WO2014131931A1 - Procedimiento de eliminación de metales pesados presentes en aguas contaminadas y dispositivo para la puesta en practica de dicho procedimiento - Google Patents

Procedimiento de eliminación de metales pesados presentes en aguas contaminadas y dispositivo para la puesta en practica de dicho procedimiento Download PDF

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WO2014131931A1
WO2014131931A1 PCT/ES2014/070149 ES2014070149W WO2014131931A1 WO 2014131931 A1 WO2014131931 A1 WO 2014131931A1 ES 2014070149 W ES2014070149 W ES 2014070149W WO 2014131931 A1 WO2014131931 A1 WO 2014131931A1
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typha
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water
heavy metals
phragmites
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PCT/ES2014/070149
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Alena SEMENOVA
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Semenova Alena
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/02—Aerobic processes
    • C02F3/04—Aerobic processes using trickle filters
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/10—Biological treatment of water, waste water, or sewage

Definitions

  • the present invention relates to a process that has been specially designed to carry out the elimination of heavy metals present in all types of waters with industrial, urban and agro-livestock pollutants, in addition to being able to eliminate other pollutants, improving the final quality of the waters, using two species of aquatic plants, one matrix and another companion or cover species, together with fungi and / or anaerobic bacteria inoculated in the roots of the aquatic plants themselves, in order to eliminate, absorb and reduce the metal content heavy
  • the object of the invention is to have a biodepuration model of water contaminated with heavy metals, easy installation, handling, conservation and management, with high absorption power of heavy metals, which is indistinctly applicable in tropical, temperate or equatorial areas of the planet.
  • the invention also affects the device, specifically a cuvette, by which it is possible to carry out the process of the invention.
  • the invention that is recommended goes a step further than the state of the art mentioned above, by combining aquatic plants and fungi or bacteria inoculated in said plants for the elimination, absorption and reduction of heavy metal content in contaminating liquids from industrial sectors urban or agro-livestock, providing a much more effective and lasting process, being sustainable for a longer time, incorporating several species of plants depending on the environmental conditions, to stimulate the efficiency and the purifying potential of the system.
  • the process of the invention is based on a containment structure of the water to be purified materialized in a bucket, the depth of which will be given depending on the pollutant load and the volume of the water, being established in its within a containment volume based on plant species, defining minimum depth values based on the pollutant load to be treated.
  • a vegetable filter of decontaminants is established, a species of the genus Thypha spp, and others belonging to the genera: Iris sp., Sparganium sp., Cyperus spp., Scirpus spp., Typha ssp. and Nelumbo sp.
  • the inoculation is carried out through a previous activation of the selection of conserved microorganisms, previous sowing on sterilized nutrient agar, and cultured. Once germinated, they will be propagated in nutritious broths in rotation.
  • the roots of the plant species of interest are inoculated.
  • the inoculation will be carried out after washing the roots of the seedlings of the plant species by growing them in nutritious liquid medium under a suspension of microorganisms at a concentration of at least 10 6 cells / liter.
  • the inoculated plants will be transferred to suitable substrates and containers to reach the desired size until installation of the purification rafts.
  • the plants will be nourished in flooded cuvettes where the nutrient medium will contain the aforementioned microorganisms, in concentrations of at least 10 microorganisms / liter.
  • the plants are anchored and installed in the bucket, where the average density per bucket and polluting load is estimated.
  • Said filter is subjected to a process of fertilization, control of pests and diseases, conservation, evaluation of the filter, development period, filtering and decontamination activity.
  • the initial monitoring of the evaluation measures in the reduction of the pollutant load and in the levels of heavy metals will be carried out, through physical-chemical analysis of the waters in the process and the evaluation of the presence and quantity of heavy metals through the mass spectrophotometer until reaching the optimum level of decontamination.
  • the monitoring will allow to evaluate the saturation states of plants and microorganisms in relation to the rescue of heavy metals.
  • the preparation of the cuvette As for the preparation of the cuvette, it will be sized properly, It will indicate, level and prepare the ground, waterproofing it and establishing the corresponding inputs and outputs of water and auxiliary elements in the recharge and emptying of the bucket.
  • the plant materials that are available in the bucket will come from the multiplication by seeds and their subsequent inoculation with the microorganisms, according to the procedure previously indicated.
  • Plant materials in all cases will be prepared in the production area prior to transport in order to eliminate the least number of damages, and have quality plants in the installation of the filter.
  • root samples will be processed in the green filter in order to analyze and check the degree of microorganisms present. Checks will be carried out at least twice a year and in cases where the concentration of microorganisms per unit of sampled root area is less than 10 microorganisms / cm, a reintroduction of inoculated plants will be carried out in order to increase the number of microorganisms .
  • the development of the filter is estimated in a period between 2-7 months, from its installation in the bucket to the appropriate level of root clogging for an ideal processing in the capture of heavy metals and a decrease in the organic matter contaminant load , and suspended or combined substances (See figure 1).
  • the development of the filter is in three phases; a first phase of installation of the parent plants, promoters or initials of organization, a second phase of installation of the accompanying plant, coverage or fixation; and a third phase of complete root development or definitive conformation of the filter.
  • a first period of installation and development a second mature period of normal activity and a mature period of reduced activity.
  • an anchoring and fastening plastic mesh will be established on the inner face of the tray, to which the matrix or initial organization plants are fixed, which are all framed within the group of species of the genus Typha spp, defining a powerful root system, formed in part by roots and rhizomatous structures, that form a sustaining network for the anchoring of other aquatic species of interest in the filtration, purification and rescue of harmful substances and / or Toxic, specifically the accompanying, covering or fixing plants, are installed once the parent plants are established.
  • the accompanying plants facilitate an intricate and compact network to organize a dense and bulky filter that allows a slow circulation of the contaminated water and facilitates a decontamination and an uptake of toxic substances, so that the sum of the two species of plants establishes the matrix or Green filter that facilitates the decontamination of contaminated water.
  • a group of roots of the second, third, fourth order is organized that make up an imbricated and mesh-type network that facilitates a retention of water solids and a decrease in the surrounding water flow.
