PROTOCOLO DE INVESTIGACIÓN (CI-02/2014)

NOMBRE DE LA INSTITUCIÓN INSTITUTO TECNOLOGICO DE VILLAHERMOSA

Título del proyecto

Evaluación en sistemas de humedales experimentales de flujo subsuperficial como alternativa para el tratamiento de aguas residuales domesticas a través de la vegetación hidrófita de la región.

1. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO

1.1 Resumen: La descarga de aguas residuales en cuerpos superficiales de agua (arroyos, ríos, humedales naturales, lagos, lagunas etc.) es una práctica antigua, surgida de la necesidad de evacuar dichas aguas fuera de los núcleos urbanos. El impacto ambiental que tales descargas causan obligó a considerar que la depuración previa era imprescindible, particularmente para núcleos urbanos de gran población (González, 2005). A causa de esto, en la actualidad se implementan sistemas de tratamientos convencionales, sin embargo estos requieren de elevados costos para su desarrollo. De esta manera los sistemas de tratamientos por medios naturales de vegetación hidrófitas son una alternativa en la remoción de contaminantes en exceso, presentes en las aguas residuales debido a que este tipo de vegetación presenta características específicas en los procesos biológicos, físicos y químicos que conjuntamente remueven los contaminantes del agua residual. Por lo expuesto anteriormente, el presente proyecto de investigación propone en una primera etapa la caracterización de los parámetros fisicoquímicos del cuerpo de agua de estudio. En una segunda etapa se propone el diseño y construcción de un sistema de tratamiento de aguas residuales domesticas utilizando vegetación de la región como camalote de agua (Pasparan Paniculatum), hoja de popal (Thalia Multiflora), chintul (Cyperus Articulatus) y carrizo (Phragmites Australis) en cuatro sistemas de humedales experimentales de flujo subsuperficial. Para posteriormente realizar la operación y evaluación del sistema. Con lo anterior se pretende dar solución a problemas de descargas residuales que apuntan hacia los cuerpos receptores de aguas con una visión a futuro en función del crecimiento poblacional de la comunidad el Yucateco en Huimanguillo, Tabasco.

1.2 Introducción: El agua es tan común que la suponemos asegurada. Después de todo, cubre casi los tres cuartos de la superficie terrestre y probablemente pensemos que es muy parecida a cualquier otro líquido pero no lo es, es por ello que estamos en una etapa donde el ser humano ha intervenido en su calidad lo que conlleva a alteraciones en sus propiedades (Masters y Ela, 2008). Estas alteraciones causan la contaminación de agua; un término poco preciso que nada nos dice acerca del tipo de material contaminante ni de su fuente. El modo de atacar el problema de los residuos depende de si los contaminantes demandan oxígeno, favorecen el crecimiento de algas, son infecciosos, tóxicos o simplemente de aspectos desagradables. La contaminación de nuestros recursos hidráulicos puede ser consecuencia directa del desagüe de aguas negras o de descargas industriales, o indirectas de la contaminación del aire o de desagües agrícolas o urbanos (Henry y Heinke, 1999). La importancia de este recurso y la problemática derivada de su mal manejo, han hecho necesaria la implementación de diversas técnicas para el tratamiento de agua residual con la finalidad de hacerla reutilizable en ciertas actividades o que sean devueltas a la fuente de abastecimiento con menores cargas de contaminantes. En la búsqueda de soluciones económicas al problema de contaminación de las aguas que plantean las innumerables descargas de origen doméstico en las pequeñas comunidades del país, se ha reconocido como necesidad fundamental desarrollar sistemas alternos de tratamiento adecuados a las condiciones nacionales, esto implica la necesidad de adaptar esta tecnología a los problemas propios de nuestras pequeñas comunidades en el reconocimiento pleno de sus limitaciones y potencialidades propias en el campo técnico, económico y humano. Para ello las de mayor ventaja son las tecnologías naturales como las lagunas de estabilización y los humedales artificiales (COANGUA, 2007). La tecnología de los humedales artificiales está definida como un complejo sistema de sustratos saturados, vegetación (macrófitas) y agua cuyo objetivo es la remoción de la mayor cantidad de contaminantes del agua residual a través de mecanismos de depuración que actúan en los humedales como la remoción de sólidos suspendidos por sedimentación y filtración; biodegradación de la materia orgánica a partir de microorganismos aeróbicos y anaeróbicos; eliminación de microorganismos patógenos por sedimentación, filtración, toxicidad por antibióticos producidas por las raíces de las macrófitas, absorción en partículas de arcilla y la

