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Depuraci�n de aguas residuales de una industria l�ctea por medio de humedales artificiales de totora

 

Purification of wastewater from a dairy industry through artificial reed wetlands

 

Purifica��o de �guas residuais de uma ind�stria de latic�nios por meio de p�ntanos artificiais de junco

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: jogali_90@hotmail.com

 

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

 

 

* Recibido: 12 de marzo de 2024 *Aceptado: 27 de abril de 2024 * Publicado: �13 de mayo de 2024

 

        I.            M�ster en Prevenci�n y Riesgos laborales, M�ster en Hidrolog�a y Gesti�n de Recursos H�dricos, Ingeniera Civil, Docente en Universidad Nacional de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.

      II.            Doctora en F�sica, Mag�ster en Gesti�n Acad�mica Universitaria, Mag�ster en Ciencias de la Educaci�n y Aprendizaje de la F�sica, Universidad Nacional de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.

    III.            Estudiante de Ingenier�a Civil en Universidad Nacional de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.

    IV.            Estudiante de Ingenier�a Civil en Universidad Nacional de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.

 

Resumen

El agua es un recurso esencial para la vida en la Tierra, siendo vital para la salud humana, la agricultura, la industria y la preservaci�n de los ecosistemas. Su gesti�n sostenible es crucial para garantizar la seguridad alimentaria y el bienestar humano en todo el mundo. Ante la creciente preocupaci�n ambiental en la sociedad, es esencial que la agroindustria adopte una postura consciente hacia los temas ambientales y promueva pr�cticas de producci�n sostenible para evitar da�os al planeta. Las aguas residuales de la industria l�ctea, similares a las de otras agroindustrias, se caracterizan por una alta concentraci�n de residuos biol�gicos, lo que representan un desaf�o en el tratamiento del agua. Este estudio tiene como objetivo determinar si el uso de humedales artificiales, especialmente utilizando la planta Schoenoplectus conocida como totora, contribuye a reducir los contaminantes de las aguas residuales en la Industria l�ctea. Se analizan las aguas residuales de la industria l�ctea "El Bat�n" ubicado en la provincia de Chimborazo, Ecuador, realizando ensayos de laboratorio durante un per�odo de 60 d�as, con mediciones a los 15, 30, 45 y 60 d�as. Posteriormente, se llevan a cabo determinaciones anal�ticas en el laboratorio para verificar c�mo disminuyen los contaminantes. Los resultados demuestran que la totora (Schoenoplectus) logra eliminar una cantidad significativa de contaminantes, ofreciendo una opci�n para la depuraci�n de aguas residuales que reduce los gastos de operaci�n y mantenimiento, al tiempo que es respetuosa con el medio ambiente.

Palabras clave: Agroindustria; Schoenoplectus; Tratamiento del agua; an�lisis qu�mico medio ambiente.

 

Abstract

Water is an essential resource for life on Earth, being vital for human health, agriculture, industry and the preservation of ecosystems. Its sustainable management is crucial to guarantee food security and human well-being around the world. Given the growing environmental concern in society, it is essential that agribusiness adopts a conscious stance towards environmental issues and promotes sustainable production practices to avoid damage to the planet. Wastewater from the dairy industry, similar to that from other agroindustries, is characterized by a high concentration of biological waste, which represents a challenge in water treatment. This study aims to determine if the use of artificial wetlands, especially using the Schoenoplectus plant known as cattails, contributes to reducing wastewater contaminants in the dairy industry. The wastewater from the "El Bat�n" dairy industry located in the province of Chimborazo, Ecuador, is analyzed, carrying out laboratory tests over a period of 60 days, with measurements at 15, 30, 45 and 60 days. Subsequently, analytical determinations are carried out in the laboratory to verify how the contaminants decrease. The results demonstrate that cattail (Schoenoplectus) manages to eliminate a significant amount of contaminants, offering an option for wastewater purification that reduces operation and maintenance expenses, while being environmentally friendly.

Keywords: Agroindustry; Schoenoplectus; Water treatment; chemical analysis environment.