  • the imbricated network of roots in a good part of the cases is formed by fistulous, or hollow, roots that allow the circulation of air and oxygen to contaminated water.
  • the root filter allows the degradation in part of the organic matter, the assimilation of nitrogen, phosphorus, Carbon and the combination with microorganisms facilitates the capture of heavy metals and toxic substances.
  • the filter of microorganisms that appear associated with the surface of the roots.
  • the microorganisms that appear on the surface of the roots of the green filter are species of fungi and a bacterium, which facilitate the degradation of organic matter, the assimilation of carbon, nitrogen and phosphorus and the accumulation of heavy metals obtaining a complex system of microorganisms that remain in the green filter.
  • the system has a surface of stems, leaves and emerging or aerial inflorescence that configures the part, or photosynthetic phase of the decontamination system.
  • the system has a process that relies exclusively on the biological and combined action of various types of organisms: vegetables, bacteria and fungi; acting together to degrade and fix contaminant components and substances in contaminated liquids mainly from livestock, agribusiness and sewage from urban centers. It is a clean, non-polluting procedure directly or indirectly and exclusively biological in nature.
  • the action is remarkable, unique and of high interest combined in the process of several organisms.
  • the greater power of absorption and destruction of contaminants is concentrated in the vegetables of the process.
  • the singularity of combining at least two species of vegetables within the green filter is equally remarkable.
  • the presence of at least two vegetables allows a better adaptation to the variations in the conditions and quantity of the pollutants, facilitates a greater purification potential, being able to settle in waters of different physical and chemical conditions, establishes a more powerful purification filter, allows an insertion of a greater number and diversity of microorganisms, organizes a longer period of purification and allows a greater longevity and durability of the filter.
  • the system is a powerful eliminator of toxic products in the waters. Heavy metals are rescued in the filter such as: Iron (Fe); Zinc (Zn); Lead (Pb 2+ ); Cadmium (Cd 2+ ); Nickel (Ni 2+ ); Manganese (Mn 2+ ); Colbalt (Co 3+ ); Copper (Cu); Arsenic (As), in addition to substances such as polyphenols of industrial or plant origin that pose a high risk of toxicity in water. It is therefore a system in which it has been confirmed not only the power to lower suspended solids improve COD and BOD conditions, and the pH of the medium through the injection of oxygen by plants, but also reduces and / or eliminates substances and chemical elements of high toxicity at the biological level.
  • the presence of a double vegetable filter allows many advantages for its use in the decontamination of agricultural and industrial waters. Some advantages have been previously expressed by indicating their ability to retain heavy metals, toxic chemicals or their biological character. It is also necessary to indicate that the filter in question produces between 30-60% more root biomass, and between 25-60% more aerial biomass in the purification tanks; allowing an auxiliary production of biomass in the system that could be of interest for use in other industries such as energy production through biomass.
  • the combined use of several plant species makes the filter more effective, allowing greater versatility in the installation of the system in cold, temperate or warm areas, as well as in different types of water: hard, soft, acidic or basic.
  • COD Chemical Oxygen Demand
  • BOD Biochemical (Biological) Oxygen Demand
  • MONTH Solid Materials in Suspension
  • P Phosphorus
  • N Total nitrogen
  • Flavonoid compounds 85-90%, together with MT (Heavy metals): 85-90%; allowing faster water purification process that can be shortened between 15-25 days in urban wastewater and between 10-15 days in heavily polluted industrial waters.
  • the system allows more efficient and less expensive maintenance when the combination of several vegetables within the filter occurs, which ensures the survival and dominance of the species or species that best meet the conditions of the contaminated water and environmental conditions.
  • This situation favors a more efficient acclimatization, a more suitable development and a more natural conformation of the filter.
  • greater durability is ensured over time, since it can be self-seeded, with the security of being able to anchor the seeds to the filter bed and in this way the maintenance by regeneration or the possible regeneration of the filter is reduced, making the more efficient and cost-effective system in its installation and operation than in the case of having a specific vegetable mono filter.
  • Figure 1 It shows, according to a block diagram, the processes of reduction, acidification, and chelation of metals in soils by the effect of roots and microorganisms that contain.
  • Figure 2. Shows a sectional and sectional view of a device by means of which the heavy metal removal process present in contaminated water object of the present invention is carried out.
  • the filter originates from the roots of plants of two species: a) a matrix species of the genus Typha sp conferenceand b) an accompanying species of the genera Phragmites spp, Iris sp., Sparganium sp., Cyperus spp., Scirpus spp., Typha ssp. and Nelumbo sp; which have previously been inoculated in the laboratory with fungi of the genus Glomus spp. Glomus intraradices NC Schenck & GS Sm. and Glomus mosseae (TH Nicolson & Gerd.) Gerd.
  • the inoculum content per 100 plants is of a concentration of at least 10 6 cells / liter in a solution rich in sugars and pH 7-8.5, for 2 weeks.
  • the inoculation process will be projected between 5-15 days at a temperature between 20-28 ° C and between 18-22 ° C in the aqueous medium. After the first 5 days, root samples will be taken to detect the microorganisms until at least 2 microorganisms per seedling are reached and at a concentration of at least 10 microorganisms / cm.
  • the minimum established density of plants in the bucket varies depending on the bucket surface, depth and pollutant load.
  • the following ranges are established for the pioneer species (the species that are installed first): a) in waters with a polluting load of up to 500 mg / 1 of BOD 5 , and surfaces of up to 1 ha, 3-5 plants / m ; b) in waters with a contaminant load of more than 500 mg / 1 of BOD 5 , and surfaces of up to 1 ha, 5-8 plants / m; c) in waters with a polluting load of more than 500 mg / 1 of BOD 5 , and surfaces of more than 1 ha, 6-10. plants / m.
