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UNIVERSIDAD EARTH DISEÑO DE TECNOLOGÍAS PARA LA DESCONTAMINACIÓN DE AGUAS RESIDUALES EN SISTEMAS AGROPECUARIOS Por PATRICIA MARIA A RECALDE PINEDA JUAN DIEGO ARAYA MURILLO Trabajo de graduación presentado como requisito parcial para optar al título de INGENIERO(A) AGRÓNOMO(A) Con el grado de LICENCIATURA Guácimo, Costa Rica Diciembre, 2006
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UNIVERSIDAD EARTH
DISEÑO DE TECNOLOGÍAS PARA LA DESCONTAMINACIÓN DE AGUAS RESIDUALES EN SISTEMAS AGROPECUARIOS
Por
PATRICIA MARIA A RECALDE PINEDA
JUAN DIEGO ARAYA MURILLO
Trabajo de graduación presentado como
requisito parcial para optar al título de
INGENIERO(A) AGRÓNOMO(A)
Con el grado de
LICENCIATURA
Guácimo, Costa Rica Diciembre, 2006
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Trabajo de graduación presentado como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Agrónomo con el grado de Licenciatura
Profesora Asesor ____________________________ B. K. Singh, Ph.D.
Profesor Asesor ____________________________ Jane Yeomans, Ph.D.
Decano ____________________________ Marlon Brevé, Ph.D.
Candidata ____________________________ Patricia María Recalde Pineda
Candidato ____________________________ Juan Diego Araya Murillo
Diciembre, 2006
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DEDICATORIA
A Dios que me dio la oportunidad de la vida, su compañía y guía intachable en
cada etapa de esta hermosa experiencia.
A mis padres Julio y Ninfa, quienes con amor inigualable me concedieron parte
de sus vidas e inculcaron una vida de valores, la visión de entrega y servicio a los
demás.
A mis hermanas Raquel, Maria José, por ser una fuente inagotable de amor y
amistad incondicional.
A quienes con espíritu de entrega y bendición de Dios luchan cada día por
entregar un mundo en mejores condiciones a las futuras generaciones.
Patricia Recalde Pineda
A Dios por la vida, por mi familia y por tantas personas especiales que me
rodean.
A mis padres Jorge Arturo Araya Chacón y Thais María Murillo Sancho, por
haberme apoyado incondicionalmente y haberme alentado día tras día a dar lo mejor de
mí.
A mis tres hermanos Oscar, Ligia y Laurita, a quienes con mucho aprecio y
orgullo les presento este ejemplo de superación.
A Marta, por haber sido fuente de inspiración inagotable y colaborar en que este
sueño se hiciera realidad.
A todas las personas que me apoyaron directa e indirectamente durante estos
cuatro años a que mi formación culminara de la mejor manera.
A mis compañeros, que durante cuatro años lograron calar en mí, un nuevo
concepto de amistad, y muy especialmente al equipo PARATICO.
vi
A EARTH, por haberme legado el conocimiento y las herramientas necesarias
para servir a los demás comprometidamente y dejar así, muy en alto el nombre de la
Institución.
Juan Diego Araya Murillo
vii
AGRADECIMIENTO
A Juanito por su amistad, entrega y dedicación inigualable en la preparación,
desarrollo y culminación de la investigación.
A los profesores de facultad, especialmente a Jane Yeomans y B.K. Singh por su
guía constante y su aporte desinteresado en mi formación profesional y personal.
A Herbert Arrieta y el personal del laboratorio de suelos, por su colaboración en
el desarrollo de la investigación.
A Alonso, por su guía y ejemplo implacable de perseverancia y arduo trabajo.
A los amigos, quienes compartiendo lo mejor de sí mismos, formaron parte de mi
vida y ayudaron a calar el día a día.
A la comunidad EARTH, por demostrarme que la lucha por el desarrollo
ambiental y humano no es solo el objetivo de una actividad sino el sentido de la vida
misma.
Patricia Recalde Pineda
A Patricia por su esfuerzo, paciencia y dedicación. Gracias Pathy por ayudarme
a ser una persona más crítica y conciente en todas mis actividades.
A los profesores Jane Yeomans y B.K. Singh por su interés, tiempo,
conocimiento y dedicación durante el desarrollo de este trabajo.
Al equipo del Laboratorio de Suelos y Aguas liderado por Herbert Arrieta, por su
gran ayuda, tanto técnica como personal durante estos cuatro años de carrera.
A mis padres, a mis hermanos y a Martita por el apoyo brindado en todas mis
actividades.
A mis compañeros, por convertirse en mis hermanos y compartir los mejores
momentos de mi vida.
Juan Diego Araya Murillo
ix
RESUMEN
En Costa Rica el 95 % de las aguas residuales son vertidas a cuerpos de aguas
naturales, ocasionando graves daños ambientales. Dos grandes sectores pecuarios
productores de contaminación son la explotación lechera y acuícola. El estudio tuvo por
objetivo el diseño de tecnologías de descontaminación de aguas residuales para estos
dos sistemas, mediante el diseño y construcción de un sistema de simulación de
descontaminación de aguas residuales y su evaluación mediante el análisis químico y
físico. La tecnología de descontaminación para las aguas residuales fue con base en
productos de acción biológica, EM (Microorganismos Eficaces) y SINMAX (Producto de
Saneamiento Hídrico), desarrollada en reactores aeróbicos y anaerobios. El modelo
experimental consistió en seis tratamientos con dos repeticiones cada uno. Estos
tratamientos fueron: testigo aeróbico, testigo anaeróbico, EM aeróbico, EM anaeróbico,
SINMAX aeróbico y SINMAX anaeróbico. Cada tratamiento tuvo una duración de una
semana. En el desarrollo del tratamiento se tomaron datos del pH y redox diariamente y
datos de la turbidez, sólidos (suspendidos, sedimentables y totales), amonio, nitratos,
fosfatos, DBO y DQO, al inicio y al final cada tratamiento. Los resultados fueron
sometidos bajo el análisis de varianza de Fisher.
Se encontraron diferencias significativas entre tratamientos. Los resultaron
indicaron una mayor tasa de descomposición de la materia orgánica con los
tratamientos de EM y SINMAX, por lo que presentaron una reducción de la carga
orgánica. La evaluación de los parámetros demostró una mayor actividad biológica en
los tratamientos con SINMAX bajo condiciones anaeróbicas para las dos explotaciones,
mientras que EM obtuvo mejores resultados en condiciones aeróbicas en aguas de
lechería. En aguas con altas concentraciones de sales, de explotación camaronera, el
SINMAX desarrolló mayores reacciones y compuestos orgánicos lentamente
biodegradables (DQO) debido a las enzimas y los microorganismos en el producto.
Palabras claves: Condiciones aeróbicas, condiciones anaeróbicas,
descomposición, descontaminación, EM (Microorganismos Eficaces), SINMAX,
(Producto de Saneamiento Hídrico).
x
Recalde P.; Araya J. 2006. Diseño de tecnologías para la descontaminación de aguas residuales en sistemas agropecuarios. Proyecto de Graduación. Lic. Ing. Agr. Guácimo, CR, EARTH. 54 p.
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ABSTRACT
In Costa Rica, 95% of residual waters are discharged into natural bodies of water,
causing serious negative environmental impacts. Two agricultural sectors, which
contribute to this environmental contamination, are dairy and shrimp production. The
objective of this study was to design technologies for the decontamination of residual
waters from these production systems, with the design and construction of a simulation
system of wastewater decontamination and its evaluation through physical and chemical
analysis. The technology was developed using the biological products, EM (Efficient
Microorganisms) and SINMAX (Water Decontamination Product), in aerobic and
anaerobic reactors. The experimental model consisted of six treatments each with two
repetitions. The treatments were aerobic control, anaerobic control, aerobic EM,
anaerobic EM, aerobic SINMAX, and anaerobic SINMAX. Residual water samples were
incubated for one week during which time pH and redox readings were taken daily. The
samples were analyzed for turbidity, solids (suspended, settleable and total), NH4+,
NO3-, PO4
-3, BOD, and COD, at the beginning and end of the incubation period.
The treatments of EM and SINMAX significantly increased the rate of organic
matter decomposition, as indicated by the reduced organic content of the water. Greater
biological activity occurred with SINMAX treatments, under anaerobic conditions, for
both production systems. Better results were obtained with EM in aerobic conditions in
the residual water from diary production. In the residual water from shrimp production,
which had a high salt concentration, SINMAX was more reactive, and produced higher
concentrations of slowly biodegradable organic compounds (COD), due to the enzymes
and the microorganisms in the product.
Key Words: Aerobic Condition, Anaerobic Condition, decomposition,
decontamination, EM (Effective Microorganisms), SINMAX (Hydric Cleaning Product).
Recalde P.; Araya J. 2006. Diseño de tecnologías para la descontaminación de aguas residuales en sistemas agropecuarios. Proyecto de Graduación. Lic. Ing. Agr. Guácimo, CR, EARTH. 54 p.