acción predadora de otros organismos; remoción de metales pesados atribuido al fenómeno precipitación-absorción; precipitación de los hidróxidos, sulfuros; y ajuste de pH. La tecnología artificial permite combinar diferentes tipos de humedales con diferentes regímenes de flujo, sistemas de alimentación, plantas y substratos, lo cual hace que se obtengan mayores posibilidades de optimizar el tratamiento (Lawrence, 2002). Son una alternativa para de tratamiento conocida por sus bajos costos de instalación, operación y mantenimiento además es posible obtener buenos rendimientos en la depuración de aguas residuales domésticas, siempre y cuando el diseño y la operación del humedal se ajuste a las características del agua residual y a las condiciones climáticas del sitio de emplazamiento. Estos sistemas con un diseño y operación adecuada obtienen altas eficiencias de tratamientos de agua residual capaces aun de mejorar o al menos de mantener la conservación de un área particularmente en poblaciones asiladas. Es por ello que en el estado de Tabasco se consideran como una alternativa viable por nuestro ecosistema. Según el inventario nacional de plantas municipales de potabilización y plantas de tratamiento de aguas residuales en operación emitido por la SEMARNAT (Secretaria de Medio Ambiente y Recursos Naturales), Tabasco cuenta con 77 plantas de tratamiento de aguas residuales, 1 con proceso anaerobio, 5 con procesos biológicos, 1 con filtros biológicos o rociadores, 4 con humedales, 2 con lagunas aireadas, 12 por lagunas de estabilización, 3 por lodos activados, 2 por un sistema primario avanzado, 4 por RAFA o UASP, 1 por RAFA o UASP + humedal, 4 por reactor enzimático, 34 por tanques imhoff y 4 por tanque imhoff + filtro biológico. De acuerdo a las plantas municipales de tratamiento de aguas residuales en operación del municipio de Huimanguillo, Tabasco solo se cuenta con una planta con proceso por medio de humedal cuyo cuerpo receptor es el Rio Mezcalapa (COANGUA, 2011). Al buscar alternativas para el tratamiento de las aguas residuales que son descargadas a los cuerpos de agua cercanos influenciados por el crecimiento de la población y generadas por las diversas actividades del sector rural tanto domesticas como petroleras de la comunidad el Yucateco en el municipio de Huimanguillo-Tabasco se plantea este proyecto para evaluar la efectividad de dichos sistemas, basados en el funcionamiento de los humedales naturales. El objetivo del presente proyecto es evaluar el efecto de las condiciones de operación del humedal artificial, bajo condiciones climáticas tropicales, y la eficiencia de remoción de contaminantes presentes en las aguas residuales.

Para ello, se elaborara un diseño experimental factorial constituido por 4 módulos. El proyecto consta de 4 etapas: Etapa 1: “Caracterización fisicoquímica del agua residual descargada en la zona costera del Rio Chicozapote-Laguna el Yucateco Huimanguillo, Tabasco”. Etapa 2: “Localización, recolección y aclimatación de macrófitos”. Etapa 3: “Diseño, construcción y evaluación de cuatro sistemas de humedales experimentales de flujo subsuperficial horizontal. Etapa 4: “Análisis de los parámetros fisicoquímicos del agua después de su tratamiento”. El seguimiento del proceso se realizará de tal manera que podamos conocer el comportamiento del sistema, la adaptabilidad de las plantas y cómo se comporta cuando este se ve influenciado por factores típicos o atípicos de descontrol en el proceso, además de las variaciones climatológicas que se presenten. Con los resultados obtenidos podremos conocer las acciones necesarias que se podrían llevar a cabo en el lugar de donde se tomó la fuente de agua a tratar y así implementarlo a nivel macro-escala para que todas esas descargas que se conducen hacia el cuerpo de agua puedan ser captadas y tratadas en un sistema de tratamiento por humedales permitiendo su reutilización en actividades de riego y abrevadero y que principalmente este sistema lagunar se depure naturalmente con el paso del tiempo. 1.3 ANTECEDENTES Históricamente, los humedales naturales fueron utilizados como sitios de descarga de las aguas residuales. Esto se dio principalmente como medio de eliminación, mas no como tratamiento. Esta tendencia fue llevando a muchos humedales, tales como pantanos, a saturarse de nutrientes y posteriormente a degradarse ambientalmente. La primera investigación sobre la posibilidad de tratar aguas residuales en humedales artificiales fue realizada por Seidel (1952) en el Instituto Max Planck de Plön, Alemania. En la década del ‘90 hubo un mayor aumento del número de HHAA debido a la ampliación de tratamiento de diferentes tipos de aguas residuales (domésticas, industriales y aguas pluviales). El uso de humedales artificiales para el tratamiento de aguas residuales es cada vez más aceptado en diferentes partes del mundo. Hoy en día los humedales de flujo subsuperficial son comunes en muchos países desarrollados (ej. Alemania, Inglaterra, Francia, Dinamarca, Polonia, Italia, etc.), siendo también apropiados para los países en desarrollo, solo que aún faltan ser más conocidos (Hoener, 2003; Heers, 2006; Kamau, 2009).

El centro de investigaciones tecnológicas ambientales de la C.U.C (Corporación Universitaria de la Costa) ha construido un humedal artificial para verificar las ventajas del sistema en condiciones climáticas propias del trópico. Dada la sostenibilidad se propuso como una opción de tecnología para el tratamiento de aguas residuales municipales de la Región Caribe. Se construyó con flujo subsuperficial, opera con agua residual municipal que se almacena en un tanque de alimentación, el afluente se distribuye mediante una flauta, con un caudal de 0.33 m3/d, el TRH es de 6 días y tiene un área superficial de 8 m2. Las macrófitas utilizadas, Typha sp., crecen naturalmente en las riberas del Río Magdalena y el medio de soporte es grava fina (10x10-2 m) como se observa en la figura 1. En la fase de arranque y estabilización, las eficiencias de remoción que se han obtenido llegan hasta: el 97% para SST, el 90% para DQO y el 92.3% para DBO5 a 20 ºC (Bernal et al., 2000.)