 

Resumo

A �gua � um recurso essencial � vida na Terra, sendo vital para a sa�de humana, a agricultura, a ind�stria e a preserva��o dos ecossistemas. A sua gest�o sustent�vel � crucial para garantir a seguran�a alimentar e o bem-estar humano em todo o mundo. Dada a crescente preocupa��o ambiental da sociedade, � fundamental que o agroneg�cio adote uma postura consciente em rela��o �s quest�es ambientais e promova pr�ticas de produ��o sustent�veis ​​para evitar danos ao planeta. As �guas residu�rias da ind�stria de latic�nios, assim como as de outras agroind�strias, s�o caracterizadas por uma alta concentra��o de res�duos biol�gicos, o que representa um desafio no tratamento da �gua. Este estudo tem como objetivo determinar se o uso de �reas �midas artificiais, especialmente utilizando a planta Schoenoplectus conhecida como taboa, contribui para a redu��o de contaminantes de �guas residuais na ind�stria de latic�nios. S�o analisadas as �guas residuais da ind�stria de latic�nios "El Bat�n", localizada na prov�ncia de Chimborazo, Equador, realizando testes laboratoriais durante um per�odo de 60 dias, com medi��es aos 15, 30, 45 e 60 dias. Posteriormente, s�o realizadas determina��es anal�ticas em laborat�rio para verificar como os contaminantes diminuem. Os resultados demonstram que a taboa (Schoenoplectus) consegue eliminar uma quantidade significativa de contaminantes, oferecendo uma op��o de purifica��o de �guas residuais que reduz despesas de opera��o e manuten��o, ao mesmo tempo em que � ecologicamente correta.

Palavras-chave: Agroind�stria; Schoenoplectus; Tratamento de �gua; ambiente de an�lise qu�mica.

 

 

Introducci�n

El agua, representa un elemento esencial para la supervivencia y el desarrollo humano y social (M�ndez, 2023). Sin embargo, actualmente se enfrenta a diversas limitaciones provocadas por una serie de circunstancias. Estas incluyen el aumento del consumo debido al crecimiento poblacional, la reducci�n de las precipitaciones y su irregularidad como consecuencia del cambio clim�tico, la sobreexplotaci�n de las reservas de agua dulce del planeta y la contaminaci�n de algunos cuerpos de agua a causa del sector industrial, la ganader�a, el consumo dom�stico, entre otros (Morales, 2011).

La generaci�n de aguas residuales es un factor predominante en diversas actividades, impactando directamente al medio ambiente debido a la cantidad significativa de contaminantes que contiene (Hern�ndez-Salazar et al., 2018). La actividad industrial es una gran consumidora de agua y una generadora significativa de aguas residuales, cuyas caracter�sticas var�an seg�n el sector. Aunque en pa�ses desarrollados se trata y reutiliza ampliamente, en naciones en desarrollo el tratamiento es deficiente, especialmente para las PYMES debido a limitaciones econ�micas (Carrera & Su�rez-Ojeda, 2019).

Dada la creciente preocupaci�n ambiental en la sociedad, es imperativo que la agroindustria sea consciente de los asuntos ambientales y fomente el desarrollo de una conciencia social que promueva pr�cticas de producci�n sostenible, evitando da�os al planeta. Se reconoce que los subproductos agroindustriales, tanto los generados en las etapas de siembra como los derivados de su manejo y comercializaci�n, representan un grave problema de residuos en muchas partes del mundo (Cury et al., 2017).

Es as� que la contaminaci�n del agua, especialmente en procesos industriales, plantea un desaf�o significativo para el medio ambiente (Guanoquiza et al., 2019). Las industrias l�cteas, en particular, generan una carga ambiental considerable en aire, suelo y agua, siendo esta �ltima la m�s afectada por la descarga de residuos derivados de la producci�n de l�cteos y el uso de productos de limpieza (Gamarra, 2018).