  • the density ranges from: a) in waters with a contaminant load of up to 500 mg / 1 of BOD 5 , 3-4 plants / m; b) in waters with a pollutant load of more than 500 mg / 1
  • the planting depth for the different species contemplated in the filter depends on the polluting load. In waters with a polluting load of up to 500 mg / 1 of BOD 5 , the depth range of plant species will be as follows:
  • Matrix species Typha angustifolia L.: 60 -70 cm / Typha australis Schum. : 60 -80 cm / Typha domingensis (Pers.) Steud. : 60 -70 cm / Typha latifolia L.: 60 -80 cm / Typha xgezei Rothm. : 60 -70 cm / Typha xglauca Godr. : 60 -80 cm.
  • Matrix species Typha angustifolia L.: 80-120 cm / Typha australis Schum. : 90-160 cm / Typha domingensis (Pers.) Steud. : 60-150 cm / Typha latifolia L.: 90 -150 cm / Typha xgezei Rothm. : 80-130 cm / Typha xglauca Godr. : 90 - The heavy metals that have the ability to retain the green filter combined with Vesiculo Arbuscular fungi of the Glomus spp.
  • Type are the following: Iron (Fe 3+ ); Zinc (Zn 2+ ); Lead (Pb 2+ ); Cadmium (Cd 2+ ); Nickel (Ni 2+ ); Manganese (Mn 2+ ); Colbalt (Co 3+ ); Copper (Cu 2+ ); Arsenic (As 5+ ).
  • the amount of annual decontamination can reach for some of the metals of 370 mg / kg of dry plant.
  • the maintenance of the installation and especially of the decontaminating filter will require a control of diseases and pests at the aerial and root level, with specific treatments in the case of aphids or red spider with pyretic insecticides or derivatives, and in the case of root nematodes with specific nematicides , harmless to root fungi.
  • plant regenerations and cleaning of the dry remains of leaves, stems and inflorescences will be required.
  • the green filter with microorganisms is also an effective decontaminant in Other aspects of contaminated water, significantly improving values such as a decrease in the total content of suspended solids, improves COD and BOD conditions, and the pH of the medium through the injection of oxygen by plants, and finally reduces and / or eliminates substances of high toxicity at the biological level, in addition to reducing or eliminating heavy metals.
  • COD Chemical Oxygen Demand
  • BOD Biochemical (Biological) Oxygen Demand
  • MONTH Solid Materials in Suspension
  • P Phosphorus
  • N Total nitrogen
  • Flavonoid compounds 85-90%, together with MT (Heavy metals): 85-90%.

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  • Processing Of Solid Wastes (AREA)

Abstract

El procedimiento consiste en un método para la eliminación de metales pesados en aguas contaminadas a través de un filtro verde en el que participan organismos vegetales acuáticas y microorganismos. Precisándose una cubeta dimensionada en función del volumen de agua a descontaminar, de origen industrial, residuales urbanas y de origen agroganadero. La descontaminación se produce gracias a un filtro vegetal compuesto por una especie vegetal matriz del genero Typha sp., y una especie acompañante seleccionada entre los géneros Phragmites spp, Iris sp., Sparganium sp., Cyperus spp., Scirpus spp., Typha ssp. y Nelumbo sp;, junto con microorganismos de los grupos hongos Vesiculo-Arbusculares y/o bacteria Raoultella terrígena, previamente inoculados en las raíces de las plantas, que permite la reducción o eliminación de metales pesados. Finalmente el filtro combinado de varias especies de vegetales acuáticos permite una reducción de los parámetros en la calidad del agua final.

Description

^
PROCEDIMIENTO DE ELIMINACIÓN DE METALES PESADOS PRESENTES EN AGUAS CONTAMINADAS Y DISPOSITIVO PARA LA PUESTA EN PRÁCTICA DE DICHO PROCEDIMIENTO
D E S C R I P C I Ó N OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un procedimiento que ha sido especialmente concebido para llevar a cabo la eliminación de metales pesados presentes en todo tipo de aguas con contaminantes de tipo industrial, urbano y agroganadero, además de poder eliminar otros contaminantes, mejorando la calidad final de las aguas, utilizando dos especies de plantas acuáticas, una especies matriz y otra acompañante o de cobertura, junto con hongos y/o bacterias anaeróbicas inoculadas en las raíces de las propias plantas acuáticas, a fin de eliminar, absorber y reducir el contenido de metales pesados.
El objeto de la invención es disponer de un modelo de biodepuración de aguas contaminadas con metales pesados, de fácil instalación, manejo, conservación y gestión, con alto poder de absorción de metales pesados, que sea indistintamente aplicable en zonas tropicales, templadas o ecuatoriales del planeta.
La invención también afecta al dispositivo, concretamente una cubeta, mediante la cual es posible llevar a cabo el procedimiento de la invención.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN En el ámbito de aplicación práctica de la invención, son conocidos procesos para la depuración de aguas residuales y vertidos contaminantes en base a cultivos de macrofitas emergentes convertidas en flotantes, de manera que la parte sumergida de la planta "parte radicular: raíces" presenta una gran superficie específica, que se emplea para depurar dichas aguas residuales, absorbiendo, reduciendo y eliminando los productos contaminantes.
En tal sentido, pueden citarse la patente de invención WO 2007083304, la patente de invención ES 2120388 o la patente WO 98/45213.
El problema que presentan estos procedimientos es que no prevén la inoculación de microorganismos en las plantas, se presenta una sola especie vegetal en el filtro, y no son específicas para la eliminación de metales pesados, empleándose solamente en zonas templadas. En estas condiciones los sistemas previos disponen de serias limitaciones para la descontaminación de aguas con medios a altos niveles de metales pesados, carecen de la posibilidad de un sistema biológico combinado de plantas + microorganismos, que facilite una rápida absorción de contaminantes y mejora de la calidad de aguas contaminadas de diferentes orígenes, y finalmente son limitados para su uso fuera de las áreas de clima templados.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La invención que se preconiza va un paso mas allá que el estado de la técnica anteriormente citado, al combinar plantas acuáticas y hongos o bacterias inoculadas en dichas plantas para la eliminación, absorción y reducción del contenido de metales pesados en líquidos contaminantes procedentes de sectores industriales urbanos o agroganaderos, proporcionando un proceso mucho mas efectivo, y duradero, al ser sostenible durante mas tiempo, incorporando varias especies de plantas dependiendo de las condiciones ambientales, para estimular la eficacia y el potencial depurador del sistema. De forma mas concreta, para la puesta en práctica del procedimiento de la invención se parte de una estructura de contención del agua a depurar materializada en una cubeta, cuya profundidad vendrá dada en función de la carga contaminante y del volumen del agua, estableciéndose en su seno un volumen de contención a base de especies vegetales, definiéndose unos valores de profundidad mínima en función de la carga contaminante a tratar.
