¹ Universidad del Cauca. Facultad de Ciencias Exactas Naturales y de la Educación. Biólogo.

²Universidad del Cauca. Facultad de Ciencias Agropecuarias, Departamento de Ciencias Agropecuarias. Profesora Titular. Ecóloga. M.Sc.

Correspondencia: samorales@unicauca.edu.co

Recibido para evaluación: 15/01/2014. Aprobado para publicación: 03/02/2014.

RESUMEN

El asentamiento Brisas de San Isidro del Municipio de Popayán no presenta sistema de colección de aguas servidas, las cuales son vertidas directamente sobre la Quebrada Lame, ocasionando contaminación por la carga orgánica y detergentes provenientes del uso doméstico. El objetivo fue evaluar diferentes especies de gramíneas, buscando una alternativa de manejo de las aguas residuales domésticas con plantas útiles en la alimentación animal. Para tal fin se establecieron humedales artificiales bajo un diseño de muestreo temporal y un arreglo factorial de bloques al azar. Se tomaron las muestras de agua residual (pH, oxígeno disuelto (OD), concentración de CO2, demanda biológica oxigeno (DBO), demanda química oxigeno (DQO), conductividad, amonio (NH4+), nitratos (NO3-), fosfatos (PO4) y nitritos (NO2-) y Demanda Bioquímica de Oxigeno (DBO5) cada quince días durante seis meses. El análisis estadístico, se realizó por medio de una ANOVA comparando los tratamientos expuestos y una prueba posthoc de Tuckey. El análisis de varianza, mostro diferencias estadísticas significativas para los parámetros oxígeno disuelto (OD), demanda química oxigeno (DQO), amonio (NH4+), nitratos (NO3-), nitritos (NO2-) y coliformes totales; evidenciando que los mejores tratamientos fueron B. mutica y P. maximun.

PALABRAS CLAVE: Humedales artificiales, Flujo subsuperficial, Remoción.

ABSTRACT

Brisas de San Isidro in the Municipality of Popayán settlement does not have system of collection of sewage, which is dumped directly on the Lame River, causing pollution by organic loading and from household detergents. The objective was to evaluate different species of grasses, looking for an alternative for management of domestic wastewater with useful plants in animal feed. For this purpose were established wetlands under a design by temporal sampling and a factorial arrangement of blocks at random. Residual water samples were taken (pH, dissolved oxygen (do) concentration of CO2, biochemical demand oxygen (DBO), oxygen chemical demand (COD), conductivity, ammonium (NH4 +), nitrate (NO3)-, phosphate (PO4) and nitrite (NO2-) and biochemical demand of oxygen (BOD5) every two weeks for six months. The statistical analysis was performed by means of an ANOVA by comparing the exposed treatments and hoc Tuckey test. The analysis of variance showed differences significant statistics parameters for dissolved oxygen (do), oxygen chemical demand (COD), ammonium (NH4 +), nitrate (NO3-), nitrite (NO2-) and total coliforms; demonstrating that the best treatments were B. mutica and p. maximun.

KEYWORDS: Wetlands, Subsurface flow, Removal.

RESUMO

Brisas de San Isidro, no Município de Popayán liquidação não tem sistema de recolha de águas residuais, que são despejados diretamente sobre os Rio Lame, causando a poluição por carga orgânica e de detergentes domésticos. O objetivo foi avaliar as diferentes espécies de gramíneas, à procura de uma alternativa para a gestão de águas residuais domésticas com plantas úteis em alimentos para animais. Para este efeito foram estabelecidas zonas húmidas sob um design por amostragem temporal e um arranjo fatorial de blocos ao acaso. Foram coletadas amostras de água residual (pH, concentração de oxigénio dissolvido (DO) de CO2, oxigênio demanda bioquímica (DBO), demanda química de oxigênio (DQO), condutividade, amónio (NH4+), nitratos (NO3-), fosfato (PO4-) e nitrito (NO-2) e demanda bioquímica de oxigênio (DBO5) cada duas semanas para seis meses. A análise estatística foi realizada através de uma ANOVA, comparando os tratamentos expostos e teste de Tuckey hoc. A análise de variância mostrou diferenças estatísticas significativas parâmetros para oxigênio dissolvido (), oxigênio químico demanda (COD), amônio (NH4+), nitratos (NO-3), nitrito (NO-2) e coliformes totais; demonstrando que os melhores tratamentos foram B. mutica e P. maximun.

