Evaluación de la eficiencia de un sistema de humedales artificiales a escala de laboratorio para el tratamiento de aguas residuales con elevadas concentraciones de materia orgánica en condiciones de clima frío

Abstract

[ES] El acelerado crecimiento de la población mundial, especialmente en países en desarrollo, tiene como resultado la disminución de la calidad de los cuerpos de agua debido a la descarga de aguas residuales de diferente origen. En el caso de las aguas residuales del sector de procesamiento de carne, en particular las aguas residuales de mataderos (ARM) presentan concentraciones de contaminantes significativamente superiores al resto considerándose entre las aguas residuales con mayor impacto en el medio ambiente. Es el caso de El Alto, ciudad de Bolivia ubicada sobre los 4,000 m.s.n.m., donde la situación es crítica, debido a la presencia mayoritaria de mataderos clandestinos que descargan sus aguas residuales, sin ningún tratamiento, directamente en los principales cuerpos de agua que circulan por la ciudad, como son los ríos Seco y Seke. Esto implica un riesgo a la población debido a la exposición a enfermedades de origen hídrico. Además, que estos cursos de agua desembocan finalmente en el lago Titicaca, contaminando seriamente este medio acuático. Ante este panorama, los humedales artificiales se presentan como una alternativa atractiva, dado que presentan, entre otros, menor consumo energético, bajos costos de O&M y reducido impacto sobre el medio ambiente. Si bien, los humedales artificiales han sido aplicados con éxito para el tratamiento de aguas residuales domésticas, su uso para el tratamiento de aguas residuales industriales, como las ARM, es reciente, por lo que su implantación requiere una etapa previa de investigación(Crespo and Monerris, 2023). Para encarar esta problemática, en el presente trabajo se exploró el potencial de los humedales artificiales, como tecnología sostenible, para el tratamiento de aguas residuales provenientes de mataderos. Para este objetivo se plantea diseñar, construir y evaluar el desempeño de un sistema híbrido de humedales artificiales, a escala de laboratorio, para el tratamiento de aguas residuales con elevadas concentraciones de materia orgánica provenientes del matadero municipal ¿Los Andes¿ de la ciudad de El Alto en Bolivia, sitio caracterizado por su clima frío y elevada altitud. El sistema de tratamiento fue instalado en exteriores, en las cercanías del matadero municipal de El Alto. Este consta de un tanque de almacenamiento, tanque séptico, humedal artificial de flujo subsuperficial vertical (HAFV) y humedal artificial de flujo subsuperficial horizontal (HAFH). La vegetación plantada en los humedales fue totora (Schoenoplectus californicus), una macrófita nativa que se encuentra a orillas del lago Titicaca. Las aguas residuales tratadas en el sistema presentaron una calidad variable, con concentraciones en el rango de 3585 a 8820 mg/L para DQO, 1328 a 2964 mg/L para DBO5, 325 a 1320 mg/L para SST, 204 a 350 mg/L para NH4, 264 a 388 mg/L para NT y 1.4x104 a 2.3x105 NMP/100 mL para coliformes termotolerantes. El sistema se sujetó a dos condiciones de operación, definidas por la carga orgánica superficial y carga hidráulica aplicadas. A partir de los resultados medidos, las condiciones de operación fueron: 43.2 g DQO/m2/d, 19.6 g DBO5/m2/d, 1.9 g SST/m2/d y 0.023 m3/m2/d para la Condición 1 y de 85.4 g DQO/m2/d, 47.2 g DBO5/m2/d, 4.4 g SST/m2/d y 0.041 m3/m2/d para la Condición 2. Los resultados mostraron que el sistema híbrido de humedales artificiales presentó un buen comportamiento para la Condición de operación 1, logrando eficiencias de remoción medias de 97%, 99%, 99%, 73% y 99% para DQO, DBO5, SST, NH4 y coliformes termotolerantes, respectivamente. Llegando a cumplir los límites de descarga requeridos en Bolivia, para DQO, DBO5, SST y coliformes termotolerantes. Estos resultados validan a los humedales artificiales como alternativa para el tratamiento de aguas residuales con elevadas concentraciones de materia orgánica. El proceso de colmatación del humedal vertical fue estudiado, encontrando que, para cargas orgánicas superficial elevadas, el material de soporte re