Una vez establecido el volumen de contención, se establece un filtro vegetal de descontaminantes participa una especie del genero Thypha spp, y otras pertenecientes a los géneros: Iris sp., Sparganium sp., Cyperus spp., Scirpus spp., Typha ssp. y Nelumbo sp.
Seguidamente se procede a inocular al menos dos especies de microorganismos en las raíces de las plantas que se establecen en la balsa de depuración, Glomus spp, Glomus mosseae, Glomus intraradicens, "Hongos" y/o Raoultella terrígena {=Klebsiella terrígena) "Bacteria".
La inoculación se realiza a través de una activación previa de la selección de microorganismos conservados, previa siembra sobre agar nutritivo esterilizado, y cultivados. Una vez germinadas, se procederá a propagarlos en caldos nutritivos en rotación.
Una vez obtenido una masa celular suficiente para inoculación se procede a la inoculación de las raíces de las especies vegetales de interés. La inoculación se realizará previo lavado de las raíces de las plántulas de las especies vegetales haciéndolas crecer en medio líquido nutritivo bajo una suspensión de microorganismos a una concentración de al menos 106 células/litro.
Las plantas inoculadas se pasarán a substratos y envases adecuados para que alcancen el tamaño deseado hasta instalación de las balsas de depuración.
En todos los casos las plantas se nutrirán en cubetas inundadas donde el medio nutritivo contendrá los microorganismos anteriormente citados, en concentraciones de al menos 10 microorganismos/litro.
Seguidamente se procede al anclaje e instalación de las plantas en la cubeta, donde se estima la densidad media por cubeta y carga contaminante.
Dicho filtro se somete a un proceso de fertilización, control de plagas y enfermedades, conservación, evaluación del filtro, periodo de desarrollo, actividad de filtrado y descontaminación.
Una vez instalada y desarrollada la instalación descontaminante se procederá al seguimiento inicial de las medidas de evaluación en el descenso de la carga contaminante y en los niveles de metales pesados, a través de análisis físico-químicos de las aguas en el proceso y de la evaluación de la presencia y cantidad de metales pesados a través del espectrofotómetro de masas hasta alcanzar el nivel óptimo de descontaminación.
El seguimiento permitirá evaluar los estados de saturación de las plantas y los microorganismos con relación al rescate de metales pesados.
En cuanto a la preparación de la cubeta, la misma se dimensionará adecuadamente, se señalará, nivelará y preparará el terreno, impermeabilizándolo y estableciendo las correspondientes entradas y salidas de agua y elementos auxiliares en la recarga y vaciado de la cubeta. Los materiales vegetales que se dispongan en la cubeta procederán de la multiplicación por semillas y su inoculación posterior con los microorganismos, según el procedimiento previamente indicado.
Los materiales vegetales en todos los casos se prepararán en el área de producción previo al transporte con el fin de eliminar el menor número de daños, y disponer de plantas de calidad en la instalación del filtro.
En cuanto al mantenimiento de la instalación, Durante el proceso de filtrado se procesarán muestras de raíces en el filtro verde a fin de analizar y comprobar el grado de microorganismos presentes. Los chequeos se realizarán al menos dos veces al año y en los casos donde la concentración de microorganismos por unidad de superficie radicular muestreada sea inferior a 10 microorganismo/cm , se procederá a una reintroducción de plantas inoculadas con el fin de incrementar el número de microorganismos.
El desarrollo del filtro se estima en un periodo comprendido entre los 2-7 meses, desde su instalación en la cubeta hasta el nivel adecuado de colmatación de raíces para un procesado idóneo en la captación de metales pesados y bajada en la carga contaminante de materia orgánica, y sustancias en suspensión o combinadas (Ver figura 1).
El desarrollo del filtro compete tres fases; una primera fase de instalación de las plantas matrices, promotoras o iniciales de organización, una segunda fase de instalación de la planta acompañante, cobertura o fijación; y una tercera fase de desarrollo radicular completo o conformación definitiva del filtro.
Para asegurar un perfecto funcionamiento del filtro se ha previsto que se lleve a cabo chequeos periódicos analizando la eficacia del filtro.
En este sentido, se establecen tres periodos de actividad en el filtrado: un primer periodo de instalación y desarrollo, un segundo periodo maduro de actividad normal y un periodo maduro de actividad reducida. En cuanto a la estructura de la cubeta, se ha previsto que sobre la cara interna de la misma se establezca una malla plástica de anclaje y sujeción, a la que se fijan las plantas matrices o iniciales de organización, que se encuadran todas dentro del grupo de especies del género Typha spp, definiendo un poderoso sistema radicular, formado en parte por raíces y por estructuras rizomatosas, que configuran una red sustentadora para el anclaje de otras especies acuáticas de interés en la filtración, depuración y rescate de sustancias nocivas y/o tóxicas, concretamente las plantas acompañantes, de cobertura o de fijación, se instalan una vez establecidas las plantas matrices. Las plantas acompañantes facilitan una red intricada y compacta para organizar un filtro denso y voluminoso que permita una circulación lentica del agua contaminada y facilite una descontaminación y una captación de sustancias tóxicas, de manera que la suma de las dos especies de plantas establecen la matriz o filtro verde que facilita la descontaminación de las aguas contaminadas. Junto a las raíces principales de las plantas matrices, se organiza un grupo de raíces de segundo, tercer, cuarto orden que configuran una red imbricada y de tipo malla que facilita una retención de los sólidos del agua y una disminución del flujo circundante del agua. La red imbricada de raíces en buena parte de los casos esta formada por raíces fistulosas, o huecas, que permiten la circulación del aire y del oxígeno al agua contaminada. Junto al oxígeno que inyectan las raíces en el medio a descontaminar, el filtro de raíces permite la degradación en parte de la materia orgánica, la asimilación de nitrógeno, fósforo, carbono y la combinación con los microorganismos facilita la captación de metales pesados y sustancia tóxicas.