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TABLA DE CONTENIDO
Página DEDICATORIA ................................................................................................. V AGRADECIMIENTO ....................................................................................... VII RESUMEN....................................................................................................... IX ABSTRACT...................................................................................................... XI TABLA DE CONTENIDO ............................................................................... XIII LISTA DE CUADROS ..................................................................................... XV LISTA DE FIGURAS ...................................................................................... XVI
1 INTRODUCCIÓN................................................................................................1
2 OBJETIVOS .......................................................................................................3
2.1 OBJETIVO GENERAL...............................................................................3 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .....................................................................3
3 REVISIÓN DE LITERATURA.............................................................................4
3.1 USO DEL AGUA EN SISTEMAS AGRÍCOLAS.........................................4 3.2 AGUAS RESIDUALES EN SISTEMAS AGRÍCOLAS................................4
3.2.1 Lecherías .....................................................................................4 3.2.2 Camaroneras ...............................................................................5
3.3 CONTAMINACIÓN DE AGUAS.................................................................5 3.4 TECNOLOGÍAS EXISTENTES .................................................................6 3.5 SISTEMAS DE DESCONTAMINACIÓN BIOLÓGICOS ............................7 3.6 DESCRIPCIÓN DE LOS PARÁMETROS DE CALIDAD ...........................8
3.6.1 Propiedades Físicas ....................................................................8 3.6.2 Propiedades Químicas.................................................................9
3.7 LEGISLACIÓN DE VERTIDO DE AGUAS ................................................9
4 MATERIALES Y MÉTODOS............................................................................11
4.1 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE SISTEMA DE SIMULACIÓN .............11 4.2 DESCRIPCIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES DE LOS
SISTEMAS ESTUDIADOS ......................................................................12 4.2.1 Sistema de Producción, Finca Pecuaria Integrada (FPI) ...........12 4.2.2 Descripción del Sistema de Producción Camaronera................12 4.2.3 Recolección y traslado de aguas ...............................................13
4.3 DISEÑO DEL SISTEMA DE DESCONTAMINACIÓN..............................13 4.3.1 Simulación preliminar.................................................................13 4.3.2 Tratamientos..............................................................................13 4.3.3 Diseño experimental ..................................................................14
5 RESULTADOS Y DISCUSIÓN.........................................................................15
5.1 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA DE SIMULACIÓN ...........15
xiv
5.2 ANÁLISIS Y EVALUACIÓN DE LA RESPUESTA DE LAS AGUAS A LA TECNOLOGÍA DE DESCONTAMINACIÓN ................................... 18 5.2.1 Explotación lechera ................................................................... 18 5.2.2 Explotación camaronera............................................................ 26
6 CONCLUSIONES ............................................................................................ 33
7 RECOMENDACIONES.................................................................................... 36
8 REFERENCIAS CITADAS............................................................................... 37
xv
LISTA DE CUADROS
Cuadro Página Cuadro 1. Valores iniciales promedio de las aguas residuales del humedal
de la FPI-EARTH..........................................................................................19
Cuadro 2. Valores iniciales promedio de las aguas residuales del sistema de producción camaronero. ...............................................................................26
xvi
LISTA DE FIGURAS
Figura Página Figura 1. Diseño del sistema de simulación de descontaminación de aguas
residuales. ..................................................................................................... 11
Figura 2. Comportamiento de la conductividad eléctrica en aguas residuales del humedal de la FPI-EARTH en condiciones aeróbicas y anaeróbicas............ 16
Figura 3. Comportamiento del redox en aguas residuales del humedal de la FPI-EARTH en condiciones aeróbicas y anaeróbicas. .................................. 17
Figura 4. Comportamiento del pH en aguas residuales del humedal de la FPI-EARTH en condiciones aeróbicas y anaeróbicas. .................................. 18
Figura 5. Comportamiento de las variables secundarias durante el desarrollo de los tratamientos de las aguas residuales del humedal de la FPI-EARTH...... 20
Figura 6. Cambio en concentraciones de NH4+, NO3
- y PO4-3 de las aguas
residuales del humedal de la FPI-EARTH después de una semana de incubación en el sistema aeróbico y anaeróbico. ............................................................ 22
Figura 7. Cambio en concentraciones de DBO, DQO y sólidos suspendidos de las aguas residuales del humedal de la FPI-EARTH después de una semana de incubación en el sistema aeróbico y anaeróbico. ..................................... 24
Figura 8. Apariencia visual de las aguas de lechería después del período de tratamiento en condiciones aeróbicas (balón izquierdo) y en condiciones anaeróbicas (balón derecho). ........................................................................ 25
Figura 9. Comportamiento de las variables secundarias durante el desarrollo de los tratamientos de las aguas residuales del sistema de producción camaronero.................................................................................................... 27
Figura 10. Cambio en concentraciones de NH4+, NO3
- y PO4-3 de las aguas
residuales del sistema de producción camaronero después de una semana de incubación en el sistema aeróbico y anaeróbico..................................... 29
Figura 11. Cambio en concentraciones de DBO, DQO y sólidos suspendidos de las aguas residuales del sistema de producción camaronero después de una semana de incubación en el sistema aeróbico y anaeróbico. ............... 31
1
1 INTRODUCCIÓN
El agua es un recurso natural indispensable para el ser humano; gran parte de
ella se encuentra en forma de agua salada, mientras que solo el 3 % de los recursos
hídricos globales corresponden a agua dulce. Estudios indican que la demanda hídrica
a nivel mundial tiene un ritmo ascendente. El principal usuario de este recurso en latino
América y el Caribe, con un consumo mayor al 70 %, es el sector agricultura
(FAO 2003).
En el contexto de América Central, "The World Water", en su informe acerca de
los recursos hídricos, posiciona a Costa Rica como unos de los países más ricos en
oferta hídrica de la región centroamericana, con 112,4 kilómetros cúbicos y en primer
lugar con 29 579 metros cúbicos por año por cada habitante (Gleick 2002). Sin
embargo, la calidad de ésta se ve deteriorada en gran parte por el desarrollo de la
actividad agrícola. Causa del uso inadecuado de este recurso natural y a la
inaplicabilidad de sistemas de descontaminación, se han encontrado cada vez niveles
crecientes de nitratos en las aguas subterráneas debidas a la aplicación intensiva de
fertilizantes que se lixivian a los mantos acuíferos (UNA 2004).
La contaminación de los ecosistemas acuáticos se presenta como una amenaza
no solo para los organismos que habitan en él, sino para la salud pública en general, ya
que pueden convertirse en hospederos de patógenos, poniendo en riesgo la salud
pública. Es por eso que la aplicación de sistemas de descontaminación de aguas y el
uso racional de este recurso se presenta como alternativas para subsanar este
problema.
Costa Rica ha revalorizado la importancia de estas áreas y la calidad del agua;
así, en el decreto ejecutivo sobre el Reglamento de Reuso y Vertido de aguas
Residuales, consideran que proteger el recurso hídrico es proteger la salud del hombre
y la vida sobre la tierra, siendo este un elemento sustancial para alcanzar el desarrollo
sostenible del país. Aclara también que la contaminación de aguas es uno de los
problemas de mayor incidencia negativa en el ambiente, favoreciendo a la proliferación
de enfermedades de contagio hídrico, reduciendo la disponibilidad de esta y
2
aumentando el costo de suministro de agua para el consumo humano y exponiendo a la
extinción, a las especies que en estos ecosistemas habitan (Ministero de Salud 1997).
Por ello, es indisputablemente necesario el manejo integral y sostenible de este
recurso, mediante el desarrollo de tecnologías limpias que promuevan y mejoren la
calidad de aguas. Sin embargo, tanto la existencia como la disponibilidad de estos
sistemas aún son limitadas. Con el desarrollo de sistemas de descontaminación de
aguas se generaría información y tecnologías transferibles, a sistemas donde el uso de
insumos agrícolas y demanda de agua es alta como sistemas lecheros y acuícolas.
El siguiente estudio tiene como objetivo diseñar tecnologías de
descontaminación de aguas residuales provenientes de dos diferentes sistemas,
explotación lechera y de acuícola. El estudio consistió en el diseño y construcción de un
sistema de simulación de descontaminación de aguas residuales de dichos sistemas y
posteriormente se evaluó la respuesta de las aguas a las tecnologías de
descontaminación mediante el análisis químico y físico.
3
2 OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GENERAL • Diseñar tecnologías de descontaminación de aguas residuales provenientes
de dos diferentes sistemas
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS • Diseñar un sistema de simulación de descontaminación de aguas residuales
provenientes de diferentes sistemas.
• Construir el sistema de simulación de descontaminación de aguas
residuales previamente diseñado.
• Recolectar aguas residuales provenientes de dos diferentes sistemas:
lechería y camaroneras.
• Analizar las características físicas y químicas de las aguas residuales, antes
y después de cada tratamiento de descontaminación.
4
3 REVISIÓN DE LITERATURA
3.1 USO DEL AGUA EN SISTEMAS AGRÍCOLAS La extracción total de agua en Costa Rica es cercana a los 5,77 km3 año-1
(FAO 2005). El 98 % del total utilizada en las diferentes actividades humanas es
proveniente de aguas superficiales. Después del uso de agua para la producción de
energía hidroeléctrica (69 %), el sector agrícola ocupa el segundo lugar con un 28,3 %
(UNA 2004).
