Removal of nitrogen and phosphorus by Typha dominguensis and Lemna sp. in laboratory scale constructed wetlands

Marisel Núñez S.^1,2*, Carmen Cárdenas de Flores², Yoleivis Ramírez², Sandra Rincón², Luisa Saules², Ever Morales Avendaño³

¹Programa de Ingeniería y Tecnología, Universidad Rafael María Baralt (UNERMB), Costa Oriental del Lago. * marisel2506@gmail.com

²Centro de Investigación del Agua (CIA), Facultad de Ingeniería,

³Laboratorio de Microorganismos Fotosintéticos, Facultad de Ciencias, Universidad del Zulia. Maracaibo, Venezuela.

Abstract

The present work evaluated the function of the plants Typha dominguensis and Lemna sp in the removal of nitrogen and phosphorus from effluents of stabilization ponds, using laboratory scale constructed wetlands. The parameters TKN, NH4-N, NO2-N, NO3-N and COD were measured in five treatments: wastewater (AR), AR more substrate (ARS), ARS more Lemna sp (ARSL), ARS more Typha dominguensis (ARST) and ARS more T. dominguensis more Lemna sp (ARSTL). The results favored to ARST and ARSTL in removing of TKN (79 and 83%), NH4-N (93 and 93%), NO2-N (63 and 64%), NO3-N (45 amd 51%) and COD (51 anf 46%, respectively), while AR and ARS reached major percentages for the phosphorus (38 y 37%, respectively). Lemna sp don’t develop as expected, which caused that this treatment reached the lowest removals. The results demonstrated the importance that T. dominguensis exercises in the processes ocurring within wetlands; also was evident the activity that bacteria and nicroalgae performed in nutrient removal. T. dominguensis was efficient in removing of nutrients and organic matter present in water in treatment.

Keywords: Nutrients, Typha dominguensis, Lemna sp, constructed wetlands, ponds.

Remoción de nitrógeno y fósforo a través de las plantas Typha dominguensis y Lemna sp. en humedales construidos a escala laboratorio

Resumen

El presente trabajo evaluó la función de las plantas Typha dominguensis y Lemna sp., en la remoción de nitrógeno y fósforo de efluentes de lagunas de estabilización, utilizando humedales construidos a escala laboratorio. Se midió NTK, N-NH4, N-NO2, N-NO3, fósforo total y DQO, en cinco tratamientos: agua residual (AR), AR más material de soporte (ARS), ARS más Lemna sp (ARSL), ARS más T. dominguensis (ARST), y ARS más T. dominguensis más Lemna sp (ARSTL). Los resultados favorecieron a los tratamientos ARST y ARSTL en la remoción de NTK (79 y 83%), N-NH4 (93 y 93%), N-NO2 (63 y 64%), N-NO3 (45 y 51%) y DQO (51 y 46%, respectivamente), mientras que AR y ARS alcanzaron mayores porcentajes para el fósforo (38 y 37%, respectivamente). Lemna sp no se desarrolló en la forma esperada, lo que ocasionó que el tratamiento con esta planta alcanzara las menores remociones. Los resultados demostraron la importancia de T. dominguensis en los procesos que ocurren dentro de los humedales; también se evidenció la actividad que bacterias y microalgas realizan en la remoción de nutrientes. La planta T. dominguensis fue eficiente en la remoción de nutrientes y materia orgánica presente en las aguas en tratamiento.

Palabras clave: Nutrientes, Typha dominguensis, Lemna sp, humedales construidos, lagunas.

Introducción

Los tratamientos para aguas residuales no solo deben ser eficientes y económicos, sino además, desarrollarse en consonancia con el ambiente. Dentro de estas posibilidades se ubican los humedales construidos, los cuales han sido exitosos mundialmente para tratar diversos tipos de aguas residuales. En los procesos depurativos que se cumplen en estos sistemas, la función que la vegetación ejerce sobre la remoción de nutrientes ha sido cuestionada [1], debido a que la función principal recae en los procesos físicos y microbianos [2]. No obstante, para Koottatep y Polprasert [3], la absorción por parte de las plantas es el principal mecanismo de remoción de los nutrientes. Independientemente del papel que cumplen las plantas en la remoción de estos, está demostrado que ellas son muy importantes en los procesos depurativos a través de la oxigenación de la rizósfera, favoreciendo la formación y función de la capa microbiana [1, 4].

Mientras que la eficiencia de los humedales construidos en la remoción de DBO, DQO, SST y organismos fecales es alta, la remoción de nitrógeno en muchos sistemas de humedales es deficiente, debido principalmente a la ausencia de suficiente oxígeno que satisfaga las necesidades de los diferentes procesos para la transformación del mismo [5].