Tal y como se ha comentado anteriormente, junto a la red de raíces proporcionada por la combinación de al menos dos especies vegetales acuáticas se dispone de un filtro de microorganismos que aparecen asociados a la superficie de las raíces. Entre los microorganismos que aparecen en la superficie de las raíces del filtro verde se encuentra especies de hongos y una bacteria, que facilitan la degradación de la materia orgánica la asimilación de carbono, nitrógeno y fósforo y la acumulación de metales pesados obteniéndose un sistema complejo de microorganismos que se mantienen en el filtro verde.
Por último el sistema dispone de una superficie de tallos, hojas e inflorescencia emergentes o aéreos que configura la parte, o fase fotosintética del sistema de descontaminación.
Se consigue de esta forma un proceso con numerosas ventajas y aportaciones nuevas al desarrollo de procesos depuradores de aguas contaminadas, entre la que cabe citar las siguientes:
El sistema cuenta con un proceso que se apoya exclusivamente en la acción biológica y combinada de varios tipos de organismos: vegetales, bacterias y hongos; actuando de forma conjunta para degradar y fijar componentes y sustancias contaminantes en líquidos contaminados principalmente de la ganadería, agroindustria y las aguas residuales de los núcleos urbanos. Se trata de un procedimiento limpio, no contaminante de forma directa o indirecta y de naturaleza exclusivamente biológica.
Dentro del proceso es destacable, singular y de elevado interés la acción combinada en el proceso de varios organismos. Sin embargo el mayor poder de absorción y destrucción de contaminantes se concentran en los vegetales del proceso. Por este motivo es igualmente destacable la singularidad de combinar al menos dos especies de vegetales dentro del filtro verde. La presencia de al menos dos vegetales permite una mejor adaptación a las variaciones en las condiciones y cantidad de los contaminantes, facilita un mayor potencial depurador, al poder asentarse en aguas de diferentes condiciones físicas y químicas, establece un filtro más potente de depuración, permite una inserción de mayor número y diversidad de microorganismos, organiza un periodo más amplio de depuración y permite una mayor longevidad y perdurabilidad del filtro.
El sistema es un potente eliminador de productos tóxicos en las aguas. En el filtro se rescata metales pesados como: Hierro (Fe ); Zinc (Zn ); Plomo (Pb2+); Cadmio (Cd2+); Níquel (Ni2+); Manganeso (Mn2+); Colbalto (Co3+); Cobre (Cu ); Arsénico (As ), además de sustancias como polifenoles de origen industrial o vegetal que suponen un riesgo elevada de toxicidad en las aguas. Se trata pues de un sistema en el que se ha confirmado no sólo el poder de bajar los sólidos en suspensión mejorar las condiciones de DQO y DBO, y el pH del medio a través de la inyección de oxígeno por los vegetales, sino que además reduce y/o elimina sustancias y elementos químicos de elevada toxicidad a nivel biológico.
La presencia de un filtro vegetal doble permite muchas ventajas para su uso en la descontaminación de las aguas agroganaderas e industriales. Algunas ventajas se han expresado previamente al indicar su capacidad en retener metales pesados, sustancias químicas tóxicas o su carácter biológico. Además es preciso indicar que el filtro que nos ocupa produce entre un 30- 60% más de biomasa radicular, y entre 25-60% más de biomasa aérea en las cubetas de depuración; permitiendo una producción auxiliar de biomasa en el sistema que pudiera ser de interés para su uso en otras industrias como la de producción energética a través de biomasa. El uso combinado de varias especies vegetales hace al filtro más eficaz, al permitir una mayor versatilidad en la instalación del sistema en zonas frías, templadas o cálidas, así como en diferentes tipos de aguas: duras, blandas, ácidas o básicas. Finalmente el filtro combinado de varias especies de vegetales acuáticos permite una reducción de los siguientes parámetros en la calidad del agua final: DQO (Demanda Química de Oxígeno): 90-95%; DBO (Demanda Bioquímica (Biológica) de Oxígeno): 90-95%; MES (Materiales Sólidos en Suspensión): 85-90%; P (Fósforo): 85-90%; N (Nitrógeno total): 90-95%; Compuestos flavonoides: 85-90%, junto con MT (Metales pesados): 85- 90%; permitiendo una mayor rapidez en el proceso de depuración de las aguas que se puede acortar entre 15-25 días en aguas residuales urbanas y entre 10-15 días en aguas industriales muy contaminadas.
Por último es destacable que el sistema permite un mantenimiento más eficaz y menos costoso al producirse la combinación de varios vegetales dentro del filtro, lo que asegura la pervivencia y dominancia de la especie o especies que se ajusten mejor a las condiciones del agua contaminada y a las condiciones ambientales. Esta situación favorece una aclimatación más eficaz, un desarrollo más idóneo y una conformación más natural del filtro. Además se asegura una perdurabilidad mayor en el tiempo, ya que se puede auto-semillar, con la seguridad de poder anclase las semillas al lecho del filtro y de esta forma el mantenimiento por regeneración o la posible regeneración del filtro se ve reducida, haciendo el sistema más eficaz y rentable en su instalación y funcionamiento que en el caso de disponer de un filtro mono específico vegetal. DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que seguidamente se va a realizar y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de planos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: Figura 1. Muestra, de acuerdo con un diagrama de bloques,el procesos de reducción, acidificación, y quelación de metales en los suelos por efecto de las raíces y los microorganismos que contienen.
