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• fernando lozano

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INGENIERÍA AMBIENTAL Y SANITARIA

Lenteja de agua (Lemna minor) para el tratamiento de las aguas residuales que provienen del lavado de la fibra de fique (Furcraea bedinghausii) Resumen La producción de sisal (Furcraea Bedinghausii) representa una de las principales fuentes de ingresos para muchas familias en las diferentes regiones de Colombia. En el departamento del Cauca, alrededor de 12.000 familias cosechan actualmente los frutos del cultivo del sisal. Sólo el 4% de la hoja de sisal se utiliza realmente, el 96% restante comprende zumo y bagazo. El lavado del sisal cosechado es una etapa del proceso de transformación que contamina grandes volúmenes de agua. Esto continúa hasta llegar a una fuente natural de agua, en este caso el río Las Margaritas en Silvia, Cauca. Con esta preocupación en mente, este estudio propone una solución alternativa utilizando lenteja de agua común (Lemna minor). La evaluación de la eficiencia del proceso de fitorremediación a escala piloto se llevó a cabo mediante la caracterización de parámetros físico-químicos tales como DBO5, DQO, TSS, nitrógeno y fósforo en el agua. La variable utilizada fue el tiempo de retención hidráulica (HRT), que fue de ocho y doce días. Los resultados sugieren que el porcentaje de eliminación por Lemna minor fue mayor con una TRH de ocho días, alcanzando valores de 79,6 % y 82,77 % para DQO y DBO5 respectivamente. 1. Introducción Es sabido que el agua es uno de los recursos naturales más importantes para la vida humana, no sólo para el consumo sino también para la realización de diferentes actividades industriales y agrícolas. Sin embargo, estas mismas actividades están causando cambios significativos para el recurso, lo que resulta en una reducción en la cantidad y calidad del agua disponible para la humanidad. Según un informe de las Naciones Unidas de 2012, Colombia ocupa el puesto 24 en una lista de 203 países en cuanto a disponibilidad de agua per cápita. Aunque a primera vista parezca que ocupa un lugar destacado en la lista, es problemático porque a finales del siglo XX fue clasificado como el número 4 (Scientific and Technological Consultative Forum, A.C., 2012). Este problema se debe en gran medida a la agricultura, ya que es una de las actividades más extendidas en Colombia y porque, según estudios, el consumo de agua en este sector productivo es de 39.144 Mm3/año (WWF, 2012). En Colombia, algunos procesos agrícolas, como el procesamiento del café y, en mayor medida, el lavado de la fibra de sisal (Furcraea bedinghausii); los nombres locales incluyen fique, cabuya y penca). El proceso de lavado requiere grandes cantidades de agua. El departamento del Cauca es el principal productor de sisal, con 9.430 hectáreas dedicadas a la producción de 10.349 toneladas de las 23.959 toneladas producidas a nivel nacional, alrededor del 43% de la producción total, siendo las mayores cantidades en Cauca cultivadas en los municipios de El Tambo, Silvia, Piendamo y Totoro (CONFIQUE, 2013). La