El muestreo se realizó en el afluente y efluente del humedal; algunas muestras se tomaron a través del lecho del humedal para observar cómo era el comportamiento a lo largo de este. Los métodos de laboratorio utilizados para la determinación de los parámetros físico-químicos se hicieron siguiendo las guías del Standard Methods for the examination of water and wastewater. Los parametros de medición fueron: oxígeno disuelto, conductividad, temperatura y pH se hizo in-situ utilizando equipos portátiles. Vallejos et al., (2005) evaluó el efecto de operación del humedal artificial de flujo subsuperficial horizontal, que bajo condiciones climáticas tropicales de la Península de Yucatán, específicamente en el municipio de Campeche que producen en la eficiencia de remoción de contaminantes presentes en las aguas residuales del sector urbano. Para ello, se elaboró una tecnología experimental

constituida por seis módulos como muestran las imágenes de la figura 2. El estudio se dividió en tres etapas 1. “Caracterización fisicoquímica del agua residual descargada en la zona costera del Municipio de Campeche”; 2. “Localización, recolección y aclimatación de macrófitos”; 3. Se armó una planta a micro-escala de humedal construido de flujo subsuperficial horizontal. La eficiencia de dichos mecanismos se reflejó en la reducción de las concentraciones de SST, de la materia orgánica así como la turbidez del agua tratada. Pudo comprobarse que la eliminación de nutrientes se debió principalmente a la forma en que se operó el humedal. También se analizó la presencia de microorganismos patógenos en las aguas residuales urbanas y se constató que el sistema de humedales construidos permite lograr una reducción de éstos. La eliminación de dichos microorganismos se puede llevar a cabo gracias a un conjunto de procesos abióticos o bióticos que se realizan en el humedal.

Figura 2._ Módulo experimental propuesta en el proyecto

Miglio T. y Mellisho (1999) evaluaron la capacidad depuradora de 3 macrofitas acuáticas en pantanos artificiales para la depuración de aguas residuales domésticas, específicamente con la especie Cyperus papirus, Cyperus aff. Y Phragmites australis (Carrizo) estas especies acuáticas se adaptaron a los 2 a 3 meses sembradas debido a que esta crecen muy fácilmente en climas templados y son plantas perennes. El afluente a tratar fue captado del buzón de la red de desagües de Las Viñas de la Molina en Lima Perú. Las aguas residuales con un previo tratamiento para eliminar los sólidos grandes fueron conducidas mediante tuberías PVC hacia dos

tanques de almacenamiento para proceder al tratamiento primario y posteriormente se distribuyó hacia los humedales artificiales. El tipo de flujo utilizado fue subsuperficial (el agua circuló por debajo del sustrato) y en condiciones tipo “batch” es decir que se llenó de agua cada pantano y se mantuvo retenida dentro de él por periodos de 24 y 48 horas, para evaluar el tiempo de retención requerido para el tratamiento. El caudal promedio con que se operó el sistema fue de 0.45 l/s. Se evaluaron los siguientes parámetros físicos: Demanda Bioquímica de Oxígeno, Nitrógeno amoniacal, fósforo total y coliformes fecales. Los parámetros físicos-químicos evaluados en los efluentes presentaron variaciones mínimas en relación al agua cruda a excepción de los sólidos suspendidos y del pH. En Tabasco, Padrón L.R.M (2005) estudió el efecto de un sistema de humedales con plantas macrófitas tales como Typha latifolia y Tania geniculata y poblaciones microbianas en la depuración de agua residual doméstica, empleando como control agua residual sintética, el sistema se formó de dos series de 5 unidades experimentales que funcionaron como Humedales Artificiales de Flujo Vertical (HAFV) descendente con una mezcla de grava fina, arena y arcilla como medio de soporte, en forma adicional cada serie contó con una unidad experimental testigo, una serie se alimentó intermitentemente con agua residual doméstica y la otra con agua residual sintética, con un tiempo de retención hidráulico calculado de 6.24 días. Los resultados demostraron una remoción de fósforo hasta en un 46% y nitrógeno de un 74 a 81% y que la eficiencia de remoción está influenciada por el diseño del humedal, el número de bacterias de coliformes totales, fecales y enterococos que fueron removidas del HAFV fue superior al 99% en todos los periodos de muestreo, concluyendo, que el material de soporte y el tiempo de residencia hidráulica favorecían a la remoción de algunos contaminantes. Véase figura 3.

Figura 3._ diseño experimental de humedal artificial de flujo vertical.

