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Evaluacion de la eficiencia de biodepuracion para aguas de pozos profundos en la sabana de Bogota.

Evaluation of biodepuration efficiency for deep well waters in the sabana de Bogota

INTRODUCCION

Se estima que la superficie hidrica del planeta se ha reducido de un 75% a 71% debido a efectos de la contaminacion [1]. Los sistemas acuaticos son hoy declarados como una de las fuentes a conservar no solo por su existencia de manera adecuada, sino por el valor de ser el reservorio de millones de especies que desempenan un nicho valioso en el planeta [2]; de acuerdo con [3], entre las causas mas habituales de contaminacion del recurso hidrico se encuentra la agricultura, seguida de la alta tasa de asentamientos urbanos en zonas reducidas geograficamente y vertimientos en cuerpos de agua. Sin embargo, el fenomeno de degradacion puede aumentar debido a legislaciones blandas o de poca accion, ademas de la falta de educacion y procesos de conservacion enmarcados en los objetivos del desarrollo sostenible [4].

Diaz [5] menciona adicionalmente que el ser humano, de no tomar conciencia a traves de estrategias de conservacion frente al recurso hidrico, establecera una linea muy cercana a una degradacion ambiental que dificilmente tendra una posible solucion. Acogido este principio, se debe aclarar que una de las estrategias frente a la contaminacion hidrica es la rehabilitacion del fluido a traves de tecnicas como los biosistemas, humedales artificiales o sistemas emuladores tipo humedal wetlands, que desde la decada de los 50 en Alemania hacen parte de una estrategia viable en diferentes ubicaciones del planeta [6]. Este tipo de sistema es sencillo a nivel de su construccion y operacion, empleando un lecho con gravilla u otro sustrato rocoso en el cual se suspenden las plantas (macrofitas acuaticas) que posteriormente son las encargadas de la filtracion por medio de la rizosfera y zonas de contacto con el afluente [7]. Como se describio anteriormente, el nivel de remocion de agentes contaminantes es muy efectivo, especialmente a nivel de sustancias nitrogenadas, estando alrededor del 78% respecto a un cuerpo de agua en un espacio de tiempo relativamente corto [8].

En consecuencia, se planteo generar una investigacion basada en la evaluacion de aguas de riego de pozos profundos contaminadas por microorganismos patogenos por medio de procesos biologicos, lo anterior bajo un sistema tecnologico de alta eficiencia, bajo costo y alta empleabilidad por comunidades rurales. Para Morales [9], la sostenibilidad hidrica posee relacion con los indicadores economicos de paises, responsables del cuidado y conservacion de sus recursos naturales, entre los cuales se encuentran las plantas acuaticas (macrofitas) que entran a beneficiar procesos naturales o antropicos como el de este estudio.

Finalmente, la investigacion busco presentar un modelo de tratamiento de aguas contaminadas basado en un proceso fisicoquimico y biologico con capacidad de remocion menor a ocho dias, presentando una alternativa economica, de facil construccion y replicabilidad.

METODOS

La zona de estudio esta ubicada en el municipio de Chia, Colombia, vereda La Balsa, en las coordenadas geograficas latitud 4.86667, longitud -74.0667 como se observa en la Figura 1.

Las fases metodologicas estan divididas en dos de acuerdo con lo propuesto por Kivaisi [10], Kadlec [11] y Wang [12]. El principal elemento para seleccionar la zona fue que el agua provenga de pozos profundos, a una distancia no superior de 100 m del cauce del rio Bogota; con este planteamiento se realizaron 40 visitas a diferentes fincas teniendo como parametro de muestreo el sitio de captacion de agua y disponibilidad de realizar el trabajo de investigacion.

En la segunda fase--que aborda la construccion del sistema humedal artificial--los pilares metodologicos estan basados en la construccion de un sistema fisico y biologico, se diseno teniendo como soporte un tanque con una capacidad de 5000 L. Se emplearon tres conjuntos de mallas 7H, 14 mm y de 4 1/4 de acero inoxidable.

El principal medio de filtracion fue gravilla de diferente granulometria [13], antracita de acuerdo con el boletin tecnico AG.009 [14], en su evaluacion de la eficiencia de desinfeccion mediante MIOX (agentes oxidantes mixtos) como se muestra en la Figura 2.