La figura 2.- Muestra una vista en perfil y en sección de un dispositivo mediante el cual se lleva a cabo el procedimiento de eliminación de metales pesados presentes en aguas contaminadas objeto de la presente invención.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
Modo Preferente de realización de la invención
Un resumen protocolizado del proceso de invención es el siguiente:
1. Ante un problema concreto con aguas contaminadas de metales pesados, procedentes de un área industrial, se propone la reducción de la carga contaminante en metales pesados para poder ser evacuada el agua al entorno natural siguiendo las directrices de vertidos contempladas en la UE (Directiva 2008/1/CE, además de Directiva comunitaria 91/271 de 21 de mayo de 1991) y el Estado Español (Real Decreto Legislativo 1/2001). Las aguas contaminadas pasaran por un filtro verde situado en una cubeta. El filtro se origina de las raíces de plantas de dos especies: a) una especie matriz del género Typha sp„ y b) una especie acompañante de los géneros Phragmites spp, Iris sp., Sparganium sp., Cyperus spp., Scirpus spp., Typha ssp. y Nelumbo sp; que previamente han sido inoculadas en laboratorio con hongos del género Glomus spp. Glomus intraradices N.C. Schenck & G.S. Sm. y Glomus mosseae (T.H. Nicolson & Gerd.) Gerd. & Trappe Vesiculo-Arbusculares y/o la bacteria Raoultella terrígena (=Klebsiella terrígena). El contenido de inoculo por cada 100 plantas es de una concentración de al menos 106 células/litro en una solución rica en azucares y de pH 7-8,5, durante 2 semanas. El proceso de inoculación se proyectará entre 5-15 días a una temperatura entre 20-28°C ambiental y entre 18-22°C en el medio acuoso. Pasados los 5 primeros días se procederá a la toma de muestras de raíces para la detección de los microorganismos hasta alcanzar al menos la presencia de 2 microorganismos por plántula y en una concentración de al menos 10 microorganismo/cm .
La densidad mínima establecida de plantas en la cubeta varía dependiendo de la superficie de la cubeta, profundidad y carga contaminante. Se establece los siguientes rangos para las especies pioneras (las especies que se instalan en primer lugar): a) en aguas con carga contaminante de hasta 500 mg/1 de DBO5, y superficies de hasta 1 ha, 3-5 plantas/m ; b) en aguas con carga contaminante de más 500 mg/1 de DBO5, y superficies de hasta 1 ha, 5-8 plantas/m ; c) en aguas con carga contaminante de más 500 mg/1 de DBO5, y superficies de más 1 ha, 6-10. plantas/m . En las especies que se combinan y suman a las pioneras la densidad oscila entre: a) en aguas con carga contaminante de hasta 500 mg/1 de DBO5, 3-4 plantas/m ; b) en aguas con carga contaminante de más 500 mg/1
2
de DBO5, 5-7 plantas/m . La profundidad de plantación para las distintas especies contempladas en el filtro depende de la carga contaminante. En aguas con carga contaminante de hasta 500 mg/1 de DBO5, el rango de profundidad de las especies vegetales serán el siguiente:
Especies acompañantes: Cyperus alternifolius L.: 40 -50 cm/ Cyperus exaltatus Retz. : 50 -70 cm/ Cyperus papyrus L. : 50 -70 cm/ Iris pseudacorus L. : 40 -50 cm/ Nelumbo nucífera Gaertn. : 50 -70 cm/ Phragmites altissimus Mabille : 50 - 60 cm/ Phragmites australis (Cav.) Trin. : 40 -60 cm/ Scirpus palustris L. : 40 - 50 cm/ Scirpus tabernaemontani C. C. Gmelin : 40 -60 cm/ Sparganium erectum L. : 50 -60 cm
Especies matrices: Typha angustifolia L. : 60 -70 cm/ Typha australis Schum. : 60 -80 cm/ Typha domingensis (Pers.) Steud. : 60 -70 cm/ Typha latifolia L. : 60 -80 cm/ Typha xgezei Rothm. : 60 -70 cm/ Typha xglauca Godr. : 60 -80 cm.
Cuando las aguas disponen de una carga contaminante que superen los 500 mg/1 de DBO5, la profundidad para las especies será la siguiente:
Especies acompañantes: Cyperus alternifolius L.: 50 -70 cm Cyperus exaltatus Retz. : 70 -110 cm/ Cyperus papyrus L. : 70 -120 cm/ Iris pseudacorus L. : 50 - 80 cm/ Nelumbo nucífera Gaertn. : 70 -110 cm/ Phragmites altissimus Mabille : 70 -120 cm/ Phragmites australis (Cav.) Trin. : 80 -100 cm/ Scirpus palustris L. : 50 -80 cm/ Scirpus tabernaemontani C. C. Gmelin : 60 -90 cm/ Sparganium erectum L. : 60 -110 cm
Especies matrices: Typha angustifolia L. : 80 -120 cm/ Typha australis Schum. : 90 -160 cm/ Typha domingensis (Pers.) Steud. : 60 -150 cm/ Typha latifolia L. : 90 -150 cm/ Typha xgezei Rothm. : 80 -130 cm/ Typha xglauca Godr. : 90 - Los metales pesados que tiene capacidad de retener el filtro verde combinado con hongos Vesiculo Arbusculares del tipo Glomus spp., son los siguientes: : Hierro (Fe3+); Zinc (Zn2+); Plomo (Pb2+); Cadmio (Cd2+); Níquel (Ni2+); Manganeso (Mn2+); Colbalto (Co3+); Cobre (Cu2+); Arsénico (As5+). La cantidad de descontaminación anual puede llegar a alcanzar para algunos de los metales de 370 mg/kg de planta seca. La presencia y concentración de los metales pesados: Hierro (Fe ); Zinc (Zn ); Plomo (Pb ); Cadmio (Cd ); Níquel (Ni2+); Manganeso (Mn2+); Cobalto (Co3+); Cobre (Cu2+); Arsénico (As5+), se analizará en campo, a través de tiras reactivas ópticas para la determinación de metales pesados, y por reacciones de oxido-reducción colorimétrica en laboratorio. El mantenimiento de la instalación y especialmente del filtro descontaminante precisara un control de las enfermedades y plagas a nivel aéreo y radicular, con tratamientos específicos en caso de pulgón o araña roja con insecticidas piréticos o derivados, y en el caso de nematodos radiculares con nematicidas específicos, inocuos para los hongos radiculares. Además durante los periodos invernales y en los comienzos del desarrollo se precisaran de regeneraciones de las plantas, y limpieza de los restos secos de hojas, tallos e inflorescencias. Finalmente el mantenimiento se completa con medidas mensuales de la descontaminación de las aguas a nivel de metales pesados, y control de la flora fúngica en las raíces, especialmente de los hongos Vesiculo-arbusculares del tipo Glomus intraradices N.C. Schenck & G.S. Sm., y Glomus mosseae (T.H. Nicolson & Gerd.) Gerd. & Trappe, en caso de descensos del número de microorganismos por superficie radicular muestreada (<10 microorganismos/cm ), se procederá a resiembras con plantas nuevas inoculadas. El filtro verde con microorganismos es además un eficaz descontaminante en otros aspectos de las aguas contaminadas, mejorando sensiblemente los valores como disminución del contenido total de sólidos en suspensión, mejora las condiciones de DQO y DBO, y el pH del medio a través de la inyección de oxígeno por los vegetales, y finalmente reduce y/o elimina sustancias de elevada toxicidad a nivel biológico, además de reducir o eliminar metales pesados. En concreto los niveles de descenso en la carga contaminante de los parámetros previamente indicados se habrá reducido a la salida en los siguientes rangos de nivel: DQO (Demanda Química de Oxígeno): 90-95%. DBO (Demanda Bioquímica (Biológica) de Oxígeno): 90-95%; MES (Materiales Sólidos en Suspensión): 85-90%; P (Fósforo): 85-90%; N (Nitrógeno total): 90-95%; Compuestos flavonoides: 85-90%, junto con MT (Metales pesados): 85-90%.