En los últimos años en México, los efectos de la contaminación por las actividades petroleras (extracción y producción) en los ecosistemas costeros y marinos han aumentado considerablemente, detectándose elevadas concentraciones de sustancias derivadas del petróleo en aguas, sedimentos y organismos. Es por ello que se han realizados estudios a diferentes cuerpos de aguas cercanos a la costa tal es el caso de la Laguna el Yucateco que comparte escurrimientos fluviales con el Rio Tonala y Blasillo-Chicozapote en el municipio de Huimanguillo Tabasco. Diversas instituciones e investigadores han realizado una serie de estudios a este cuerpo de agua obteniendo resultados que han llevado a que este sistema lagunar adquiera importancia a nivel Nacional, debido a las actividades aledañas generadas que ocasionan un desequilibrio en el ecosistema. Tales como: “Petróleo y medio ambiente en la región de los Ríos Coatzacoalcos y Tonalá” en el año de 1986 por Centro de Ecodesarrollo, “Vigilancia y Presencia de Metales Tóxicos en la Laguna El Yucateco, Tabasco, México” por Susana Villanueva F. y Alfonso V. Botello del Instituto de Ciencias del Mar y Limnología (UNAM), “Balance Hidráulico y de nutrientes para el diagnóstico ambiental de la Laguna El Yucateco, Tabasco” por Brenda Flores Baca y Guadalupe De la Lanza Espino (UNAM), “Nitrificación, desnitrificación y el flujo de amonio, en La laguna Yucateco, Tabasco, México” por Granados y colaboradores y actualmente en el 2012 se llevó a cabo un estudio denominado “Contaminantes orgánicos persistentes en núcleos sedimentarios de la Laguna El Yucateco, Tabasco en el sureste del Golfo de México” por Guadalupe Ponce Vélez, Alfonso Vázquez Botello, Gilberto Díaz González y Claudia García Ruelas (UNAM). 1.4 MARCO TEORICO. El humedal natural fue definido en la Convención Ramsar (1971), donde se estableció: "...son humedales aquellas extensiones de marismas, pantanos, turberas o aguas de régimen natural o artificial, permanentes o temporales, estancadas o corrientes, dulces, salobres o saladas, incluyendo las extensiones de agua marina cuya profundidad en marea baja no exceda de seis metros". Los humedales, entonces, son áreas transicionales entre sistemas acuáticos y terrestres frecuentemente inundadas o saturadas por aguas superficiales y subterráneas. Independientemente de sus características, todos los humedales comparten una propiedad primordial: el agua, que juega un rol fundamental en el ecosistema, en la determinación de la estructura y en las funciones ecológicas en el humedal. (FomixCampeche, 2010).

Humedales artificiales. Mientras que el término “humedales artificiales” es utilizado para una amplia gama de tratamientos alternativos, este proyecto se enfoca sólo en humedales artificiales de flujo subsuperficial (HAFSS), diseñados con sustrato de arena gruesa, debido a que estos han sido ampliamente investigados, son replicables y es un sistema de tratamiento con alto potencial. El proceso de tratamiento en HA se basa en una serie de procesos biológicos y físicos (adsorción, precipitación, filtración, nitrificación, depredación, descomposición, etc.). El proceso más importante es la filtración biológica, realizada por el biofilm que está compuesto de bacterias aerobias y facultativas. La eficiencia de los procesos de tratamiento aerobio dependen de la relación de demanda (carga) y suministro del oxígeno (diseño del HA). Para diseñar estos sistemas aparentemente de "tecnología sencilla" pero biológicamente complejos, son necesarios profesionales con los conocimientos del tratamiento de aguas residuales. Además, para el diseño de los humedales se tienen que considerar siempre las circunstancias locales específicas, tales como clima (temperatura), disponibilidad de tierras y la reutilización prevista o la vía de eliminación del efluente. Las principales tecnologías de pretratamiento que se pueden utilizar antes de filtrar el agua residual en el humedal artificial (HA) son las siguientes: · Desarenador o sedimentador para la eliminación de arena y arenilla · Trampa de grasa · Filtro compostero (parasistemas a pequeña escala) · Tanque séptico · Tanque Baffled · Tanque Imhoff · Reactor anaerobio de flujo ascendente, RAFA1 (el cual sólo se utiliza para sistemas a gran escala (Hoffmann, 2011). Clasificación de humedales artificiales. Estos sistemas son económicamente atractivos, con un diseño y operación adecuados, se obtienen altas eficiencias de tratamiento de agua residual, capaces aun de mejorar, o al menos mantener, la conservación de un área, particularmente en poblaciones aisladas. En países en desarrollo, tienen la ventaja adicional de representar una solución de baja tecnología para el tratamiento de agua residual producida por pequeñas poblaciones dispersas. Estos sistemas se dividen de acuerdo a su diseño en: (1) sistemas de flujo superficial (Free Water Surface, FWS), (2) sistemas de flujo subsuperficial horizontal (Subsurface Flow, SF) y (3) sistemas de flujo subsuperficial vertical (Vertical Subsurface Flow, VSF) véase figura 4. Así también, dada la variedad de

plantas acuáticas útiles para la remoción de nutrientes, éstas se clasifican de acuerdo a su forma de vida en los lechos de hidrófilas en: (1) humedales construidos basados en macrofitas flotantes: eichhorinia crassipes,

lemma minor, (2) humedales construidos basados en macrofitas de hojas flotantes: Nymphaea

alba, patamogeton gramineus. (3) humedales construidos basados en macrofitas emergentes: thypha latifolia,

phragmites, australis. (4) humedales construidos basados en macrofitas sumergidas. Littorella uniflora,

