UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE INGENIERIA FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES Y MUSEO Tesis de Maestría en Evaluación Ambiental de Sistemas Hidrológicos Para la obtención del Título de Magíster en Evaluación de Sistemas Hidrológicos (Mención Ecohidología) EVALUACIÓN DE LA EFICIENCIA EN REMOCIÓN DE NITRATO EN UN HUMEDAL CONSTRUIDO A ESCALA DE LABORATORIO Autor: Licda. María del Rosario Núñez Director de Tesis: M.Sc. Erick Vallester Co-director de Tesis: Dr. Alejandro Mariñelarena Lic. Hugo Di Giorgi La Plata, Junio 2017 Tesis de Maestría en Evaluación Ambiental de Sistemas Hidrológicos (Ecohidrología) “Evaluación de la eficiencia en remoción de nitrato en un humedal construido a escala de laboratorio” UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE INGENIERIA FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES Y MUSEO Tesis de Maestría en Evaluación Ambiental de Sistemas Hidrológicos Para la obtención del Título de Magister en Evaluación de Sistemas Hidrológicos (Mención Ecohidología) EVALUACIÓN DE LA EFICIENCIA EN REMOCIÓN DE NITRATO EN UN HUMEDAL CONSTRUIDO A ESCALA DE LABORATORIO Autor: Licda. María Del Rosario Núñez Director de Tesis: M.Sc. Erick Vallester Co-director de Tesis: Dr. Alejandro Mariñelarena Lic. Hugo Di Giorgi La Plata, Junio 2017 Lic. María del Rosario Núñez 2 Tesis de Maestría en Evaluación Ambiental de Sistemas Hidrológicos (Ecohidrología) “Evaluación de la eficiencia en remoción de nitrato en un humedal construido a escala de laboratorio” A Dios, Padre de la Misericordia por darme la fuerza para poder terminar este proyecto. “Oh sangre y agua que brotaste del Sagrado Corazón de Jesús Como una Fuente de Misericordia para nosotros, yo confió en ti” Lic. María del Rosario Núñez 3 Tesis de Maestría en Evaluación Ambiental de Sistemas Hidrológicos (Ecohidrología) “Evaluación de la eficiencia en remoción de nitrato en un humedal construido a escala de laboratorio” AGRADECIMENTOS Primeramente, doy gracias a Dios por la fortaleza que me brindó durante el desarrollo de la Maestría. Quiero expresar mi eterna gratitud a mi madre y mis familiares por el apoyo incondicional y por toda la paciencia que han tenido durante estos años. Agradezco a mis profesores guía, Ing. Erick Vallester, Dr. Alejandro Mariñelarena y el Lic. Hugo Di Giorgi, por sus atinadas asesorías y por todo su apoyo en las gestiones realizadas durante el desarrollo de la tesis. Doy un especial agradecimiento a mis amigas Yuly y Majo por todo el cariño familiar que me brindaron mientras realizaba mis estudios en Argentina. Quiero agradecer también a mis amigos, compañeros y profesores del departamento de Ingeniería Hidráulica de la Universidad Nacional de la Plata, especialmente al profesor Pablo Romanazzi. Mi eterno agradecimiento a la SENACYT y al IFARHU por la confianza puesta en mí al financiar beca para realizar los estudios de maestría. Finalmente, deseo manifestar mi sincero agradecimiento a las autoridades de la facultad de Ingeniería Civil de la Universidad Tecnológica de Panamá, por el respaldo brindado durante el desarrollo de la tesis, por el espacio brindado para realizar las pruebas experimentales del modelo en los laboratorios de hidráulica y Sanitaria. Muchas Gracias! Lic. María del Rosario Núñez 4 Tesis de Maestría en Evaluación Ambiental de Sistemas Hidrológicos (Ecohidrología) “Evaluación de la eficiencia en remoción de nitrato en un humedal construido a escala de laboratorio” I RESUMEN La contaminación de las fuentes de agua para abastecimiento humano con nitratos provenientes de la mala disposición de residuos orgánicos sólidos y líquidos, es un problema creciente de preocupación mundial. El objetivo de este trabajo fue determinar la capacidad de un humedal construido para eliminar nitratos del agua. Se utilizó un prototipo de humedal construido de flujo vertical ascendente, de 350 litros de capacidad, por el que se hizo circular agua con 60 mgNO /L, con y sin suplemento de metanol como 3 fuente de carbono. El experimento se realizó en tres etapas. La etapa 0 (caudal 4.2 L/hr, TRH 24 hs, sin metanol); etapa 1 (caudal 6.6 L/hr, TRH 15 hs con metanol) y etapa 2 (caudal 10.8 L/hr, TRH 9 hs con metanol). Las eficiencias de remoción de nitratos fueron del 6%, 91% y 92% en cada etapa. La fuente de carbono suplementaria fue un factor decisivo para incrementar la capacidad de desnitrificación del sistema. Entre la etapa 1 y la 2 se incrementó un 64% el caudal y por ende, la tasa de carga de nitratos. En cada una se verificó una remoción de 85,7 y 140,6 gNO /m3.día o 14,8 y 24,3 gNO /m2.día 3 3 respectivamente. No se determinó la tasa máxima de eliminación pero se estima muy por encima de lo reportado. Se concluye que esta tecnología puede ser una herramienta práctica y económica para mejorar la calidad del agua contaminada con nitratos. Lic. María del Rosario Núñez 5 Tesis de Maestría en Evaluación Ambiental de Sistemas Hidrológicos (Ecohidrología) “Evaluación de la eficiencia en remoción de nitrato en un humedal construido a escala de laboratorio” ABSTRACT Pollution of water sources for human supply with nitrates from poor disposal of solid and liquid organic waste, is a growing problem of global concern. The aim of this study was to determine the ability of a constructed wetland to remove nitrates from water. A prototype constructed wetland vertical upward flow of 350 liters, through which water was circulated 60 mgNO / L, with and without supplemental methanol as carbon source 3 was used. The experiment was conducted in three stages. Stage 0 (flow rate 4.2 L / hr, TRH 24 hours, no methanol); Stage 1 (flow rate 6.6 L / hr, TRH 15 hours with methanol) and Stage 2 (flow rate 10.8 L / hr, TRH 9 am with methanol). The nitrate removal efficiencies were 6%, 91% and 92% at each stage. The additional carbon source was a decisive increase the capacity factor denitrification system. Between stage 1 and the 2nd 64% increased flow rate and thus the rate of load of nitrates. In each case a removal of 85.7 and 140.6 gNO / m3.día or 14.8 and 24.3 gNO / m2.día verified respectively. The 3 3 maximum rate of elimination was not determined but is estimated well above those reported. It is concluded that this technology can be a practical and economical tool for improving the quality of water contaminated with nitrates. Lic. María del Rosario Núñez 6 Tesis de Maestría en Evaluación Ambiental de Sistemas Hidrológicos (Ecohidrología) “Evaluación de la eficiencia en remoción de nitrato en un humedal construido a escala de laboratorio” II TABLA DE CONTENIDO 1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 13 1.1 Antecedentes................................................................................................. 13 1.2 Hipótesis ....................................................................................................... 15 1.3 Objetivos ...................................................................................................... 15 1.4 Marco Teórico .............................................................................................. 16 1.4.1 Las Aguas Residuales ............................................................................ 16 1.4.2 Aguas residuales domesticas .................................................................. 16 1.5 Saneamiento de Aguas Residuales en Panamá ............................................... 16 1.6 Nitrato en el ciclo del Nitrógeno ................................................................... 21 1.7 Tratamiento de Aguas residuales ................................................................... 25 1.7.1 Sistemas de tratamiento existentes para remoción de nitrato ................... 26 1.8 Humedales .................................................................................................... 27 1.8.1 Los humedales construidos como unidad de tratamiento ........................ 28 1.8.2 Humedales Construidos ......................................................................... 29 1.8.3 Clasificación de los humedales construidos ............................................ 30 1.9 Clasificación de humedales construidos de flujo subsuperficial vertical....... 33 1.9.1 Humedal con carga vertical descendente ................................................ 33 1.9.2 Humedal con carga vertical ascendente .................................................. 34 1.9.3 Generalidades del Diseño de los Humedales .......................................... 36 1.10 Mecanismos de remoción de contaminantes en Humedales construidos ........ 37 1.10.1 Remoción de sólidos suspendidos .......................................................... 38 1.10.2 Remoción de materia orgánica ............................................................... 38 1.10.3 Remoción de fósforo .............................................................................. 38 1.10.4 Remoción de bacterias ........................................................................... 38 1.11 Remoción del Nitrógeno ............................................................................... 39 1.12 Condiciones de Operación de los Humedales ................................................ 41 2 MATERIALES Y MÉTODOS .......................................................................... 43 2.1 Descripción del Modelo experimental ........................................................... 43 2.2 Calculo de volumen y tiempo de retención hidráulica (TRH) ....................... 49 2.3 Alimentación del Sistema.............................................................................. 49 2.3.1 Etapas de Evaluación del sistema ........................................................... 50 Lic. María del Rosario Núñez 7 Tesis de Maestría en Evaluación Ambiental de Sistemas Hidrológicos (Ecohidrología) “Evaluación de la eficiencia en remoción de nitrato en un humedal construido a escala de laboratorio” 2.4 Muestreo y análisis ....................................................................................... 52 2.5 Tratamiento de los datos ............................................................................... 58 3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN ........................................................................ 59 3.1 Nitrato .......................................................................................................... 59 3.2 Temperatura .................................................................................................. 63 3.3 Conductividad Eléctrica ................................................................................ 64 3.4 pH................................................................................................................. 65 3.5 Potencial Redox ............................................................................................ 66 3.6 Demanda Química de Oxígeno (DQO). ......................................................... 67 3.7 Demanda Biológica de Oxígeno (DBO ). ...................................................... 69 5 3.8 Oxígeno Disuelto y Cloro Residual ............................................................... 71 3.9 Fosfato .......................................................................................................... 