar et al., (2017).
De acuerdo con (Martínez et al., 2010; Gómez et al., 2016) mencionan los
tratamientos existentes de los tipos de fitobioremediación entre los cuales se
destaca el tratamiento de aguas residuales mediante humedales artificiales con
la finalidad de remover contaminantes, utilizando vegetación para su tratamiento.
Los humedales artificiales forman parte de una gama de tecnología eficiente y
económica, para la descontaminación de los distintos tipos de aguas residuales
domesticas e industriales, existen diferentes tipos de humedales como lo son: los
humedales de flujo vertical, horizontal, flujo subsuperficial y flujo superficial
(Hoffmann et al., 2011; Arados et al., 2014). De acuerdo con diversos estudios
se propone el uso de un humedal artificial de flujo vertical para la
descontaminación de aguas porcícolas en Misantla, Ver. derivado de la inquietud
de tratar una facción de agua residual.
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Por lo anterior se propone el diseño y construcción de un tratamiento de aguas
residuales de microempresas de granjas porcinas, que puedan ayudar y
favorecer a la remoción de los contaminantes, así mismo este tipo de sistemas
de tratamiento con humedales artificiales, tiene una gran ventaja sobre los
sistemas convencionales, puesto que los costos de instalación y mantenimiento
es de precios accesibles, solo con una gran desventaja por la extensión de
terreno que se necesita para su construcción.
Para los humedales artificiales, parcialmente saturados uno de los componentes
importantes son las plantas, estas serán adaptadas al sistema de tratamiento,
puesto que son plantas de tipo terrestre y su alimentación es diaria, es por ello
que se deberán adaptar con un tiempo determinado para su mejor remoción
(Sanz et al., 2009).
Con ayuda de este sistema de tratamiento se evalúan los porcentajes de
remoción de contaminantes como, Nitrógeno total, amonio, nitritos, Coliformes
Fecales y DBO y DO, en aguas residuales porcícolas con Canna indica y Zea
mays como vegetación mediante humedales artificiales híbridos sembrados en
sustrato de Tezontle.
Muestreo y Análisis
Monitoreo del sistema a nivel microcosmos
A partir de 45 días de adaptación del sistema a las nuevas condiciones de
contaminación del agua, quincenalmente se tomarán muestras de la entrada y
salida de cada sistema, etapa del tren de tratamiento, durante el periodo del 15
agosto de 2019 a 15 de marzo 2020, se analizaron en el Laboratorio.
Temperatura ambiente
La temperatura ambiente será medida semanalmente en tres rangos de horarios
en la mañana de 9:00 a 10:00 am, en la tarde de 14:00 a 15:00 horas y por la
tarde noche de 19:00 a 20 horas mediante la estación meteorológica Davis 6250.
Intensidad de la luz
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La intensidad de luz a la que estuvieran expuestas las unidades experimentales
serán medida semanalmente, mañana de 9:00 a 10:00 am, en la tarde de 14:00
a 15:00 horas y por la tarde noche de 19:00 a 20 horas, mediante un luxómetro
digital medidor de luminosidad hasta 50,000 lux.
Crecimiento de la vegetación
El crecimiento de la vegetación se monitoreará cada 15 días durante toda el
periodo de estudio desde el momento de su adaptación, se empleó una cinta
métrica y se tomó como referencia para la altura, en un punto a dos centímetros
por encima del sustrato, el número de hojas, tamaño de hojas, hijuelos también
fue registrado (Lamphar y Antonio, 2006). Adicionalmente se evaluó la
sobrevivencia de cada especie de planta en los diferentes sistemas (flujo vertical
y horizontal).
pH - Sólidos Disueltos Totales (STD) – Conectividad electrónica (EC) –
Temperatura del agua en el influente y efluente de los sistemas
El pH, STD, CE, Oxígeno disuelto y temperatura del agua, tanto en la entrada
como en a las salidas de cada tren de tratamiento, se midieran quincenalmente
durante toda la investigación empleando el COMBO Tester pH/CE/TDS/Temp
(CE rango alto - HI98130), en horario de 9:00 a 11:00 a.m.