potamogeton crispus. Los HA han sido definidos como “sistemas de ingeniería, diseñados y construidos para utilizar las funciones naturales de los humedales, de la vegetación, los suelos y de sus poblaciones microbianas para el tratamiento de contaminantes en aguas residuales". Otros sinónimos de "humedales artificiales" incluyen: lechos de hidrófitas, humedales construidos, pantanos artificiales, pantanos construidos, biofiltros, y otros sinónimos locales, aunque también se utiliza el nombre en inglés: “wetland” y el nombre más completo que es “constructed wetland”. Hay también términos diferentes para los Humedales Artificiales de flujo subsuperficial (HAFSS), que incluyen: · Filtros/ Biofiltros plantados. El término se refiere a la característica de los HA que siempre utilizan una vegetación de plantas macrófitas, que son naturales de humedales/o pantanales de la misma zona climática. Esta característica diferencia a los HA del grupo de "filtros no sembrados" (que también son llamados: biofiltros, lechos de percolación, lechos de infiltración o filtros intermitentes de arena). En Europa son conocidos como “reed bed treatment system” (RBTS) cuya traducción al español sería “Sistema de Tratamiento en Lecho de Caña", debido a que una especie vegetal frecuentemente utilizada es el carrizo (Phragmites australis). En los EE.UU estos sistemas también son denominados como “Lechos de Plantas Emergentes” (VSB, por su siglas en ingles). "Plantas emergentes" son un tipo de macrófitas cuyas hojas están por encima del nivel del agua, y crecen en humedales naturales (Vymazal & Kröpfelová, 2008).

Figura 4._ Clasificación de los humedales artificiales para el tratamiento de aguas

residuales. Elementos constitutivos Los principales elementos que intervienen en el tratamiento mediante lechos de hidrófitas de flujo subsuperficial son el substrato y las plantas, por lo que se requiere tener cuidado en su selección al diseñar un sistema. a) Substrato: El substrato provee el soporte y la superficie para que los microorganismos sean capaces de reducir anaeróbicamente (y/o anóxicamente si el nitrato está presente) los contaminantes orgánicos en dióxido de carbono (CO2), metano (CH4) y nuevos microorganismos. También actúa como un simple filtro para la retención de sólidos suspendidos y como generador de sólidos microbianos, los cuales son a su vez degradados y estabilizados en un determinado período dentro del lecho, de tal manera que el nivel de sólidos suspendidos en el efluente es generalmente bajo. En la figura 5 se muestra el lecho de hidrófitas con flujo subsuperficial. b) Plantas: Las hidrófitas tienen varias propiedades intrínsecas que las hacen un componente indispensable en los lechos de hidrófitas. Una de sus más importantes funciones en relación con el tratamiento del agua residual es el efecto físico obtenido por su presencia. Además, las hidrófitas estabilizan la superficie de los lechos, proveen buenas condiciones para la filtración física y superficie de contacto para el crecimiento bacteriano. En los sistemas de flujo subterráneo se desarrollan especies como Typha angustifolia y Phagmites australis. Las raíces crecen dentro de un rango de 50 cm por abajo del suelo y la planta puede alcanzar 150 cm o más desde el fondo del lecho. En general, producen hojas y tallos al aire libre y un extenso sistema de raíces y rizomas que absorben los nutrientes contenidos en las aguas residuales.

Funcionamiento En los lechos de hidrófitas se llevan a cabo procesos biológicos, físicos y químicos que conjuntamente remueven los contaminantes del agua residual; entre ellos, sólidos suspendidos, demanda bioquímica de oxígeno y nutrientes como nitrógeno y fósforo. Los factores que determinan la efectividad de dichos procesos en los lechos de hidrófitas para la remoción de los contaminantes contenidos en el agua residual son las plantas seleccionadas, los microorganismos y el suelo. Plantas Las plantas hidrófitas remueven los contaminantes mediante: (1) asimilación directa dentro de sus tejidos y (2) proporcionan un medio ambiente adecuado para la actividad microbiana a través del transporte de oxígeno a la rizósfera, por lo que estimulan la degradación aeróbica de la materia orgánica y el crecimiento de bacterias nitrificantes. Además, estabilizan la conductividad hidráulica del suelo, en donde se depositan el fósforo y metales pesados.

Figura 5._ Lecho de hidrófitas con plantas emergentes y flujo subsuperficial

horizontal.

Las plantas hidrófitas están morfológica y anatómicamente adaptadas a crecer en un substrato saturado de agua debido a espacios internos en los tejidos de la planta. Esta característica permite proveer oxígeno a las partes sumergidas de las plantas. Por otro lado, las raíces y los rizomas desprenden oxígeno dentro del substrato, creando microzonas oxigenadas. La presencia de estas zonas oxigenadas y anóxicas alrededor de las raíces, crean un medio ambiente favorable para los microorganismos aerobios y anaerobios facultativos en la rizósfera. (CONAGUA, 2007). Microorganismos La degradación de la materia orgánica y la denitrificación del nitrógeno en los lechos de hidrófitas se llevan a cabo mediante los microorganismos. La diseminación de oxígeno por las raíces de las hidrófitas crea zonas oxigenadas alrededor de ellas, por lo que la mayoría del contenido orgánico en el agua residual se descompone en estas zonas en dióxido de carbono y agua.