La experiencia con humedales construidos en Venezuela es escasa, haciéndose necesaria la investigación del comportamiento y la efectividad de las plantas autóctonas en la remoción de nitrógeno y fósforo en estos sistemas. El objetivo de este trabajo fue evaluar la función de la planta emergente Typha dominguensis y de la planta flotante Lemna sp, en la remoción del nitrógeno y fósforo de los efluentes de las lagunas de estabilización del Centro de Investigación del Agua (CIA) de la Universidad del Zulia (LUZ), Maracaibo, Venezuela, utilizando para ello humedales construidos a escala laboratorio.

Materiales y métodos

La investigación se llevó a cabo durante seis meses en el CIA de LUZ, donde funciona un sistema de lagunas de estabilización para el tratamiento de aguas residuales domésticas, de donde se tomó el efluente para ser tratado en el sistema experimental compuesto de cinco tratamientos, según el diseño que se presenta en la Tabla 1. Cada tratamiento se preparó por triplicado, en envases plásticos, con un diámetro de 0,50 m, altura de 0,30 m y una capacidad volumétrica de 0,059 m3. Las unidades experimentales, 15 en total, fueron protegidas de la lluvia por un techo de plástico transparente (Figura 1).

El material de soporte de los tratamientos ARS, ARSL, ARST y ARSTL fue arenisca friable de textura media a gruesa, clasificada como Typic Haplargids, con una profundidad de 0,15 m. La alimentación de las unidades se realizaba por carga, empleando en cada ocasión para cada unidad 0,02 m3 de agua residual efluente de las lagunas de estabilización. Luego de 48 horas, se retiraba el agua residual remanente en cada unidad y se colocaba una nueva carga. Las muestras se tomaban del agua de entrada a las unidades y de la salida de cada una de ellas, con una frecuencia de 2 ó 3 veces por semana, y analizadas de inmediato en el Laboratorio de Ingeniería Ambiental del CIA. Se determinaron los parámetros nitrógeno total Kjeldahl (NTK), nitrógeno amoniacal (N-NH4), nitrito (N-NO2), nitrato (N-NO3), demanda química de oxígeno (DQO), fósforo total (PT) y pH (medido en sitio). Los métodos utilizados para la determinación de cada parámetro son los descritos en la metodología de APHA [6]. Se realizó también un balance de masa para conocer la distribución del nitrógeno y del fósforo en los distintos elementos componentes de los sistemas. Para ello, se determinó la cantidad presente de dichos elementos en agua, plantas y material de soporte, al inicio del ensayo y una vez culminado el mismo.

Resultados y discusión

La Tabla 2 muestra los valores medios encontrados a la entrada y a la salida para cada uno de los parámetros analizados en cada tratamiento.

Los valores de entrada de NTK, N-NH4 y PT disminuyeron en todos los tratamientos. Excepto para PT, hubo diferencia significativa entre las medias obtenidas a la salida, lo cual indica que el tipo de tratamiento incide sobre la obtención de la calidad del efluente. La Tabla 3 presenta los valores medios para la remoción de cada uno de los parámetros. Hubo remoción en todos los parámetros, excepto para los casos de N-NO2 y N-NO3 en los tratamientos AS y ARSL, donde ocurrió un incremento de los valores reportados a la entrada, sin embargo, el aumento en los mismos no fue representativo al compararlos con los valores de NTK y N-NH4 (Tabla 2). El resultado del análisis de varianza (ANOVA), comprobó que existe diferencia significativa entre los valores medios de remoción para los distintos tratamientos, a excepción de la remoción de PT. La aplicación de la prueba de Tukey determinó los subconjuntos homogéneos reflejados en la Tabla 3.

Los resultados para DQO muestran que los tratamientos con presencia de las plantas T. dominguensis y Lemna sp fueron los más eficientes removiendo materia orgánica. La remoción de la materia orgánica es debida primordialmente a la descomposición por parte de los microorganismos adheridos a hojas, tallos, restos vegetales y al medio de soporte y a los microorganismos suspendidos en la columna de agua del humedal construido. Este proceso fue favorecido, probablemente, por la morfología de las raíces de la T. dominguensis que habría proporcionado gran cantidad de área para la formación de la película biológica donde se ubicaban los microorganismos que realizan la descomposición de la materia orgánica y permitiría, además, que los sólidos quedaran atrapados entre las raíces. Para los tratamientos AR y ARS la presencia de microorganismos en el agua residual, aunado al tiempo de retención, habría permitido la ocurrencia de los diferentes mecanismos físico-químicos y biológicos a través de los cuales se alcanza la eliminación de la DQO, siendo para estos casos mucho menor al compararla con los resultados obtenidos para T y TL.

