ES2283587T3 - Sistema artificial de fitopurificacion. - Google Patents
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Abstract
Sistema artificial de fitopurificación del tipo de flujo horizontal subsuperficial (S.F.S.) o flujo vertical intermitente (V.I.S.), que comprende un lecho de material inerte que tiene una profundidad de entre 0, 5 y 1, 0 m y está saturado con agua, en el que se plantan macrófitos emergidos, enraizados, caracterizado porque el material inerte es zeolitita que contiene del 30 al 80% de zeolita natural.
Description
Sistema artificial de fitopurificación.
La presente invención se refiere a un sistema
artificial de fitopurificación.
Los sistemas artificiales de fitopurificación,
también conocidos por el término inglés "constructed wetlands"
(humedales construidos), son sistemas artificiales que se usan para
el tratamiento de agua contaminada.
El agua tiene una capacidad intrínseca de
auto-purificación, es decir, de eliminar o al menos
reducir la concentración de contaminantes mediante mecanismos
químicos/físicos y biológicos pero, cuando hay altas concentraciones
de contaminantes, es necesario usar sistemas diseñados
adecuadamente que puedan favorecer este proceso.
Estos sistemas diseñados toman el nombre de
sistemas artificiales de fitopurificación.
Un sistema artificial de fitopurificación está
constituido generalmente por un lecho filtrante de material poroso,
inerte en el que se plantan plantas macrofíticas, enraizadas,
emergidas, y a través del que se hace pasar el agua
contaminada.
Según la tecnología usada, los sistemas
artificiales de fitopurificación pueden dividirse en:
- humedales construidos con flujo horizontal
subsuperficial (S.F.S.), y
- humedales construidos con flujo intermitente
vertical (V.I.S.).
Ambos sistemas mencionados anteriormente están
constituidos por tanques o canales, cuyos fondos se hacen
impermeables mediante una capa de arcilla o láminas de polietileno
de alta densidad (HDPE), y que se llenan con un lecho de material
poroso, inerte, que puede tener un tamaño de partícula variable o
uniforme.
Los materiales de relleno inertes usados
comúnmente para este fin son arena y grava.
Las características geotécnicas de estos
materiales tienen, en promedio, los valores dados a
continuación:
| Porosidad (%) | 48 \div 52 |
| Permeabilidad m/h | 230 \div 320 |
| Diámetro mín. - máx. | 2-10 \div 4-10 |
Además de actuar como un filtro, el lecho de
material inerte constituye también el sustrato sobre el que se
desarrollan las raíces de los macrófitos emergidos usados para la
fitopurificación.
Para este fin, pueden usarse macrófitos
emergidos de diversos tipos, entre los cuales pueden mencionarse el
carrizo común (Phragmites australis), la espadaña (Typha
latifolia), y el junco (Scirpus lacustris), a modo de
ejemplo.
La profundidad del lecho es generalmente de
entre 0,5 y 1 m, según el tipo de macrófito usado.
Por ejemplo, para Phragmites australis,
la profundidad del lecho es generalmente de 0,8 m.
En ambos tipos de sistemas mencionados
anteriormente, el efluente se suministra mediante tuberías de una
manera tal que el nivel de agua se mantiene siempre por debajo de
la superficie del lecho. El hecho de que el lecho esté saturado con
agua pero no completamente sumergido impide el desarrollo de
insectos y reduce la producción de olores y también evita que el
líquido se congele en invierno.
Los fondos de los sistemas de S.F.S. y V.I.S.
son generalmente planos o tienen una ligera pendiente descendente
(del 1-2%) para facilitar el drenaje del agua. Sin
embargo, la superficie superior es generalmente horizontal.
La diferencia entre los sistemas de S.F.S y
V.I.S. es que, en el primero, el efluente se suministra de manera
continua y fluye a través del lecho en una dirección horizontal
mientras que, en el último, el efluente admitido se distribuye de
manera intermitente sobre toda la superficie del lecho, pasando a
través de él perpendicularmente por percolación.
En ambos sistemas mencionados anteriormente, la
vegetación desempeña un papel fundamental dado que transfiere
oxígeno a través de los sistemas de raíces y los rizomas al fondo de
los tanques de tratamiento y garantiza que se forme, por debajo del
nivel de agua, un entorno adecuado para el establecimiento de los
microorganismos aerobios que son responsables del tratamiento
biológico.
