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INTRODUCCIÓN
Los tratamientos llamados no convencionales, ecológicos, verdes o tecnologías blandas se muestran actualmente como una alternativa viable para la depuración de las aguas residuales, tanto urbanas como industriales; principalmente en países considerados en vías de desarrollo y en sistemas rurales (Nivala y col., 2020, De la Varga y col., 2020). Son sistemas de bajo costo y escasa complejidad tecnológica, no requieren de altos consumos energéticos, alcanzan niveles de eficiencia razonables, además de que para su operación y mantenimiento no necesitan de personal especializado, siendo perfectamente compatibles con el medio ambiente (Abedi y Mojiri, 2019; Zhao y col., 2020).
Un ejemplo de estas tecnologías, cuya aplicación se extiende cada vez más a escala global debido al desarrollo técnico alcanzado y al nivel de resultados científicos logrados sobre el tema, son los humedales artificiales (Ji y col., 2020). Estos métodos basan su operación en los mecanismos propios que usa la naturaleza para la depuración de las aguas residuales, en donde se combinan procesos físicos, químicos y biológicos entre el suelo, las plantas, los microorganismos y la atmósfera, mutuamente influenciados unos con los otros (Biswal y Balasubramanian, 2022; Liao y col., 2020). Ello da lugar a la ocurrencia de procesos de sedimentación, filtración, absorción, biodegradación, fotosíntesis, foto-oxidación, y toma de nutrientes por parte de la vegetación mediante el metabolismo, bajo diversas condiciones de operación (Farraji, 2019).
Estudios publicados sobre experiencias en Latinoamérica, Asia y África demuestran la capacidad de los humedales de flujo sub-superficial horizontal para remover, con una alta eficiencia, y a bajo costo, cantidades significativas de materia orgánica, nitrógeno, fósforo, sólidos suspendidos, bacterias y metales pesados de las aguas residuales, tanto urbanas como industriales (Larriva y González, 2017; Gholipour y col., 2020). La incorporación de biocarbones y microorganismos eficientes eleva la capacidad de remoción de estos sistemas, al magnificar la bioactividad, lo cual es muy bien aceptado desde el punto de vista operacional (Deng y col., 2021; Sanjrani y col., 2020). Sin embargo, para la adaptación de cualquier tecnología a las condiciones climatológicas de un lugar se requiere de investigaciones específicas que conduzcan a la obtención de coeficientes propios para el diseño, o adaptaciones a la metodología de diseño utilizada en lugares en donde estos procesos ya han sido estudiados (Bernardes y col., 2019; Perdana y col., 2020).
La Unidad Empresarial de Base “Matadero Chichí Padrón” ubicada en la ciudad de Santa Clara, en el centro de la isla de Cuba, es una entidad productiva que no posee sistema de tratamiento propio, desechando sus aguas residuales directamente al sistema municipal de alcantarillado, Manrique, (2021). Ello ha estado provocando la contaminación de los suelos y cuerpos hídricos hacia los cuales estas aguas han sido conducidas por años, generando múltiples impactos negativos sobre el medio ambiente.
La propuesta novedosa de utilizar un humedal artificial de flujo subsuperficial, bioactivado con microorganismos eficientes (MOE), para la gestión de dichas aguas residuales podría ser una alternativa de tratamiento interesante aplicable a esta industria, además de ser económicamente factible y sostenible desde el punto de vista ambiental.
Es por ello que se define como objetivo del presente trabajo evaluar la eficiencia de humedales de flujo subsuperficial horizontal bioactivados con microorganismos eficientes, en la remoción de materia orgánica y otros contaminantes presentes en aguas residuales del matadero Chichí Padrón.
MATERIALES Y MÉTODOS
2.1 Descripción de los sistemas experimentales
Para evaluar la efectividad del método de gestión propuesto fueron construidos a escala de laboratorio cuatro sistemas experimentales de humedales de flujo subsuperficial horizontal (ver Figura 1), diferenciándose básicamente entre sí en la composición del sustrato (multicapa), y en el empleo (o no) de MOE al inicio de su operación.
Las dimensiones de los prototipos, construidos de polietileno de alta densidad (HDPE, 3 mm de espesor) fueron: 0,45 m de largo, 0,3 m de ancho y 0,25 m de profundidad.
2.1.1 Sustrato
Se decidió utilizar una configuración multicapa del sustrato, a tres niveles, con un incremento de la conductividad hidráulica desde la superficie hasta el fondo, lo cual aumenta significativamente la eficiencia hidráulica del sistema (Deng y col., 2021).
