ES2324277A2 - Tapiz continuo de plantas helofitas con lastre para su uso semisumergido en la depuracion de aguas residuales. - Google Patents

Abstract

Tapiz continuo de plantas helofitas con lastre para su uso semisumergido en la depuración de aguas residuales. La presente invención describe un tapiz vegetal de plantas helofitas, p. ej. enea o espadaña (género Typha. L.), con un lastre, para su uso en la depuración de aguas residuales, y su método de obtención. El tapiz está formado por la rizosfera de las plantas unida de forma íntima al lastre, que se mantiene semisumergida en un humedal por donde circulan las aguas residuales. El tapiz semisumergido se consigue mediante el crecimiento controlado de las helofitas con el lastre, que puede ser una mezcla de arena y/o grava en tierra vegetal, y que sirve para impedir que el tapiz llegue a flotar en la superficie del humedal. El oxígeno para la degradación de la materia orgánica se consigue así por difusión del aire a través de la superficie del agua del humedal y por medio de las helofitas que lo transportan a través del tejido especializado de su aerénquima hasta la rizosfera, donde habita una abundante flora microbiana que utiliza dicho oxígeno para degradar la materia orgánica.

Description

Tapiz continuo de plantas helofitas con lastre para su uso semisumergido en la depuración de aguas residuales.

Campo técnico de la invención

Este tapiz de plantas helofitas tiene aplicación en el campo de la depuración o regeneración de aguas residuales urbanas e industriales, depuración de efluentes eutrofizantes y depuración de efluentes con contaminantes eliminables por macrofitas acuáticas.

Antecedentes de la invención

Bajo el término de helofitas se incluye a una serie de plantas perennes anfibias cuyos órganos persistentes están arraigados en el fondo de un humedal y cuyos tallos emergen y desarrollan hojas y flores en el medio aéreo. Las helofitas también se conocen con el término de macrofitas emergentes; un ejemplo característico de ellas es la enea o espadaña (género Typha L.). Este tipo de plantas posee la facultad de transportar el aire desde las partes emergidas hasta las raíces a través de un tejido específico llamado aerénquima. El exceso de oxígeno que no utilizan las raíces es aprovechado por los microorganismos que viven en la rizosfera de estas plantas para respirar y degradar así la materia orgánica circundante, siendo ésta una forma natural de depuración de las aguas de los humedales naturales y de las acequias, arroyos y ríos que reciben aguas residuales.

El estado actual de la técnica describe la utilización de helofitas en la depuración de aguas residuales de acuerdo a tres sistemas diferentes en función de la posición relativa de las plantas respecto al medio acuoso del humedal: a) sistema de flujo superficial, en el que las plantas están enraizadas en el fondo y el agua pasa alrededor de los tallos emergentes, b) sistema de flujo subsuperficial, en el que las plantas están enraizadas en un lecho de grava o arena aislado del fondo del humedal por una cubierta impermeable (geomembrana, hormigón, etc.) pasando el agua residual a través de todo el sistema formado por los espacios que quedan entre el sustrato y las raíces y rizomas y c) sistemas que utilizan helofitas flotando sobre la superficie del humedal.

Los sistemas de flujo superficial tienen poca eficiencia debido a que el contacto del agua residual con la rizosfera de las plantas es escaso al estar plantadas en el fondo del humedal. La oxigenación del agua se realiza principalmente por el intercambio de oxígeno entre la atmósfera la superficie del agua. La solicitud DE 3011276 C, por ejemplo, describe el aprovechamiento de rizomas de plantas emergentes de las especies Typha y Phragmites, plantadas en el suelo. De eficiencia limitada, este sistema es completamente diferente al de la presente invención, que evita precisamente la plantación en un sustrato sólido.

Los sistemas de flujo subsuperficial son los más extendidos. Tienen la ventaja sobre los anteriores de que el agua residual tiene un mayor contacto con la rizosfera y, por tanto, ofrecen mayor eficiencia en la depuración. En este tipo de sistemas la principal vía de suministro de oxígeno a los microorganismos de la rizosfera sí es a través de las raíces de las helofitas; sin embargo, al cabo de un tiempo de funcionamiento presentan el gran inconveniente de que el lecho se colmata con el crecimiento de las raíces y rizomas reduciendo mucho su eficacia, debiéndose sustituir el lecho y reiniciar la plantación. Esto plantea un problema real de costes y operatividad. La solicitud US 4415450 describe una mejora de este sistema al combinarlo con una fase previa anaerobia con microorganismos específicos seguido del tratamiento descrito con plantas acuáticas plantadas en un lecho de arena y grava. De forma similar, la solicitud WO 93/06050 describe un proceso anaerobio vs. aerobio en tanques portátiles, cuya fase aerobia también comprende plantas en un lecho de arena y grava en el suelo de un canal. Ambos dispositivos intentan suplir la falta de eficiencia de la poca accesibilidad de sus raíces y rizomas en el proceso aerobio con un tratamiento previo anaerobio; el resultado es un sistema combinado de depuración en dos etapas que necesita un mantenimiento y una necesidad operativa compleja, que no son requeridos en la presente invención.