3.2 AGUAS RESIDUALES EN SISTEMAS AGRÍCOLAS Los sistemas agrícolas son unos de los grandes productores de aguas residuales
en el país. Con la intensificación de la agricultura, se ha venido aumentando el aporte
de insumos externos en dichas explotaciones, dando lugar a distintas formas de
impureza del agua. Entre ellas puede nombrar: las impurezas físicas (disueltas y por
suspensión), químicas (orgánicas e inorgánicas) y biológicas (plantas, animales y
protistas) (Kiely 2003).
Según el Décimo Informe del Estado de la Nación (2004), tan solo el 5 % de las
aguas residuales del país recibe tratamiento previo al vertido. Esto sugiere que el 95 %
de las aguas residuales son vertidas a cuerpos de aguas, ocasionando graves daños
ambientales, económicamente no cuantificables (Peña 2004).
3.2.1 Lecherías Uno de los sistemas productores de contaminación son las explotaciones
lecheras. En Costa Rica, el canal superficial otorgado para el desarrollo de esta
actividad es de 4700 m3 año-1 (CNHM 2002). Debido a que los animales absorben
aproximadamente el 15 % de los nutrientes proporcionados por la alimentación y lo
restante lo excretan, las aguas residuales producto de esta actividad tienen un exceso
de nutrientes, materia orgánica y compuestos reactivos.
Las aguas residuales resultantes de esta actividad mayoritariamente son vertidas
sin previo tratamiento a los causes de aguas superficiales. Un reducido porcentaje
recibe diversos tratamientos; algunos de ellos son: tratamientos en humedales
naturales y artificiales con plantas acuáticas, tratamientos en sistemas con canaletas,
5
digestión anaeróbica para la producción de biogás, filtro de sólidos para su posterior
compostaje y filtros de arena para la captura de sólidos.
3.2.2 Camaroneras La acuicultura es la actividad agrícola que se encarga del cultivo de peces,
reptiles, anfibios, crustáceos, moluscos y plantas en el agua. Esta actividad produce
una demanda anual de 7,29 x 108 m3 de agua por año (CNHM 2002). En el caso
específico de las producciones camaroneras, antes del ingreso de las larvas a los
estanques, es necesario fertilizar las aguas. Esta fertilización se realiza con
concentrados que tienen una gran cantidad de nutrientes.
Con los recambios de agua, así como al término de la actividad productiva estas
aguas euforificadas son vertidas a los canales de aguas, como los manglares. Mínimas
cantidades de las aguas residuales de esta actividad son tratadas mediante humedales
artificiales o naturales; sin embargo, este sistema demanda grandes extensiones de
tierra.
Esta actividad productiva debido a su alto consumo de insumos agrícolas, causa
grandes impactos sobre los humedales y manglares de las zonas costeras. Al mismo
tiempo, la tala de manglares, destrucción de lagunas y pérdida de la diversidad de dicho
ecosistemas, contribuyen a la degradación del medio ambiente circundante (Tribunal
Centroamericano del Agua 2004).
3.3 CONTAMINACIÓN DE AGUAS Existen varias formas de contaminación de aguas: la contaminación orgánica,
euforización, la acidificación, contaminación por metales pesados, venenos orgánicos,
por radioactividad y calor (Kiely 2003). Las explotaciones lecheras y camaroneras
generan principalmente los tres primeros tipos de contaminación.
La contaminación orgánica se produce por el vertido de grandes cantidades de
materia orgánica a los causes de aguas. La descomposición de ésta reduce los niveles
de oxígeno disuelto en el agua y liberan grandes cantidades de nitratos y fosfatos. Esto
produce la multiplicación de bacterias anaeróbicas que reducen la materia orgánica,
cuyos productos son tóxicos para otros organismos (Kiely 2003).
6
La eutroficación es una sobre carga de nutrientes en el agua, principalmente del
nitrógeno y del fósforo. Dicha contaminación tiene efectos adversos en las aguas,
debido a que puede darse una proliferación masiva de algas (seciles y planctónicas),
algunas de ellas tóxicas. La descomposición de estas algas consume el oxígeno del
agua y los animales que habitan en ella mueren o abandonan la zona afectada.
También el aumento de los residuos de nutrientes puede provocar un cambio en la
vegetación acuática. Tal desequilibrio del ecosistema natural, y la alteración química del
agua, convierten al medio acuático inadecuados para usos recreativos y hospederos de
posibles patógenos que ponen el riesgo la salud humana (Kiely 2003).
Debido a la liberación de hidronios, por la descomposición de la materia orgánica
y acción de las bacterias anaeróbicas, se produce una acidificación del medio acuático.
Tales efectos influyen directamente o indirectamente sobre los organismos, de manera
directa por la tensión fisiológica del medio e indirecta por la reducción de la oferta de
comida (Kiely 2003).
3.4 TECNOLOGÍAS EXISTENTES Los primeros diseños de procesos y plantas de tratamiento se basaban en el
empleo secuencial de métodos físicos y químicos, removiendo gran parte de los
contaminantes de las aguas residuales. Estas tecnologías de descontaminación
fisicoquímica son muy costosas y requieren de infraestructura muy especial para
realizarse. Muchas veces no es factible realizarlos por la elevada inversión requerida
(Fontúrbel e Ibáñez 2004).
En la actualidad existen diversos procedimientos para la descontaminación
hídrica. Emplean sistemas tan simples como la aplicación alternativa de cloro para
aguas con bajos niveles de contaminación biológica, hasta tratamientos especiales de
aguas que consisten, por ejemplo, en la eliminación de colores o algas del medio
(Kiely 2003).
Dichos tratamientos poseen elevados costos, y algunos presentan cerca de seis
clases de tratamientos distintos: pretratamiento (aireación, almacenamiento,
neutralización, ablandamiento), tratamientos primarios (coagulación, mezclado,
sedimentación), tratamientos secundarios (filtración), desinfección, tratamientos
7
avanzados (absorción, carbón activado, separación de compuestos halogenados) y
floculación. La complejidad de estos sistemas reduce a la accesibilidad a cualquiera
que sea la industria, principalmente en el área agrícola y pecuaria. Una importante
ventaja que presentan estas tecnologías es la alta eficiencia de descontaminación
(Kiely 2003).
El uso de microorganismos como herramienta de purificación hídrica es muy
reciente. Una de las premisas que se ha tomado con respecto a esta herramienta es
que todos los ecosistemas naturales poseen microorganismos capaces de metabolizar
los compuestos tóxicos y xenobióticos, aunque éstos suelen encontrarse en
proporciones menores al 1 % de la comunidad microbiana (Fontúrbel e Ibáñez 2004).
Esta premisa se ha cumplido casi en todos los casos que en la actualidad han
sido estudiados (Fontúrbel e Ibáñez 2004). Esta ventaja permite afirmar que en el
planeta existen microorganismos capaces de producir o degradar prácticamente
cualquier tipo de sustancia natural, presentándose como una oportunidad para la
descontaminación de aguas a menor costo y menor tiempo, con respecto a las técnicas
tradicionales. Otra de las ventajas que se pueden agregar a estos sistemas es la
flexibilidad de trabajar en condiciones aeróbicas y anaeróbicas, dependiendo del tipo de
organismo utilizado, origen de los residuos y la disponibilidad de equipos y materiales.
3.5 SISTEMAS DE DESCONTAMINACIÓN BIOLÓGICOS El tratamiento biológico del agua residual consiste en la utilización de
microorganismos para la promoción del proceso de regeneración del agua. En dicho
tratamiento, sea éste aeróbico o anaeróbico, los microorganismos descomponen la
materia orgánica en compuestos más simples como nitratos y fosfatos liberando dióxido
de carbono (Tchobanoglous y Burton 1991).
Ciertos tipos de microorganismos como los cimógenos reducen la materia
orgánica en estados solubles, mientras que otros consumen estos nutrientes,
produciendo grandes cantidades de antioxidantes. Por medio de la acción de los
microorganismos y condiciones específicas, se puede lograr la eliminación del
amoniaco y nitrato, así como también por medio de otras bacterias como la
Acinetobacter se puede lograr la eliminación del fósforo (Higa 2002).
8
Los sistemas de tratamiento biológico de agua se pueden realizar en condiciones
tanto aeróbicas como anaeróbicas. El sistema de tratamiento aeróbico de aguas
residuales consiste en la utilización de oxígeno con bacterias oxígeno-dependientes
que descomponen la materia orgánica. En el anaeróbico se utilizan microorganismos
que no necesitan oxígeno para el desarrollo metabólico (TECNUN 2005).
3.6 DESCRIPCIÓN DE LOS PARÁMETROS DE CALIDAD
3.6.1 Propiedades Físicas La calidad de aguas está dada por una serie de variables físicas, tales como los
sólidos, temperatura, turbidez, color y olor que ésta posea. Estas variables interactúan
entre si y determinan las propiedades químicas y viceversa. Seoanez (1999) afirma que
la mayoría de las propiedades químicas están dadas por el contenido de sólidos en el
agua, estén éstas disueltas, suspendidas o precipitadas en el fondo de las masas de
aguas.