72 3.10 Remoción de Nitratos ................................................................................... 73 3.11 Resultado del análisis bromatológico de raíces de enea “typha angustifolia” . 77 3.12 Resultado de la prueba T-Student para muestras relacionadas ...................... 79 3.12.1 Análisis de la media de las entradas y salidas del humedal en las tres etapas de Estudio, ................................................................................................ 79 3.12.2 Resultados Análisis de la media de la salida del humedal en la etapa 0 y Etapa 1 (Sin metanol, Con Metanol) .................................................................... 81 3.13 Discusión comparativa de resultados ............................................................. 82 3.14 Ventajas y Limitaciones del sistema de humedal construidos de flujo vertical ascendente. .............................................................................................................. 85 3.15 Factibilidad de aplicación en el campo de la Ecohidrologia ........................... 86 4 CONCLUSIONES ............................................................................................. 88 5 RECOMENDACIONES .................................................................................... 91 6 RECONOCIMIENTOS ..................................................................................... 92 7 BIBLIOGRAFÍA CITADA ............................................................................... 93 8 ANEXO .............................................................................................................. 98 Lic. María del Rosario Núñez 8 Tesis de Maestría en Evaluación Ambiental de Sistemas Hidrológicos (Ecohidrología) “Evaluación de la eficiencia en remoción de nitrato en un humedal construido a escala de laboratorio” ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1-1. Cobertura de Saneamiento a Nivel Nacional ............................................... 17 Tabla 1-2. Niveles de toxicidad del Nitrato en agua para infantes menores de 6 años .. 23 Tabla 1-3. Parámetros típicos de diseño para humedales construidos para tratamiento de aguas residuales domesticas ........................................................................................ 36 Tabla 1-4. Mecanismos de depuración predominantes en los humedales artificiales. ... 37 Tabla 2-1. Estratigrafía del humedal construido de Flujo Vertical Ascendente............. 45 Tabla 2-2. Composición del agua residual sintética ..................................................... 49 Tabla 2-3. Parámetros analizados ................................................................................ 53 Tabla 2-4. Parámetros analizados en Prueba de Bromatología ..................................... 57 Tabla 3-1. Operación del Humedal construido a escala de Laboratorio ........................ 59 Tabla 3-2. Análisis de Estadística descriptiva de las concentraciones de Nitrato (NO ) 59 3 Tabla 3-3. Valores promedios de temperatura registrados durante la etapa de investigación ............................................................................................................... 63 Tabla 3-4. Valores promedios de la Conductividad Eléctrica registrados durante la investigación ............................................................................................................... 64 Tabla 3-5. Valores promedios de pH registrados durante la etapa de investigación ...... 65 Tabla 3-6. Valores promedios de Potencial Redox registrados durante la etapa de investigación ............................................................................................................... 66 Tabla 3-7. Características de humedales según el Potencial Redox .............................. 66 Tabla 3-8. Valores promedios de DQO registrados durante la etapa de investigación .. 67 Tabla 3-9. Capacidad de remoción de DBO en el humedal construido durante la 5 investigación ............................................................................................................... 69 Tabla 3-10. Valores promedios de Fosfato registrados durante la etapa de investigación ................................................................................................................................... 72 Tabla 3-11.Condiciones operativas y consumo de nitratos en cada etapa de estudio. ... 73 Tabla 3-12. Resultado del análisis de la tasa de remoción en las etapas de estudio ....... 74 Tabla 3-13. Resultado del análisis bromatológico de raíces de la planta Typha angustifolia ................................................................................................................. 78 Tabla 3-14. Prueba de Normalidad de los valores obtenidos durante las pruebas experimentales ............................................................................................................ 79 Lic. María del Rosario Núñez 9 Tesis de Maestría en Evaluación Ambiental de Sistemas Hidrológicos (Ecohidrología) “Evaluación de la eficiencia en remoción de nitrato en un humedal construido a escala de laboratorio” Tabla 3-15. Prueba de muestras relacionadas............................................................... 80 Tabla 3-16. Estadísticos de muestras relacionadas ....................................................... 81 Tabla 3-17. Correlación de muestras relacionadas ....................................................... 81 Tabla 3-18. Prueba de muestras relacionadas Sin Metanol - Con metanol ................... 81 Tabla 3-19. Compilación de estudios en humedales construidos y sus resulatdos ........ 83 Lic. María del Rosario Núñez 10