Además, el amoniaco se oxida a nitrato por las bacterias nitrificantes presentes en estas zonas. El oxígeno se reduce en la superficie de las raíces, pero el nitrato permanece (zona anóxica). En este punto, la degradación de la materia orgánica puede tomar lugar por las bacterias denitrificantes, por medio de este proceso el nitrato se convierte en nitrógeno libre (N2), el cual se evapora en la atmósfera. Suelo El suelo en los lechos de hidrófitas de flujo subsuperficial provee una superficie estable para la reproducción de bacterias, un substrato sólido para el crecimiento de plantas y funciones directas en la purificación de agua residual. Al penetrar las raíces en el substrato, lo suavizan incrementando su porosidad y cuando mueren permanecen canales interconectados horizontalmente, los cuales se llenan con el material orgánico producido. Estos macroporos estabilizan la conductividad hidráulica en la rizósfera lo suficiente para estabilizar el proceso en un periodo de dos a cinco años. (CONAGUA, 2007) Ventajas y desventajas Tabla 1._ ventajas de los HAFSS sobre otros sistemas convencionales.

Ventajas desventajas Bajo costo de construcción, operación y mantenimiento.

Baja eficiencia en su funcionamiento durante invierno en ciertas regiones por la muerte de las hidrófitas.

Bajo requerimiento de energía. La operación puede requerir dos a tres periodos de crecimiento antes de que se logren las eficiencias óptimas.

No requieren de personal altamente calificado para su operación.

Si no se operan correctamente, existe el riesgo de acumulación de sólidos en la entrada

Proporcionan un tratamiento efectivo y confiable. (EPA, 2000)

1.5 OBJETIVOS Objetivo General: Diseñar y evaluar 4 módulos de sistemas de humedales experimentales de flujo subsuperficial para la remoción de contaminantes provenientes de aguas residuales domesticas a través de vegetación hidrófitas de la región. Objetivos Específicos:

• Caracterización de parámetros fisicoquímicos de Grasas y Aceites, DQO, nitratos, nitritos, TDS, nitrógeno amoniacal, fosforo, temperatura, pH, conductividad eléctrica, alcalinidad, y sulfatos antes y después del tratamiento.

• Diseño y construcción de sistemas de humedales experimentales de flujo subsuperficial.

• Monitorear la operación de los sistemas de humedales bajo los cuidados

necesarios para su buen funcionamiento.

• Siembra y estabilización de vegetación hidrófitas: camalote de agua (Paspalum Paniculatum), hoja de popal (Thalia Multiflora), chintul (Cyperus Articulatus) y carrizo (Phragmites Australis)

• Evaluación de la eficiencia de remoción de los contaminantes por vegetación hidrófita en los sistemas de humedales experimentales.

1.6 METAS

• Obtención de tesis para alumnos de licenciatura en el área ambiental

• Publicación de un artículo de investigación como proyecto de sustentable

• Diagnóstico de la evaluación del sistema para generar información necesaria que sirva a las autoridades en materia de agua e implementarlos en los sectores rurales.

• Proyectar hacia futuro un sistema de tratamiento a escala mayor en comunidades que no cuenten con infraestructura convencional para el tratamiento de aguas negras.

• Evitar la descarga de contaminantes en cuerpos de aguas conduciéndolas hacia sistemas de tratamientos naturales.

1.7 IMPACTO O BENEFICIO EN LA SOLUCIÓN A UN PROBLEMA RELACIONADO CON EL SECTOR PRODUCTIVO O LA GENERACIÓN DEL CONOCIMIENTO CIENTÍFICO O TECNOLÓGICO.

La problemática que afecta este cuerpo de agua que se ubica en la comunidad el yucateco son principalmente: las descargas domésticas, las actividades petroleras a sus alrededores y las instalaciones que se encuentran abandonadas en el mismo sistema además de la basura generada por la misma gente que habita en el lugar. Los residentes que se encuentran cerca de la laguna no cuentan con un servicio de drenaje por lo que se ven forzados a descargar el agua que utilizan en el cuerpo acuático, tampoco cuentan con un sistema de agua potable para satisfacer su uso y consumo para sus actividades cotidianas por lo cual tiene que hacer uso de este recurso hidrológico. Las descargas directas efectuadas contienen material solido que es lo que conocemos como desechos humanos y a nivel microbiológico bacterias que son dañinas para muchos habitantes que residen cerca y que consumen el agua de la laguna. Son estos los principales problemas que aquejan a la laguna y al rio y con el pasar de los años el crecimiento de la población influenciara para agraviar más la calidad del agua de estos cuerpos de agua sino se provee con acciones a tiempo.