producción de sisal abarca desde la siembra de la planta hasta la extracción de la fibra y se realiza mediante diferentes pasos. Éstas corresponden al corte, la eliminación de las espinas, el despulpado, el lavado y el secado. El proceso que causa mayor impacto en los cuerpos de agua es la etapa de lavado, ya que se requieren más de 1.000 litros de agua para lavar 126,5 Kg de fibra de sisal (Dagua et al., 2008). En cuanto al uso de plantas flotantes para el tratamiento de aguas residuales, se han combinado varios estudios de fitorremediación para establecer las características requeridas por las plantas acuáticas para su uso en el tratamiento de aguas residuales (Delgadillo et al., 2011). Estos incluyen alta productividad, alta eficiencia en la remoción de nutrientes y contaminantes, alto predominio en condiciones naturales adversas y facilidad de cosecha (Rodríguez et al., 2009). Los estudios realizados con Lemna minor demuestran que cumple con todos estos requisitos y por ello ha sido ampliamente utilizado en sistemas de descontaminación de aguas residuales (Arroyave, 2004). Sabine K. & al. (2003) realizó una prueba piloto en el laboratorio sobre el rendimiento de la planta de lenteja de agua en diferentes tipos de aguas residuales para lograr la eliminación de nutrientes, descubriendo que es un macrófito prometedor para este uso. Además, se observaron buenos resultados en investigaciones en las que se utilizó Lemna minor por tener un gran potencial para la remoción de cadmio, selenio y cobre en aguas residuales contaminadas con estos elementos (Zayed, 1998); asimismo, en el tratamiento de las aguas residuales de las granjas porcinas del Valle del Cauca se reportó una disminución en la demanda biológica de oxígeno, junto con una reducción en el total de sólidos suspendidos (Chara, 1998). Para la eliminación de nutrientes como el fósforo, la lenteja de agua es capaz de reducir eficazmente los ortofosfatos en períodos cortos de entre 2 y 8 días, según un estudio realizado en condiciones de laboratorio (Obek & Hazar, 2002). La principal ventaja de los sistemas de tratamiento de aguas residuales que involucran plantas acuáticas en comparación con los sistemas de tratamiento convencionales es el bajo costo de construcción y mantenimiento, así como la facilidad de operación (Hidalgo & al, 2005). Hasta ahora, a pesar de las búsquedas en diferentes medios de publicación científica, no se han encontrado estudios que evalúen el uso de la lenteja de agua como tratamiento alternativo para las aguas residuales del lavado del sisal. La mayoría de los estudios se centran en la caracterización físico-química de las aguas residuales del sisal, como es el caso de los estudios realizados por la Corporación Autónoma Regional del Cauca (CRC) y otros estudios que muestran que los jugos del procesamiento del sisal son extremadamente tóxicos para los peces y organismos acuáticos (Martínez y Caicedo, 2002). Con todo esto en mente, el presente estudio propone una alternativa para el tratamiento de las aguas residuales provenientes del lavado de fibras de sisal con plantas acuáticas ya que, como se mencionó anteriormente, son consideradas como una alternativa eficiente y económica (Departamento Nacional de Planeación, DNP, 2007). Para llevar a cabo el tratamiento biológico, se realizó una prueba piloto en un sitio de estudio que tomó las aguas residuales del lavado de sisal en el pueblo de Valle Nuevo en el

municipio de Silvia (Cauca); el sitio fue escogido debido a que las aguas residuales que actualmente se vierten al río Las Margaritas, sin ningún tipo de tratamiento, causan contaminación directa, y se pueden observar algunas características de eutrofización. Se evaluó el efecto de los tiempos de retención hidráulica (HRT) de 8 y 12 días sobre la eficiencia de la eliminación de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO5), la demanda química de oxígeno (DQO), los sólidos suspendidos totales (SST), el nitrógeno y el fósforo. 2. Metodología Para cumplir con el objetivo del proyecto, se seleccionó una finca productora de fibra de sisal en el municipio de Silvia, Cauca, y se construyó una planta piloto (Figura 1) en el sitio. Previamente se realizó una caracterización físico-química de las aguas residuales del proceso de lavado del sisal - una capacidad volumétrica que determinó el caudal medio de descarga, la carga contaminante y el índice de biodegradabilidad (DQO/DBO5) para confirmar si las aguas residuales son biodegradables y pueden ser sometidas a un proceso de biorremediación utilizando lenteja de agua común (Lemna minor). Asimismo, se determinó el tiempo de sedimentación para considerar un tratamiento primario en el conjunto de la prueba piloto, específicamente en el tanque 1 de 1000 litros de capacidad (Figura 1), lo que permitiría controlar la presencia de sólidos sedimentables presentes en este tipo de aguas residuales, que eventualmente podrían ser utilizados en un proceso de compostaje. La eficiencia de la sedimentación se calculó usando una curva de sedimentabilidad, mostrada en la Figura 2, y aplicando la Ecuación (1) (Pérez, 2014).