Las aguas residuales de la industria l�ctea, que comparten similitudes con las aguas residuales de otras agroindustrias, siendo caracterizadas por una alta demanda biol�gica (Armesto et al., 2016). Esto abarca actividades como la limpieza de equipos, el proceso de fabricaci�n de l�cteos, el mantenimiento de maquinaria y la higiene de instalaciones y veh�culos de transporte de materia prima. La concentraci�n de contaminantes puede variar seg�n los diversos procedimientos empleados en la producci�n, limpieza y tecnolog�as utilizadas, lo que resulta en una diversidad de actividades y procesos que generan diferentes niveles de contaminaci�n. Es crucial se�alar que la leche, como materia prima fundamental en esta industria, contiene niveles significativos de nitr�geno, grasas y f�sforo, lo que contribuye a un alto contenido de DQO y DBO5 en las aguas residuales (Parra, 2015).

Aunque existen m�todos para depurar estas aguas y cumplir con los l�mites establecidos por la normativa, muchos de estos implican el uso de componentes qu�micos, lo que plantea la necesidad de explorar alternativas que minimicen el impacto ambiental (Del Valle, 2017). En este sentido, diversa literatura cient�fica, plantea la aplicaci�n el humedales artificiales como una soluci�n que reduce significativamente la contaminaci�n ambiental, aprovechando la capacidad de este sistema para eliminar contaminantes de manera natural (Mena, 2022).

Los humedales artificiales permiten la fitodepuraci�n de aguas residuales mediante la siembra de macrofitas sobre un lecho filtrante, lo que facilita procesos f�sicos, qu�micos y biol�gicos para purificar el agua de manera efectiva (Fuente, 2018). Estos sistemas son capaces de eliminar s�lidos suspendidos, nitr�geno total, DQO, DBO5, aceites y grasas, s�lidos totales y fosfatos presentes en las aguas residuales, lo que los convierte en una alternativa natural y sostenible para reemplazar tratamientos convencionales que requieren productos qu�micos (Orozco & Casta�eda, 2022).

La totora (Schoenoplectus californicus) es una planta acu�tica de ciclo anual perteneciente a la familia Cyperaceae, que ha sido empleada por las comunidades ind�genas de Am�rica durante m�s de cinco siglos para confeccionar una amplia variedad de productos, que van desde artesan�as hasta embarcaciones y viviendas (Aza-Medina et al., 2023). Los humedales artificiales sembrados con especies de macr�fitos han demostrado ofrecer numerosos beneficios adicionales m�s all� de mejorar la calidad del agua, como costos operativos reducidos, ser una fuente de bioenerg�a y capturar CO2. Adem�s, las regulaciones m�s estrictas en relaci�n con la calidad de las aguas residuales y la gesti�n del agua han estimulado la investigaci�n dirigida a mejorar la eficiencia de las plantas de tratamiento existentes mediante la integraci�n de sistemas alternativos (H�skov� et al., 2020).

A pesar de que existen diversos estudios cient�ficos sobre el tratamiento de aguas residuales de industrias l�cteas, la mayor�a se centra en m�todos biol�gicos y qu�micos, con el uso de sustancias y compuestos costosos. Por lo que es importante explorar alternativas de bajo costo que ofrezcan resultados efectivos y cumplan con los est�ndares de eliminaci�n de materia org�nica. En este contexto, el objetivo de esta investigaci�n es plantear el empleo de Humedales Artificiales con vegetaci�n aut�ctona, como la totora (Schoenoplectus), como una soluci�n econ�mica y respetuosa con el medio ambiente.

Para poner a prueba esta alternativa, se llev� a cabo un an�lisis inicial de los contaminantes y su concentraci�n en la industria l�ctea "El Bat�n", ubicada en la provincia de Chimborazo, cant�n Chambo. En esta planta industrial el agua se vierte directamente al alcantarillado p�blico sin tratamiento previo, por lo que es crucial llevar a cabo un an�lisis qu�mico de los par�metros para determinar si cumple con los l�mites establecidos por la legislaci�n vigente antes de su descarga. Por consiguiente, se propone la implementaci�n de un sistema experimental basado en humedales artificiales con totora (Schoenoplectus) para la purificaci�n de aguas residuales, como una soluci�n sostenible y eficaz ante este desaf�o ambiental. Se recopilaron datos sobre la eliminaci�n de s�lidos suspendidos, nitr�geno, DQO, DBO5, aceites, s�lidos y fosfatos durante varios d�as, y se llevar� a cabo una comparaci�n entre los valores obtenidos del an�lisis y los valores l�mite recomendados por la normativa del pa�s.

