Evaluación técnica y ambiental de la eliminación de fósforo en humedales construidos para el tratamiento de aguas residuales.
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Date
2022
Authors
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Publisher
Universidad de Concepción.
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
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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.
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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.
Description
Tesis para optar al grado de Doctor en Ciencias Ambientales con Mención en Sistemas
Acuáticos Continentales.
Keywords
Humedales Construidos, Contenido de Fósforo, Tratamiento de Suelos de Aguas Residuales, Contenido de Fósforo, Cuerpos de Agua, Contenido de Fósforo, Agua Limpia y Saneamiento