Se alcanzaron los valores de sedimentación y fracción restante deseados para lograr una remoción del 60%. Una remoción del 60% excede los requisitos relativos a los límites

permitidos por el artículo 41 del Decreto 1594/84. Luego, el tiempo de asentamiento se calculó utilizando la Ecuación (2) (Pérez, 2014).

Una vez establecido el tiempo de asentamiento, se determinó el caudal a utilizar en el ensayo. Esto fue regulado por medio de un tanque de carga constante ubicado en el tanque 1. La prueba piloto fue implementada en el campo y consistió en un tanque de 1000 litros en el que se depositaron las aguas residuales, actuando como sedimentador por un período de 45 minutos. Luego se instaló una tubería de pvc de 1/2" en el tanque, a través de la cual se transportaban las aguas residuales con un flujo de entrada a cada tanque de 0.2 ml/s para un volumen total de 69 liras (tanque 2) y 104 litros (tanque 3), según el conjunto de HRTs de 8 y 12 días, determinados por los autores teniendo en cuenta la revisión de la literatura que indicaba aquellos períodos relacionados con la mayor eficiencia de la lenteja de agua; la capacidad total de los tanques 2 y 3 era de 104 y 140 litros respectivamente (tanque 1: 30 cm de ancho, 70 cm de largo y 50 cm de alto; y tanque 2: 40 cm de ancho, 70 cm de largo y 50 cm de alto). Las dimensiones se establecieron de acuerdo con el flujo de entrada y salida. Se ajustaron con un tubo de 1/2" con un grifo en la parte inferior, para un flujo de salida de 0,1 ml/s (Figura 1). Una vez construida la planta piloto con todas las características antes mencionadas, se realizó la plantación de lenteja de agua común (Lemna minor) en los tanques 2 y 3. Se necesitaban varias condiciones para que la planta creciera bien: temperatura del agua entre 5 °C y 30 °C, pH óptimo entre 4,5 y 7,5 (parámetros que sólo requerían un seguimiento, ya que las aguas residuales del fique están dentro de estos rangos), y un control mecánico del crecimiento de la planta en la eliminación de las colonias para evitar la eutrofización (Arroyave, 2004). Tras el periodo de sedimentación, para cada una de las tres muestras tomadas, se procedió a la co-elección de muestras de aguas residuales del decantador y de los tanques 2 y 3, para establecer la carga contaminante inicial del agua en el decantador y en los demás tanques, de acuerdo con las HRTs establecidas. Utilizando estos valores se puede establecer la eficiencia de remoción para cada tratamiento. Cabe señalar que la fibra de sisal se produce, no a diario, sino siempre que hay demanda. Por esta razón, las muestras re-plicadas tomadas para el muestreo y la medición de los parámetros físico-químicos en el ensayo de pi-lote fueron separadas por unos 15 a 20 días. El rendimiento del sistema para cada réplica del mismo se determinó por la HRT máxima de 12 días. Las muestras se tomaron en tres puntos de muestreo: el primer día de montaje de la planta y después de 8 y 12 días.