 

Metodolog�a

La metodolog�a empleada en esta investigaci�n fue de car�cter descriptivo, investigativo y cualitativo. La metodolog�a fue descriptiva para comprender y caracterizar el proceso de depuraci�n de aguas residuales de la industria l�ctea mediante humedales artificiales de totora (Schoenoplectus), investigativa para recolectar y analizar informaci�n relevante sobre el tema, y cualitativa para obtener una comprensi�n profunda de los aspectos cualitativos y subjetivos relacionados con el proceso de depuraci�n y sus impactos. Este enfoque permiti� una exploraci�n detallada de la problem�tica y una comprensi�n hol�stica de los factores involucrados en el tratamiento de aguas residuales en el contexto espec�fico de la industria l�ctea.

�Se inici� con la recopilaci�n, an�lisis y estudio de informaci�n bibliogr�fica relacionada con la depuraci�n de aguas residuales de la industria l�ctea y el uso de humedales artificiales. Esto permiti� reconocer la importancia de realizar un tratamiento previo al agua utilizada para diversos fines dom�sticos, industriales y agr�colas, asegurando el cumplimiento de los par�metros establecidos por la normativa vigente antes de su vertido en las redes de alcantarillado.

Posteriormente, se identificaron las condiciones iniciales de la calidad del agua residual en la industria bajo estudio, y se procedi� a implementar el uso de humedales con el fin de mejorar su calidad. Las muestras fueron transportadas al tanque de almacenamiento y se tomaron datos en intervalos de 15, 30, 45 y 60 d�as, respectivamente. Finalmente, se llev� a cabo una comparaci�n entre los valores iniciales y los valores obtenidos despu�s de la implementaci�n de los humedales artificiales con totora.

En el contexto espec�fico de este estudio, se busca identificar las repercusiones ocasionadas por la industria l�ctea "El Bat�n". La planta industrial de l�cteos "El Bat�n", esta se ubica en la provincia de Chimborazo, en el cant�n Chambo, y fue establecida en 1990. La planta se dedica al procesamiento de quesos, yogur, leche entera, entre otros productos l�cteos, lo que implica un alto consumo de agua tanto en los procesos de producci�n como en la limpieza de equipos, generando as� una considerable cantidad de aguas residuales.

 

Funcionamiento del sistema de humedales artificiales para tratamiento de aguas residuales con totora (schoenoplectus)

a)     Estructura

En este caso, se implement� un humedal de flujo subsuperficial horizontal, donde el agua circula a trav�s del medio granular y las ra�ces de la planta (Gonz�lez & Deas, 2011). Este humedal est� compuesto principalmente por un tanque de almacenamiento, v�lvulas de control, tuber�as de distribuci�n de PVC de �", gavetas pl�sticas para evitar la filtraci�n y tuber�as en el interior de las gavetas para permitir el flujo del agua. Los humedales de flujo subsuperficial horizontal, utilizados para la purificaci�n de aguas, requieren un tratamiento primario que incluye un tanque s�ptico o tanque Imhoff, ya que es un proceso de filtraci�n que retiene s�lidos en suspensi�n.

 

Figura 1. Humedal artificial de flujo subsuperficial.

