Introducción
Solo un 22 % de la población de América Latina y el Caribe tiene acceso a los servicios de saneamiento, situación que se agrava en el medio rural.1 Los elevados costos de inversión, operación y mantenimiento del saneamiento convencional, poco atractivos y muchas veces inalcanzables, especialmente para las comunidades de bajos ingresos, obliga a volver la mirada a la descentralización del tratamiento utilizando las tecnologías basadas en la naturaleza, entre las que se encuentran los humedales artificiales o construidos.2-4 Entre los diferentes tipos de humedales construidos, los de flujo vertical (HV), especialmente de tipo francés, son atractivos debido a su capacidad de tratar aguas municipales crudas sin una sedimentación primaria.5-6 Además, la reutilización del agua puede convertirse en una fuente de agua para otros usos. Esto a nivel local precisa, inexorablemente, del tratamiento descentralizado en ese nivel, lográndose por ejemplo con HV el cumplimiento de normas de descarga del nitrógeno.7
Las principales características de los humedales de flujo vertical (HV), están bien descritas en la literatura.8 Los HV son aplicados para remover con eficiencia la materia orgánica y promover los procesos de nitrificación. Esto se logra por el alto suministro de oxígeno que se alcanza con la alimentación intermitente de los sistemas y el control de la carga hidráulica. Debido a la intermitencia en la alimentación se suceden períodos de saturación e insaturación del medio soporte con agua, estimulando la entrada de aire al sistema, lo que crea condiciones más óxicas que en los sistemas de flujo horizontal y estimula los procesos oxidativos. La transferencia de oxígeno, que ocurre sin necesidad de fuentes externas de energía, se debe a los procesos de reaeración atmosférica, convección y difusión con un aporte secundario de las plantas, observándose que la tasa de transferencia del oxígeno, supera a la de su consumo.9-10 Aunque con mayor frecuencia son alimentados como se mencionó, pueden trabajar en modo continuo (eventualmente) o semicontinuo y con recirculación.11-13 Aunque se ha señalado que son más susceptibles a la colmatación que los de flujo horizontal, la deposición de los sólidos del agua cruda conduce a la formación de una capa superior de sólidos que no afecta la infiltración del agua residual, aunque cuando alcanza un espesor considerable debe ser removida, además una elección adecuada del medio soporte contrarresta esto.14-16
Un aspecto importante para considerar el empleo de los humedales construidos, dada la universalidad del uso de productos de cuidado personal, fármacos, etc., que al final terminan en los ecosistemas acuáticos como microcontaminantes orgánicos (MCO), es la capacidad de estos sistemas de removerlos, cosa que no se logra eficientemente en los sistemas convencionales de tratamiento como los de lodos activados, filtros percoladores, entre otros.17-18
Los HV han sido utilizados con éxito en diferentes regiones climáticas incluyendo el clima tropical y el de regiones áridas o semiáridas 19-20, así mismo es insuficiente el estudio y aplicación en América Latina de los humedales construidos en general y de estos sistemas en particular.21 Por lo anterior, para evaluar el desempeño de los HV en dos condiciones climáticas y con objetivos distintos al tratar agua residual municipal, en el presente trabajo se muestran los resultados de la remoción de la carga orgánica en sistemas a escala completa, durante 9 años en la región del Tarn en Francia y de microcontaminantes orgánicos, a nivel experimental en mesocosmos, en Izúcar de Matamoros, Puebla, México.
Materiales y métodos
Humedales en el Tarn
El Tarn es un departamento esencialmente rural, con clima oceánico templado de 390.000 habitantes en tres ciudades medianas (Albi con 60.000, Castres con 45.000 y Gaillac con 20.000 habitantes). Un sector industrial modesto que cuenta con una red de humedales construidos de tipo rústico, fundamentalmente para pequeñas aglomeraciones urbanas. La evaluación en esta región de la eficiencia de estos sistemas para remover la contaminación de las aguas residuales municipales es una experiencia útil, salvando las diferencias climáticas y socio-económicas, para muchas regiones de América Latina.
Se utilizaron los datos recopilados por el SATESE 81 (Servicio de Asistencia Técnica a Responsables de Estaciones de Depuración del departamento del Tarn), correspondientes a los análisis de influentes y efluentes, en los laboratorios acreditados ante las autoridades, de 67 plantas de tratamiento con humedales plantados con carrizos, de 1, 2 etapas (2 HV en serie) o con recirculación, que atienden de 70 a 200, 200 a 1000 o 1000 a 3000 habitantes-equivalentes (HE) (tabla 1).