 

Los sistemas más eficientes removiendo nitrógeno en sus diferentes formas, fueron los tratamientos con presencia de la planta emergente T. dominguensis, no existiendo diferencia significativa entre los valores medios de remoción alcanzados para los tratamientos ARST y ARSTL.

Las remociones alcanzadas para NTK y N-NH4 por los tratamientos AR y ARS, sin diferencia significativa entre ellas, fueron inesperadas. Así como también, lo fue el valor medio de remoción para N-NH4 en el caso del tratamiento ARSL, ubicándose con el menor porcentaje de remoción. La diferencia en el comportamiento de los tratamientos AR y ARS estuvo marcada por los resultados obtenidos para los parámetros N-NO2 y N-NO3, donde hubo remoción en el caso de AR e incremento para ARS, como también ocurrió para el tratamiento ARSL. Las remociones alcanzadas para NTK y N-NH4 en los tratamientos AR y ARS harían suponer que la actividad de los microorganismos (bacterias, algas, hongos, microinvertebrados, entre otros), aunado al tiempo de retención, serían factores importantes en la remoción de N. Esta actividad comprende procesos de nitrificación, absorción por las algas y volatilización.

En estos casos, la superficie libre habría permitido buena aireación, que junto a la alta densidad de microalgas presentes, crearían las condiciones que permitieron la ocurrencia de estos procesos [7]. Los resultados para ARST y ARSTL demuestran que la presencia de la vegetación incrementó la remoción de N en sus diferentes formas en comparación con los sistemas no plantados, y además que, en los sistemas plantados, la presencia de microalgas es disminuida, por lo que la acción de bacterias y plantas alcanzaría mayor importancia. La presencia de la especie T. dominguensis favorece la oxigenación del sistema a través de sus raíces, lo que provee mejores condiciones para la nitrificación [7]. Las remociones de NTK y N-NH4 alcanzadas por el sistema ARSL fueron las más bajas entre todos los tratamientos, situación inesperada ya que esta planta ha sido comúnmente utilizada para el tratamiento de aguas residuales, por su capacidad de remoción de nutrientes relacionada a su rapidez de crecimiento [8]. Lemna sp, tuvo lento crecimiento debido posiblemente a la competencia con la gran cantidad de microalgas presentes en las aguas en tratamiento, las cuales son más eficientes que la macrofita en la utilización de nutrientes a valores de pH > 7, disminuyendo así los nutrientes para el crecimiento de Lemna sp [9], y propiciando la reincorporación de nitrógeno al sistema con la muerte de la planta. En este tratamiento, el pH medio no superó 7 unidades, pero estuvo muy próximo a ese valor (Tabla 2). En el tratamiento ARSTL, Lemna sp alcanzó mejor desarrollo, favorecido, probablemente, por la rápida disminución de las microalgas debido al efecto de sombra por la presencia de la planta T. dominguensis.

En este caso, la planta flotante habría tenido un papel importante en los excelentes porcentajes de remoción alcanzados por este tratamiento en los casos de NTK y N-NH4, y la diferencia de los mismos con respecto a los obtenidos por ARST. En ARSTL el valor medio para el pH se ubicó en 6,34±0,29, lo que también habría contribuido con la permanencia de Lemna sp al ubicarse dentro del rango de 4 a 7, reportado por Morales [9], como óptimo para la estimulación del crecimiento de esta planta. Los tratamientos ARST y ARSTL alcanzaron los valores de remoción más altos para N-NH4, forma predominante de N en las aguas de entrada al sistema experimental.

