I. INTRODUCCIÓN

La descarga de aguas contaminadas en cuerpos hídricos es una práctica tradicional derivada de la necesidad de evacuar dichas aguas fuera de los núcleos urbanos ¹, produciéndose así la contaminación sistemática y permanente del suelo ².

En Ecuador, las actividades extractivas de crudo han degradado los ecosistemas de la región Amazónica causando impactos negativos a nivel ambiental y social; es así que entre los años 1964 y 1992, se estimó que los derrames de la compañía petrolera Texaco (Chevron) superaron en un 50% a los 10,8 millones de galones del derrame del Exxon Valdez en Alaska ³.

Estudios acerca del destino ambiental del petróleo indican que, aunque su toxicidad disminuye con la degradación biológica o física, éste sigue siendo una fuente de contaminación y toxicidad para los organismos presentes en un ecosistema por un largo tiempo ⁴, en tal virtud, es necesario implementar tratamientos complementarios durante el proceso de eliminación del crudo ⁵.

La implementación de humedales artificiales para el tratamiento de aguas residuales es una alternativa viable y de bajo costo, debido a que reduce los contaminantes mediante procesos que tienen lugar en los humedales naturales o pantanos ⁶; este tratamiento generalmente se ve favorecido por factores climáticos (zonas tropicales y subtropicales) ⁷.

La construcción de un humedal comprende el diseño correcto de una cubeta que contiene agua residual, sustrato y plantas emergentes; la selección de las especies vegetales se debe realizar de acuerdo a la adaptabilidad de las mismas al clima local ⁸, su capacidad de transportar oxígeno desde las hojas hasta la raíz, su tolerancia a concentraciones elevadas de contaminantes, su capacidad asimiladora de los mismos ⁹, su tolerancia a condiciones climáticas diversas, su resistencia a insectos y enfermedades y su facilidad de manejo ¹⁰.

En conjunto estos elementos eliminan materiales disueltos y suspendidos en el agua residual, y biodegradan la materia orgánica hasta mineralizarla y formar nuevos organismos ¹¹.

Desde el punto de vista ambiental, los humedales artificiales generan impactos positivos ¹² puesto que mejoran la calidad ambiental de la zona y por ende de la población ¹³, además una ventaja de este tratamiento radica en que el agua saliente del proceso puede ser vertida al río o reutilizada como agua gris para riego y limpieza ¹⁴.

Existen varios casos aplicativos en torno a la utilización de humedales artificiales, es así que en la Universidad Nacional de San Marcos (Perú), el agua tratada por este proceso cumplía los estándares de la normativa ambiental aplicable y fue utilizada para el riego y servicios de limpieza ¹⁵.

Por otra parte, en el ámbito nacional, estudios destacan que el diseño del sistema basado en la caracterización físico-química y microbiológica, conlleva a la disminución de los contaminantes para cumplir los límites de descarga a un cuerpo de agua dulce ^16,17.

Conforme a la Constitución de la República del Ecuador que garantiza los derechos de la naturaleza y la población ¹⁸, y la Ley Orgánica de Recursos Hídricos, uso y aprovechamiento del agua que asigna al GADM de Francisco de Orellana las competencias de saneamiento ambiental del recurso hídrico, y señala que los usuarios son paralelamente responsables del manejo y cuidado de las fuentes y zonas de recarga hídricas ¹⁹.

El área de influencia del presente estudio corresponde tanto a Taracoa, como a las demás parroquias por las cuales atraviesa el curso de agua objeto de estudio; es así que los principales beneficiarios son el GADM de Francisco de Orellana y los pobladores de las áreas aledañas al cauce.

El objetivo de la presente investigación fue diseñar y construir un prototipo de humedales artificiales para el tratamiento de las aguas del río Rumiyacu, las cuales se encuentran contaminadas con hidrocarburos. Para ello, se monitoreó la calidad del cuerpo hídrico (caracterización física, química y microbiológica) a través del método estándar APHA ²⁰, se tomaron muestras en relación al caudal del cuerpo hídrico y se analizaron éstas tanto in situ como ex situ respectivamente ²¹, posteriormente se diseñó y construyó el prototipo de humedal artificial y se evalúo la capacidad del material vegetativo para retener contaminantes.

II. MATERIALES Y MÉTODOS

Determinación del caudal y caracterización físico-química y microbiológica de las aguas del río Rumiyacu.

Se seleccionaron los puntos de muestreo en función de su ubicación, accesibilidad y representatividad (tramo regular). En cada uno de estos puntos se midió el caudal y se procedió a la toma de muestras (Figura 1).

Figura 1 Proceso de muestreo. 

Para la determinación del caudal se empleó el método del flotador, obteniéndose in situ las siguientes variables: velocidad promedio y área transversal del cauce ^22,23.

Para el cálculo de la velocidad se seleccionó un tramo de aproximadamente 12 metros, mismo que fue delimitado con estacas; se soltó el flotador en el inicio del tramo (Punto A) y se cronometró el tiempo que tardaba en llegar al final del tramo (Punto B).