PALAVRAS-CHAVE: Wetlands construídos de fluxosubsuperficial, Remoção

INTRODUCCIÓN

Las aguas residuales domésticas son resultado de actividades humanas, que proceden de la evacuación de los residuos (desperdicios, residuos animales y vegetales, detergentes y partículas), de los lavados (jabones, detergentes, sales, etc.) y de la actividad general de las viviendas (celulosa, almidón, insecticidas, partículas orgánicas, etc.) [1].

La cantidad de agua residual fluctúa entre 486 y 131 L/hab/día, valores que están relacionados directamente con la población mundial, que se proyecta para el año 2050 de 9100 millones de personas, un 34 % superior a la de hoy en día frecuentemente descargada en ríos, arroyos, lagos o directamente al mar sin un tratamiento adecuado [2]; aportando materia orgánica, nutrientes y sólidos suspendidos que contribuyen a la eutrofización y turbidez, fenómeno que incluye la proliferación de algas, cambios en la estructura de las comunidades acuáticas, disminución de la diversidad biológica y eventos de mortandad de peces por agotamiento de oxígeno [3].

En Colombia, aproximadamente 300 municipios no realizan depuración de las aguas que se están consumiendo y 450 no tienen planta de tratamiento, el caso crítico se presenta en la cuenca del Magdalena-Cauca (25% del área territorial), con un 70% de la población y sólo 11 % de la oferta hídrica del país, ocasionando que cerca de 1300 cuerpos de agua están siendo contaminados por ser los receptores de los vertimientos municipales [4].

En la actualidad existen diversos sistemas de tratamiento de aguas residuales; van desde primarios, que mejoran las características físicas, hasta terciarios, que permiten el reúso del agua en diferentes actividades del hombre. Entre las tecnologías más utilizadas se hallan los humedales artificiales o Wetlands (Superficiales - Subsuperficales) donde las especies vegetales frecuentemente utilizadas son Eichhornia crassipes, Lemna minor y Pistia stratiotes, Elodea canadensis, Cerato phyllumdemersum, Alternanthera philoxeroides y las especies emergentes Scirpus l., Juncos, Sagittaria sp., y Phragmites australis [5].

Algunos autores han realizado investigaciones con pastos, evaluando la capacidad fitorremediadora de Echinochloa polystachya en suelos contaminados con petróleo crudo, mostrando una reducción significativa de hidrocarburos en el suelo gracias a la asociación microorganismo - rizosfera del pasto alemán, pero las características del contaminante limitan la utilización de la biomasa [6].

Las posibilidades de utilizar especies de gramíneas disponibles en la región para fitodepuración y con uso en la alimentación animal, permitió evaluar la capacidad de remoción de la carga orgánica de los pastos Brachiaria mutica (Pará), Pennisetum purpureum (Elefante) y Panicum maximun (Guinea), en las aguas residuales domésticas provenientes del asentamiento Brisas de San Isidro, Municipio de Popayán Cauca.

MÉTODO

El asentamiento Brisas de San Isidro se encuentra ubicado al nor-oriente del Municipio de Popayán, en el corregimiento de Las Piedras en la vía que conduce a la Vereda Las Guacas. El asentamiento está conformado por 30 viviendas, cada una con pozo séptico, pero como no cuentan con alcantarillado y vierten las aguas residuales - ARD (de lavado de ropa, de cocina y ducha) a la quebrada Lame sin tratamiento alguno. Para llevar a cabo esta investigación el gua fue conducida por el canal de desagüe hasta los filtros (Humedal de flujo subsuperficial) (Figura1).