Los macrófitos emergidos, enraizados, tienen de
hecho una gran capacidad para la transferencia de oxígeno desde las
partes aéreas hasta las partes sumergidas de la planta. Por tanto,
se absorbe oxígeno atmosférico por las hojas y por los tallos y se
transfiere y se libera a nivel de la rizosfera.
Por tanto, se crean microzonas aerobias
alrededor de las raíces y surgen rizomas en el lecho anaerobio y las
condiciones que son esenciales con el fin de que tengan lugar de
manera eficaz los procesos biológicos de eliminación de
contaminantes.
Entre los macrófitos emergidos mencionados
anteriormente, el más eficaz, particularmente para bacterias
reductoras, es Phragmites australis que, en virtud de la
estructura particular de su aerénquima, crea una zona oxidante
alrededor de las raíces, mejorando así los procesos oxidativos.
Estas especies de plantas crecen desarrollando
un denso entrelazamiento de rizomas y raíces que, dado que se
extienden verticalmente y horizontalmente a través del lecho, ayudan
a crear las características hidráulicas del lecho que son
esenciales para lograr un flujo óptimo dentro del sistema.
Se ha estimado que los macrófitos pueden
transferir desde 5 hasta 45 g de oxígeno por día, por metro cuadrado
de superficie húmeda, dependiendo de la densidad de las plantas, la
necesidad de oxígeno del terreno saturado, y las características de
permeabilidad de las raíces.
En particular, con respecto a Phragmites,
el proceso de transferencia de oxígeno es particularmente eficaz y,
además, dado que sus rizomas penetran hasta una mayor profundidad
que los de otras especies, reducen las regiones en las que pueden
tener lugar procesos anaerobios, que conducirían al desarrollo de
gases malolientes tales como amoniaco, sulfuro de hidrógeno,
mercaptanos, etc.
En los sistemas de fitopurificación, la eficacia
de purificación permanece bastante constante a lo largo del año,
dado que los procesos de purificación tienen lugar principalmente al
nivel del sistema de raíces que, dado que está sumergido, no se ve
demasiado afectado por las variaciones climáticas externas y es
también activo en los meses más fríos; la acumulación de basura
sobre la superficie también ayuda a crear una protección
térmica.
La absorción de nutrientes, particularmente
nitrógeno y fósforo, por estas especies de plantas, es
extremadamente baja en comparación con la cantidad de nutrientes
eliminados por los procesos bioquímicos que tienen lugar en la
rizosfera, lo que conduce a una baja producción de biomasa por las
plantas.
Esto reduce la necesidad de eliminar la biomasa
de las plantas periódicamente, permitiendo un mantenimiento
reducido y fácil que puede realizarse incluso por personal no
experto.
Generalmente, la plantación de 4
plántulas/m^{2} garantiza una buena cobertura del lecho y
propagación de las plantas en el plazo de cortos periodos de
tiempo.
Sin embargo, ambos sistemas descritos
anteriormente tienen una capacidad de purificación muy limitada y,
con el fin de lograr resultados satisfactorios, es necesario
proporcionar áreas de tratamiento bastante extensas.
De hecho, con el uso de estos sistemas, el área
mínima requerida para lograr un efluente final que cumpla con las
regulaciones en vigor (tabla A del decreto ley nº 152 de 11/5/1999,
apéndice 5), para el tratamiento de efluentes de instalaciones
domésticas, es de 3-5 m^{2} por habitante
equivalente, siendo los flujos de agua promedio de
0,1-0,15 m^{3} por día por habitante
equivalente.
Por esta razón, el uso de sistemas artificiales
de fitopurificación, particularmente en Italia, donde las áreas
disponibles son muy pocas, no se ha generalizado, como en otros
países, sino que está limitado a sistemas pequeños con un número
pequeño de usuarios.
El objeto de la presente invención es por tanto
aumentar la capacidad de purificación tanto de los sistemas de
fitopurificación de S.F.S. como de V.I.S., permitiendo una reducción
en las áreas de tratamiento que se requieren para producir
efluentes que cumplan las regulaciones en vigor.
Este objeto se ha logrado por medio de un
sistema de fitopurificación según el preámbulo de la reivindicación
1, caracterizado porque el lecho de material inerte está constituido
por zeolitita.
La zeolitita es una roca de origen volcánico que
contiene una cantidad de zeolita que varía desde aproximadamente el
20 hasta el 90%.