El sistema biologico posee recirculacion a traves de dos depositos que tienen una dimension de 50m2 con un grado de pendiente de 20[grados]. La oxigenacion del sistema se logro a traves de dos motobombas de 6.5 Hp [1 5]; la obtencion, transporte y desinfeccion del material vegetal [16], [17].

El analisis de variables fisicas del agua se realizo teniendo en cuenta el protocolo [17]. Las variables quimicas fueron realizadas con el equipo marca Oakton, serie 417584, por metodologia estandar; la evaluacion microbiologica se realizo de acuerdo con los protocolos de bacterias [1 8] a nivel de hongos filamentosos, levaduras [19] y de protistos [20]. El analisis biologico de las macrofitas [21] a nivel del grupo control de Spinacia oleracea se realizo por medio de transectos [22].

RESULTADOS

Luego del proceso de biodepuracion se registraron valores de retencion hidraulica entre 25 y 30 m3/h, siendo congruente a nivel funcional con los resultados presentados por [23], [24] y aptos para las condiciones semejantes entre los estudios.

La Figura 3 muestra los resultados de una reduccion del 0.95%, luego de pasar por el sistema obteniendo un valor final de 7.87. La Figura 4 muestra la temperatura con un porcentaje de reduccion del 1.3% luego de pasar por el sistema obteniendo un valor final de 16.6[grados]C.

La temperatura que se genero en el sistema con el tiempo de retencion no superior a los ocho dias es cercana a la temperatura promedio ambiental de acuerdo con la estacion meteorologica del Instituto de Hidrologia, Meteorologia y Estudios Ambientales (IDEAM), la cual informo para este estudio que la temperatura media anual es de 15.7 [grados]C. Bajo el cuadro comparativo metabolico de los microorganismos, estos presentan un comportamiento con un rango ideal de 17[grados]C a 35[grados]C [25], generando un medio adecuado para su crecimiento.

La Figura 5 presenta la conductividad electrica, la cual vario de 495 S/m a 286 S/m al ser observada al inicio y finalizacion del proceso de biodepuracion; adicionalmente, esta relacionada directamente con la viscosidad del agua dada por la adicion de elementos y con la temperatura que aumento durante el proceso de biodepuracion, como se menciono en el apartado anterior. Se observa una caida en el dia doce debido a alteraciones antropicas en el sistema, demostrando la sensibilidad frente a los resultados de biodepuracion [26].

Se observa que los dos provocan una reduccion siendo optimo el proceso fisico, quimico y biologico; adicionalmente, se observa la tendencia de baja de los maximos cada vez menores durante la depuracion.

La Figura 7 presenta los resultados de TDS luego del paso por los dos sistemas, como se menciono anteriormente hay una estrecha relacion entre TDS y la conductividad ocasionada por la interaccion de las particulas del bloque de agua como Na+ y Cl- [27]. En cuanto a lo microbiologico, el metodo de filtracion por membrana determino que al inicio del proceso de biodepuracion el recuento de Unidades Formadoras de Colonia (UFC) era de 2400 NMP por 100 ml, luego del paso por el sistema fisco fue de 100UFC.

Frente a Eichornnia crassipes, los aspectos fundamentales en cuando a crecimiento fueron el area foliar y peciolos; con respecto a peso, se evidencio un aumento del doble, pasando de 150 a 300 g, por lo que existe una alta capacidad de crecimiento en el sistema de biodepuracion artificial como se observa en la Figura 8. En la Figura 9 resalta el crecimiento de la rizosfera en 8.7 cm para la etapa inicial del estudio a 25.9 cm, representando un 35% de la biomasa total, seguido del tallo con un area de roseta de 0.6 cm a 11 cm y foliar de 4.75 a 9.45 cm

Frente al crecimiento de Scirpus californicus se destaca el porcentaje de peciolo y rizosfera, esto es provocado por su amplio conjunto de tejido meristematico y alta tasa de aprovechamiento de elementos como sodio y hierro [11]; ademas, precento hojas y tallos engrosados debido a su estrategia de promover un aerenquima que transporta el oxigeno a la zona de la rizosfera, activando el potencial redox que promovio la oxidacion en el sistema.