Los valores de remoción de los tratamientos ARST y ARSTL, en comparación con el valor alcanzado por el tratamiento AR, deja un pequeño margen de remoción atribuible al efecto de la presencia de la vegetación, y confirmarían que los principales procesos serían los biológicos, donde, además de las bacterias, las microalgas cumplen una importante función. Sin embargo, en estos tratamientos, la densidad de la población de microalgas fue bastante disminuida ante la presencia de la planta T. dominguensis, la cual a través de su denso crecimiento ocasionó la disminución de la penetración de la luz a través del agua y la consecuente disminución de la actividad microalgal, de tal manera que se produjo un mayor margen de acción a la actividad removedora del N por parte de las plantas. En el caso del tratamiento ARSTL, el efecto descrito por la presencia de T. dominguensis, habría contribuido a que la planta flotante Lemna sp lograra establecerse con menos dificultad que en el caso del tratamiento ARSL. La remoción de N-NH4 alcanzada por el tratamiento ARSL, pudo haber sido afectada por la competencia entre Lemna sp y las microalgas, ocasionando que la materia vegetal muerta retornaba nitrógeno al agua, no permitiendo que el promedio de remoción alcanzara mayor valor. Los valores medios de N-NO3 – y N-NO2 –, a la entrada del sistema y a la salida de los diferentes tratamientos, fueron despreciables en comparación con los de N-NH4 y NTK. Los mayores porcentajes de remoción de estas formas de nitrógeno correspondieron a los tratamientos ARST y TL. Las remociones en el caso del tratamiento ARS fueron muy bajas con relación a los valores mencionados Las formas de nitrógeno asimilables por las plantas son el N-NH4 y N-NO3 -, razón que podría explicar las mayores remociones de éste último en los tratamientos ARST y ARSTL y sus diferencias con el tratamiento AR. La diferencia de remoción de N-NO3 – entre los tratamientos ARSTL y ARST (6% a favor del primero), podría ser atribuida a la presencia de Lemna sp. La remoción de estas formas de N en el caso del tratamiento AR, confirmaría la contribución de las microalgas en el proceso depurativo, a través de la absorción de estos elementos, tal como ocurre en los tratamientos con lagunas de oxidación [10]. La Tabla 4 muestra los resultados de las concentraciones medias de nitrógeno en las plantas T. dominguensis y Lemna sp a nivel de hojas y raíces, y en el material de soporte, para los tratamientos estudiados.

El análisis estadístico mostró que no hubo diferencia significativa en el contenido de nitrógeno de T. dominguensis en ARST y ARSTL (p = 0,996), lo cual evidenció que la presencia de Lemna sp no afectó la capacidad de absorción de la planta emergente, ni la disponibilidad del nutriente.

Por otro lado, no fue posible comparar la cantidad de nitrógeno presente en Lemna sp en ARSL, con el contenido de nitrógeno de esta misma planta en ARSTL, debido a que en éste había poca población de la misma y no se retiró para analizarla. En cuanto a la concentración en el material de soporte, el ANOVA indicó que hubo diferencia significativa entre las medias alcanzadas (p = 0,008). Se aplicó la prueba de Tukey la cual ubicó dos subconjuntos homogéneos, en uno ARS, ARSL y ARSTL y en el otro ARSTL y ARST. La concentración de N medida en Lemna sp del tratamiento ARSL mostró la gran capacidad de la planta flotante para absorber nitrógeno del medio, superando ampliamente la capacidad de T. dominguensis. Sin embargo, la competencia con las microalgas ocasionó la decadencia de Lemna sp en las primeras semanas, lo cual retornó gran cantidad del elemento al sistema. Una vez cubierta el área por la planta flotante, ésta nunca fue cosechada ocasionando que el nitrógeno almacenado en el tejido de la planta, una vez que ésta completaba su ciclo de vida, retornaba al medio. Se realizó un balance de masa para conocer en qué proporción se encontraba el nitrógeno en cada uno de los componentes de los tratamientos estudiados. Los resultados se muestran en la Tabla 5.

Los resultados demostraron que a medida que aumentó el número de componentes de un sistema, se hizo más complejo el ciclo del nitrógeno, quedando para pérdidas por otros procesos que pudieran estarse dando dentro del mismo, un pequeño porcentaje (21% en el caso de ARST y 3% para ARSTL), comparado con aquellos sistemas donde el número de componentes fue mínimo, como sucedió con AR y ARS, donde el nitrógeno perdido fue de 75 y 71% respectivamente.

En estos casos, el nitrógeno que no se reflejó en los componentes analizados, debería estar presente en el material adherido a la capa biológica formada en las bandejas y en el liberado a través de las reacciones de nitrificación y desnitrificación.

Con relación al contenido de nitrógeno presente en hojas y raíces de T. dominguensis, los porcentajes retenidos alcanzaron el 65 y 84% del nitrógeno total, para ARST y ARSTL respectivamente.

Estos resultados confirman la función de las plantas, en la retención de nitrógeno en humedales construidos, en condiciones de baja carga orgánica (0,075 g/m2/d), aguas en reposo y tiempo de retención adecuados. Estos valores fueron superiores a los reportados por Koottatep y Polprasert [3], para T. angustifolia, la cual concentró 43 % del nitrógeno en el sistema por ellos estudiado. En los tratamientos ARST y ARSTL, la cantidad de nitrógeno en el material de soporte fue mayor que en los otros tratamientos, producto probablemente de la materia muerta, como Lemna y microalgas, que sedimentó y se adhirió al material de soporte. En el caso de ARSL, el porcentaje de nitrógeno retenido en la planta flotante fue mínimo, aunque su potencial de absorción fue elevado, 29500,20 ± 7859,48 mg/kg. Esto sería debido al escaso desarrollo que alcanzó la planta como consecuencia del problema de competencia con las microalgas, tal como ha sido indicado con anterioridad. Los resultados sugieren que bajo las condiciones en que se realizó el ensayo, la absorción que realizan las plantas es el principal proceso de remoción de nitrógeno de los humedales a escala laboratorio.