Figura 1

Es de anotar, que no se realizó clarificación primaria, ni se construyó rejillas u otra estructura que contribuyera con la retención de material particulado; el diseño se realizó siguiendo las recomendaciones de Environmental Protection Agency. El volumen de un humedal artificial FWS es la cantidad potencial de agua (sin vegetación y residuos) que podría circular en el sistema (Ecuación 1):

Ecuación 1

Las dimensiones de los humedales artificiales fueron de un metro de ancho, tres de largo y 80 cm de profundidad (1m x 3 x 0,80 m), para un volumen de 0,24 m3, pendiente aproximada de 1%. Sé impermeabilizaron con plástico para disminuir el riesgo de posibilidad de infiltración y contaminación de las aguas subterráneas. Cascarilla de café para el biolecho donde se desarrollaron las bacterias que actúan de manera simbiótica con las especies vegetales a evaluadas (Figura 2).

Figura 2

Cuadro 1

Para un mejor establecimiento de las gramíneas, se tuvo una etapa de adaptación de seis meses, tiempo durante el cual los humedales no presentaron flujo de agua residual; con riego constante y libre de otras especies que compitieren con los pastos. Posteriormente, fueron conectados al flujo de agua residual domestica, a partir de este momento, se inició una segunda etapa de colonización, que duró dos meses, permitiendo el crecimiento de microorganismos en el biolecho y raíces de la plantas.

Diseño experimental. El diseño fue un muestreo temporal y un arreglo factorial de bloques al azar. La colecta de muestras de agua residual fue cada quince días durante seis meses. El análisis estadístico, se realizó por medio de una ANOVA (Análisis estadísticos de Varianza), comparando los tratamientos expuestos y una prueba posthoc de Tuckey.

Los parámetros químicos considerados fueron; pH, oxígeno disuelto (OD), concentración de CO2, demanda biológica oxigeno (DBO), demanda química oxigeno (DQO), conductividad, amonio (NH4+), nitratos (NO3-), fosfatos (PO4-3) y nitritos (NO2-), para lo cual se usó el kit de análisis de Aquamerck, electrodo para análisis de DBO5 OXITOP C208204001 y sonda multiparamétrica YSI ADV6600; y número más probable en 100 mL para coliformes totales.

Para los parámetros seleccionados se calculó el porcentaje de remoción de la siguiente manera:

Ecuación 2

RESULTADOS

Características del Agua Residual Doméstica

Aunque el efluente no presento clarificación parcial (Tratamiento primario o sedimentación primaria), la composición del agua residual doméstica - ARD corresponde a un agua entre débil y media concentración, de acuerdo a lo registrado en la cuadro 2 [8].

Cuadro 2

El carácter débil del agua residual, pudo darse a las precipitaciones durante el periodo de estudio que ocasionaron dilución de los nutrientes presentes en el efluente. El único parámetro con una condición fuerte fue el cloruro con un valor promedio de 163,17 mg/L, evidenciando la utilización de detergentes, desinfectantes y suavizantes por los habitantes del asentamiento [8].

El análisis de varianza ANOVA, mostro diferencias estadísticas significativas para los parámetros oxígeno disuelto (OD), demanda química oxigeno (DQO), amonio (NH4+), nitratos (NO3-), nitritos (NO2-) y coliformes totales.

Oxígeno disuelto. Como se observa en la figura 3, la prueba posthoc de tuckey presenta dos grupos, donde el tratamiento con suelo (5,5 mg/L) presenta mayores registros a diferencia del B. mutica, que registró el menor valor (5,1 mg/L).

Figura 3

Los procesos aerobios son el principal componente en la remoción de la carga orgánica , pero la efectividad dependerá de la cantidad disponible de oxígeno; que para la presente investigación es transportado a través de tallos de las gramíneas (huecos a semisólidos), que proporcionan una eficaz transferencia de este elemento, debido a la penetración vertical por medio de los rizomas; lo que explica la disminución del oxígeno disuelto en B. mutica por los procesos de oxidación de los microorganismos asociados a esta especie; de otro modo el proceso anaerobio seria el mecanismo de degradación (reducción) ocasionando presencia de metano y de malos olores en el sistema humedal [11].

Demanda Química de Oxígeno. En la figura 4, se observa al tratamiento 1 con mayor registro, a diferencia de los provenientes con gramíneas que presentan menores valores.