Tabla 1 Humedales evaluados en el estudio
Tipo | Tamaño, HE | ||
<200 | 220-850 | 1000-3000 | |
1 etapa | 28 | 13 | 3 |
2 etapas | 3 | 7 | 2 |
Con recirculación | - | 3 | 2 |
Las variables evaluadas fueron los porcentajes de remoción (con base en el flujo de entrada, kg d-1), de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO), demanda química de oxígeno (DQO), sólidos suspendidos totales (SST), nitrógeno total (Ntot) y fósforo total (Ptot), obtenidos entre 2009 y 2018, de acuerdo con los métodos establecidos en la legislación francesa. El sistema francés de HV está bien descrito en la literatura.22 Estos sistemas constan por lo general de tres trenes de tratamiento, que trabajan en un régimen de un período de suministro por pulsos de agua residual por dos de descanso (comúnmente el período es de una semana).
Como parte de la evaluación del trabajo de los sistemas, se entrevistó a los encargados de la operación de los sistemas de 3 comunidades.
Humedales en Izúcar de Matamoros, México
Izúcar de Matamoros es un municipio con un clima cálido subhúmedo con una población cercana a 70,000 habitantes. La cabecera municipal es la ciudad del mismo nombre y en su periferia se encuentra la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de Izúcar de Matamoros (PTAR-IM), lugar en que se realizaron los experimentos. Siguiendo las recomendaciones generales para el diseño de estos sistemas 14, se construyeron dos sistemas de 1 m2 de superficie y se empaquetaron ambos tanques con grava de diferentes diámetros (de abajo hacia arriba: diámetro en cm, espesor de la capa, en cm): 8 -10, 10; 2 - 4, 15; 0,5 - 2, 10; 0,2 -0,8, 15 y arena gruesa (diámetro<0,2 cm), como capa más externa.
Un sistema fue plantado con Phragmites australis (Phr, carrizo) y el otro con Typha latifolia (Ty, espadaña o tule), macrófitas colectadas en la región, ampliamente utilizadas en los humedales construidos.4 Los sistemas fueron adaptados durante 3 meses con el agua efluente del segundo sedimentador de la PTAR-IM. Posteriormente se comenzó la operación diaria de los sistemas con 4 pulsos de 50 L cada 2 h y 16 h de descanso para cada sistema. Este régimen de pulsos fue escogido para evaluar la eficiencia de los sistemas en el trabajo durante un turno de 8 h, jornada laboral típica y garantizar así la atención del humedal por personal que desempeña otras actividades en una instalación de tratamiento.
Después de 3 meses de trabajo se realizaron 5 muestreos semanales, analizándose pH, conductividad (CE, μS cm-1), turbiedad (TUR, unidades de turbiedad nefelométricas - UTN), potencial redox (Eh, mV) y oxígeno disuelto (Od, mg L-1), así como la concentración de las especies nitrogenadas NH4 +, NO2 - y NO3 - en mg L-1, en el influente y el efluente de cada mesocosmos. Se analizaron, a la entrada y la salida de los dos HV, por cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas, según se reporta en 23, las concentraciones en μg L-1, los siguientes MCO: cafeína (CAF), galaxolide (GAL), tonalide (TON), Parsol MCX (PAR), Sunscreen UV-15 (SCR), naproxeno (NAP), metildihidrojasmonato (MDJH), alquilfenoles (AP), triclosán (TRI) y los alquilfenoles mono- y dietoxilados (APMEO y APDEO). Para todos los compuestos estudiados se determinaron sus cargas en μg m-3 d-1.
Resultados y su discusión
Humedales en el Tarn
El análisis de las cargas orgánicas en el influente de los sistemas mostró una relativa estabilidad durante los años evaluados (figura 1A). Esto se debe, de acuerdo con lo expresado en las entrevistas por las autoridades encargadas de los sistemas, a la disciplina de la población con respecto a lo que arrojan a sus aguas residuales domésticas, fruto a su vez de las campañas de educación y de las medidas que se toman con los infractores. Este aspecto puede ser un factor que influye en que los sistemas estudiados mostraron una buena estabilidad en la remoción de la carga orgánica. Dicha estabilidad se ejemplifica en la (figura 1B), que muestra los valores medios del porcentaje de remoción (%R) de la DBO. Se alcanzan valores de porcentajes de remoción muy cercanos a los reportados en un estudio de similar envergadura 6, (etapas, %R DBO, %R DQO, %R SST, %R Ntot, %R P tot): 2, 98, 93, 96, 93, 30; 1, 94, 86, 91, 81, 12.
En la figura 2 se muestran los valores medios de los porcentajes de remoción obtenidos en los diferentes sistemas de humedales del Tarn.
Como se puede observar, los sistemas de dos etapas presentan los mejores resultados, excepto para la remoción del Ptot en poblaciones pequeñas o grandes. El análisis de varianza de Kruskal-Wallis confirmó lo observado, mostrando diferencias significativas entre los sistemas de dos etapas y los otros dos tipos de sistemas, para la DBO, DQO, SST y Ntot pero no para el Ptot (tabla 2).