Los sistemas que utilizan helofitas en flotación tienen indudables ventajas sobre los dos anteriores en cuanto a eficiencia de la depuración, ya que el contacto entre el agua residual y la rizosfera es total y no existen los problemas derivados de la colmatación del sustrato. En estos sistemas la vía de suministro de oxígeno. a los microorganismos de la rizosfera es a través de las propias raíces de las helofitas, que consiguen una gran eficiencia de depuración gracias a su alta superficie específica aprovechada en su totalidad. Sin embargo, todos estos sistemas descritos por la técnica presentan la limitación de ser éste el único aporte de oxígeno al cubrir las plantas totalmente la superficie del agua con su biomasa e impedir la incorporación de oxígeno al agua a través de la superficie de contacto con el aire.

Estos sistemas consiguen la flotación de las plantas bien mediante estructuras flotantes permanentes o bien únicamente con la propia biomasa de la helofita aprovechando la baja densidad que tiene su tejido aerenquimático. Todas las referencias versan sobre las distintas posibilidades de conseguir una u otra modalidad y acerca de los dispositivos técnicos para aumentar el tiempo de contacto del agua con las raíces.

La solicitud JP 09 029283 describe una serie de elementos a modo de contenedores flotantes con estructura de red, que contienen las plantas. Son elementos complicados y prefabricados con una gran limitación en cuanto a requerimientos de espacio, factor que determina la posibilidad de su aplicación. La ES 2277537 describe particularmente un soporte de una geometría determinada para sujetar cultivos de especies vegetales en flotación. La EP 0405571 A describe una red sobre la superficie del agua donde se colocan plantas macrofitas flotantes de superficie con unas condiciones particulares de viabilidad. En este caso se trata de una red que flota y tiene como misión mantener separadas entre sí a las macrofitas flotantes. En el caso de la presente invención, la misión de la red es ayudar a la formación del tapiz vegetal con el entrelazado de los rizomas y raíces de las macrofitas emergentes, consiguiendo una eficiencia mucho mayor. La solicitud JP 63 209795 coloca las plantas directamente en cajas con soportes flotantes que impide que se hundan. En este caso la eficiencia está comprometida por la reducida densidad de la plantación, sujeta al requerimiento de espacio de las cajas. Éstas, a la larga, pueden plantear un problema de residuos en la propia agua que se pretende depurar. La solicitud JP 08 033899 se basa además en el uso de floculantes para el tratamiento del agua residual y el bombeo del agua hacia las raíces de las plantas situadas en mitad del estanque. Este último sistema implica una infraestructura y unos costes inabordables para la mayoría de administraciones necesitadas de un sistema de depuración de aguas adecuado a sus necesidades, costes que no se plantean en la presente invención. Otra invención descrita en la solicitud internacional WO 90/11255 describe un sistema de canales por donde circula el agua a depurar cubiertos por plantas acuáticas flotantes de superficie. El circuito está suplementado por dispositivos para la circulación del agua que facilitarían su contacto con las plantas. Estas referencias que utilizan plantas flotantes en lugar de emergentes, a diferencia de la invención, y necesitan complementar la plantación con dispositivos más o menos complejos que aumentan mucho los costes originales y de mantenimiento, costes que son obviados en la presente invención.

El documento más cercano a la invención del estado de la técnica es la patente española ES 2120388 B1 que consigue formar un tapiz flotante sobre la superficie del agua exclusivamente con la propia biomasa de la helofita. El sistema comprende la primera implantación de plantas jóvenes o rizomas en un soporte formado por tubos de polietileno de baja densidad; cuando las plantas son adultas y han alcanzado un trabado suficiente con los sistemas radiculares de las plantas contiguas se retira el soporte, quedando las plantas erguidas y flotando en el agua por sí solas sin necesidad de ayuda de elementos externos. El sistema ofrece gran eficiencia por la gran densidad de plantas en el tapiz y resuelve además los problemas de flotabilidad y posición de la rizosfera de las plantas individuales. Sin embargo, el aporte de oxígeno sigue limitado por ocupar el tapiz completamente la superficie del agua e impedir por ello el intercambio de oxígeno entre la atmósfera y la superficie del agua del humedal. La presente invención es una alternativa tecnológica que mejora la eficiencia de la depuración porque sumerge parcialmente y de forma estable el tapiz de plantas en el agua. Se consigue hundir el trabado de raíces y rizosfera que mantienen su superficie específica y el aprovechamiento total de su poder de depurar, y recupera el intercambio de oxígeno superficial.