 

La estructura del humedal consiste en una excavaci�n de terreno impermeabilizada, rellena de grava en el fondo, donde se colocan plantas acu�ticas; el fondo tiene una pendiente del 1% para permitir el flujo del agua. Durante el proceso, el agua atraviesa las ra�ces, la grava y la biomasa adherida en forma de biopel�cula, mientras las plantas proporcionan ox�geno para la depuraci�n aerobia de las zonas cercanas a las ra�ces. La entrada del humedal incluye el tanque de almacenamiento con v�lvulas que regulan la circulaci�n del agua mediante tuber�as de distribuci�n, llenado manualmente. El medio granular, compuesto por grava de di�metros de ��, �� y 1�, permite que las macrofitas se enra�cen y act�en como filtro, reteniendo y sedimentando material en suspensi�n, as� como degradando la materia org�nica. Es fundamental mantener este medio limpio y homog�neo para garantizar su eficacia en el proceso de depuraci�n.

 

Figura 2. Vista en planta del sistema de humedales artificiales.

 

b)     Vegetaci�n empleada

Se utiliz� la planta conocida como totora (Schoenoplectus), esta planta debido a sus caracter�sticas puede prosperar en condiciones de humedad y saturaci�n, lo que significa que puede sobrevivir en suelos con niveles bajos de ox�geno. Los efectos de esta vegetaci�n en el funcionamiento de los humedales incluyen la creaci�n de un ecosistema microbiano por las ra�ces, lo que permite la degradaci�n aer�bica de la materia org�nica y la nitrificaci�n. El papel de las macrofitas en los humedales artificiales incluye servir como filtro para retener s�lidos suspendidos, asimilar nutrientes como el nitr�geno y el f�sforo, y transportar grandes cantidades de ox�geno desde los tallos hasta las ra�ces. (Rodr�guez, 2017) Adem�s del suministro de ox�geno en la zona radicular, las bacterias tambi�n se benefician de los exudados de las plantas en la misma �rea.

Figura 3. Vista en planta del sistema de humedales artificiales incluido grava y totora.

 

c)      Par�metros a analizar

Los par�metros a analizar incluyen s�lidos suspendidos, que son part�culas org�nicas e inorg�nicas suspendidas en el agua y se determinan por filtraci�n; nitr�geno total, cuya eliminaci�n a nitratos se debe a procesos de descomposici�n y mineralizaci�n generados por microorganismos, principalmente dependiente de la disponibilidad de ox�geno (Herrera & Corpas, 2013); demanda qu�mica de ox�geno (DQO), que indica la cantidad de ox�geno necesaria para oxidar la materia org�nica utilizando permanganato pot�sico o dicromato pot�sico; demanda bioqu�mica de ox�geno (DBO5), que mide el ox�geno consumido por microorganismos en la oxidaci�n bioqu�mica de la materia org�nica (Bedoya et al., 2014) durante 5 d�as, crucial para el dise�o de aguas residuales y verificar el cumplimiento normativo; s�lidos totales, que abarcan material en suspensi�n, flotante o sedimentado, fundamental para el dise�o de estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR) y la determinaci�n de procesos de eliminaci�n; y fosfatos, importantes para el crecimiento de microorganismos y como nutrientes para plantas.

 

Resultados

De la primera toma de muestra recolectada (T0) de la industria l�ctea �El Bat�n� se obtiene los resultados que aparecen en la Tabla 1, donde se aprecia una concentraci�n elevada de DQO y DBO5; lo que indica que las agua residuales de la industria l�ctea contiene un alto contenido de materia org�nica; al igual que el resto de los par�metros medidos se encuentran fuera de los l�mites establecidos para descargas al sistema de alcantarillado publico estipulados para la Rep�blica del Ecuador seg�n lo indica el Texto Unificado de Legislaci�n Secundaria de Medio Ambiente ( TULSMA, 2017).

Como se indic� anteriormente para dar seguimiento de como el funcionamiento de los humedales artificiales favorece a la eliminaci�n de ciertos par�metros se realiza tambi�n la toma de muestras a los 15 (T15), 30 (T30), 45 (T45) y 60 (T60) d�as respectivamente obteniendo los resultados que aparecen en la Tabla 1, despu�s de haber realizado determinaciones anal�ticas en el laboratorio.

 

Tabla 1. Resultados del An�lisis Qu�mico del agua residual de la Industria l�ctea �El Bat�n�.