Fig. 1 Valores medios de la DBO (A) y de sus porcentajes de remoción (B) en los sistemas de humedales en el Tarn

Fig. 2 Valores medios de la remoción de la contaminación orgánica en los diferentes sistemas de humedales del Tarn
Tabla 2 Valores de p para comparaciones múltiples de 2 colas.
DBO | DQO | |||||
1E | R | 2E | 1E | R | 2E | |
1E | 1,000 000 | 0,000 000 | 1,000 000 | 0,000 000 | ||
R | 1,000 000 | 0,000 000 | 1,000 000 | 0,000 005 | ||
2E | 0,000 000 | 0,000 000 | 0,000 000 | 0,000 005 | ||
SST | Ntot | |||||
1E | 0,687 294 | 0,000 000 | 1,000 000 | 0,000 000 | ||
R | 0,687 294 | 0,000 412 | 1,000 000 | 0,000 099 | ||
2E | 0,000 000 | 0,000 412 | 0,000 000 | 0,000 099 | ||
Ptot | ||||||
1E | 0,821 941 | 0,099 690 | ||||
R | 0,821 941 | 0,074 592 | ||||
2E | 0,099 690 | 0,074 592 |
Según estudios realizados en el SATESE 81, que constan en la documentación de dicha entidad, entre 2009 y 2011, considerando 19 instalaciones, la supresión de una segunda etapa conlleva un ahorro económico que se sitúa entre el 20 y el 30 % de la inversión total. Por otra parte, un estudio publicado en 2011 por el Observatorio del Agua del departamento Seine et Marne sobre los costos de inversión para humedales de dos etapas (22 instalaciones) 24, concluye que el costo de inversión promedio para HV con capacidades comprendidas entre 500 y 1000 HE es de 624 €/HE. En el caso de capacidades comprendidas entre 1000 y 2000 HE, el costo de inversión disminuye a 542 €/HE. Los costos de explotación se sitúan alrededor de 9 euros/HE/año. Considerando un 25 % de economía, para 500-1000 HE y los valores de las cargas de entrada/salida para los sistemas de 1 (HV1) y 2 etapas (HV2), en g DBO d-1 HE-1 m-2, 13,30/1,07 y 25,42/0,60 respectivamente, el costo de inversión por gramo de DBO removida por día, m2 y HE para los HV1 y HV2 es de 59,6 y 51,7 € respectivamente. Aunque esto confiere cierta ventaja a los HV2, el hecho de que los HV1 requieren 1,5 m2 HE-1 y los HV2 2 m2 HE-1, puede ser el factor más importante para decidir por los HV1 en condiciones de limitación de terreno para la instalación de los HV.
Humedales en Izúcar de Matamoros, México
En la tabla 3 se muestran los resultados del análisis de los índices fisicoquímicos del agua influente y efluente de los mesocosmos ubicados en la PTAR-IM. Se observa una disminución drástica de la turbiedad, un incremento del potencial redox y del contenido de oxígeno disuelto, que evidencian un ambiente óxico característico de estos sistemas, un cambio en los valores de pH hacia valores más cercanos a la neutralidad y una ligera disminución de la conductividad eléctrica. En correspondencia con el ambiente óxico, hay una remoción de amonio y un incremento de los nitritos y nitratos por el decursar de los procesos de nitrificación. Estos cambios en los índices fisicoquímicos se corresponden plenamente con los valores reportados para los HV en Alemania y España.25-26 Las diferencias entre los resultados obtenidos con Phr y Ty, evidencian un ambiente más óxico en los sistemas plantados con Ty. Es de destacar, que la turbiedad, después del tratamiento en el HV plantado con Ty, alcanza ya un valor muy cercano a lo estipulado en la Ley Federal de Derechos (última modificación de 2018), para agua de uso público urbano de 10 UTN.27 Utilizando sistemas de dos etapas (datos que no se muestran), se alcanzan valores inferiores a lo normado.
Tabla 3 Valores de los índices físico-químicos (las unidades se expresan en el texto).
Entrada | Phr | Ty | |
TUR | 67,0±5,6 | 15,7±3,0 | 11,3±3,6 |
Eh | -276,0±7,3 | 17,8±1,3 | 19,6±1,1 |
Od | 0,00±0,00 | 0,98±0,96 | 1,26±0,85 |
CE | 2024±436 | 1945±366 | 1820±387 |
pH | 7,59±0,53 | 7,31±0,31 | 7,20±0,59 |
NO2 - | 0,92±0,43 | 4,40±2,95 | 1,15±0,88 |
NH4 + | 8,23±2,55 | 2,47±0,95 | 0,94±0,41 |
NO3 - | 3,29±1,53 | 5,57±2,65 | 7,29±2,19 |
En lo concerniente a la remoción de los MCO, en la tabla 4 se muestran los valores medios y desviaciones estándar de las concentraciones a la entrada y la salida de los sistemas, así como los porcentajes de remoción de sus cargas.