IMPACTO CIENTIFICO Se pretende generar la información científica básica y aplicada necesaria sobre los sistemas de humedales artificiales de flujo subsuperficial evaluando diversa vegetación endémica del estado de Tabasco para el tratamiento de aguas residuales. La información generada servirá como sustento para otras investigaciones que se realicen con base al mismo tema en otras regiones y así mismo se informara sobre la evolución del sistema como sus resultados generando información que tendrá alto impacto científico. IMPACTO TECNOLOGICO En general estos sistemas son tecnologías que con un diseño y operación adecuada obtienen altas eficiencias de tratamientos de agua residual capaces aun de mejorar o al menos de mantener la conservación de un área particularmente en poblaciones asiladas. Es por ello que en el estado de Tabasco se consideran como una alternativa viable por nuestro ecosistema. IMPACTO SOCIAL Los resultados obtenidos de este trabajo servirán de base para una proyección futura e implementación del mismo sistema no solo en la comunidad el yucateco sino en otras comunidades del sector rural que vaya en crecimiento, además de cuidar la salud pública ya que muchos son usuarios de los mismos cuerpos de agua receptores. IMPACTO ECONÓMICO Los sistemas convencionales para el tratamiento de aguas residuales han presentado diversos problemas de operación y mantenimiento que repercuten a invertir en altos costos para resolverlos, es por esto que una de las ventajas de llevar acabo un sistema como este es su bajo costo de construcción, operación y mantenimiento, bajo requerimiento de energía además que no requieren de personal altamente calificado para su operación. IMPACTO AMBIENTAL Los diversos problemas ambientales que el hombre ha generado a los ecosistemas acuáticos es debido factores antropogenicos que el hombre ha generado atreves de sus construcciones que no operan de manera adecuada y que no respetan los lineamientos establecidos por los desechos de contaminantes ocasionando graves descargas de aguas residuales urbanas e industriales en la mayoría de los cuerpos de agua ya que son utilizados como receptores de estas.

Las tecnologías que se han desarrollado favorablemente y que no dañan o modifican severamente a los ecosistemas presentes han sido las lagunas de estabilización y los humedales artificiales. Sin embargo es necesario continuar con las mejoras en estas tecnologías para garantizar que el efecto al medio sea favorable y sobre todo se establezca la protección a los ecosistemas acuáticos. 1.8 METODOLOGÍA Este proyecto está desarrollado como un sistema tecnológico que comprende diversas actividades de campo, laboratorio, construcción y operación como se describen en el siguiente diagrama.

Revisión de bibliografía

Análisis de parámetros fisicoquímicos en el laboratorio

Visita al área de muestreo en el cuerpo lagunar para identificación de las

descargas

Toma de muestras en las descargas hacia el cuerpo de agua

Selección de vegetación nativa como: paspalum paniculatum,

thalia multiflora, cyperus articulatus y Phragmites australis

Selección de lecho de soporte para el HAFSS (arena, grava,

etc.)

Diseño y construcción de unidades experimentales

Instalación de las unidades experimentales en el Instituto Tecnológico de Villahermosa

Siembra y estabilización de la vegetación en los prototipos

experimentales

Operación del sistema experimental

Recolección de A.R. para el abastecimiento del sistema

experimental

Análisis de parámetros fisicoquímicos después del

tratamiento.

Evaluación del sistema experimental a través de los

resultados obtenidos.

Informe e interpretación de resultados finales y pruebas

estadísticas

Figura 6._ prototipo propuesto del sistema de humedales experimentales.

1.9 PROGRAMA DE ACTIVIDADES, CALENDARIZACIÓN Y PRESUPUESTO SOLICITADO. Tabla2._ Cronograma de actividades.

ACTIVIDADES   1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12  Revisión Bibliográfica.                                              Elaboración de plan de muestreo                                                Visita al área de muestreo eh identificación de descargas en el cuerpo de agua.                                                Caracterización de aguas residuales evaluando parámetros de Grasas y Aceites, DQO, Nitratos, Nitritos, TDS, Nitrógeno Total, Fosforo, Temperatura, pH, Conductividad eléctrica, Alcalinidad, y Sulfatos.                                                Selección de vegetación nativa para los sistemas experimentales.                                                Diseño y construcción de unidades experimentales.                                                Siembra y estabilización de la vegetación dentro de las unidades.                                                Recolección de agua residual para el abastecimiento de los sistemas experimentales.                                                Operación de los sistemas experimentales.                                                Evaluación del comportamiento sobre la eficiencia de remoción de los sistemas por el tipo de vegetación.                                                Caracterización del agua residual tratada evaluando parámetros de Grasas y Aceites, DQO, nitratos, nitritos, TDS, nitrógeno total, fosforo, temperatura, pH, conductividad eléctrica, alcalinidad, y sulfatos.                                                Interpretación de resultados (análisis estadístico).                                                Informe de resultados y discusiones.                                                Tesis de licenciatura.                                                Publicación de artículos.                                                

200  l  tanque  receptor  

HA  de  flujo  subsuperficial

Tanque  de  almacenamiento  de  agua  tratada

HA  de  flujo  subsuperficial

HA  de  flujo  subsuperficial

HA  de  flujo  subsuperficial

200  l  tanque  receptor  

Presupuesto solicitado para el proyecto. Tabla3._ Presupuesto del proyecto.