 

Se puede observar que en la muestra T0 los resultados son elevados en comparaci�n con T60 existiendo una diferencia de hasta el 99% de eliminaci�n de los contaminantes presentes; esto debido a que los humedales artificiales con totora (Schoenoplectus) permite la filtraci�n y la adsorci�n de los constituyentes de las aguas residuales provenientes del tanque de almacenamiento y depurando dichas aguas.

Los porcentajes de remoci�n de contaminantes en funci�n del tiempo al haber empleado el sistema de humedales artificiales con totora (Schoenoplectus), indica que la mayor reducci�n se registra en el d�a 60 donde la especie vegetal ya paso a su etapa de maduraci�n por lo cual el proceso de depuraci�n es m�s eficiente; en la tabla 2 aparecen los porcentajes de eliminaci�n de contaminantes en funci�n del tiempo.

 

Tabla 2. Porcentaje de eliminaci�n en funci�n del tiempo.

 

La comparaci�n de resultados entre los valores iniciales tomados con los valores despu�s de aplicar el sistema de humedales artificiales con totora (Schoenoplectus), presentan diferencias significativas. Es as� que, en la Tabla 3 se puede observar c�mo los porcentajes de remoci�n para cada uno de los par�metros van aumentando y pasan a encontrarse dentro de los l�mites estipulados en la normativa vigente del pa�s TULSMA, en el transcurso del tiempo.

 

Tabla 3. Comparaci�n de resultados, primera muestra vs 60 d�as.

 

A partir de los resultados obtenidos se evidenci� que la depuraci�n de aguas residuales en una industria l�ctea por medio de humedales artificiales empleando la especie vegetal Schoenoplectus californicus conocida como totora, logra eliminar una gran cantidad de contaminantes. obteni�ndose porcentajes de remoci�n superiores, que llegan al 98,30% para la DBO5 y al 98,39% para la DQO. Pese a que el grado de contaminaci�n en la industria l�ctea es mayor en cuanto a materia org�nica en comparaci�n con otras industrias se obtuvieron resultados superiores de remoci�n de la carga org�nica debido a que la especie vegetal totora (Schoenoplectus) al ser una planta aut�ctona de la zona se adapta bien a los cambios de temperatura, realiza un buen proceso de fitorremediaci�n y al ser correctamente combinadas con los lechos filtrantes ayud� a la remoci�n casi del 100% de solidos suspendidos, grasas y aceites.

 

Conclusiones

La industria l�ctea "El Bat�n" descarga sus aguas residuales directamente en las redes de alcantarillado p�blico de la ciudad, sin previo tratamiento, lo cual viola la legislaci�n establecida por el TULSMA. La implementaci�n de un sistema de tratamiento de depuraci�n de agua mediante humedales artificiales con totora (Schoenoplectus) podr�a reducir la cantidad de contaminantes presentes en estas aguas residuales, cumpliendo as� con las regulaciones del pa�s. Los sistemas naturales de depuraci�n de aguas residuales no requieren energ�a externa ni aditivos qu�micos, lo que los hace econ�micamente viables y aplicables en diversos entornos.

Despu�s de caracterizar las aguas residuales iniciales, se encontraron valores elevados de s�lidos suspendidos, nitr�geno total, DBO, DBO5, aceites y grasas, s�lidos totales y fosfato, que exceden los l�mites establecidos por el TULSMA. Sin embargo, tras aplicar el sistema experimental de humedales artificiales con totora (Schoenoplectus) durante 60 d�as, se observaron resultados dentro de los l�mites legales. Esta metodolog�a permiti� eliminar hasta un 98% de contaminantes, lo que facilita el vertido de aguas residuales tratadas en las redes de alcantarillado. Adem�s, la implementaci�n de humedales artificiales naturales podr�a reducir los costos operativos y de mantenimiento, convirti�ndolos en una opci�n atractiva para el tratamiento de aguas residuales industriales. Los resultados del experimento mostraron altos porcentajes de remoci�n para diversos contaminantes, lo que confirma la eficacia de este sistema como una alternativa viable para la depuraci�n de aguas residuales industriales.

 

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