Descripción de la invención

Debido al aerénquima (tejido específico que tienen las helofitas), la densidad global de la biomasa de estas plantas es inferior a la unidad, por lo que si se ponen libres en un medio acuoso flotan libremente. Para mantenerlas semisumergidas es preciso lastrarlas adecuadamente de tal forma que se sumerja toda la rizosfera y una parte de los tallos emergentes.

La presente invención es, por tanto, un tapiz continuo de plantas helofitas que contiene lastre en una cantidad capaz de contrarrestar la flotabilidad natural de dicho tapiz, de forma que permanece a un nivel estable sin salir a la superficie ni hundirse al quedar sumergido en agua.

Una realización preferente de la invención es que las plantas helofitas sean espadañas (género Typha, como por ejemplo Typha domingensis Pers.), que funcionan muy bien para la finalidad de la depuración de aguas residuales.

Una realización de la presente invención es el procedimiento de fabricación de un tapiz continuo de plantas helofitas que contiene lastre. Dicho procedimiento comprende colocar sobre una estructura de malla al menos un contenedor que porte en su interior al menos una planta helofita en un sustrato de tierra vegetal que contiene dicho lastre, y cubrir con agua suficiente el dispositivo resultante.

El número de contenedores se determinará según el tamaño del tapiz de plantas necesario para depurar la cantidad de agua que se diseñe. Una realización preferente de la invención es que el lastre utilizado sea arena gruesa o grava.

La cantidad de lastre a añadir en cada contenedor dependerá de la flotabilidad del conjunto, para lo cual es necesario tener en consideración las densidades de la rizosfera, del lastre y de los tallos, que se deberá determinar previamente de forma experimental si no están tabulados. Cuando se produce el equilibrio de semiflotación del tapiz se cumple la siguiente ecuación para cada unidad de superficie, suponiendo que la densidad del agua es 1:

Pl + Pr + Pt_{1} + Pt_{2} = Pl/dl + Pr/dr + Pt_{1}/dt_{1}

En la que:

Pl: peso del lastre por unidad de superficie.

Pr: peso de la rizosfera por unidad de superficie.

Pt_{1}: peso de la parte de los tallos que queda sumergida por unidad de superficie.

Pt_{2}: peso de la parte de los tallos que queda por encima de la superficie del agua.

dl: densidad volumétrica del lastre.

dr: densidad volumétrica de la rizosfera.

dt_{1}: densidad volumétrica de la parte de los tallos que queda sumergida.

El peso del lastre (Pl) a añadir por cada unidad de superficie se determina por la fórmula siguiente:

Pl (1-1/dl) = Pr (1/dr - 1) + Pt_{1} (1/dt_{1} - 1) - Pt_{2}

La estructura de malla se utiliza para facilitar la trabazón del tapiz formado por las raíces y rizomas de las helofitas. Una realización preferente de la invención comprende malla de polietileno o material similar. Esta estructura de malla se coloca inicialmente en el suelo de un canal vacío para colocar sobre ella los contenedores con el sustrato que contienen las plántulas de la especie seleccionada y el lastre. Una vez colocados los contenedores con el lastre y las plantas sobre la malla se procede a introducir agua en el canal hasta cubrir con agua suficiente el dispositivo, tal como se ha mencionado antes.

En la presente solicitud se entiende por "cubrir con agua suficiente", llenar de agua el entorno de los contenedores al menos hasta cubrirlos por completo, o en caso de que ofrezcan algún tipo de porosidad o permeabilidad al agua, cubrir hasta que el nivel de agua permita el crecimiento y desarrollo hasta planta adulta de la planta o plántula situada en el interior de dichos contenedores y la formación del tapiz.

Los contenedores pueden ser porosos o permeables al agua, y una realización muy preferente de la invención es que sean contenedores biodegradables, de forma que no interfieran en la formación del tapiz de las raíces y rizomas de las plantas.

Las plantas reciben los nutrientes iniciales a partir de la tierra vegetal que porta el contenedor y, más adelante, si fuera necesario se puede abonar el agua con fertilizantes solubles o con aguas residuales.