REQUERIMIENTOS PRECIO

UNITARIO $

CANTIDAD TOTAL  $  

MATERIAL, EQUIPO, REACTIVOS PARA MUESTREO Y ANÁLISIS Recipientes para recolección de muestras    

Frascos color ámbar y claro para preparación de reactivos Cap. 1L    Material de cristalería para muestras de laboratorio    

Reactivos y material para análisis de los parámetros fisicoquímicos    Bureta dispensora    Bureta digital    Digestor de flujo cerrado (HANNA) para DQO    

GASTOS DE TRASNPORTACION Gastos de transportación en automóvil    

GASTOS PARA EL DESARROLLO DE LAS UNIDADES EXPERIMENTALES Construcción de estructura de las unidades experimentales    

Compra de grava-arena como medio de soporte para el HA    tanques para el almacenamiento de agua    Tubería, válvulas y bombas para la operación del sistema    Geomenbrana para las unidades experimentales    pintura impermeabilizante    

GATOS PARA EL ANALISIS DE PARAMETROS EN UN LABORATORIO CERTIFICADO

Pagos para el análisis fisicoquímicos y bacteriológicos de muestras    

1.10 PRODUCTOS ENTREGABLES Tabla 4._ productos entregables durante el proyecto.

producto  a  entregar    indicador  de  productos  por  

semestre  1er   2do  

Reportes  parciales  y  reporte  final   1   1  Reporte  de  trabajo  de  servicio  social   1   1  Tesis       2  Artículos  de  divulgación  científica       1  Memoria  de  cálculo  para  el  diseño  de  los  sistemas         1  Planos  de  diseño  de  los  sistemas       1  Evidencia  de  memoria  fotográfica  de  todo  el  proceso  en  la  elaboración  de  las  unidades  experimentales  

    1  

Modulos  experimentales  de  humedales    2   2  

1.11 VINCULACIÓN CON EL SECTOR PRODUCTIVO. Los productos entregables (diagnóstico y la caracterización del cuerpo de agua)

serán compartidos con las dependencias gubernamentales a nivel federal

CONAGUA. El ITVH cuenta con un convenio de colaboración con la SEMARNAT.

Los resultados pueden extrapolarse para uso como tratamiento de aguas en las

empresas que trabajan en la ciudad industrial quienes son empresas potenciales

para la vinculación.

1.12 LITERATURA CITADA Baca F. y Lanza G., Balance Hidráulico y de nutrientes para el diagnóstico ambiental de la Laguna El Yucateco, Tabasco, III Congreso Mexicano de Ecología, México. Bernal, F. et al., (2000), Humedales artificiales para el tratamiento de aguas residuales en la Corporación Universitaria de la Costa, Pp. 149-151. CONAGUA, Manual 2007, Lechos de Hidrófitas, capítulo 5. CONAGUA, SEMARNAT, (2011), Inventario de plantas municipales de potabilización y de tratamientos residuales en operación, Pp. 99, 100,104; 313-320. Environmental Protection Agency (2000), Manual Constructed Wetlands Treatment of Municipal Wastewaters, E.U.A. Gallegos M. (1986), Petróleo y medio ambiente en la región de los ríos Coatzacoalcos y Tonalá, Vol. III, Pp. 45-53. Geller, G. and Hoener, G. (2003) Anwenderhandbuch Pflanzenkläranlagen ISBN-13: 978-3540401353, Springer, Berlin, Germany. (Manual para humedales artificiales, Germany. Gilbert M. Masters, Wendell P. Ela, 2008, Introduccion a la ingeniería medioambiental, 3ra Ed., Pearson Prentice Hall, España, Pp. 185-186. González, J.; Beascoechea, E.; Muñoz, J.; y Fernandez, C., (2005) Manual de firodepuracion, filtros de macrofitas en flotación, capítulo 6, Pp. 79-89. Heers, M. (2006) Constructed wetlands under different geographic conditions: Evaluation of the suitability and criteria for the choice of plants including productive species. Master thesis, Faculty of Life Sciences, Hamburg University of Applied Sciences, Germany. J. Glynn Henrry, Gary W. Heinke, 1999, Ingeniería Ambiental, 2a. Ed., Prentice Hall Hispanoamericana, Mexico, Pag. 422.

Kamau, C. (2009) Constructed wetlands: potential for their use in treatment of grey water in Kenya. MSc thesis, Christian-Albrechts University, Kiel, Germany. Lawrence e., (2002), Evaluación del comportamiento de dos pantanos artificiales instalados en serie con phragmites australis Para el tratamiento de aguas residuales domésticas, Pp. 53-54. Miglio T., Mellisho M., (1999), Evaluación de la capacidad depuradora de tres macrofitas acuáticas en pantanos artificiales para el tratamiento de aguas residuales domésticas, Perú, Pp.159-161. Padrón, L.R.M. 2005, Depuración de aguas residuales domésticas a través de humedales artificiales de flujo vertical en zonas Trópico-Húmedas. Tesis Maestría en Ciencias Ambientales UJAT. Ponce V. et al., (2012), Contaminantes orgánicos persistentes en núcleos sedimentarios de la Laguna El Yucateco, Tabasco en el sureste del Golfo de México, Pp. 3-13. Seidel, K. (1965), New methods for groundwater recharge in Krefeld – Part 2: hydrobotanical treatment method. GWF WasserAbwasser 30, 831-833. Vallejos et al., (2005), Tecnología experimental de humedales artificiales en la zona costera del estado de Campeche, revista FomixCampeche, Vol.2, N.5, Pp. 7-11. Villanueva F. y V. Botello, (2005), Vigilancia y Presencia de Metales Tóxicos en la Laguna El Yucateco, Tabasco, México, Pp. 407-408. Vymazal, J.and Kroepelová, L. (2008) Wastewater treatment in constructed wetlands with horizontal sub-surface flow. ISBN 978-1-4020-8579-6 Springer Science/ Business Media.