Punto 1: Desagüe de aguas residuales del tanque 1 (estado estelar de las aguas residuales) Punto 2: Salida de aguas residuales del tanque 2 (HRT de 8 días) Punto 3: Desagüe de aguas residuales del tanque 3 (TRH de 12 días) Las muestras de aguas residuales de las tres réplicas se recogieron en contenedores de plástico y se transportaron a 4 °C, de acuerdo con el protocolo establecido para la recogida y transporte de muestras en el método estándar para el análisis de aguas y efluentes (APHAAWWA-WEF, 2005). Los análisis físico-químicos se realizaron en el laboratorio de la Fundación Universitaria de Po- payán (FUP) y para comprobar la veracidad de los datos obtenidos se llevaron a cabo en el laboratorio de certificación del CRC. Los parámetros a evaluar se determinaron mediante medidas respirométricas, espectrofotométricas, gravimétricas y fotométricas: DBO5 (SM5210B/SM4500-0G), DQO (SM5220D, modificado), nitrógeno amoniacal (SM4500-NH3F modificado), nitritos (NO2 4500-NO3-B), nitratos (SM 4500-NO3-B), fósforo (SM 4500 Eg), SST (gravimétrico), pH y oxígeno disuelto (potenciómetro) (APHA-AWWA- WEF, 2005). Los resultados se analizaron mediante estadísticas descriptivas. En el caso de la determinación de la carga contaminante, se calculó de acuerdo con las normas establecidas en el artículo 4 del Decreto 3100 de 2003 para los vertidos a las fuentes naturales de agua, la Ec. (3) (MAVDT, 2003),

Dónde: Cc: Carga contaminante (kg/día) Q: Caudal medio (l/s) C: Concentración del contaminante (mg/l), t: Tiempo de descarga del usuario (h), constante 0.0864 que indica el factor de conversión de la unidad. Con respecto a la carga contaminante, se calculó la eficiencia de la reubicación de la carga contaminante para cada ajuste de HRT, utilizando la Ecuación (4),

donde E: eficacia de la retirada del sistema o de uno de sus componentes (%) S: carga contaminante de salida (DQO, DBO5 o SAT) (mg/l), S0: carga de entrada (DQO, DBO5 o SAT) (mg/l). El porcentaje de eliminación de compuestos de nitrógeno y fósforo se determinó de acuerdo con las disposiciones de la Ecuación 5.

3. Resultados y discusión De acuerdo con los datos de carga contaminante obtenidos (Tabla 1), se puede observar que cada parámetro muestreado en las aguas residuales de lavado de sisal de la prueba piloto supera los límites de vertido permisibles establecidos en el artículo 8 de la Resolución 0631 de 2015 (MINAM-BIENTE, 2015) sobre fuentes naturales de agua. De este modo, el vertido directo de estas aguas residuales acabaría afectando directamente al río La Margarita, que es el receptor final del agua. La desviación estándar encontrada indica poca variación en los valores reportados con respecto a la media, es decir, las diferencias no son significativas y por lo tanto los resultados son confiables. Se estableció además que es factible el uso de la lenteja de agua común como alternativa biológica para el tratamiento de las aguas residuales del sisal, ya que el índice de biodegradabilidad, en todos los casos, es superior a 0,5 (Tabla 2), lo que indica una predominancia de la presensación de contaminación orgánica, biodegradable en la naturaleza (Orozco et al., 2005).

3.1 Análisis físico-químico de las aguas residuales En el Cuadro 3 se presentan los datos obtenidos del análisis de la DBO5, la DQO y los nutrientes en las salidas de los tanques 1, 2 y 3. La información proporcionada en la Tabla 3 indica que se encontraron altos valores de DBO5 (1,815.5mg/l) y DQO: (2,682.5 mg/l) en el tanque 1, causando procesos redox y degradación de la materia orgánica, posiblemente la razón por la cual el valor del oxígeno disuelto se encuentra en condiciones de hipoxia a 3.35 mg/l, re-flejado en aspectos organolépticos tales como color y olor indeseables. Una vez realizado el tratamiento biológico con plantas acuáticas, se puede observar en el tanque 2 (8 días HRT) que los valores de DBO5 y DQO