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S
Ia.- Procedimiento de eliminación de metales pesados presentes en aguas contaminadas, caracterizado porque en el mismo se definen las siguientes fases operativas:
Dimensionado de la cubeta (1) que define el receptáculo en el que se tratan las aguas a depurar, en la que se establecen la superficie media y profundidad mínima de las cubetas dependiendo de la carga contaminante, el volumen de agua a tratar y las especies vegetales formadoras del filtro. Una vez establecido el volumen de contención se establece la estructura de la masa vegetal de descontaminantes a partir de una especie del genero Typha sp., junto con otra especie acompañante o de cobertura seleccionada entre Phragmites spp, Iris sp., Sparganium sp., Cyperus spp., Scirpus spp. y Nelumbo sp;
Multiplicación de vegetales, de manera que los materiales vegetales que se dispongan en la cubeta procederán de la multiplicación por semillas, procediéndose al desarrollo de un sistema radicular.
Inoculación de al menos 2 especies de microorganismos en las raíces de todas las plantas que vayan a establecerse en la balsa de depuración seleccionada entre: a) uno o dos especies de hongos de tipo Vesiculo-Arbuscular, del género Glomus sp. preferentemente Glomus intraradices N.C. Schenck & G.S. Sm. y Glomus mosseae T.H. Nicolson & Gerd. Gerd. & Trappe y/o b) la bacteria Raoultella terrígena (=Klebsiella terrígena))
Construcción de la cubeta.
Instalación del filtro.
Seguimiento, gestión y mantenimiento del filtro,
revegetación y regeneración del filtro.
2a.- Procedimiento de eliminación de metales pesados presentes en aguas contaminadas, según reivindicación Ia, caracterizado porque cuando el agua a tratar se trata de agua salina
"dura", se emplea cualquiera de las siguientes combinaciones de especies descontaminantes Especie matriz + Especie acompañante:
Typha domingensis (Pers.) Steud. + Phragmites altissimus Mabille
Typha domingensis (Pers.) Steud. + Phragmites australis (Cav.) Trin.
Typha gezei Rothm. + Phragmites altissimus Mabille
Typha xgezei Rothm. + Phragmites australis (Cav.) Trin.
Typha xgezei Rothm. + Scirpus palustris L.
Typha xgezei Rothm. + Scirpus tabernaemontani C. C. Gmelin
3a.- Procedimiento de eliminación de metales pesados presentes en aguas contaminadas, según reivindicación Ia, caracterizado porque cuando el agua a tratar se trata de agua mineralizada "blanda", se emplea cualquiera de las siguientes combinaciones de especies descontaminantes Especie matriz + Especie acompañante:
Typha angustifolia L.+ Sparganium erectum L.
Typha angustifolia L.+ Phragmites australis (Cav.) Trin.
Typha angustifolia L. + Iris pseudacorus L.
Typha angustifolia L.+ Cyperus alternifolius L.
Typha xglauca Godr.+ Sparganium erectum L.
Typha xglauca Godr.+ Phragmites australis (Cav.) Trin.
Typha xglauca Godr.+ Iris pseudacorus L.
Typha xglauca Godr.+ Cyperus alternifolius L.
4a.- Procedimiento de eliminación de metales pesados presentes en aguas contaminadas, según reivindicación Ia, caracterizado porque cuando el mismo esta previsto aplicarse en climas fríos, continentales, se emplea cualquiera de las siguientes combinaciones de especies descontaminantes: Especie matriz + Especie acompañante
Typha latifolia L. + Sparganium erectum L.
Typha latifolia L. + Cyperus alternifolius L.
Typha latifolia L. + Phragmites altissimus Mabille.
5a.- Procedimiento de eliminación de metales pesados presentes en aguas contaminadas, según reivindicación Ia, caracterizado porque cuando el mismo esta previsto aplicarse en climas tropicales o subtropicales, se emplea cualquiera de las siguientes combinaciones de especies descontaminantes Especie matriz + Especie acompañante:
Typha australis Schum. + Scirpus tabernaemontani C. C. Gmelin
Typha australis Schum. + Cyperus exaltatus Retz.
Typha australis Schum. + Cyperus papyrus L.
Typha australis Schum. + Nelumbo nucífera Gaertn.