Las zeolitas son aluminosilicatos hidratados de
metales alcalinos y metales alcalinotérreos, que pertenecen a la
familia de los tectosilicatos.
Su estructura tridimensional se caracteriza por
la presencia de grandes cavidades que se comunican entre sí y con
el exterior por medio de canales.
Por esta razón, las zeolitas tienen una gran
superficie específica que es, en promedio, aproximadamente de
200-500 m^{2}/g, según el tipo.
\newpage
La gran área específica es particularmente
ventajosa para el uso de zeolititas como materiales de relleno en
sistemas de fitopurificación, dado que permite un mayor crecimiento
y multiplicación de los microorganismos que son responsables de los
procesos de degradación del material orgánico.
Además, en virtud de la alta capacidad de
intercambio catiónico que es característica de las zeolitas, estos
minerales pueden absorber cationes de diversos tipos a partir de los
efluentes contaminantes y pueden retenerlos dentro de su propia
estructura, permitiendo que fluya el agua así purificada.
Los cationes absorbidos se vuelven a ceder
entonces muy lentamente al exterior, de nuevo mediante intercambio
catiónico, (excepto para Cr III que permanece inmovilizado en la
zeolita) y por tanto se hacen disponibles para la acción oxidante
de los microorganismos que están presentes en la rizosfera.
Dado que los diámetros internos de los canales
varían dependiendo del tipo de zeolita considerado, cada tipo de
zeolita se caracteriza por una selectividad precisa con respecto a
diferentes cationes.
Por ejemplo, las zeolititas basadas en filipsita
o clinoptilolita tienen una marcada selectividad por iones amonio y
radionúclidos, mientras que la zeolitita a base de chabazita tiene
una marcada selectividad por metales pesados.
En particular, el ion amonio (que, entre los
diversos cationes contaminantes, es el que generalmente está
presente en la mayor concentración) se captura por la zeolitita
mediante intercambio catiónico y entonces se cede de nuevo a
niveles de concentración inferiores de modo que los microorganismos
presentes en la rizosfera, tales como Nitrosomonas y
Nitrobacter, pueden oxidarlo a iones nitrato, de los que
algunos los usan las plantas y algunos se reducen a nitrógeno
gaseoso (N_{2}) mediante bacterias desnitrificantes y se libera
después a la atmósfera.
Cuando están presentes metales pesados en el
efluente, éstos también se capturan por la zeolitita y se vuelven a
ceder a niveles de concentración inferiores de modo que las raíces
de las plantas pueden absorberlos y transferirlos a la parte aérea
(el tallo y las hojas), en la que se acumulan.
Periódicamente, cuando las plantas se cortan,
los metales pesados recuperados del efluente pueden eliminarse con
el follaje.
Los esquejes pueden incinerarse y la ceniza,
convertida en inerte de manera adecuada, puede desecharse.
En los sistemas de fitopurificación de la
presente invención, se usan por tanto como material de relleno
zeolititas preferiblemente a base de analcima, chabazita,
clinoptilolita, faujasita, laumontita, mordenita, filipsita, o
mezclas de las mismas. Incluso más preferiblemente, las zeolititas
tienen una capacidad de intercambio catiónico de entre 0,3 y 2,5
meq/g, más preferiblemente entre 0,6 y 1,8 meq/g.
Además, las zeolititas tienen preferiblemente un
contenido en zeolita dentro del intervalo de desde el 30 hasta el
80%, incluso más preferiblemente desde el 50 hasta el 70%.
Además, en una realización particularmente
preferida de los sistemas de fitopurificación de la presente
invención, los macrófitos emergidos, enraizados usados para la
fitopurificación son plantas micorrizadas.
El término "micorriza" (del griego mykes:
hongo y rhiza: raíz) indica una asociación simbiótica entre hongos
y raíces de plantas.
Se sabe que las micorrizas son muy útiles para
el huésped que las posee; el hongo absorbe elementos nutritivos del
suelo (en particular fósforo, nitrógeno y potasio, así como algunos
microelementos) y los cede a la planta, desempeñando por tanto un
papel biofertilizante.
La formación de micorrizas también aporta a la
planta otras ventajas tales como, por ejemplo, una mayor
conductividad de agua por la raíz, es decir, una mayor capacidad de
absorber agua a través de las raíces.