La temperatura cumple un papel muy importante en la calidad de aguas, ya que
inciden en la fauna y la flora del medio, así como sobre la velocidad en que se
desarrollen las distintas reacciones químicas (Seoanez 1999). Según Roldan (2003), la
solubilidad del oxígeno se ve afectada por la variación de la temperatura, pudiendo el
agua aumentar la solubilidad de oxígeno en un 40 % al bajar la temperatura de 25 °C a
0 °C, debido a que en el agua fría, las moléculas retienen en sus estructuras, mayor
cantidad de oxígeno.
La turbidez es el grado de opacidad que posee el agua debida a la materia
orgánica en suspensión. Esta va directamente relacionada con colores que van desde
el azul hasta el rojo. Así, las aguas eutróficas poseen colores amarillentos y azulados
pardos, debido al fitoplancton que en estos medios se desarrolla (Roldan 2003). El olor
en estos sistemas es causado por la descomposición de la materia orgánica y puede
ser medida por la cantidad de sustancias volátiles como el metano, mercaptanos y
ácido sulfhídrico (Seoanez 1999).
9
3.6.2 Propiedades Químicas El oxígeno disuelto es utilizado por la fauna y flora acuática, tanto en su
metabolismo como en la descomposición de materiales orgánicos y desarrollo de
reacciones. Las altas demandas bioquímicas de oxígeno (cantidad de oxigeno disuelto
consumido por lo microorganismos, DBO) y demanda química de oxígeno (cantidad de
oxigeno necesario para oxidar las sustancias orgánicas del agua, DQO) no solo
conlleva a la generación de problemas de malos olores, sino también a la pérdida de las
vidas presentes en el medio (Aqueveque 2002, Kiely 2003).
Las plantas y las algas toman los nitratos durante la síntesis de proteínas para la
formación de tejidos. Cuando estos organismos mueren, éstas se descomponen
primero en amonio, seguidamente a nitritos y finalmente a nitratos. Así, las altas
concentraciones de amonio y nitritos en las masas de aguas son evidencias de
contaminación (Aqueveque 2002).
Así mismo, el fósforo interviene activamente en la formación de las estructuras
de organismos, en forma de ácidos nucleicos y moléculas de ATP. Con tan solo
miligramos de concentraciones de fósforo, es suficiente para disparar el crecimiento del
fitoplancton del medio, los cuales reducen el oxígeno del medio y modifican el
ecosistema (Kiely 2003).
La capacidad del agua para conducir una corriente eléctrica y la cantidad de
sales disueltas en el agua, impactan considerablemente la calidad de uso del agua.
Éstos pueden provocar problemas de adaptación de organismos que habitan el sistema
acuático, debido no solo al déficit de oxígeno al que se halla ligado al segundo factor,
sino también por sus mecanismos de osmoregulación (Roldan 2003). El pH del agua
influye directamente en los organismos presentes en el agua, así como también en el
desarrollo de reacciones químicas y disponibilidad de nutrientes (Aqueveque 2002).
3.7 LEGISLACIÓN DE VERTIDO DE AGUAS El Reglamento de Reuso y Vertido de Aguas Residuales de Costa Rica
(Ministerio de Salud 1997) clasifica éstas en dos tipos: las aguas de tipo ordinario y las
aguas de tipo especial. Las aguas ordinarias son aquellas que son generadas por las
actividades domésticas del hombre, como el uso de inodoros, duchas, lavatorios,
10
fregaderos y lavado de ropa. Las aguas especiales, por definición, son aquellas de tipo
diferente al ordinario.
Las leyes de Costa Rica especifican parámetros de análisis obligatorios para el
vertido de estos dos tipos de aguas. Dichos parámetros son: DBO5,20, DQO, pH, grasas
y aceites (GyA), sólidos sedimentables (SS), sólidos suspendidos (SS) y temperatura
(T). También, dependen en la actividad, la ley exigen más parámetros de análisis
obligatorios, como metales pesados y poblaciones de coliformes (Ministerio de
Salud 1997).
La frecuencia mínima de muestreo y análisis para aguas residuales de tipo
especial dependen del caudal vertido. La temperatura, pH y SS requieren una
frecuencia mínima mensual, si el caudal es menor a 10 m3 día-1, semanal si su caudal
varía entre 10 m3 día-1 a 100 m3 día-1 y diario si el volumen diario vertido es mayor a
100 m3 día-1. Para las variables de DBO5,20, DQO, GyA y SST se requiere una
frecuencia mínima anual si el caudal es menor a 10 m3 día-1, semestral si el volumen
diario vertido varía entre 10 m3 día-1 a 100 m3 día-1 y trimestral si el volumen vertido es
superior a 100 m3 por día (Ministerio de Salud 1997).
La legislación nacional afirma que la producción agropecuaria, por ser clasificada
dentro de las aguas de tipo especial, debe de cumplir con una serie de concentraciones
máximas permisibles de contaminantes por actividad. Para el caso de la actividad
lechera (Producción Agropecuaria), la concentración de DBO5,20 debe ser inferior a
500 mg L-1, mientras que el valor de DQO debe de ser menor a 800 mg L-1. Los sólidos
suspendidos totales no deben sobrepasar 200 mg L-1 y la cantidad de grasas y aceites
no está aún definida. Los límites contenidos en dichos parámetros son límites máximos
y serán obligatorios para todas las actividades que lo generen (Ministerio de
Salud 1997).
Para la explotación camaronera, las leyes de Costa Rica no describen cuáles
son las concentraciones máximas permisibles de contaminantes en sus vertidos. Esto
es un grave problema nacional, ya que no existe una legislación específica para dicha
actividad, y por lo tanto, no hay regulación al respecto (Ministerio de Salud 1997).
11
4 MATERIALES Y MÉTODOS
4.1 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE SISTEMA DE SIMULACIÓN Para la simulación de los sistemas de descontaminación, se ideó una serie de
reactores a partir de balones de cristal. Estos balones tienen una capacidad de
5000 mL cada uno, sujetos de un pedestal metálico (Figura 1). En estos reactores se
crearon condiciones aeróbicas y anaeróbicas para simular sistemas de
descontaminación controlados.
Figura 1. Diseño del sistema de simulación de descontaminación de aguas residuales.
Para la creación de las condiciones aeróbicas, se utilizó una bomba de aire para
la inyección de oxígeno en los balones por medio de una manguera de 4 mm de
diámetro. Se utilizó una bomba para peceras de dos salidas de aire. Esta bomba tiene
12
la capacidad de inyectar 12,7 cm3 de aire por segundo a cada balón. El flujo de aire fue
inyectado de manera continua durante el desarrollo del experimento. Se les adecuó
tapones especiales que permitieron el intercambio de oxígeno en los reactores
aeróbicos. La medición de pH y redox en estos balones se realizó mediante la
introducción de electrodos móviles.
Para las condiciones anaeróbicas, se les ajustó tapones de corcho en cada
balón, impidiendo el intercambio de oxígeno del interior del balón con el medio. Cada
tapón tuvo dos electrodos fijos, uno para la medición de pH, y otro para la medición del
potencial redox. Las mediciones se realizaron mediante un “pH-metro/redox-metro”.
Este aparato posee dos puertos o canales de entrada de datos por medio de
electrodos, uno para la medición de pH y otro para la medición de redox (mV).
4.2 DESCRIPCIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES DE LOS SISTEMAS ESTUDIADOS
4.2.1 Sistema de Producción, Finca Pecuaria Integrada (FPI) El sistema de descontaminación está abastecido a partir de las aguas residuales
de la porqueriza (67 cerdos), corral de inseminación, área de ordeño (65 vacas, 2
ordeños por día), lavado de herramientas y de equipos de ordeño y protección. Estas
actividades generan un volumen total de 383,27 m3 por semana (Cocha y Muñoz 2005).
Se tomó muestras de aguas en zonas representativas del primer humedal artificial,
localizado 10º13’05,6 latitud norte y 83°35’51,9 longitud oeste. Se analizó las aguas
para las siguientes variables: turbidez, sólidos (suspendidos, sedimentables y totales),
amonio, nitratos, fosfatos, DBO y DQO (Cleseri et al. 1999).
4.2.2 Descripción del Sistema de Producción Camaronera La laguna de la camaronera “El Trébol” está ubicada en Colorado, cantón de
Juntas, Guanacaste. Posee un espejo de agua de 6 ha, y una profundidad que varía de
1 m a 1.5 m. Dicha camaronera capta el agua de los manglares para su utilización en el
sistema productivo, donde la tasa de recambio de agua es de 3 % diario. Este sistema
de producción vierte sus aguas de recambio nuevamente en el manglar cuando éste se
encuentra en marea baja, dirigiéndose nuevamente hacia el mar. Se analizó las aguas
13
para las siguientes variables: turbidez, sólidos (suspendidos, sedimentables y totales),
amonio, nitratos, fosfatos, DBO y DQO (Cleseri et al. 1999).
4.2.3 Recolección y traslado de aguas La recolección de las muestras se realizó en cada uno de los sitios de estudio:
sistema de descontaminación de aguas servidas de la FPI y el sistema de producción
intensiva de camarones. En total se recolectó aproximadamente 70 litros de agua, los
cuales posteriormente fueron utilizados en los tres tratamientos.