[EN] The rapid growth of the world's population, especially in developing countries, results in the deterioration of the quality of bodies of water due to the discharge of wastewater of various origins. In the case of wastewater from the meat processing sector, particularly slaughterhouse wastewater (SWW), it presents significantly higher concentrations of contaminants compared to others, being considered among the wastewater with the greatest impact on the environment. This is the case of El Alto, a city in Bolivia located at around 4,000 meters a.s.l., where the situation is critical due to the majority presence of clandestine slaughterhouses that discharge their wastewater, without any treatment, directly into the main bodies of water that flow through the city, such as the Seco and Seke rivers. This poses a risk to the population due to exposure to waterborne diseases. Furthermore, these watercourses ultimately flow into Lake Titicaca, seriously contaminating this aquatic environment. In this scenario, constructed wetlands emerge as an attractive alternative, as they offer, among other things, lower energy consumption, low O&M costs, and reduced environmental impact. Although constructed wetlands have been successfully applied for domestic wastewater treatment, their use for the treatment of industrial wastewater, such as SWW, is recent, so their implementation requires a prior research stage. To address this issue, this study explores the potential of constructed wetlands as a sustainable technology for the treatment of wastewater from slaughterhouses. The objective is to design, construct, and evaluate the performance of a hybrid system of constructed wetlands, laboratory scale, for the treatment of wastewater with high concentrations of organic matter from the municipal slaughterhouse "Los Andes" in the city of El Alto, Bolivia, a site characterized by its cold climate and high altitude. The treatment system was installed outdoors, in the vicinity of the municipal slaughterhouse of El Alto. It consists of a storage tank, septic tank, vertical subsurface flow constructed wetland (VFCW), and horizontal subsurface flow constructed wetland (HFCW). The vegetation planted in the wetlands was totora (Schoenoplectus californicus), a native macrophyte found on the shores of Lake Titicaca. The treated wastewater in the system exhibited varying quality, with concentrations ranging from 3585 to 8820 mg/L for COD, 1328 to 2964 mg/L for BOD5, 325 to 1320 mg/L for TSS, 204 to 350 mg/L for NH4, 264 to 388 mg/L for NT, and 1.4x104 to 2.3x105 MPN/100 mL for thermotolerant coliforms. The system was subjected to two operating conditions defined by the applied surface organic load and hydraulic load. Based on the measured results, the operating conditions were as follows: 43.2 g COD/m2/d, 19.6 g BOD5/m2/d, 1.9 g TSS/m2/d, and 0.023 m3/m2/d for Condition 1, and 85.4 g COD/m2/d, 47.2 g BOD5/m2/d, 4.4 g TSS/m2/d, and 0.041 m3/m2/d for Condition 2. The results showed that the hybrid system of constructed wetlands performed well for Operating Condition 1, achieving average removal efficiencies of 97%, 99%, 99%, 73%, and 99% for COD, BOD5, TSS, NH4, and thermotolerant coliforms, respectively. Meeting the required discharge limits in Bolivia for COD, BOD5, TSS, and thermotolerant coliforms. These results confirm constructed wetlands as an alternative for the treatment of wastewater with high concentrations of organic matter. The clogging process of the vertical wetland was studied, finding that for high surface organic loads, the support material progressively reduces its filtration capacity. Rest periods of the vertical wetland allowed partial recovery of hydraulic conductivity. The vegetation planted in the wetlands, totora (Schoenoplectus californicus), successfully adapted and developed adequately in the wetlands, exhibiting growth rates higher than expected in the case of HFCW and moderate rates in the case of VFCW. This confirms the suita