DISCUSION

El analisis de pH obtenido en el sistema luego de la biodepuracion es apto para generar procesos de adaptacion y crecimiento de las macrofitas [28], las cuales presentan rangos entre 5.0 y 9.0 siendo optimos. A medida que las plantas aumentaron su tasa de crecimiento se vio favorecido el proceso simbiotico planta-microorganismo, lo que beneficio la fotosintesis dentro de la columna de agua y activo la remocion de dioxido de carbon [29]. Al aumentar la biomasa vegetal en el sistema los valores de la tasa respiratoria e intercambio anaerobio-aerobio derivaron en un menor rango de pH, al descender genero que el sistema tuviera un comportamiento neutro y beneficio a Spinacia oleracea en su proceso productivo. Es prudente mencionar que el pH se redujo favoreciendo el crecimiento Protista y Fungi, ademas de la evidencia obtenida de los resultados microbiologicos [7].

En consecuencia, la variacion se relaciona con el cambio de temperatura que, a su vez, acelera la actividad microbiana y la conductividad, aspectos importantes que benefician a los microrganismos fotosintetizadores [7]. Al comparar la conductividad hidraulica electrica con la conductividad electrica se determina que el rango de eliminacion de solidos disueltos es del orden de 90%, el cual incide directamente en la conductividad.

Los autores mencionan que un tratamiento bajo la tecnica de sistemas artificiales, como el de este estudio, tiende a que en el proceso de filtracion que tiene una alta densidad ocasione la reduccion entre particulas, reduciendo el volumen de aire [30]; bajo la consecuencia anterior, se analiza que los sistemas fisicos y biologicos interactuaron y afectaron positivamente la conductividad [31]. El principio anterior establece que los microorganismos resultado de su metabolismo ejercieron presion sobre el sustrato, variando la impedancia provocada por la captura de sodio y cloro que ejercen reduccion de salinidad afectando la conductividad [32]; se resalta la efectividad del sistema fisico debido a la capacidad de adherencia de las particulas contaminantes al carbon activado (antracita) que se evidencion en el momento de los retrolavados.

En este escenario, los resultados muestran que los TDS descendieron durante la biodepuracion de 248 a 162 ppm, provocado por la oxigenacion y reciclado del agua en los dos subsistemas; adicionalmente, el proceso de sedimentacion, filtracion y adhesion genero la reduccion de sales, lo que hace que el oxigeno aumente y la conductividad descienda. Posterior a la reduccion, se observo el aumento de la cantidad de oxigeno disuelto provocado por el mayor proceso fotosintetico de microorganismos y plantas en el sistema [33] (Figura 10).

El analisis microbiologico determino la reduccion de coliformes durante las primeras dos semanas de 2400 y 1600 NMP, en las siguientes dos semanas se observo una reduccion de 95% de coliformes totales y 92% de fecales, lo cual genero un valor apto de acuerdo con el limite estandarizado de 240 NMP/100 ml para aguas de riego, identificando el destacado papel de las macrofitas en procesos de biodepuracion por lo cual se evidencia su importancia en procesos de conservacion de cuerpos hidricos [34]. Es importante destacar su elevado nivel de procesamiento de micro y macronutrientes y agentes patogenos en sistemas acuaticos contaminados [35].

El comportamiento frente a metales pesados fue contemplado en este estudio desde un inicio, sin embargo, las aguas extraidas del pozo bajo los resultados arrojados muestran ausencia de metales pesados. Finalmente, se identifico en el cultivo de Spinacia olerace a traves del analisis estadistico comparativo, la diferencia en una mayor tasa de masa fresca total con un promedio del 51.6% y altura 25.6% frente a 40.3 y 21.2 cm de plantas regadas con aguas provenientes del biosistema y plantas regadas con agua sin tratar, como se observa en la Figura 11.

CONCLUSIONES

Se comprobo un biosistema de tratamiento de aguas provenientes de pozos profundos, identificando que es una propuesta de facil construccion, la cual redunda en su mantenimiento sencillo. Se logro precisar que la utilizacion de un sistema fisico y otro biologico logra depurar el suficiente fluido para un cultivo de tres hectareas, esto significa un tiempo de retencion hidraulica de tres a cinco dias; adicionalmente, la simbiosis de macrofitas y microrganismos genero un maximo aprovechamiento y depuracion del elemento de nitrogeno y coliformes. Se logra considerar que es necesario seguir trabajando de manera ambientalmente sostenible debido al alto grado de contaminacion que se identifico en el cuerpo de agua subterraneo ubicado en la sabana de Bogota; finalmente, cabe mencionar que el crecimiento de Spinacia oleracea se vio favorecido por la experiencia, siendo hoy utilizado por la finca donde se elaboro el estudio.