disminuyen de 1.815,5 mg/l a 1.246 mg/l y de 2.682,5 mg/l a 2.189,5 mg/l respectivamente. Además, el oxígeno disuelto aumenta de 3,35 mg/l a 8,25 mg/l, lo que indica una disminución en el consumo de oxígeno generado por procesos de oxidación de nitrógeno y materia orgánica. En este punto, teniendo en cuenta los valores obtenidos en la carga contaminante, se logró un porcentaje de eliminación del 82,77% para la DBO5 y del 79,6% para la DQO. En la salida del depósito 3, valores medidos para DBO5 y la DQO fueron de 1.264 mg/l y 2.027 mg/l, respectivamente, por lo que se logró un porcentaje de eliminación de alrededor del 81% para la DBO5 y la DQO; se pudo observar que el porcentaje de eliminación para la TRH de 12 días no fue significativamente mejor en comparación con la TRH a los 8 días (Tanque 2), dado que los valores de DBO5 y DQO comenzaron a aumentar de nuevo, mientras que los valores de oxígeno disuelto volvieron a descender de nuevo, cayendo de 8,25 mg/l en el tanque 2 a 6,35 mg/l en el tanque 3. Esto se debió a que la lenteja de agua sufrió un aumento de la mortalidad del 80%, disminuyendo las reacciones fotosintéticas y aumentando el consumo de oxígeno disuelto debido a los procesos de descomposición de la materia orgánica. Esto puede evitarse llevando a cabo mecánicamente el control del crecimiento de las plantas por medio de la cosecha y evitando así la alteración de los resultados en las HRT más largas. Hay que tener en cuenta que para eliminar nutrientes como el nitrógeno, se debe realizar la combinación de dos pasos: aerobio-anóxico y aerobio-aneróbico, donde se desarrollan los procesos aeróbico, anaeróbico y anóxico (Ferrer & Seco, 2013). La Tabla 4 muestra una comparación del nitrógeno amoniacal, nitritos y nitratos con respecto al tratamiento aplicado. Además, los bajos valores de desviaciones estándar indican que los datos reportados son significativos y confiables.

La eliminación del nitrógeno presente en las aguas residuales se llevó a cabo mediante procesos de nitrificación y des nitrificación. Se pudo observar que los valores de nitrógeno amoniacal y nitritos son bajos en los tanques 2 y 3, ya que deben mostrar niveles inferiores a 0,1 y 0,2 mg/l respectivamente según el Decreto 3930 de 2010 (MAVDT, 2010). La concentración de nitrógeno amoniacal en las aguas residuales antes del tratamiento era superior a 1 mg/l, lo que indica que este medio acuático contenía contaminación de origen orgánico (Tabares, CA, 2011). De acuerdo con los datos presentados en la Tabla 4, se puede observar que el amonio y el nitrito son fácilmente biodegradables y las plantas acuáticas consumen estos nutrientes en el tanque 2, generando un porcentaje de remoción de munición del 84.1% y de nitritos del 88% a los 8 días de TRH; en el tanque 3, en el cual se encuentran las mismas condiciones que en el tanque 2, pero a los 12 días de TRH se puede observar que los datos para el amonio y el nitrito, a 0.92 mg/l y 0,02 mg/l respectivamente, son superiores en comparación con el tanque 2, lo que puede indicar que en el tanque 3 las plantas ya no asimilan la cantidad de nutrientes nitrogenados presentes en las aguas residuales porque ya han alcanzado su pico de crecimiento y retención celular. Es importante tener en cuenta la presencia de nitratos en el agua, ya que las concentraciones más altas a 10 mg/l pueden causar enfermedades en los niños, como la metahemoglobinemia (Sierra, 2011). En ambos sistemas de tratamiento, se encuentran altas concentraciones de nitratos, al dictar que el proceso de desnitrificación no se está llevando a cabo, inhibido por la presencia de oxígeno como se utiliza como aceptador de electrones antes del nitrato y en consecuencia inhibe los procesos de liberación de fósforo, un nutriente que se requiere para el desarrollo de la planta y al no encontrarse en cantidades suficientes en el sistema, sería una posible razón por la cual la mortalidad aumenta en el Lemna menor. (Fe-rer, 2013). Considerando los resultados para el fósforo (Tabla 5), se puede observar que el tanque 1, el tanque de sedimentación que aún no ha sido tratado, da un valor de 3,26 mg/l. Una vez realizados los tratamientos en el tanque 2 y 3, se logró un porcentaje de remoción de 57.8% y 58.2%, respectivamente; la eficiencia no fue mayor, posiblemente debido a los altos valores de nitrato encontrados que impiden condiciones anaeróbicas, por lo que los procesos de nitrificación y desnitrificación requeridos para la remoción biológica del fósforo no pudieron ser completados (Ferrer & Seco, 2013). Los TSS muestran un cambio drástico de punto a punto (Tabla 6), considerando que en el tanque 1, donde se realizó un tratamiento de sedimentación, se obtuvo un valor promedio de 144 mg/l. Después de realizar el tratamiento biológico, en el tanque 2, se obtuvo un promedio de 64,6 mg/l, con una eficiencia de remoción del 88% en relación a la carga contaminante. Mientras tanto, en el tanque 3 se obtuvo un valor medio de 95 mg/l, con una extracción del 83,8%. Con base en estos resultados, la HRT de 8 días fue más eficiente que la de 12 días.