El área transversal fue calculada a partir del ancho del río y la profundidad promedio, para obtener esta última variable se dividió el ancho del río en 3 secciones y se midió la profundidad en cada uno de los espacios.

Para la caracterización fisicoquímica y microbiológica se consideraron los protocolos de muestreo compuesto de aguas residuales, y se recolectaron las alícuotas en los puntos establecidos previamente en función del caudal. Las muestras obtenidas fueron debidamente rotuladas y transportadas al laboratorio para su respectivo análisis.

Los parámetros biológicos, orgánicos y físico-químicos analizados se encuentran descritos en la siguiente figura:

Figura 2 Métodos para el análisis de parámetros biológicos, orgánicos y físico químicos. 

Finalmente, a partir de los datos obtenidos a nivel de laboratorio (concentraciones), se determinó la carga contaminante mediante la siguiente ecuación:

()1

Donde:

L: carga contaminante, Q: caudal y C: concentración.

Diseño y construcción del prototipo de humedal artificial.

Se dimensionó el humedal artificial, en función de los caudales de entrada, salida; y, el material vegetativo adaptado a la zona y que es empleado como forraje ²⁴.

Las variables calculadas y las respectivas fórmulas se detallan en la Tabla 1.

Tabla 1 Fórmulas empleadas para el dimensionamiento de un humedal artificial 

Fuente: Adaptado de Lara, 1999 ²⁴; Cueva y Rivadeneira, 2013 ²⁵

III. RESULTADOS

Determinación del caudal y Caracterización físico-química y microbiológica de las aguas del río Rumiyacu.

Las características del río en lo que respecta al ancho, profundidad, pendiente y velocidad de recorrido son variables, aspecto que se debe a aportaciones externas del río como es el caso de los afluentes y precipitaciones fluviales, las cuales inciden en el caudal y en los parámetros físicos químicos.

Figura 3 Comportamiento del caudal del río Ramiyacu. 

Conforme a la Figura 3 se identifica que el punto 1 el caudal mayor con relación al resto de puntos. Los puntos 2 y 3 tienen una distancia de un kilómetro aguas arriba y aguas abajo respectivamente, tomando como punto de referencia la zona poblada de la parroquia de Taracoa.

Figura 4 Comportamiento del caudal del río Ramiyacu (Diagrama Q-Q plot) 

La Figura 4indica que la correlación del caudal del río Ramiyacu oscila entre excelente a buena en los puntos 3 (-1,00); 2 (-0,99), y 3 (-0,68), a partir de estos valores se deduce que el comportamiento tiende a ser equilibrado en los tres puntos.

Los parámetros físico-químicos medidos in situ se encuentran detallados en la siguiente tabla:

Tabla 2 Parámetros físico-químicos medidos in situ 

En función a los resultados de la Tabla 2se identifica que la temperatura oscila entre 16,68°C (P3-16h00) y 25,10°C (P1-08h00 y P3-10h00); siendo su valor promedio 21,5°C. Se presume que el incremento de la temperatura en el horario matutino (08h00 a 10h00) se debe a la presencia de descargas con temperaturas elevadas durante esas horas. Con relación al pH, éste varía entre 4,17 (P1-17H00) y 7,32 (P2-15h00 y P3-16h00), con una media de 5,9 equivalente a ligeramente ácido.

La concentración de oxígeno disuelto varía entre 4,42 mg/L (P2-12h00 y P3 19h00) a 5,78 mg/L (P2-09h00), identificándose que los valores más altos fueron registrados en la mañana. En lo que respecta al valor promedio de la conductividad y los sólidos totales disueltos (TDS), ésta fue de 225,9 mg/L y 97,1 μS/cm respectivamente. Los parámetros medidos in situ no fueron comparados con la normativa ambiental vigente (AM 097 A- Anexos del Libro VI del TULSMA), ya que en la tabla 1 del Anexo 1: Criterios de calidad de efluentes de agua para consumo humano y doméstico no se exponen los límites permisibles de dichos parámetros.

A continuación, se detallan el resto de parámetros físico-químicos y microbiológicos que fueron determinados a nivel de laboratorio (Tabla 3).

Tabla 3 Resultados del laboratorio de calidad de agua 

Al comparar los resultados del laboratorio con los límites permisibles de la Tabla 1 del Anexo I del Libro VI del TULSMA (Acuerdo Ministerial 097 A) se identifica que la mayor parte de los parámetros no exceden la norma, a excepción de la demanda química de oxígeno (DQO) (P1-3) y los coliformes fecales (P1). Para el caso de los coliformes totales, no existe un valor de referencia en la norma antes mencionada.