Estos resultados, aunque corresponden a humedales jóvenes en los que las poblaciones microbianas aún no han madurado completamente, muestran la eficacia de los HV para remover los MCO. Los valores de remoción del NAP, TON, TRI y CAF son comparables con los reportados para sistemas de similar diseño como se muestra en la figura 3. Los altos valores de remoción de la CAF son congruentes con la alta degradabilidad de este compuesto en estos sistemas.26
Tabla 4 Concentraciones (C, μg L-1, media ±desviación estándar) y porcentajes de remoción (%R) de las cargas de los MCO en los HV en Izúcar de Matamoros.
MCO | CAF | GAL | TON | PAR | SCR | NAP |
Entrada, C | 2,39±1,34 | 1,38±1,19 | 0,12±0,10 | 0,54±0,44 | 1,36±1,06 | 0,75±0,47 |
Phr, C | 0,44±0,24 | 0,42±0,36 | 0,06±0,05 | 0,11±0,13 | 0,47±0,31 | 0,65±0,52 |
Phr, %R | 81,8 | 70,0 | 53,7 | 80,0 | 65,3 | 13,5 |
Ty, C | 0,35±0,21 | 0,26±0,24 | 0,04±0,03 | 0,09±0,11 | 0,34±0,29 | 0,43±0,39 |
Ty, %R | 85,2 | 81,4 | 68,3 | 82,7 | 75,1 | 42,8 |
MCO | MDHJ | AP | TRI | APMEO | APDEO | |
Entrada, C | 4,47±1,65 | 38,26±33,42 | 2,88±0,85 | 11,61±11,59 | 3,09±2,45 | |
Phr, C | 3,04±1,94 | 11,60±6,11 | 1,46±1,54 | 3,50±3,15 | 0,78±0,69 | |
Phr, %R | 32,2 | 69,7 | 49,3 | 69,9 | 74,9 | |
Ty, C | 1,98±1,26 | 8,23±6,18 | 0,83±0,94 | 1,74±1,10 | 0,57±0,40 | |
Ty, %R | 55,9 | 78,5 | 71,3 | 85,0 | 81,6 |
Debe considerarse que el agua tratada en los HV ya ha recibido un tratamiento secundario. Las aguas residuales de varias poblaciones, localizadas en una amplia zona de la Subcuenca del río Nexapa, en la que se encuentra la ciudad de Izúcar de Matamoros, presentan una variabilidad muy grande de la contaminación orgánica y del contenido de materia flotante y sólidos.28-30 Esto implica que con las características que presentan las aguas residuales en muchas regiones de México y Latinoamérica, resulta necesario incluir antes del humedal, además del desbaste grueso normal, un tratamiento como puede ser una fosa séptica, un digestor anaerobio, etc., para homogeneizar el afluente a tratar.
Considerando las necesidades de investigación, para que se extienda la aplicación de los distintos tipos de humedales construidos en América Latina, se requieren más estudios, tanto de su eficiencia en la remoción de la contaminación orgánica en términos generales, como de los microcontaminantes orgánicos en particular.17 En este sentido la utilización de sistemas híbridos es una opción prometedora.31-32 Otro aspecto que necesita de investigación es la modelación de los procesos de remoción de los contaminantes, para lo cual se han diseñado diversas herramientas de software.33
Conclusiones
Los humedales verticales que se utilizan en el tratamiento de las aguas residuales de pequeñas comunidades en el Tarn remueven la DBO, DQO, SST y Ntot con gran eficiencia. Aunque se obtienen mayores tasas de remoción con los HV de 2 etapas, este incremento en la eficiencia debe ser evaluado considerando el menor requerimiento de área para los HV de 1 etapa, así como los valores a alcanzar de los índices fisicoquímicos. Los experimentos a nivel de mesocosmos de tratamiento terciario del agua efluente de una planta de tratamiento convencional en México, muestran que se alcanzan valores de turbiedad muy cercanos a los requeridos para agua de uso público urbano, según la legislación mexicana. La remoción de algunos de los MCO estudiados en el tratamiento terciario mencionado, muestra la utilidad de los HV para atenuar la contaminación de las aguas superficiales por estos compuestos, aspecto al cual se le está prestando una creciente atención. Las diferencias climáticas de las dos regiones, del sistema de trabajo de los HV y los distintos aspectos de la contaminación que abordan los sistemas estudiados, muestran la conveniencia de su consideración para el tratamiento de aguas residuales municipales en distintas regiones de América Latina