4. 4. Conclusiones La lenteja de agua común (Lemna minor) es una especie que puede ser considerada como una alternativa para su uso en el tratamiento bio-lógico de las aguas residuales del lavado del sisal, dado que estas aguas tienen po- lutantes orgánicos biodegradables y que se está reportando una carga contaminante que excede los valores per-misibles para las regulaciones ambientales (Dic. 3930/2010). Los resultados mostraron que los mejores porcentajes de eliminación de DBO5, DQO y SST se obtuvieron con una TRH de 8 días, teniendo en cuenta que previamente es necesario someter las aguas residuales a un tratamiento primario como la sedimentación. Las HRTs de 12 días sólo pueden dar lugar a porcentajes de rendimiento similares, por lo que no es necesario prolongar estos tiempos si no se garantiza una mayor eficiencia en la eliminación. Aunque la lenteja de agua es capaz de aprovechar la presencia de nutrientes como el nitrógeno y el fósforo como fuente de alimento, es importante señalar que la presencia de altos niveles de nitratos no permite que las condiciones anaeróbicas se afiancen y, por lo tanto, puede impedir una remo- valía aún más sustancial del fósforo. El tratamiento biológico con Lemna minor es una alternativa que puede ser beneficiosa para los agricultores que procesan la planta de sisal, desde un punto de vista económico y sobre todo medioambiental, ya que minimizaría las elevadas cargas contaminantes que este tipo de aguas residuales vierte en las diferentes fuentes de agua. Además, al finalizar los procesos de eliminación, la lenteja de agua también puede ser utilizada como fertilizante dada la cantidad de nu- trientos que habría sido capaz de absorber. Se recomienda que se realicen otros ensayos con Lemna minor, teniendo en cuenta diferentes variables como las condiciones climáticas y el altitu- de, con el fin de verificar la

eficacia de la planta como tratamiento alternativo de las aguas residuales del lavado del sisal, debido al amplio rango de temperaturas (5-30 °C) que tiene en adaptación y funcionamiento. Es importante tener en cuenta que los tiempos de retención de hy- draulic no requieren más de ocho días, ya que se observó en la prueba piloto que después de este tiempo, la lenteja de agua no muestra ninguna eficiencia sustancial. 5. Agradecimientos Los autores agradecen al Sr. Marino Vidal por permitirles realizar el estudio piloto en su propiedad ubicada en Valle Nuevo, cerca de la ciudad de Silvia, Cauca. También queremos agradecer a la Corporación Universitaria Autónoma del Cauca el apoyo financiero para que este proyecto se lleve a cabo en el marco de las iniciativas internas de investigación. Se agradece, además de a Colin McLachlan, sus sugerencias en relación con el texto en inglés.