Para el caso de las aguas de la FPI, el agua se trasladó a temperatura ambiente
en pichingas de 20 litros y se utilizó inmediatamente después del arribo al sitio del
experimento, el Laboratorio de Suelos y Aguas (LaSA). Las aguas de la camaronera se
trasladaron en galones de 3,785 litros y se colocaron en cubetas con hielo. Una vez
llegado al LaSA, se almacenó a 5 °C para su posterior experimento.
4.3 DISEÑO DEL SISTEMA DE DESCONTAMINACIÓN
4.3.1 Simulación preliminar En esta etapa se evaluó el comportamiento de las variables pH, potencial redox y
conductividad eléctrica (CE), tanto en condiciones aeróbicas como en condiciones
anaeróbicas. Tuvo una duración de 7 días. Las aguas utilizadas fueron provenientes del
primer humedal artificial del sistema de descontaminación productiva de la FPI.
4.3.2 Tratamientos Los tratamientos utilizados para el experimento fueron: Testigo, EM
(Microorganismos Eficientes) y SINMAX (Producto de Saneamiento Hídrico). El
tratamiento testigo estuvo en ausencia de cualquier producto. Tuvo una duración de
7 días y se trabajó en forma aeróbica y anaeróbica.
El tratamiento EM consistió en la aplicación de EM activado al 1,5 %. La
aplicación se realizó al inicio del período del tratamiento, en el día cero. Una vez
aplicado el producto, se mezcló por medio de un mezclador magnético durante un
minuto. Seguidamente se colocaron los electrodos y las mangueras de oxigenación
correspondientes y se realizó la primera medición. El tiempo de duración fue de 7 días.
14
Para el tratamiento de SINMAX, se realizó una aplicación de SINMAX al 1,5 %.
Esta aplicación se realizó al inicio del período del tratamiento. Al igual que en el
tratamiento de EM, se mezcló por medio del mezclador magnético durante un minuto y
se procedió a la colocación de los electrodos y mangueras de oxigenación
correspondientes. El tiempo de duración fue de 7 días.
4.3.3 Diseño experimental El modelo experimental consistió en seis tratamientos con dos repeticiones cada
uno. Estos tratamientos fueron: testigo aeróbico, testigo anaeróbico, EM aeróbico, EM
anaeróbico, SINMAX aeróbico y SINMAX anaeróbico.
Cada tratamiento tuvo una duración de 7 días. Durante este período se realizó
una medición diaria de pH y redox. Además, se procedió a analizar las aguas con las
siguientes variables: turbidez, sólidos (suspendidos, sedimentables y totales), amonio,
nitratos, fosfatos, DBO y DQO (Cleseri et al. 1999). Estas mediciones se realizaron
tanto al inicio como al final cada tratamiento.
Los datos obtenidos fueron sometidos bajo el análisis de varianza de Fisher.
Dicho análisis se utilizó para determinar diferencia significativa al comparar las medias
los tratamientos en cada una de las variables analizadas.
15
5 RESULTADOS Y DISCUSIÓN
5.1 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA DE SIMULACIÓN Los productos utilizados para la descontaminación de aguas son de acción
microbiológica. El EM es un producto elaborado dentro del campus de la Universidad
EARTH y posee más de 80 microorganismos diferentes, incluyendo bacterias lácticas,
fotosintéticas y levaduras. En este tratamiento se aplicó EM1 previamente activado
directamente al agua residual bajo los dos sistemas.
El SINMAX (Producto de Saneamiento Hídrico) es un producto a base de
microorganismos y enzimas desarrollado por estudiantes de la Universidad EARTH. Se
elabora a partir de levaduras (Saccharomyces cerevisiae) y bacterias lácticas
(Lactobacillus bulgaricus y Streptococcus thermophilus). Este producto se aplicó
directamente al agua residual bajo los dos sistemas.
Estos productos son a base de microorganismos, enzimas y metabolitos que
permiten la descomposición de la materia orgánica en compuestos más simples. En la
naturaleza existen microorganismos aeróbicos y anaeróbicos capaces de mejorar la
calidad de las aguas residuales. Así mismo, en las masas de aguas se pueden
encontrar éstas dos condiciones, aeróbicas para la superficie y anaeróbicas para las
profundidades. Por tal razón, el sistema de descontaminación de aguas residuales
diseñado utilizó la digestión biológica para cada una de las condiciones anteriormente
mencionadas.
Una de las ventajas del sistema de simulación es que permite crear condiciones
aeróbicas y anaeróbicas, facilitando la toma continua de datos. Además, es un modelo
de simulación relativamente a bajo costo y de fácil instalación y adaptación. Otra de las
ventajas es que debido a la utilización de balones de cristal de 5000 mL, permite la
observación de los cambios del agua tratada y no requiere altos volúmenes de agua.
Este sistema requiere electrodos fijos para la toma continua de datos, además de
la calibración periódica de los electrodos de pH. Otro de los requerimientos es la
limpieza semanal de los filtros de la bomba de aire, con el fin de evitar el atascamiento
y así aumentar la eficiencia de inyección de aire.
16
El pH, redox y CE son parámetros que permiten evaluar la calidad del agua.
Mediante una simulación preliminar del sistema de descontaminación, se evaluó el
comportamiento de las aguas mediante la medición diaria de dichos parámetros.
La conductividad eléctrica durante los 7 días no tuvo diferencia representativa en
los dos diferentes sistemas (Figura 2). En el caso del potencial redox, si existió
diferencia en su comportamiento según sea su aireación (Figura 3). El potencial redox
en el sistema aeróbico se mantuvo en un rango de 200 mV a 300 mV. En el sistema
anaeróbico, el redox inició en 270 mV descendiendo a - 400 mV en el día 4, y se
mantuvo constante hasta el final del período de muestreo.
Día
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
mS/
cm
6
8
10
12
14
16
AeróbicoAnaeróbico
Figura 2. Comportamiento de la conductividad eléctrica en aguas residuales del humedal de la FPI-EARTH en condiciones aeróbicas y anaeróbicas.
17
Día
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
mV
-600
-400
-200
0
200
400
AeróbicoAnaeróbico
Figura 3. Comportamiento del redox en aguas residuales del humedal de la FPI-EARTH en condiciones aeróbicas y anaeróbicas.
El comportamiento del pH fue distinto a las demás variables medidas. Esto
porque en el sistema aeróbico, las aguas tuvieron una tendencia a disminuir su acidez,
mientras que en el caso del sistema anaeróbico, las aguas incrementaron su nivel de
acidez (Figura 4). Los resultados obtenidos de esta prueba reflejaron que los
tratamientos afectan a las medias en cuanto al pH y el potencial redox. En caso
contrario, la conductividad eléctrica no tuvo efecto en los tratamientos. Por esta razón
se ideó descartar la medición de la variable de CE para el diseño de la simulación.
18
pH
Día0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
pH
5
6
7
8
9
AeróbicoAnaeróbico
Figura 4. Comportamiento del pH en aguas residuales del humedal de la FPI-EARTH en condiciones aeróbicas y anaeróbicas.
5.2 ANÁLISIS Y EVALUACIÓN DE LA RESPUESTA DE LAS AGUAS A LA TECNOLOGÍA DE DESCONTAMINACIÓN
5.2.1 Explotación lechera Las aguas residuales de la FPI poseen una alta carga orgánica. Para la
minimización del impacto ambiental de estas aguas sobre el medio, se pasan las aguas
por un separador de sólidos y luego por un sistema de digestión anaeróbica.
Posteriormente las aguas pasan a un sistema de cuatro humedales artificiales donde
reciben tratamiento con diferentes tipos de plantas acuáticas que actúan como filtros,
mediante su sistema radical. Las aguas de los humedales artificiales de la FPI poseen
un promedio de 0,44 mg L-1 de oxígeno disuelto en la salida del sistema de
descontaminación. Las condiciones iniciales de las aguas de los humedales artificiales
de la FPI sobre las cuales se evaluó el sistema de descontaminación se detalla a
continuación (Cuadro 1).
19
Cuadro 1. Valores iniciales promedio de las aguas residuales del humedal de la FPI-EARTH.
Turbidez NH4+ NO3
- PO4-3 DBO DQO SS
NTU -------------------------------------- mg L-1 ------------------------------------
57,8 0,93 1,11 1,56 23 58 293
El pH inicial del agua fue de 8,0. El pH del testigo, en el sistema aeróbico, no
varió durante la semana experimental (Figura 5). Inicialmente, con los tratamientos y en
condiciones aeróbicas, el pH del agua bajó, particularmente con el producto EM. Se
esperó este resultado debido a que el pH de los productos utilizados fue bajo, con
valores de 3,5 para EM y 3,9 para SINMAX. Los valores de pH del agua con los
tratamientos de EM y SINMAX presentaron un comportamiento similar, aproximándose
a valores por encima de 7 al cabo del séptimo día de tratamiento (Figura 5).
En condiciones de anaerobiosis, el tratamiento testigo presentó un valor mínimo
de pH de 6,6 al séptimo día, una unidad menos que el pH inicial del agua. Los
tratamientos de EM y SINMAX presentaron una acidificación del medio, dado por el
proceso de acidogénesis y las aguas alcanzaron valores constantes de pH de 4,6 y 4,4
respectivamente, a partir del tercer día (Figura 5).