En cuanto a fósforo, hubo remoción de PT en todos los tratamientos, sin diferencia significativa entre los mismos (Tabla 3). La diferencia máxima fue de solo 8% entre el tratamiento AR, que obtuvo el más alto valor, y ARSL con el menor valor. La media de remoción alcanzada por AR podría explicarse por la cantidad de microbiota presente en este tratamiento, principalmente algas, las cuales realizan una rápida absorción del fósforo por su alta tasa de crecimiento [4]. Además, se adicionan los procesos de sedimentación, adsorción a la materia orgánica y precipitación química, que se dieron al comportarse este sistema como una pequeña laguna de estabilización [11]. La condición alcalina (pH medio

8,30±0,57) de AR, habría favorecido los procesos de precipitación del fósforo [7]. La remoción en ARS podría deberse al contacto directo con el material de soporte que facilita la adsorción del fósforo a elementos como hierro, calcio, aluminio y a la materia orgánica presente en el mismo [12].

Igualmente, participan en dicha remoción los procesos de sedimentación que se estuvieron favorecidos por la condición de reposo del agua en dicho tratamiento. Las condiciones de los tratamientos ARST y ARSTL fueron menos favorables para la remoción de PT. El pH con cierta tendencia ácida (6,54 ± 0,35 para ARST y 6,34 ± 0,29 para ARSTL) y el poco contacto del agua en tratamiento con el material de soporte, como consecuencia de la morfología de las raíces de la T. dominguensis que se esparcen sobre toda la superficie, explicarían la diferencia de remoción alcanzada por estos tratamientos con relación a AR y ARS. El tratamiento ARSL presentó las condiciones menos favorables para la remoción del fósforo. El pH cercano a la neutralidad y el reingreso de fósforo al sistema por la muerte de Lemna sp durante el inicio del estudio, pudieran explicar el valor alcanzado. El papel que los microorganismos cumplen dentro del ciclo de PTen los humedales, también se ve afectado por el aumento del número de elementos que conforman el sistema, según se concluye del resultado del tratamiento AR con relación al resto de los tratamientos; la remoción de fósforo estaría más asociada a los procesos físicos de adsorción o sedimentación que a los procesos biológicos propiamente. La presunción acerca de que la remoción de fósforo estaría más asociada a los procesos físicos de adsorción o sedimentación que a los procesos biológicos propiamente, justificaría que las concentraciones medias de fósforo en el material de soporte (Tabla 6), se mantuvieran muy próximas entre sí, sin diferencia significativa entre las mismas (p = 0,910). Una situación parecida fue reportada por Sakadevan y Bavor [13], quienes en un estudio utilizando sistemas con diferentes plantas, encontraron que la cantidad de fósforo acumulado en el material de soporte fue similar en todos los casos, presumiendo que dicha acumulación ocurría principalmente por procesos de adsorción, y no por factores como la carga, el tiempo de retención o la columna de agua.

Al momento de culminar el estudio a escala laboratorio, los tratamientos AR, ARS, ARS L y ARST habían disminuido al mínimo la capacidad para la remoción del fósforo. Mientras que, en el caso de ARSTL ya había incremento del mismo. Esta etapa coincide con los menores valores de entrada reportados durante el estudio, lo cual indicaría la saturación de los distintos sistemas.

Conclusiones

Los resultados de la investigación demostraron que la planta Typha dominguensis cumple un papel importante en los procesos depurativos dentro de los humedales construidos a escala laboratorio, siendo efectiva en la remoción de nitrógeno, fósforo y DQO, sin embargo, no fue eficiente en la remoción de fósforo. La importancia del contacto agua-material de soporte y la función de los microorganismos para la remoción de este elemento fue evidenciada. En el caso de Lemna sp su desarrollo se limita en aguas ricas en microalgas.

Los diferentes componentes de un humedal construido (agua, material de soporte y vegetación) cumplen importantes y distintas funciones dentro de los procesos depurativos que en ellos se realizan.

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Recibido el 19 de Mayo de 2010 En forma revisada el 23 de Mayo de 2011