Las plantas se dejan crecer en esas condiciones de cubrimiento con agua hasta que formen un tapiz continuo entre las raíces y rizomas, que se traban entre sí englobando también a la malla y el lastre. La formación del tapiz suele completarse durante el primer año de desarrollo de las plantas, al cabo del cual el tapiz está listo para ser elevado por flotación hasta quedar semisumergido en el humedal. Entonces se sube el nivel de agua del canal y todo el manto sube hasta alcanzar el nivel adecuado. Se consigue formar un tapiz viable con las raíces y rizomas de las plantas y situarlo semisumergido a una cierta distancia de la superficie del agua.

De esta forma la superficie del agua queda en contacto directo con el aire y la parte inferior del tapiz queda por encima del fondo del humedal. Este humedal puede ser un humedal artificial constituido por un sistema de canales, balsas o lagunas; y deberá. estar aislado del terreno con geomembranas de plástico, hormigón, poliéster o cualquier medio impermeabilizante que imposibilite la penetración de las raíces desde el fondo del humedal al terreno en el que está construido.

La rizosfera queda entonces totalmente bañada por el agua residual y efectúa su función depuradora de forma completa. Además se aprovecha el intercambio natural de oxígeno que se produce entre la atmósfera y los primeros centímetros de la superficie del agua, lo que aumenta la eficacia global del sistema respecto a los otros sistemas que comprenden la flotación de la planta y no permiten el intercambio directo con el oxígeno del aire. La contribución de la superficie libre del agua a la oxigenación de los humedales depende de diversos factores, principalmente del gradiente de concentraciones entre el aire y el agua y del mantenimiento de éste mediante el viento y las corrientes de agua. Esto supone valores de oxígeno comprendidos entre 1,2 y 4,5 g m^{-2}.día^{-1}, que representan una aportación variable entre el 6,3% y el 23,7% del requerido para reducir en un 95% la DBO_{5}, la carga orgánica producida diariamente por un "habitante equivalente" (60 g.d^{-1}), en un humedal que funcione correctamente con una superficie de 3 m_{2} por "habitante equivalente" (Kadlek R.H.y Knight R.L. "Oxygen transfer to wetland waters", capítulo 10 Treatment Wetlands, págs. 296-308, 1996; Hunt P.G. et al. "Nitrogen cycling in wetland systems", págs. 93-104, 2005). Así, el aporte de oxígeno a un humedal a través de la superficie del agua puede llegar a ser del 10%, mientras que el 90% restante lo aportan las plantas a través de su rizosfera (Ready K.R. et al, "Oxygen transport through Aquatic Macrophytes: The role in Wastewater treatment", J.Environ. Qual. 19. págs. 261 -267, 1989).

Esta capacidad de aprovechar el intercambio directo del oxígeno entre el aire y el agua representa una ventaja tecnológica definitiva de la invención sobre otros sistemas del estado actual de la técnica en los que las plantas flotan sobre la superficie del agua formando un tapiz continuo.

Una realización, por tanto, de la presente invención es el uso en la depuración de aguas residuales del tapiz continuo de plantas helofitas que se ha obtenido, y la realización más preferente de todas es el uso del tapiz para la depuración de aguas residuales que comprende posicionar dicho tapiz en suspensión semisumergido en el agua a depurar.

Con la intención de mostrar la presente invención de un modo ilustrativo aunque en ningún modo limitante, se aportan los siguientes ejemplos.

Ejemplos Ejemplo 1 Construcción de un humedal artificial

Se construyó un humedal artificial con un filtro de helofitas semisumergido para la depuración de las aguas residuales de una población de 1000 habitantes equivalentes. Se partió del supuesto de necesitar 3 m^{2} de superficie de canal al nivel de la superficie del agua por cada habitante equivalente. Necesitamos por lo tanto 2000 m^{2} de lámina de agua superior. Consideramos entonces un ancho de lámina en los canales de 4 m y una longitud total de canales de 500 m; los canales se excavaron en el suelo con taludes inclinados 45º. Se diseñó la lámina de agua de 4 m de ancho a una altura de 1 m sobre el fondo, con la anchura del fondo de 2 m. Como resguardo por encima de la lámina de agua se consideraron 0,2 m, por lo que la altura total considerada fue de 1,2 m. Después de excavados y refinados los taludes se recubrieron los canales con un geotextil, y sobre éste se extendió una lámina impermeabilizante de polietileno negro de 1 mm de espesor. Los canales estaban interconectados y provistos de un dispositivo para regular el nivel de agua en cada uno de ellos.