20
pH
4
5
6
7
8
9Aeróbico Anaeróbico
Red
ox (m
V)
-600
-400
-200
0
200
400
1 2 3 4 5 6 7
Tiempo (días)
1 2 3 4 5 6 7
Testigo
SINMAXEM
Figura 5. Comportamiento de las variables secundarias durante el desarrollo de los tratamientos de las aguas residuales del humedal de la FPI-EARTH.
La materia orgánica en la solución con estos tratamientos pudo ser más
rápidamente hidrolizada por la acción de microorganismos y enzimas a compuestos
orgánicos simples, lo que produce la acidificación del medio. Esto sugiere que la carga
orgánica del agua fue reducida durante este estudio. El comportamiento del potencial
redox en el agua del testigo y de los tratamientos en aerobiosis, fue similar a lo largo de
los siete días (Figura 5). El valor de redox se mantuvo relativamente constante a partir
del sexto día y mayores que los de sistemas anaeróbicos, debido a que el potencial
redox es elevado por la presencia de H2, O2, NO3- (Kiely 2003). En anaerobiosis, tanto
en el testigo como en el agua con los productos biológicos, el potencial redox descendió
de valores aproximados a 120 mV para el primer día, hasta valores inferiores a -
400 mV en el segundo día. Se esperó este resultado debido a la ausencia de oxígeno
21
en este sistema. Después del segundo día, las aguas con los productos biológicos
experimentaron un incremento hasta el cuarto día para luego mantenerse constante
hasta el final del período evaluado (Figura 5).
Se pudo notar un ligero retraso en la acción del SINMAX con respecto al EM en
cuanto al pH bajo los sistemas de anaeróbicos y aeróbicos. Esto se debió a la
activación previa necesaria en el EM, ausente en el SINMAX, que permite una rápida
adaptación de los microorganismos al medio. Los resultaron indicaron una mayor tasa
de descomposición de la materia orgánica con los tratamientos de EM y SINMAX.
En las aguas residuales los nutrientes más importantes son el nitrógeno y el
fósforo ya que son eutrofizantes de las aguas. Estos se pueden encontrar de varias
formas en las aguas residuales. En el caso particular del N, los diferentes tratamientos
utilizados afectaron significativamente (p<0.05) la concentración de dicho nutriente con
respecto a los valores iniciales, tanto para las formas de NH4+ como para. NO3
-
En el testigo, la concentración de NH4+ disminuyó en el agua en ambos sistemas
aunque el cambio fue más pronunciado en el sistema aeróbico (Figura 6). Para los
tratamientos con EM y SINMAX, se obtuvo un aumento de la concentración de NH4+ en
los sistemas aeróbicos y anaeróbicos. Después de una semana, el tratamiento con el
SINMAX, en el sistema aeróbico, presentó el incremento en NH4+ más pronunciado
(Figura 6). Esto se pudo deber a la descomposición de material orgánico y
mineralización de N de las proteínas u otros compuestos nitrogenados, por acción de
las bacterias. El agua tratada con el EM en ambos sistemas, y el SINMAX en el sistema
anaeróbico, también experimentó un aumento en la concentración de NH4+; sin
embargo, fue menos de 1 mg L-1 (Figura 6) surgiendo una menor actividad bacteriana
en esos tratamientos comparado con el sistema SINMAX aeróbico.
22
-4
-2
0
2
4
6
NH4+ NO3
- PO4-3
Cam
bio
conc
entra
cion
es (m
g L-1
)
Aeróbico Anaeróbico
TestigoEMSINMAX
NH4+ NO3
- PO4-3
Figura 6. Cambio en concentraciones de NH4+, NO3
- y PO4-3 de las aguas
residuales del humedal de la FPI-EARTH después de una semana de incubación en el sistema aeróbico y anaeróbico.
Con el testigo, en el sistema aeróbico, el agua presentó el cambio más alto en
concentración de NO3-, mayor a 5 mg L-1 (Figura 6). En esta agua, el decremento de
NH4+ y el aumento del NO3
- en presencia de oxigeno se debe a un proceso de
nitrificación (Kiely 2003). En el sistema anaeróbico el agua no experimentó un cambio
en la concentración de NO3- por falta del oxígeno necesario para este proceso.
En el sistema aeróbico, el agua con los productos biológicos no experimentó un
cambio en las concentraciones de NO3-. Igual que en el agua testigo, esperó un
incremento en las concentraciones debido al proceso de nitrificación (Kiely 2003). La
falta de nitrificación en los tratamientos con EM y SINMAX se le atribuyó a la capacidad
de las bacterias en ambos tratamientos para producir sustancias antioxidantes
(Higa 2002) (Figura 6).
Las concentraciones de NO3- en el agua se redujeron notablemente para el
tratamiento de EM bajo condiciones anaeróbicos (Figura 6). La reducción de NO3- en
ausencia de oxígeno es debido al proceso bioquímico de desnitrificación (Kiely 2003).
El agua con el tratamiento de SINMAX no experimentó la misma reducción debida a las
concentraciones iniciales de NO3- muy bajas y falta de oxígeno para el proceso de
nitrificación.
23
El fósforo es importante para la actividad celular de los seres vivos. Este
elemento se encuentra mayoritariamente en detergentes y suplementos de comidas
para animales. En el testigo, en ambos sistemas, el agua no experimentó un cambio
alto en las concentraciones de PO4-3 (Figura 6). Este resultado sugirió poca
mineralización de P en la presencia o ausencia de oxígeno. La presencia de este
elemento en forma de PO4-3
presentó una diferencia significativa entre tratamientos
(P<0,05). El agua con mayor contenido de PO4-3
fue con el tratamiento de SINMAX en
ambos sistemas. El agua tratada con EM experimentó producciones similares, sin
embargo con concentraciones más bajas (Figura 6). La producción de PO4-3 indicó
mineralización de P en la materia orgánica debido a la actividad microbiana con los
tratamientos.
La DBO mide la cantidad de oxígeno disuelto consumido por los
microorganismos durante el proceso de descomposición del material orgánico
biodegradable en el agua. La DBO indirectamente evalúa la cantidad de material
biodegradable en el agua. La DQO es una evaluación indirecta del material orgánico,
biodegradable y no biodegradable, en el agua. Por lo tanto, la concentración de DQO
siempre es igual o mayor que la concentración de DBO (Tchobanoglous y Burton 1991).
Los testigos, tanto en condiciones aeróbicas como anaeróbicas, no experimentaron un
cambio significativo en la concentración de la DBO ni de la DQO, después de un
periodo de 7 días (Figura 7). Esto pudo deberse a la baja actividad microbiana en el
medio.
Los tratamientos biológicos en las aguas en ambos sistemas, produjeron un
incremento en la DBO y la DQO (Figura 7). Tanto el EM como el SINMAX poseen una
alta concentración de microorganismos que crecieron rápido en la presencia de altas
cantidades de materia orgánica, inicialmente produciendo un incremento en la DBO y la
DQO. Las poblaciones en ambos productos favorecieron el ámbito sin oxígeno, por eso
la concentraciones en el sistema anaeróbico incrementó más que en el sistema
aeróbico (Figura 7). El producto EM siempre produjo más DQO que DBO, indicando la
presencia del material tanto no biodegradable como biodegradable. También, en el
sistema anaeróbico, el agua tratada con este producto presentó concentraciones de
DBO y DQO más altas que en el agua tratada con el SINMAX (Figura 7).
24
Cam
bio
conc
entra
cion
es (m
g L-1
)
0
500
1000 TestigoEMSINMAX
DBO DQO SS
Aeróbico Anaeróbico
DBO DQO SS
Figura 7. Cambio en concentraciones de DBO, DQO y sólidos suspendidos de las aguas residuales del humedal de la FPI-EARTH después de una semana de incubación en el sistema aeróbico y anaeróbico.
Con el producto SINMAX en el sistema aeróbico, el agua tuvo más altas
concentraciones de DBO y DQO que el agua con el tratamiento con EM. También esta
agua experimentó un incremento en los sólidos suspendidos, más que el agua con el
producto EM (Figura 7). En el sistema anaeróbico con el producto SINMAX, el agua
presentó concentraciones de DBO y DQO menores que con el producto de EM. No
obstante, el agua con este tratamiento de SINMAX produjo más sólidos suspendidos,
sugiriendo una población más activa con este producto.
Junto con un incremento en las poblaciones de microorganismos, se esperó un
incremento en los sólidos totales, particularmente en sólidos sedimentables. En un
sistema de descontaminación de agua, las poblaciones de microorganismos
incrementan con la descomposición del material orgánico. Con una densidad mayor que
la del agua, eventualmente las poblaciones se sedimentan, y disminuyen la DBO y
DQO. Esto es el principio del sistema de lodos activados (Tchobanoglous y
Burlón 1991). Ambos sistemas en este estudio, aunque no presentaron un aumento en
los sólidos totales en el testigo, los tratamientos biológicos aumentaron los sólidos
suspendidos (Figura 7). Este resultado indicó un proceso biológico de descomposición
de materia orgánica pero no con tiempo suficiente para producir los sedimentos
25
(Tchobanoglous y Burton 1991). La presencia de más sólidos suspendidos con el
producto SINMAX mostró más actividad con este tratamiento.