Tabla 1. Métodos de evaluación para el agua residual
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Parámetro
Medición
Equipo
Demanda
Química
Referente
Digestor
de Cada
Oxígeno
HACH
15 modelo
días
NMX-AA028-SCFI-
45600,
2001
Espectrofotómetro
(DQO)
HACH
modelo
DR/2400
Nitrógeno
Espectrofotómetro
total
Cada
Nitrógeno
días
15 HACH
modelo
DR/2400
amoniacal
Nitratos
NMX-AA099-SCFI2006/
NMX-
AA-029(N-
SCFI-2001
NO3),
Filtración a través
Coliformes
fecales (FC)
Cada
15 de membrana
días
Oxígeno
Cada
disuelto (OD)
días
NMX-AA042-SCFI2015
15
NMX-AA012-SCFI2001
Análisis de datos
Diseño experimental y análisis estadístico
Los datos de crecimiento de vegetación fueron comparados estadísticamente con
el desarrollo de la planta en su estado naturales. Se empleó un diseño de dos
factores completamente al azar, el factor uno se definió con los sistemas con
presencia de vegetación. Las variables de respuesta fueron los valores medidos
de DQO, NT, NH4-N, N-NO3, CF, pH,), Conectividad eléctrica (CE), Oxígeno
disuelto (OD) y temperatura del agua y en cuanto a la adaptación de las diferentes
variedades, se midió el crecimiento de la planta.
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Para el análisis estadístico de los resultados de la remoción entre los diferentes
tratamientos, se utilizará un análisis de varianza (ANOVA) de efectos fijos a un
nivel de confianza del 95%, así como ANOVA de dos factores. Además, se realizó
la comparación de medias con la prueba de Tukey a un nivel de significancia de
P=0.05. Para el proceso de la información se usó el paquete estadístico Minitab
versión 16.1.0.
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Cronograma de actividades
Semestre 1
Semestre 2
Semestre 3
Semestre 4
2018
2019
2019
2020
A
S O
N
D
E
F
M
A
M
J
J
A
S
O
N
D
E
F
M
A
M
J A
Revisión de la literatura
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
Redacción de protocolo
x
x
x
x
x
Presentación de protocolo
x
Estandarización de las
x
técnicas
Materias
x
x
Toma de muestras
x
x
x
x
x
x
x
x
Medición de parámetros
x
x
x
x
x
x
x
x
Congreso
x
x
Cartel/ Ponencia
TOEFL
x
Titulación
x
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Bibliografía
Albuquerque, A., Oliveira, J., Semitela, S., y Amaral, L. (2009). Influence
of bed media characteristics on ammonia and nitrate removal in shallow
horizontal
subsurface
flow
constructed
wetlands.
Bioresource
technology, 100(24), 6269-6277.
Arias, C., & Antonio, J. (2016). Determinantes y determinación social de la
salud como confluencia de la salud pública, la epidemiología y la clínica.
Archivos de Medicina (Col), 16(1).
Bojorges, T., Xitlalli, Á., Hernández Razo, N. A., Urquieta, F., Aseret, A.,
& Zurita Martínez, F. (2017). Evaluación de tres sistemas de humedales
híbridos a escala piloto para la remoción de nitrógeno. Revista
internacional de contaminación ambiental, 33(1), 37-47.
Garzón-Zúñiga, M. A., & Buelna, G. (2014). Caracterización de aguas
residuales porcinas y su tratamiento por diferentes procesos en México.
Revista internacional de contaminación ambiental, 30(1), 65-79.
Conagua (2016). Comisión Nacional del Agua. Estadísticas del Agua en
México, edición 2016. http:// https://www.gob.mx/conagua
De la Peña, M. E., Ducci, J., & Zamora Plascencia, V. (2013). Tratamiento
de aguas residuales en México. Inter-American Development Bank.
García, A. J. T., & Adame, G. L. O. (2017). Especialización productiva
regional y crecimiento poblacional en México: un análisis para las diez
zonas metropolitanas demográficamente más dinámicas, en el periodo
2000-2010. EGIONAL, 103.
García-Perez, A., Harrison, M., Grant, B., & Chiversa, C. (2013). Microbial
analysis and chemical composition of maize (Zea mays, L.) growing on a
13
recirculating vertical flow constructed wetland treating sewage on-site.
Biosystems Engineering, 114(3), 351-356.
Gómez, G., Julieht, Á., & Perilla Gutiérrez, L. A. (2016). El humedal artificial
14