Los prototipos experimentales poseen en la superficie una capa de suelo pardo de 0,05 m de altura, luego una capa intermedia de arena fina de río (0,1 m), extraída de la cantera del Hoyo de Manicaragua, de la provincia Villa Clara, y en el fondo una capa de material grueso (0,1 m de altura), que puede ser indistintamente gravilla de piedra caliza o gravilla de zeolita (Figura 2).
Figura. 2 Sustratos usados en los HFSSH a escala de laboratorio. A: suelo pardo, B: arena fina de rio, C: gravilla de zeolita, D: gravilla de roca caliza
Para el estudio del suelo fue seleccionado un perfil representativo ubicado en áreas de influencia antrópica, el subtipo de suelo pardo mullido medianamente lavado, extraído de las cercanías de la entidad, en un área bajo pasto natural (Colás y col., 2020).
2.1.2 Planta emergente
Como elemento vegetal integrante del sistema fue seleccionada la especie Cyperus Alternifolius, planta perenne, herbácea, que se desarrolla bien bajo condiciones de estrés, con demostrada resistencia a los excesos de contaminantes, como metales pesados, nutrientes y materia orgánica (Sanjrani y col., 2020). Las plantas para el estudio fueron extraídas de zonas aledañas a la entidad, en una planicie cubierta de pasto verde, en las orillas de un riachuelo. Se escogieron especímenes jóvenes (4-6 meses), con raíces y rizomas en buen estado, realizándose la poda antes de la siembra. Los HFSSF fueron plantados con las mismas, a una densidad poblacional de 12 plantas por metro cuadrado aproximadamente. La etapa de adaptación duró cerca de tres meses.
2.1.3 Microorganismos eficientes y prototipos experimentales
Como elemento bioestimulante de la flora microbiana autóctona existente en los humedales, se propuso utilizar el bioproducto comercial ME-50, fabricado por el Grupo Empresarial LABIOFAM. Este bioproducto se presenta como una suspensión acuosa de color café, olor ligero a vino o fermento, y pH ácido (3,2 - 3,8). Es una mezcla de microorganismos autóctonos donde predominan los hongos filamentosos y levaduras, Lactobacillus, bacterias fotosintéticas, y actinomicetos. Para los estudios se preparó una solución acuosa de ME-50, 1:10 (v/v), la cual se dosificó gradualmente a razón de un litro por día en cada sistema ya plantado, por espacio de tres días, luego se dejó en reposo una semana, se repite el ciclo de bioactivación, y una vez estabilizados los sistemas, se comienza la alimentación del agua residual (Manrique, 2021).
Los prototipos de HFSSH fueron construidos en febrero del 2020, y colocados en un área cercana al foso colector de aguas residuales de la entidad, estando protegidos de la lluvia, pero expuestos a las variaciones naturales de la temperatura y la radiación solar.
Los experimentos fueron realizados entre los meses de junio y diciembre de 2020, existiendo oscilaciones de la temperatura ambiental entre 18 y 26 ºC en el horario nocturno, y entre 25 y 34 ºC en horario diurno.
2.1.4 Cuantificación de contaminantes, diseño y análisis estadístico.
Todas las determinaciones analíticas, incluyendo el sistema de muestreo, fueron realizadas por el laboratorio de la Empresa Nacional de Análisis y Servicios Técnicos, ENAST, UEB Villa Clara según los métodos estandarizados de la APHA (Baird y Bridgewater, 2017).
En los ensayos de campo se propuso utilizar un diseño factorial de experimentos 23, siendo definidas como variables de entrada: el tipo de sustrato (X1), el tiempo de retención hidráulico: TRH (X2), y la bioactivación con microorganismos eficientes tipo ME-50 (X3).
El análisis estadístico de los resultados del diseño factorial se realizó usando el paquete de procesamiento STATISTICA 7, versión 7.0.61.0, mediante regresión múltiple, proponiendo para la correlación el siguiente modelo lineal general (Ecuación 1):
(Ecuación 1)
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 Caracterización de las aguas residuales
A continuación se indican los valores promedios anuales correspondientes a la DQO y DBO5, obtenidos a partir de la caracterización química realizada al menos dos veces en el año al agua residual (AR) que emana del proceso industrial del matadero, registrados durante los últimos 10 años, y plasmados en el texto de Manrique (2021). Como se puede observar en la Tabla 1, los valores de estos parámetros en esta etapa han estado siempre por encima del valor máximo promedio permisible (LMPP) exigido por la norma cubana para vertimientos: (NC 27, 2012). También se muestra el índice de biodegradabilidad (IB), expresado como la relación entre la DBO5 y la DQO. Valores de este indicador superiores a 0,4 son idóneos para el empleo de métodos biológicos en su gestión (Zhao y col., 2020).