La duración del experimento en este estudio fue una semana. Es posible que con
más tiempo de incubación, particularmente después de un período de estabilización de
las poblaciones como en un sistema de lodos activados, los resultados pudieran ser
diferentes. Como en el sistema con lodos activados, la DBO, DQO y sólidos
suspendidos que inicialmente incrementaron, podrían disminuir y por lo tanto
aumentaría los sólidos sedimentables. Los resultados sugirieron que el SINMAX sería
un mejor producto para un sistema de descontaminación, particularmente en un sistema
anaeróbico.
La apariencia visual de las aguas una vez concluido el período de tratamiento,
fue distinta según la disponibilidad de oxígeno. Las aguas en condiciones aeróbicas
(balón izquiero, Figura 8) en todos los tratamientos reflejaron una coloración marrón
ligeramete claro con alta transparencia. Los tratamientos que estuvieron en ausencia de
oxígeno (balón derecho, Figura 8) presentaron una coloración amarillenta y muy poco
transparente.
Figura 8. Apariencia visual de las aguas de lechería después del período de tratamiento en condiciones aeróbicas (balón izquierdo) y en condiciones anaeróbicas (balón derecho).
En cuanto al olor, el tratamiento aeróbico emanó un ligero aroma a “tierra
mojada”, mientras que el tratamiento anaeróbico emanó un fuerte olor a amoniaco. Este
olor se debe a las condiciones anaeróbicas, en donde los microorganismos reductores
26
no permiten que se produzca la oxidación de los elementos. En este caso, el nitrógeno
fue el elemento mineralizado pero no nitrificado, produciendo amoniaco, compuesto
volátil liberado en el momento de la apertura de los balones al final del período de
tratamiento.
5.2.2 Explotación camaronera Las aguas residuales de las explotaciones camaroneras se caracterizan por ser
eutroficadas y con grandes cantidades de sólidos suspendidos. Esto se debe a la gran
cantidad de concentrados alimenticios suministrados al cultivo. Actualmente no existe
un sistema de tratamiento de las aguas residuales. Algunas explotaciones acuícolas
vierten sus aguas a un sistema de humedales para mejorar la calidad de ésta previo al
vertido.
Las aguas de estos sistemas son diferentes a las de explotación lechera,
principalmente por el nivel de salinidad. Para una explotación camaronera se utiliza
agua del mar y para las explotaciones lecheras generalmente de fuentes de agua dulce.
El tipo de contaminación generado por estos tipos de explotaciones es similar ya que
ambas producen una eutroficación de las aguas y contaminación orgánica del medio.
Los niveles iniciales de los nutrientes, particularmente NO3- y PO4
-3 fueron más altos en
el sistema lechero (Cuadro 1) comparado al sistema de explotación camaronera
(Cuadro 2). Sin embargo, las concentraciones de la DQO y sólidos suspendidos fueron
más altos en el sistema de explotación camaronera, 8 % y 90 %, respectivamente
(Cuadro 2).
Cuadro 2. Valores iniciales promedio de las aguas residuales del sistema de producción camaronero.
Turbidez NH4+ NO3
- PO4-3 DBO DQO SS
NTU ------------------------------------ mg L-1 ------------------------------------
10,5 0,55 0,21 0,01 5 448 25 983
El pH del agua de la camaronera fue 8,0. En condiciones aeróbicas, el pH del
agua no vario durante la semana del estudio (Figura 9). Con las aplicaciones de los
productos biológicos, el pH del agua fue menor de 6. Esto se pudo deber a que el pH de
27
los productos utilizados fue bajo, con valores de 3,5 para EM y 3,9 para SINMAX. En el
sistema aeróbico, el pH del agua con estos tratamientos subió para estabilizarse al
tercer día en 7,6, pero nunca alcanzó al pH original, como ocurrió en el experimento con
las aguas del humedal de la FPI (Figura 5).
En el sistema anaeróbico, el pH del agua tuvo un comportamiento parecido al
agua del humedal de la FPI. En el testigo, inicialmente el pH bajó ligeramente a 7,5
pero después se estabilizó (Figura 9). Las aguas con los tratamientos de EM y SINMAX
arrancaron de valores cercanos a 5,8 y en ausencia de oxigeno, el pH disminuyó a 4,5 y
4,6 respectivamente, al cabo del séptimo día (Figura 9)..
Aeróbico
Red
ox (m
V)
-600
-400
-200
0
200
pH
4
5
6
7
8
9
Tiempo (días)
Anaeróbico
1 2 3 4 5 6 71 2 3 4 5 6 7
Testigo
SINMAXEM
Figura 9. Comportamiento de las variables secundarias durante el desarrollo de los tratamientos de las aguas residuales del sistema de producción camaronero.
28
El tratamiento con EM presentó un comportamiento ligeramente más acelerado
que el SINMAX. Esto puede deberse a la tecnología de activación que requiere el EM
para su utilización, ausente en el SINMAX
La reducción del pH en los tratamientos con productos biológicos se pudo deber
a la producción de ácidos orgánicos a partir de la materia orgánica presente en el agua
por parte de los microorganismos inoculados. El sistema de tratamiento anaeróbico
presento valores de pH más bajo que el sistema aeróbico, ya que después de la
hidrólisis de la materia orgánica por las bacterias fermentadoras sucede la
acidogenesis. En esta etapa, los productos solubles son convertidos en ácidos grasos
volátiles, CO2, H2, H2S, por lo que se produce la acidificación del medio.
El potencial de reducción - oxidación, para el sistema de producción camaronero
en presencia de oxígeno, presenta un comportamiento similar al de las aguas
residuales del humedal de la FPI (Figura 9). Los tratamientos estudiados no
presentaron una variación significativa al cabo del sexto día, manteniéndose en rangos
de 38 mV a -7 mV (Figura 9). El potencial redox del agua residual es elevado por la
presencia de H2, O2 y NO3-.
Los valores de redox para el sistema anaeróbico sufrieron una depresión en el
transcurso del primer al tercer día de tratamiento (Figura 9). A partir del tercer día, el
testigo y el agua con el tratamiento de SINMAX presentaron oxidaciones, mientras que
el tratado con EM obtuvo una reducción desde el último día del experimento.
Para el testigo y el agua con el tratamiento de SINMAX, se obtuvo un aumento
en la concentración de NH4+ en los sistemas aeróbicos y anaeróbicos. El tratamiento
con el SINMAX, en el sistema anaeróbico, presentó el incremento en NH4+ más
pronunciado (Figura 10). Un incremento en NH4+ fue debido a la descomposición de
material orgánico y mineralización de N de las proteínas u otros compuestos
nitrogenados, por acción de las bacterias. El agua con el producto EM, la concentración
de NH4+ disminuyó en el agua en ambos sistemas y el cambio fue más pronunciado en
el sistema anaeróbico (Figura 10). Los cambios en las concentraciones de NH4+ en el
testigo y con ambos tratamientos fueron menos de 0,5 mg L-1 (Figura 10).
29
-0,5
0,0
0,5
1,02,5
3,0AnaeróbicoAeróbico
NH4+ NO3
- PO4-3 NH4
+ NO3- PO4
-3
Cam
bio
conc
entra
cion
es (m
g L-1
)
TestigoEMSINMAX
Figura 10. Cambio en concentraciones de NH4+, NO3
- y PO4-3 de las aguas
residuales del sistema de producción camaronero después de una semana de incubación en el sistema aeróbico y anaeróbico.
El agua del testigo en ambos sistemas no experimentó un cambio en la
concentración de NO3- (Figura 10). Estos resultados sugieren poca actividad microbiana
tanto en el sistema aeróbico como en el anaeróbico. En el sistema aeróbico, las aguas
con los productos biológicos experimentaron un incremento en las concentraciones de
NO3- debido al proceso de nitrificación (Kiely 2003). En contraste, las aguas del
humedal artificial de la FPI no experimentaron nitrificación (Figura 6). Se atribuye este
resultado a la capacidad de las bacterias en ambos tratamientos para producir
sustancias antioxidantes (Higa 2002). En el sistema anaeróbico, las aguas con los
productos biológicos experimentaron un incremento en las concentraciones de NO3-,
pero menos que en el sistema aeróbico (Figura 10). Los cambios en las
concentraciones de NO3- en el testigo y con ambos tratamientos fueron menos de
1,0 mg L-1.
Los resultados de PO4-3 en las aguas de la camaronera fueron muy similares con
respecto a los resultados de las aguas del humedal de la FPI (Figura 10). En el testigo,
en ambos sistemas, el agua no experimentó un cambio en las concentraciones de PO4-3
(Figura 10). También en ambos sistemas, el agua con mayor contenido de PO4-3
fue con
el tratamiento de SINMAX. En el sistema sin oxígeno el agua presentó las
30
concentraciones más altas. La producción de PO4-3 indicó mineralización de P en la
materia orgánica debido a la actividad microbiana con los tratamientos. En el sistema
anaeróbico, el agua tratada con EM experimentó producciones de PO4-3 más bajas que
lo con el SINMAX. En el sistema aeróbico, el agua tratada con EM presentó una
reducción en la concentración de PO4-3 (Figura 10).