6a.- Procedimiento de eliminación de metales pesados presentes en aguas contaminadas, según reivindicación Ia, caracterizado porque la inoculación se realiza a través de una activación previa de la selección de microorganismos conservados a - 20°C, en placas Petri, previa siembra sobre agar nutritivo esterilizado, y cultivados durante tres a diez días en cámaras entre 20-32°C, de manera que una vez germinados, se procederá a propagarlos en caldos nutritivos en rotación, durante cuatro a diez días a desarrollados en cámaras con temperaturas entre 20-32°C.
7a.- Procedimiento de eliminación de metales pesados presentes en aguas contaminadas, según reivindicación Ia, caracterizado porque la inoculación se realiza previo lavado de las raíces de las plántulas de las especies vegetales haciéndolas crecer en medio líquido nutritivo bajo una suspensión de microorganismos a una concentración de al menos de 106 células/litro, habiéndose previsto que el proceso de inoculación se proyecte entre 5-15 días a una temperatura entre 20-28°C ambiental y entre 18-22°C en el medio acuoso, de modo que pasados los 5 primeros días se proceda a la toma de muestras de raíces para la detección de los microorganismos hasta alcanzar al menos la presencia de 2 microorganismos por plántula y en una concentración de al menos 10 microorganismo/cm .
8a.- Procedimiento de eliminación de metales pesados presentes en aguas contaminadas, según reivindicación Ia, caracterizado porque en la fase de instalación del filtro se definen tres fases o sub-etapas, una fase de instalación de la planta de la especie matriz Thypa sp., una fase de instalación de la planta acompañante, y una fase de desarrollo radicular completo o conformación definitiva del filtro.
9a.- Dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque esta constituido a partir de una cubeta (1), en la que interiormente establece una malla (2) de plantas donde aparece una especie matriz del genero Typha sp., y otra acompañante seleccionada entre una de los géneros: Phragmites spp, Iris sp., Sparganium sp., Cyperus spp., Scirpus spp. y Nelumbo sp; definiendo un sistema radicular, formado en parte por raíces y por estructuras rizomatosas, que configuran una red radicular que permita una circulación lentica del agua contaminada y facilite una descontaminación y una captación de metales y sustancias tóxicas, por, microorganismos captadores de metales pesados hongos del tipo Vesiculo-Arbuscular, del género Glomus sp. y la bacteria Raoultella terrígena (=Klebsiella terrígena) (4) que fueron inoculados en las plantas (5) facilitando la descontaminación de las aguas contaminadas especialmente industriales (6) disminuyendo las cargas contaminantes especialmente de metales pesados como Hierro (Fe3+); Zinc (Zn2+); Plomo (Pb2+); Cadmio (Cd2+); Níquel (Ni2+); Manganeso (Mn2+); Colbalto (Co3+); Cobre (Cu2+); Arsénico (As5+)., además de los valores como la disminución del contenido total de sólidos en suspensión, mejora las condiciones de DQO y DBO, y el pH del medio. 10a. -Dispositivo, según reivindicación 9a, caracterizado porque incluye una superficie de tallos (7), hojas e inflorescencia emergentes o aéreos que configura la parte, o fase fotosintética del sistema de descontaminación.
11a.- Dispositivo, según reivindicación 9a, caracterizado porque en aguas con una carga contaminante de hasta 500 mg/1 de DBO5, se establece una superficie de filtro verde de 7m 2 /m 3 de agua. 12a.- Dispositivo, según reivindicación 9a, caracterizado porque en aguas con una carga contaminante de más de 500 mg/1 de DBO5, se establece una superficie de filtro verde de 12m 2 /m 3 de agua.
13a.- Dispositivo, según reivindicación 9a, caracterizado porque en el mismo se establecen los siguientes valores de profundidad mínimo, para aguas con carga contaminante de hasta 500 mg/1 de DBO5, en cada especie de manera que cuando se encuentran combinadas se establece como profundidad la de la especie con necesidades más elevadas: Especies acompañantes: Cyperus alternifolius L.: 40 -50 cm/ Cyperus exaltatus
Retz. : 50 -70 cm/ Cyperus papyrus L. : 50 -70 cm/ Iris pseudacorus L. : 40 -50 cm/ Nelumbo nucífera Gaertn. : 50 -70 cm/ Phragmites altissimus Mabille : 50 - 60 cm/ Phragmites australis (Cav.) Trin. : 40 -60 cm/ Scirpus palustris L. : 40 - 50 cm/ Scirpus tabernaemontani C. C. Gmelin : 40 -60 cm/ Sparganium erectum L. : 50 -60 cm
Especies matrices: Typha angustifolia L. : 60 -70 cm/ Typha australis Schum. : 60 -80 cm/ Typha domingensis (Pers.) Steud. : 60 -70 cm/ Typha latifolia L. : 60 -80 cm/ Typha xgezei Rothm. : 60 -70 cm/ Typha xglauca Godr. : 60 -80 cm. 14a.- Dispositivo, según reivindicación 9a, caracterizado porque en el mismo se establecen los siguientes valores de profundidad mínimo, para aguas con carga contaminante que superen los 500 mg/1 de DBO5, en cada especie de manera que cuando se encuentran combinadas se establece como profundidad la de la especie con necesidades más elevadas:
Especies acompañantes: Cyperus alternifolius L.: 50 -70 cm/ Cyperus exaltatus Retz. : 70 -110 cm/ Cyperus papyrus L. : 70 -120 cm/ Iris pseudacorus L. : 50 - 80 cm/ Nelumbo nucífera Gaertn. : 70 -110 cm/ Phragmites altissimus Mabille : 70 -120 cm/ Phragmites australis (Cav.) Trin. : 80 -100 cm/ Scirpus palustris L. : 50 -80 cm/ Scirpus tabernaemontani C. C. Gmelin : 60 -90 cm/ Sparganium erectum L. : 60 -110 cm
Especies matrices: Typha angustifolia L. : 80 -120 cm/ Typha australis Schum. : 90 -160 cm/ Typha domingensis (Pers.) Steud. : 60 -150 cm/ Typha latifolia L. : 90 -150 cm/ Typha xgezei Rothm. : 80 -130 cm/ Typha xglauca Godr. : 90 - 140 cm.
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