Ejemplo 2 Obtención del tapiz

Sobre el suelo de los canales del ejemplo anterior, encima de la lámina impermeabilizante se extendió una red de polietileno con malla de 10 x 10 cm de luz. Sobre ella se colocaron 16 contenedores biodegradables por cada metro cuadrado con una planta de espadaña (Typha domingensis Pers.) en cada uno de ellos, en un sustrato constituido por tierra vegetal y arena gruesa que actuó de lastre. La cantidad de arena fue de 42,5 kg por cada m^{2} de tapiz vegetal (2,66 kg por contenedor). El volumen de cada contenedor era de 1,2 litros, para una densidad del lastre de 2,2 kg/L. El cálculo del peso del lastre (Pl) expresado en kg por cada metro cuadrado de plantación que se realiza en el fondo del canal, se determinó mediante la ecuación:

Pl (1-1/dl) = Pr (1/dr - 1) + Pt_{1} (1/dt_{1} - 1) - Pt_{2}

tomando los valores que a continuación se indican determinados experimentalmente como parámetros de la ecuación (todos ellos referidos a la unidad de superficie de tapiz vegetal plenamente desarrollado):

densidad volumétrica del lastre (dl) = 2,2 kg/L;

densidad superficial de la rizosfera (Pr) = 220 kg/m^{2};

densidad volumétrica de la rizosfera 0,88 kg/L;

peso por unidad de superficie de la parte de los tallos que queda sumergida (Pt_{1}) = 66 kg/m^{2};

densidad volumétrica de la parte sumergida de los tallos (dt_{1}) = 0,47 kg/L;

Peso por unidad de superficie de la parte aérea de los tallos (Pt_{2}) = 81 kg/m^{2}.

Una vez colocados los contenedores con el lastre y las plantas sobre la malla de polietileno que reposaba sobre el suelo del humedal artificial, se introdujo agua en el canal hasta llegar a cubrir el borde superior del contenedor. Las plantas se dejaron en esas condiciones hasta que formaron un tapiz continuo con las raíces y rizomas englobando también la malla de polietileno y el lastre, que se consideró completado en el mes 11 de desarrollo. Al cabo de ese tiempo estaba listo para ser elevado por flotación hasta quedar semisumergido en el humedal. En ese momento, se subió el nivel de agua del canal y todo el tapiz subió hasta situarse a 0,80 m del fondo, siendo el nivel total de agua de 1 m. Entonces quedó el sistema listo para depurar correctamente. Para comprobar la eficiencia se aplicó un efluente de agua residual a la instalación. Según registros tomados en pleno verano, a partir de un influente de 290 ppm de DBO_{5} se llegaron a obtener niveles de vertido de 14 ppm de DBO_{5}, con una reducción de la DBO_{5} superior al 95%.

Figuras

Figura 1.- Disposición inicial de las plántulas de la helofita sobre el fondo del humedal artificial. (1) Plántula de helofita, (2) contenedor biodegradable, (3) sustrato a base de tierra vegetal y arena gruesa, (4) malla de polietileno, (5) fondo del humedal, (6) superficie del agua durante la fase de formación del tapiz, (7) Lámina impermeabilizante.

Figura 2.- Conjunto de helofitas desarrollado sobre el fondo del humedal. Se observan los tallos (8) que sobresalen de la superficie del agua, y el tapiz vegetal (9) formado con la rizosfera de las plantas que incluye el material añadido como lastre. El tapiz ocupa todo el volumen de agua disponible.

\newpage

Figura 3.- Tapiz vegetal (9) semisumergido en la masa de agua del humedal, con su parte inferior elevada del fondo (5) y sin que la superior llegue a la superficie del agua (6), que es atravesada solamente por los tallos emergentes de la helofita (8). El tapiz incluye el lastre y la malla de polietileno.

Claims (8)

1. Un tapiz continuo de plantas helofitas caracterizado porque contiene lastre en una cantidad capaz de contrarrestar la flotabilidad natural de dicho tapiz.

2. Un tapiz según la reivindicación 1, donde dichas plantas helofitas son espadañas (género Typha).

3. Procedimiento de obtención de un tapiz según la reivindicación 1, que comprende:

-

colocar sobre una estructura de malla al menos un contenedor que porta en su interior al menos una planta helofita en un sustrato de tierra vegetal que contiene dicho lastre, y

-

cubrir con agua suficiente el dispositivo resultante del paso anterior.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, donde dicha estructura de malla comprende malla de polietileno.

5. Procedimiento según la reivindicación 3, donde dicho contenedor es un contenedor biodegradable.

6. Procedimiento según la reivindicación 3, donde dicho lastre es arena gruesa y/o grava.

7. Uso del tapiz según la reivindicación 1 para la depuración de aguas residuales.

8. Uso según la reivindicación 7, que comprende posicionar dicho tapiz en suspensión semisumergido en el agua residual a depurar.