Los testigos, tanto en condiciones aeróbicas como anaeróbicas no
experimentaron un cambio significativo en la concentración de la DBO ni de la DQO,
después de un periodo de 7 días (Figura 11). Esto pudo deberse a la baja actividad
microbiana en el medio. Los testigos tampoco experimentaron cambios significativos en
las concentraciones de sólidos suspendidos. Estos resultados fueron parecidos a los
resultados en el experimento con las aguas del humedal artificial de la FPI (Figura 7).
Durante la simulación de descontaminación de las aguas de la camaronera, en
condiciones aeróbicas y anaeróbicas, la concentración de DBO en el testigo y en las
aguas tratadas con el EM y SINMAX, no presentaron diferencias significativas. El
comportamiento de la DBO para los tres tratamientos presentó reducido incremento
menor que 70 mg L-1 (Figura 10). La concentración de DBO del testigo en ambos
sistemas se redujo. Este comportamiento del DBO y DQO pudo deberse a las
condiciones que presentó el agua de la camaronera que no fueron las óptimas para el
crecimiento de los microorganismos con respecto a los niveles de salinidad.
Sin embargo, si existió una diferencia significativa en las concentraciones de
DQO en ambos sistemas con los tratamientos. La DQO aumentó sustancialmente, tanto
con la aplicación de EM, como con el SINMAX, contrario a la reducción que
experimentó en el tratamiento testigo (Figura 11). El incremento del DQO pudo deberse
a reacciones que sucedieron a partir de las enzimas y microorganismos que poseen
tanto el EM como el SINMAX, lo cual no se dio en los tratamientos testigos. El
comportamiento en el DBO y DQO se repite tanto en condiciones aeróbicas como en
condiciones anaeróbicas (Figura 11).
31
0
500
1000
2000
2200Aeróbico Anaeróbico
TestigoEMSINMAX
DBO DQO SS DBO DQO SS
Cam
bio
conc
entra
cion
es (m
g L-1
)
Figura 11. Cambio en concentraciones de DBO, DQO y sólidos suspendidos de las aguas residuales del sistema de producción camaronero después de una semana de incubación en el sistema aeróbico y anaeróbico.
En condiciones aeróbicas como en condiciones anaeróbicas, el valor de DQO en
las aguas tratadas con SINMAX fue mayor que las tratadas con EM (Figura 11). Esto
pudo deberse a que el SINMAX se aplica directamente en el sistema de simulación,
mientras que el EM presenta una fase de activación con una dilución de 1:10. Este
resultado en el sistema anaeróbico fue diferente en el experimento con las aguas del
humedal artificial de la FPI, en donde los valores de DQO fueron más altos con el
producto EM (Figura 7).
Los resultados de concentraciones de sólidos suspendidos en las aguas de la
camaronera también fueron contrarios a los resultados con las aguas del humedal
artificial de la FPI. Con el tratamiento de EM, las concentraciones de sólidos en el agua
aumentaron en ambos sistemas, hasta 1000 mg L-1 en el sistema anaeróbico
(Figura 10). Con el producto SINMAX en el sistema anaeróbico, las concentraciones de
sólidos aumentaron 500 mg L-1 pero en el sistema aeróbico las concentraciones
disminuyeron (Figura 11).
De acuerdo a los parámetros estudiados se notó que en los tratamientos hubo
una mayor tasa de descomposición de la materia orgánica con respecto al testigo en los
otros dos tratamientos. Entre los dos sistemas, el que produjo una mayor tasa de
descomposición de la materia orgánica fue en condiciones anaeróbicas. También se
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pudo notar que el SINMAX con respecto al EM tiene un efecto retardado en cuanto a
pH y redox, sin embargo al final del período se obtienen los mismos resultados. Se
pudo evidenciar además que los microorganismos presentes en los productos aplicados
son sensibles a altas concentraciones de salinidad, por lo que en las aguas de
camaroneras hubo una menor respuesta a dichos productos.
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6 CONCLUSIONES
La contaminación de aguas es uno de los problemas de mayor incidencia
negativa en el ambiente. Las explotaciones lecheras y acuícolas demandan grandes
volúmenes de agua, que debido a la producción intensiva, impactan negativamente
sobre el ecosistema.
El diseño y la construcción de un reactor para el estudio de las variaciones en el
Redox y pH fueron de fácil adaptabilidad y de bajo costo. Permitió la creación de las
condiciones aeróbicas y anaeróbicas y el monitoreo de los cambios en las propiedades
del agua a través del tiempo. Los electrodos instalados permitieron la toma continua de
datos sin inconvenientes. Los principales requerimientos del sistema son la calibración
periódica de los electrodos y la limpieza de los filtros de la bomba de aire.
La conductividad eléctrica no tuvo diferencia significativa entre los sistemas
aeróbicos y anaeróbicos durante los 7 días del estudio preliminar, mientras que el redox
y el pH presentaron variaciones considerables. Las aguas residuales de la lechería
presentaron una alta carga orgánica y 0,44 mg L-1 de oxígeno disuelto. La carga
orgánica en la solución con los tratamientos de EM y SINMAX pudo ser más
rápidamente descompuesta durante este estudio.
En las aguas residuales de la lechería:
En los tratamientos con EM y SINMAX, la descomposición del material orgánico
y la mineralización del nitrógeno fueron mayores. En los tratamientos con EM y
SINMAX se observó la falta de nitrificación que se puede atribuir a la capacidad de las
bacterias en ambos tratamientos para producir sustancias antioxidantes.
La producción de PO4-3 indicó mineralización del P de la materia orgánica debido
a la actividad microbiana. El agua con mayor contenido de PO4-3 fue con SINMAX en
ambas condiciones, seguidamente del agua tratada con EM, por lo que se obtuvo una
mayor actividad microbiológica en los tratamientos con SINMAX.
Para ambos tratamientos, el DBO y DQO incrementaron a razón de una mayor
actividad biológica. Con un tiempo de retención mayor a 7 días se podría alcanzar una
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estabilización del DBO y DQO a valores menores de 500 mg L-1 para DBO y 800 mg L-1
para DQO, datos aceptables dentro de la legislación costarricense de vertido de aguas.
En el caso del sistema camaronero:
Tanto el testigo como el tratamiento de SINMAX, presentó un aumento en la
concentración de NH4+ en los sistemas aeróbicos y anaeróbicos. El tratamiento con
SINMAX en el sistema anaeróbico, presentó el incremento en NH4+ más pronunciado.
En condiciones aeróbicas y anaeróbicas, la concentración de DBO en el testigo y
en las aguas tratadas con el EM y SINMAX, no presentaron diferencias significativas.
Esto evidencia que las condiciones del agua de la explotación camaronera no fueron las
óptimas para el crecimiento de los microorganismos por el alto nivel de salinidad.
La DQO aumentó sustancialmente, tanto con la aplicación de EM como con el
SINMAX. Esto se debió a que tanto el EM como el SINMAX poseen enzimas
producidas previamente por los microorganismos antes de suministrarse en el reactor.
En condiciones aeróbicas y en condiciones anaeróbicas, el valor de DQO en las
aguas tratadas con SINMAX fue mayor que las tratadas con EM. En caso contrario, el
experimento con las aguas del humedal artificial de la FPI, la DQO fue más alta con el
producto EM.
Los resultaron indicaron una mayor tasa de descomposición de la materia
orgánica con los tratamientos de EM y SINMAX, por lo que presentaron una reducción
de la carga orgánica, al mismo tiempo se encontró sustancias antioxidantes presentes
en ambos los productos.
La evaluación de los parámetros demostró una mayor actividad biológica en los
tratamientos con SINMAX bajo condiciones anaeróbicas para las dos explotaciones,
mientras que EM obtuvo mejores resultados en condiciones aeróbicas en aguas de
lechería. Sin embargo se pudo notar un ligero retraso en la acción del SINMAX con
respecto al EM en cuanto a la acidez.
En aguas con altas concentraciones de sales de explotación camaronera, el
SINMAX desarrolló mayores reacciones y compuestos orgánicos lentamente
biodegradables (DQO) debido a las enzimas y los microorganismos en el producto. Los
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productos constituyen una alternativa de descontaminación a bajo costo, con un
reducido impacto sobre el ambiente bajo condiciones aeróbicas y anaeróbicas.
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7 RECOMENDACIONES
Aumentar en dos semanas el período de tratamiento de las aguas residuales
para constatar la regulación del DBO y DQO de las aguas.
Colocar a la salida de la manguera de bombeo de oxigeno, una válvula con
microporos para que la distribución de oxigeno en el sistema de simulación aeróbica
sea más uniforme.
Incluir entre los parámetros estudiados el análisis microbiológico de las aguas
antes y después del sistema de simulación, así como también sustancias como:
estireno, formaldehído, tetracloroetileno, tolueno, sulfuro de carbono, sulfuro de
hidrogeno a fin de evaluar los cambios en el olor de las aguas.
Realizar estudios sobre diferentes concentraciones de EM y SINMAX en el
tratamiento de aguas residuales así como estudios enfocados a la complementariedad
entre los sistemas de tratamiento de aguas residuales, a fin de encontrar posibles
asociaciones de sistemas de bajo costo que mejoren la calidad de las aguas.
Realizar pruebas con productos no diluidos a fin de reducir el volumen del
producto aplicado, elevando la concentración de microorganismos en los productos.
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8 REFERENCIAS CITADAS
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