Tabla 1 Registro histórico de la demanda química de oxígeno (DQO) y la demanda bioquímica de oxígeno (DBO5), de las aguas residuales del matadero Chichí Padrón (2011-2020)
Por otra parte, y como elemento de comprobación, también fue realizada una caracterización química antes del inicio de los estudios experimentales, en mayo de 2020, cuyos resultados se muestran en la Tabla 2.
Tabla 2 Caracterización química del agua residual a la salida del matadero, mayo 2020
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|---|---|---|---|
| DQO (mg/L) | 960 ± 52 | 700 | No cumple |
| DBO5 (mg/L) | 450 ± 33 | 300 | No cumple |
| SSt (mg/L) | 27 ± 4 | 10 | No cumple |
| pH | 7,2 ± 0.3 | 6-9 | Cumple |
| Nt (mg/L) | 31-69 | - | - |
| Nitrógeno Amoniacal (mg/L) | 12-38 | - | - |
| Fósforo total (mg/L) | 24-97 | - | - |
| Grasas y Aceites (mg/L) | 140± 18 | 50 | No cumple |
| Conductividad (µs/cm) | 1400 ± 105 | 4000 | Cumple |
Resumiendo puede afirmarse que: los resultados obtenidos en los ensayos analíticos de caracterización, tanto históricos como actuales, muestran que los valores de la DQO, la DBO5, los sólidos suspendidos, y las grasas y aceites, han superado regularmente los límites máximos de vertimiento admitidos por la norma cubana NC 27, (2012), razón por la cual queda plenamente justificada la necesidad de llevar a cabo la implementación de un tratamiento de depuración, preferentemente de tipo biológico, para la gestión de dichas aguas residuales.
3.2 Diseño factorial de experimentos
La concepción del diseño tuvo como objetivo principal evaluar, a escala de laboratorio, la influencia de un grupo de parámetros considerados claves en la operación del sistema escogido y en el logro de una elevada eficiencia en la remoción de los contaminantes. Los valores límites de estos parámetros fueron escogidos en el rango mostrado en la Tabla 3:
Tabla 3 Valores límites de los parámetros del diseño de experimentos
| X1: | sustrato | Sistema híbrido: gravilla de piedra caliza + arena + suelo | -1 | S1 |
| X1: | sustrato | Sistema híbrido: gravilla de zeolita + arena + suelo | 1 | S2 |
| X2: | TRH | 2 días (48 horas) | -1 | - |
| X2: | TRH | 4 días (96 horas) | 1 | - |
| X3: | act. con MOE | no | -1 | A |
| X3: | act. con MOE | si | 1 | B |
Como variables respuestas fueron registrados los valores del por ciento de remoción alcanzado luego del paso del agua residual por el sistema en estudio, en condiciones previamente definidas (X1, X2, X3) a dos niveles, calculado para: DQO, DBO5, nitrógeno total (Nt), fósforo total (Pt), grasas y aceites (Gr y Ac), luego de que el sistema se encuentre operando en condiciones estables.
La organización de los experimentos y los resultados obtenidos muestran en la Tabla 4.
Tabla 4 Matriz del diseño factorial 23 y resultados para cada corrida.
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|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | -1 | -1 | -1 | 75,58 | 77,17 | 23,8 | 30 | 33,3 |
| 2 | 1 | -1 | -1 | 82,32 | 84,78 | 28,57 | 50 | 55,55 |
| 3 | -1 | 1 | -1 | 88,14 | 88,9 | 80,95 | 50 | 72,22 |
| 4 | 1 | 1 | -1 | 91,39 | 93,04 | 85,7 | 70 | 88 |
| 5 | -1 | -1 | 1 | 88,40 | 87 | 85,71 | 60 | 83,33 |
| 6 | 1 | -1 | 1 | 91,86 | 91,74 | 90,47 | 70 | 88,89 |
| 7 8 | -1 1 | 1 1 | 1 1 | 90,7 95,58 | 91,74 96,09 | 90,47 95,24 | 70 70 | 88,89 94,4 |
| 11 | -1 | -1 | -1 | 74,11 | 78,45 | 27,6 | 33 | 35,2 |
| 22 | 1 | -1 | -1 | 81,29 | 85,83 | 27,85 | 56 | 57,3 |
| 33 | -1 | 1 | -1 | 89,66 | 90,11 | 81,44 | 48 | 71,8 |
| 44 | 1 | 1 | -1 | 92,05 | 94,75 | 87,22 | 74 | 86,1 |
| 55 | -1 | -1 | 1 | 89,3 | 89,2 | 84,86 | 60 | 83,33 |
| 66 | 1 | -1 | 1 | 92,15 | 91,74 | 90,47 | 70 | 88,89 |
| 77 | -1 | 1 | 1 | 91,1 | 92,36 | 92,97 | 70 | 88,89 |
| 88 | 1 | 1 | 1 | 96,38 | 96,75 | 95,24 | 70 | 94,4 |
3.2.1 Modelación matemática por regresión múltiple
Se obtuvieron cinco modelos matemáticos, uno para cada una de las variables respuestas estudiadas. En todos los casos, las tres variables de entrada fueron significativas y positivas, con elevados coeficientes de correlación para el modelo ajustado (ver Tabla 5). De ello se puede inferir que los mismos describen adecuadamente la relación variable entrada-respuesta, en el intervalo definido, y que la perturbación o cambio del valor inicial, provoca siempre un cambio directamente proporcional, positivo, y estadísticamente significativo sobre la respuesta.