Además, la formación de micorrizas protege a la
planta del ataque por algunos patógenos de la raíz.
La suma de estos efectos garantiza a la planta
micorrizada un mejor crecimiento que una planta no micorrizada.
El uso de plantas micorrizadas en sistemas de
fitopurificación tiene ventajas específicas adicionales relacionadas
con un aumento de la masa de la raíz y un aumento de la capacidad
de las raíces de introducirse en el terreno. Además, se ha
observado que la presencia de micorrizas aumenta la transferencia de
oxígeno desde la parte aérea hasta la parte sumergida,
fortaleciendo así los procesos bioquímicos que tienen lugar en la
rizosfera.
En particular, las plantas micorrizadas pueden
realizar una absorción mejorada y más selectiva de los diversos
metales pesados que pueden estar presentes en el efluente.
Las plantas micorrizadas que se van a usar en el
sistema de fitopurificación de la presente invención pueden
obtenerse, por ejemplo, mediante inoculaciones micorrícicas
arbusculares.
Para este fin, se prefieren enormemente
Phragmites australis, Typha latifolia y Scirpus lacustris,
micorrizadas mediante hongos simbióticos que pertenecen al
género Glomus, Sclerocystis, Scutellospora, Acaulospora,
Entrosphspora y Gigaspora.
Se ha estimado que los sistemas de
fitopurificación según la realización preferida, en la que el lecho
está constituido por zeolitita y las plantas están micorrizadas,
requieren sólo 0,5-1,5 m^{2} de área por habitante
equivalente para tratar agua efluente de instalaciones domésticas
con velocidades de flujo de agua de 0,2-0,3 m^{3}
por habitante equivalente por día.
En otras palabras, los sistemas de
fitopurificación según esta realización permiten que se logren
resultados óptimos con una reducción del área de tratamiento
requerida por habitante equivalente hasta menos de 1/3, y con dos
veces la velocidad de flujo del agua.
En virtud del aumento en su capacidad de
purificación, los sistemas de fitopurificación de la invención
pueden usarse por tanto para tratar tanto vertidos industriales
como vertidos humanos, en particular:
- agua efluente de instalaciones domésticas con
hasta 200 usuarios habitantes equivalentes (H.E.)
- agua efluente de campings o grupos de
casas
- agua efluente de emplazamientos rurales
- agua efluente de procesos agroalimentarios
- percolados de vertederos tratados in
situ
- aguas superficiales que se van a
potabilizar.
Otro uso posible de los sistemas de
fitopurificación de la invención es para reducir el problema de la
contaminación residual en efluentes procedentes de depuradoras.
Para este fin, puede interponerse un sistema de
fitopurificación entre la salida de la purificadora y el depósito;
por otra parte, esto mejora la calidad del agua introducida de nuevo
en el medio ambiente y, por otra parte, compensa cualquier mal
funcionamiento de las purificadoras.
El siguiente ejemplo se proporciona meramente a
modo de ilustración y no debe entenderse como limitante del alcance
de la presente invención tal como se define en las reivindicaciones
adjuntas.
Este ejemplo facilita los resultados obtenidos
en una prueba realizada sobre un efluente que se obtuvo de una
instalación química/física y que se trató durante aproximadamente un
año por medio de un "constructed wetland" (humedal construido)
compuesto de chapa de hierro y que tenía las siguientes
características:
| longitud | 2,50 m |
| anchura | 1,25 m |
| profundidad | 0,90 m |
| área | 3,125 m^{2} |
| Volumen | 2.812 m^{3} |
| Volumen de zeolitita | 2.500 m^{3} |
Se suministró el "humedal" mediante una
tubería de 2,5 cm de diámetro y 1,2 metros de largo con orificios
de distribución, que se dispuso sobre el lecho de zeolitita en un
extremo del tanque.
Una tubería de 4 cm de diámetro, conectada a una
tubería de recogida perforada dispuesta en el fondo del tanque y
cubierta por la zeolitita, emergía del fondo del tanque en el otro
extremo.
Se conectó esta tubería a un sifón situado 5 cm
por debajo del nivel alcanzado por el lecho del "humedal".
Se usó como material de relleno una zeolitita
natural a base de chabazita y filipsita, que tenía una concentración
de zeolitita total del 61% y una capacidad de intercambio catiónico
de 1,12 meq/g con respecto al ion amonio y un área específica de
265 m^{2}/g.