RECOMENDACIONES Y AGRADECIMIENTOS

Se sugiere realizar trabajos con aguas de pozos subterraneos contemplando la presencia y ausencia de metales pesados, adicionalmente se debe identificar que tan preciso es la depuracion en sistemas con una tasa de recambio y necesidad mas alta, ademas de su eficacia en otro tipo de cultivos para consumo humano. Es preciso agradecer al senor Nelson Velasquez, propietario del cultivo; a Jose Francisco Sanchez por la colaboracion en el diseno y construccion del biosistema, y a los estudiantes de la Universidad Colegio Mayor de Cundinamarca, especialmente del grupo de investigacion CEPARIUM.

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German Melo Quintana (1) Ligia Consuelo Sanchez Leal (2) Edgar Agudelo Lopez (3)

Para citar: Melo, G., Sanchez, L., y Agudelo, E. (2018). Evaluacion de la eficiencia de biodepuracion para aguas de pozos profundos en la sabana de Bogota. Redes de Ingenieria, 9(1), 15-25, doi: https://doi. org/10.14483/2248762X.13906

Recibido: 5-octubre-2018 / Aprobado: 30-noviembre-2018

(1.) Doctorando en Ingenieria del agua y medioambiental. Universidad Politecnica de Valencia, Espana. Docente Universidad Santo Tomas. Vicerrectoria Universidad Abierta y a Distancia VUAD. Correo electronico: germanmelo@ustadistancia.edu.co

(2.) Magister en Biologia aplicada. Universidad Militar Nueva Granada, Colombia. Docente del Programa de Bacteriologia. Universidad Colegio Mayor de Cundinamarca, Bogota D.C. Correo electronico: lsanchezl@unicolmayor.edu.co

(3.) Magister en Economia y Empresa. Universidad Oberta de Catalunya, Espana. Coordinador del Programa Administracion de empresas agropecuarias. Universidad Santo Tomas. Vicerrectoria Universidad Abierta y a Distancia VUAD. Correo electronico: edgaragudelo@ustadistancia.edu.co

Leyenda: Figura 1. Ubicacion de la zona de estudio

Fuente: Corporacion Autonoma Regional de Cundinamarca (2017).

Leyenda: Figura 2. Ubicacion de material filtrador en el sistema fisico Fuente: [14].

Leyenda: Figura 3. Seguimiento del pH durante el estudio.

Fuente: elaboracion propia.

Leyenda: Figura 5. Comparativa de conductividad al inicio y final del proceso de biodepuracion.

Fuente: elaboracion propia.

Leyenda: Figura 6. Comparativa de conductividad entre el sistema fisico y biologico.

Fuente: elaboracion propia.

Leyenda: Figura 7. Comportamiento TDS posterior a la biodepuracion.

Fuente: elaboracion propia.

Leyenda: Figura 8. Comportamiento de las macrofitas durante el estudio.

Fuente: elaboracion propia.

Leyenda: Figura 9. Comportamiento general de las tres macrofitas durante el estudio.

Fuente: elaboracion propia.

Leyenda: Figura 10. (a) Proceso inicial de biodepuracion; (b) proceso final de biodepuracion; (c) comparativa al inicio y final del proceso

Fuente: elaboracion propia.

Leyenda: Figura 11. Disposicion grupo control. (a) Cultivo regado con agua sin tratamiento; (b) cultivo regado con agua tratada.

Fuente: elaboracion propia.
Figura 4. Comparativa de temperatura entre tratamientos.

Tiempo de retencion hidraulica

        Con               Sin
    biodepuracion     biodepuracion

1       17               18
2       16               19
3       16               18
4       15               17
5       16               18
6       17               19
7       16               18
8       16               18
9       17               17
10      17               18
11      16               19
12      16               19
13      17               18
14      15               19
15      16               18
16      16               19
17      16               18
18      16               18

Fuente: elaboracion propia.

Nota: Tabla derivada de grafico de barra.
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Title Annotation:Articulo de investigacion cientifica
Author:Melo Quintana, German; Sanchez Leal, Ligia Consuelo; Agudelo Lopez, Edgar
Publication:Redes de Ingenieria
Date:Jan 1, 2018
Words:4137
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