3.2.2 Análisis de los resultados en la remoción de contaminantes
Los valores alcanzados en la eliminación de los contaminantes para diferentes condiciones experimentales demostraron que:
en el sistema S1 (A), que posee un sustrato híbrido con roca caliza, para TRH entre 48 y 96 horas, se logran por cientos de remoción promedios en el rango: 74-89% para la DQO, 77-90% para la DBO5, 23,8-81% para nitrógeno, 30-50% para el fósforo, y de 33-72 % para las grasas y aceites.
en el sistema S2 (A), cuyo sustrato base es gravilla de zeolita, para TRH entre 48 y 96 horas, se logran por cientos de remoción promedio en el siguiente rango: 81-92% para la DQO, 84-94% para la DBO5, 28,6-85,7% para nitrógeno, 50-70% para el fósforo, y 55,5-88% para las grasas y aceites, valores ligeramente superiores a los primeros.
La bioactivación de estos sistemas con el bioproducto ME-50 provoca una mejora adicional y significativa en la eficiencia de remoción de todos los contaminantes.
en el sistema S1 (B), para TRH entre 48 y 96 horas, se logran por cientos de remoción en el rango de 88,4-90,7 % para la DQO, 87-91,7 % para la DBO5, 85,7-90,5% para nitrógeno, 60-70% para el fósforo, y de 83-89 % para las grasas y aceites.
finalmente, en el sistema S2 (B), para TRH entre 48 y 96 horas, se logran por cientos de remoción en el rango de 91-96 % para la DQO, 91-96 % para la DBO5, 90,5-95,2% para nitrógeno, 60-70% para el fósforo, y de 89-94% para las grasas y aceites.
Estos últimos son los valores máximos de eficiencia logrados, lo cual no significa que sean necesariamente “los valores óptimos” de operación que se recomienden para el sistema de tratamiento.
En la Figura 3 se muestra de forma gráfica la variación del por ciento de remoción de la DQO y la DBO5 para las diferentes condiciones investigadas en el diseño.
Los resultados obtenidos en el trabajo concuerdan con los rangos máximos de eficiencia para la remoción de estos tipos de contaminantes, en sistemas de humedales HFSSH, reportados por otros investigadores (Biswal y Balasubramanian, 2022; Sanjrani y col., 2020).
Figura 3 Variación del por ciento de remoción de la DQO y la DBO5 en HFSSH para TRH de 2 y 4 días, en dos tipos de sustrato, sin activación (SA) y bioactivados (+MOE)
Fue demostrado, para las condiciones objeto de estudio, que la bioactivación de los humedales con MOE, el empleo de sustratos apropiados, y tiempos de retención superiores a las 48 horas, son suficientes para lograr elevados niveles de remoción de la carga orgánica, los nutrientes, y las grasas y aceites, que acompañan a las aguas residuales generadas en el matadero. Por otra parte, el tipo de sustrato es una variable que influye preferentemente en la remoción de sales y sólidos, ya sean suspendidos o sedimentables.
Cabe realizar una mención especial al uso de la macrófita Cyperus Alternifolius como elemento vegetal integrante del sistema de tratamiento, cuya influencia respecto a otras especies no fue evaluada en esta ocasión, pero su papel fue esencial en los resultados obtenidos en esta investigación.
CONCLUSIONES
La bioactivación de los humedales con ME-50 incrementa significativamente la eliminación de la carga orgánica, los nutrientes, y las grasas y aceites contenidos en las aguas residuales del matadero.
Los valores máximos de eficiencia en la remoción de contaminantes se logran en los sistemas S2-B bioactivados con ME-50, para tiempos de retención de 96 horas.
Los modelos matemáticos obtenidos por regresión múltiple describen adecuadamente la relación variable entrada-variable respuesta.
Los resultados alcanzados a escala de laboratorio permiten afirmar que: el empleo de sistemas de humedales tipo HFSSH plantados con Cyperus Alternifolius, puede considerarse un método eficiente para el tratamiento de aguas residuales generadas en mataderos, lográndose elevados niveles de remoción de contaminantes, y un efluente compatible con las regulaciones ambientales cubanas.