La zeolitita usada tenía los siguientes tamaños
de partícula, expresados en mm: 0,5-1,5,
1-3, 3-6, 8-15.
\newpage
Se dispuso la zeolitita en el tanque tal como
sigue, comenzando desde el fondo:
La cantidad total de zeolitita usada fue de 2100
kg.
Como plantas de marismas, se plantaron 16
plantas de Phragmites australis, micorrizadas con hongos
simbióticos que pertenecían al género Glomus, proporcionados
de un vivero por una empresa especializada en el campo.
El agua que se iba a tratar provenía de una
instalación químico/física y se había filtrado previamente.
En vista de las características del efluente
(del cual se facilita un análisis a continuación), la velocidad de
flujo hacia el "humedal" se fijó en 12 l/hora, que es igual a
288 l/día.
La prueba continuó exactamente durante 323
días.
Se tomó la primera muestra de agua tratada en el
día 150 (después de que se hubiesen tratado 43.200 litros de
efluente) durante un periodo en el que las plantas no estaban
todavía completamente desarrolladas.
La tabla 1 facilita las concentraciones de los
diversos contaminantes presentes en la entrada y la salida del
efluente (es decir, tomadas en el día 150) a partir de las cuales se
calcularon las reducciones en porcentaje.
La segunda muestra de agua se tomó en el día 322
(después de que se hubiesen tratado 92.736 litros de agua efluente)
en un periodo en el que, aunque las plantas no estaban completamente
desarrolladas, estaban muy avanzadas. La tabla 2 facilita los
resultados obtenidos.
Estos resultados, que se obtuvieron mediante
pruebas durante menos de 12 meses y con plantas de marismas que
todavía no estaban desarrolladas completamente (requieren al menos
18/24 meses) y que por tanto hicieron una contribución reducida al
tratamiento, mostraron ya que el sistema artificial de
fitopurificación de la presente invención es muy eficaz en la
purificación de agua efluente, incluso cuando tiene una carga
contaminante particularmente pesada como la de la prueba notificada
anteriormente.
Claims (14)
1. Sistema artificial de fitopurificación del
tipo de flujo horizontal subsuperficial (S.F.S.) o flujo vertical
intermitente (V.I.S.), que comprende un lecho de material inerte que
tiene una profundidad de entre 0,5 y 1,0 m y está saturado con
agua, en el que se plantan macrófitos emergidos, enraizados,
caracterizado porque el material inerte es zeolitita que
contiene del 30 al 80% de zeolita natural.
2. Sistema según la reivindicación 1, en el que
la zeolitita tiene un contenido en zeolita dentro del intervalo del
50-70%.
3. Sistema según la reivindicación 1 ó 2, en el
que la zeolita natural se selecciona del grupo que consiste en
analcima, chabazita, clinoptilolita, faujasita, laumontita,
mordenita, filipsita, y mezclas de las mismas.
4. Sistema según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, en el que la zeolita tiene una capacidad de
intercambio catiónico dentro del intervalo de 0,3 a 2,5 meq/g.
5. Sistema según la reivindicación 4, en el que
la zeolita tiene una capacidad de intercambio catiónico dentro del
intervalo de 0,6 a 1,8 meq/g.
6. Sistema según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, en el que la zeolita tiene un tamaño de
partícula dentro del intervalo de desde 0,5 hasta 35 mm.
7. Sistema según la reivindicación 6, en el que
el tamaño de partícula de la zeolitita es variable dentro del
lecho.
8. Sistema según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que los macrófitos emergidos
están micorrizados.
9. Sistema según la reivindicación 8, en el que
los macrófitos microrrizados emergidos pueden obtenerse mediante
inoculación micorrícica arbuscular.
10. Sistema según la reivindicación 8 o la
reivindicación 9, en el que los macrófitos emergidos se seleccionan
del grupo que consiste en Phragmites australis, Typha,
Scipus, y combinaciones de los mismos.
11. Uso de un sistema de fitopurificación según
una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, para el
tratamiento de agua efluente de instalaciones domésticas.
12. Uso de un sistema de fitopurificación según
una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, para el
tratamiento de vertidos industriales.
13. Uso de un sistema de fitopurificación según
una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, para el
tratamiento de agua efluente procedente de emplazamientos
rurales.
14. Uso de un sistema de fitopurificación según
una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, para el
tratamiento de percolados de vertederos.
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