Evaluación técnica y ambiental de la eliminación de fósforo en humedales construidos para el tratamiento de aguas residuales.

Abstract

El crecimiento acelerado urbano, pronostica aumentos dramáticos en la generación de aguas residuales, donde el fósforo es el principal nutriente responsable de la eutrofización de los cuerpos de agua, generando uno de los problemas más grandes y futura amenaza a los ecosistemas acuáticos. Los humedales construidos han sido una tecnología ampliamente utilizada para el tratamiento de aguas residuales en zonas descentralizadas siendo una alternativa ambientalmente atractiva. En general, la tecnología de humedales construidos se diseña y se construye con monocultivos que consiste en solo una especie de planta seleccionada para el tratamiento de las aguas residuales. Se ha visto que la selección de la planta y el tipo de cultivo como los mono o policultivos (dos o más especies de plantas) mejora la eliminación de fósforo desde las aguas residuales. Sin embargo, los estudios de humedales construidos se enfocan desde el punto de vista técnico, aumentando las eficiencias, o rendimientos del tratamiento sin investigar la evaluación o beneficios ambientales que realmente ofrecen. En este sentido, la investigación de análisis de ciclo de vida en humedales construidos que permita comparar sistemas de monocultivos con policultivos es limitada. Por lo tanto, se hace necesario evaluar si el desempeño técnico de los mecanismos de eliminación de fósforo en los humedales construidos con distintos sistemas de cultivos influye en el desempeño ambiental. Debido a lo antes indicado, el objetivo de esta tesis de doctorado fue evaluar técnica y ambientalmente la eliminación de fósforo en sistemas de monocultivo y policultivos en un humedal construido para el tratamiento de aguas residuales, con la finalidad de evaluar el desempeño ambiental. Primero se identificaron los mecanismos de eliminación de fósforo en humedales construidos (Capítulo III, IV). Seguido por la evaluación de la asimilación de fósforo por plantas en sistemas de monocultivo y policultivo (Capítulo V). Finalmente se realizó la evaluación del desempeño ambiental de estas a través de la herramienta de análisis de ciclo de vida (Capítulo VI). Durante este trabajo de investigación se estudió un humedal construido de flujo subterráneo horizontal (HSSF) a escala piloto con monocultivos y policultivos. Se implementaron cuatro celdas 22 de cultivo con un área de 4,5 m2 , tres se sembraron con monocultivos de Phragmites australis (Phr) planta comúnmente utilizada, Schoenoplectus californicus (Sch) especie nativa y Cyperus papyrus (Cyp) planta ornamental, y un policultivo se sembró con Cyperus papyrus y Zantedeschia aethiopica (Cyp/Zant) especies ornamentales. Se evaluaron parámetros fisicoquímicos e insitu, eficiencia de eliminación de fósforo, características de crecimiento, producción de biomasa, contenido y asimilación de fósforo y emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), que fueron agrupadas dependiendo de la estación del año en estación cálida (primavera/verano) y estación fría (otoño/invierno). Los resultados mostraron que la eliminación de fósforo tuvo un mejor desempeño en el sistema de policultivo plantado con especies ornamentales Cyp/Zant con una eficiencia de eliminación de 30- 33%. Seguido por el monocultivo ornamental Cyp con un 22-27% y finalmente los monocultivos Phr y Sch entre un 9-18%. No se observó un efecto significativo en el rendimiento entre las estaciones cálida y fría. Sin embargo, la eliminación de fósforo fue entre 3-9% mayor en la estación fría dependiendo de la especie. La mayor parte del fósforo ingresado fue retenido por el medio de soporte (adsorción/precipitación) y microrganismos (asimilación/transformación) en el HSSF con 13-31%. Las plantas (asimilación) representaron entre un 4-26%, mientras que el fósforo en los efluentes estuvo entre 57-79%. Los principales factores que se correlacionaron con la eficiencia de eliminación de fósforo fueron la carga de fósforo, la carga hidráulica y el oxígeno disuelto. La producción y la densidad de la biomasa vegetal varió de 1,5 a 5,4 kg de peso seco (PS)/m2 y de 435 a 1298 individuos/m2 . La especie Sch se adaptó mejor al HSSF con una cobertura de 89% y una biomasa de 4,9 kgPS/m2 , esto se debió a que es una especie nativa. De manera contraria las plantas ornamentales mostraron una biomasa en el monocultivo Cyp de 1,8 kgPS/m2 y el policultivo Cyp/Zant de 2,5 kgPS/m2 mostrando una baja adaptabilidad, sobre todo la especie Zant. La asimilación de fósforo promedio por las plantas fue 3 gP/m2 y 6 gP/m2 para los monocultivos Phr y Sch y de 30 gP/m2 para el monocultivo Cyp y el policultivo Cyp/Zant. Además, la asimilación de fósforo en la estación cálida fue hasta 6 veces mayor en los tallos debido a su etapa de crecimiento. Mientras que en la estación fría fue hasta 7,5 veces mayor en las raíces durante la etapa de senencencia. 23 El desempeño ambiental del sistema del policultivo (Cyp/Zant) presentó un impacto ambiental 14% menor que los monocultivos para la categoría eutrofización de agua dulce, reduciendo la eutrofización de aguas continentales. En cambio, en la categoría de cambio climático el policultivo Cyp/Zant mostró el mayor potencial de impacto ambiental con 8,05 kgCO2eq/m3 , principalmente debido al efecto directo de las emisiones de GEI. Dependiendo del escenario seleccionado, el impacto ambiental de la eutrofización del agua dulce llegó a ser cerca de 328 y 277 veces mayor que el impacto ambiental estimado para la categoría de cambio climático para Phr y Sch respectivamente. Mientras que fue 60 y 38 veces más para los escenarios Cyp y Cyp/Zant. Por lo tanto, una disminución sustancial de las concentraciones de fósforo (20-30%) en el efluente conllevaría a una compensación ambiental en términos de emisiones de GEI, los cuales fueron hasta 3 veces más en los sistemas de policultivos.