La diferencia entre los tratamientos evaluados, se generó al efecto mineralizador de los microorganismos que transforman la materia orgánica utilizando el oxígeno disuelto para procesos de oxidación y liberando dióxido de carbono [9, 10]; por lo que se puede inferir una mayor actividad microbiológica en los tratamientos con pastos, dado a la simbiosis entre la rizósfera y los efectos de degradación de la materia orgánica.

Figura 4

La figura 4, demuestra el efecto de las gramíneas (B. mutica) en la remoción de cargas orgánicas; dado a que presenta estructuras adaptativas como el desarrollo de raíces adventicias y tejidos aerenquimáticos que permiten el intercambio de gases entre la parte aérea de la planta y la raíz [12], por lo que la utilización de compuestos orgánicos del agua para la producción de biomasa, juega un papel menor en el tratamiento de las aguas residuales, pero proporciona efectos que ayudan al proceso de tratamiento; como es crecimiento de la raíz para sostenimiento de microorganismos, propiedades hidráulicas del sustrato y el aporte de oxígeno hacia la rizósfera [13, 14]. Tal condición incrementa la intervención de bacterias facultativas y anaeróbicas adheridas a las raíces y rizomas de las plantas, que con el tiempo de retención hidráulico y la acción filtrante del sustrato para retener sólidos suspendidos [15, 16], se pudo obtener un porcentaje de remoción del 46,92 %; aunque no cumple con lo establecido por la norma es un valor importante en el tratamiento de aguas residuales [17].

Ciclo del Nitrógeno. Aunque los sistemas de humedales no son buenos depuradores de nitrógeno debido a las diferentes conversiones posibles del elemento y volatilización del mismo [15], los resultados muestran variaciones entre los tratamientos evidenciando la actividad biológica asociada a la rizósfera de las plantas (Figura 5).

Figura 5

Figura 6

El pará (B. mutica), bajo periodos largos de inundación promueve la formación de aerenquima la cual mejora la difusión gaseosa (oxígeno y etileno) [18], promoviendo los procesos oxidativos de las bacterias bajo procesos de rizofiltración disminuyendo de esta manera la concentración de coliformes en el agua [22].

Remoción. Los resultados presentados en el cuadro 3., evidencian la variación en los porcentajes de remoción en los diferentes parámetros.

Cuadro 3

Los porcentajes de remoción para coliformes totales fueron para la especie B. mutica 74, 36%, P. purpureum con 74, 35% y P. maximun con 72, 27 %; valores similares a los obtenidos en investigaciones con Arundodonax (Poaceae) que registró 76 % [18].

En estaciones experimentales se han registrado porcentajes de remoción por encima del 90%, dada por adsorción sobre las partículas del sustrato así como por el efecto dele­téreo que sobre los organismos patógenos, ejercen los antibióticos producidos por las raíces de las plantas y por la acción depredadora de bacterias y protozoos [20], como Las micorrizas que exudan sustancias antibióticas que previenen y desalojan patógenos en la germinación y luego en las raíces, suministrando vitaminas y otros componentes que benefician el crecimiento de las gramíneas[21].

Humedales con pasto vetiver (Vetiveria zizanioides) han alcanzado en condiciones controladas hasta un 63% para remoción de DBO, valor comparable con los registros obtenidos para las gramíneas evaluadas; esto se puede justificar a que las plantas sometidas a encharcamientos prolongados actúan como bombas de oxígeno atmosférico, para luego ser utilizado por los microorganismos en procesos de degradación [21].

CONCLUSIONES

Los pastos utilizados en los tratamientos son un medio para el reducir la carga orgánica de las aguas residuales domésticas, proporcionando de esta manera humedales multipropósitos para el manejo del agua residual doméstica y la alimentación animal.

Las variaciones que se presentaron entre los tratamientos, demuestran que la mayor efectividad se registró con Brachiaria mutica y Penisetum purpureum.

Se recomienda establecer estrategias de sedimentación primaria, al igual que realizar cortes periódicos a los pastos, para evaluar el movimiento de nitrógeno hacia el forraje y evaluar la producción en materia seca del mismo.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen a los habitantes del Asentamiento Brisas de San Isidro quienes permitieron el establecimiento los humedales. A la Universidad del Cauca y la Facultad de Ciencias Agropecuarias, por apoyar el desarrollo de la investigación.

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