Otro de los usos potenciales del Río Rumiyacu es la recreación; considerando la tabla 6 del Anexo 1: “Criterios de calidad de aguas destinadas para fines recreativos mediante contacto primario”, se aprecia que la cantidad de coliformes totales y fecales excede a los límites permisibles (2000 col/100mL y 200 col/100mL respectivamente), y el valor del pH promedio no se encuentra dentro del rango permitido (6,5 a 8,3). La norma además sugiere que no existan grasas, aceites ni ningún tipo de película visible, por lo tanto, se deduce que las fuentes hídricas deben estar libres de derrames de crudo.

En función de los resultados de laboratorio y el caudal determinado en cada punto se estableció la carga contaminante (Tabla 4).

Tabla 4 Carga contaminante por parámetro químico y microbiológico 

Con respecto a los parámetros químicos, la mayor carga contaminante corresponde a la DQO, en contraposición la menor carga contaminante fue de los TPH. En lo que respecta a los parámetros biológicos, tanto los coliformes fecales y totales registraron una carga elevada.

Diseño y construcción del prototipo de humedal artificial.

El sector donde fue monitoreado el río Rumiyacu tiene una profundidad promedio de 0,64m, ancho de río de 3 m y caudal promedio de 0,58m3/s. Para la remoción de contaminantes se diseñaron 3 humedales artificiales con las siguientes características, caudal a tratar de 131,9 m3/día, tiempo de retención hidráulico de 6,7 h y dimensiones de cada celda: ancho de 1,37 m, profundidad de 0,25 m, y largo de 8,3 m (Figura 5).

El material filtrante se compuso de grava, con una porosidad del 30% y una conductividad eléctrica de 2100 m3/m2*d.

Figura 5 Diseño del humedal artificial utilizado en el tratamiento del río Rumiyacu 

Evaluación del material vegetativo en la remoción de contaminantes.

Las concentraciones de entrada y salida de los contaminantes se encuentran detalladas en la Tabla 5.

Tabla 5 Porcentaje de remoción de contaminantes físico-químico del agua del río Ramiyacu 

El mayor porcentaje de remoción de DQO correspondió al pasto chileno (84,19%), seguido del pasto elefante con el 77, 61% y el pasto alemán con el 70,04%, en contraposición el pasto arvense registró el porcentaje más bajo de remoción. En lo que respecta a la remoción de DBO, el pasto alemán tuvo el mayor porcentaje de remoción (98,77%).

En el caso del níquel, ninguna de las especies vegetales disminuyó su concentración en el agua. El pasto chileno removió en un mayor porcentaje el hierro total (90,95%), mientras que el pasto alemán y arvense redujo en un 50% la cantidad de TPHs. Finalmente, el pasto chileno removió mayor cantidad de coliformes totales y fecales (33,33% y 50% respectivamente).

Figura 6 Crecimiento de gramíneas en el humedal artificial 

En cuanto al crecimiento de las gramíneas en los humedales durante el período de evaluación (3 meses), el pasto chileno alcanzó una mayor altura promedio (1,25 m), seguido por el pasto alemán (1,19 m), pasto elefante (0,87 m) y el pasto arvense (0,29 m). Además, se identifica que la curva de crecimiento del pasto alemán, arvense y elefante presenta una tendencia de crecimiento regular, en contraposición el pasto chileno tiene un período en el cual no se desarrolla apropiadamente.

IV. DISCUSIÓN

Los principales usos del río Rumiyacu son para consumo humano y fines recreativos, y conforme al Anexo I del Libro VI del TULSMA- AM 097 A ²⁶, para el primer uso los parámetros que exceden la norma son DQO y coliformes totales y fecales, mientras que para el segundo uso los parámetros que exceden los límites permisibles son pH, coliformes totales y fecales. La existencia de TPH en las muestras analizadas (concentración 0,2 mg/L) indica que el río Rumiyacu recibe afluentes contaminados con hidrocarburos o probablemente en zonas aledañas se ha producido un derrame de crudo, y según lo expuesto en la tabla 9 del Anexo I para que un afluente sea descargado en un cuerpo de agua dulce debe evidenciarse la ausencia de TPH. Ciertas características físico-químicas del agua son modificadas debido a la presencia de TPH, esto se debe a que los hidrocarburos consumen oxígeno y además forman películas sobre el agua, las cuales reducen la transferencia de oxígeno entre la atmósfera y el cuerpo hídrico, disminuyendo así el oxígeno disuelto y aumentando la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) ²⁷.

Los humedales artificiales al combinar una variedad de medios filtrantes y especies vegetales logran porcentajes de remoción elevados en DBO, sólidos suspendidos totales (SST) ⁷, nitrógeno total, fósforo ²⁸, hidrocarburos ²⁷, metales pesados ²⁹, entre otros. En el presente estudio se determinó que los pastos arvense y alemán en un medio filtrante de grava removieron la mayor cantidad de TPH (50%), el pasto elefante disminuyó significativamente la DQO (98,77%) y el pasto chileno redujo la cantidad de coliformes totales (33,33%) y fecales (50%). Ninguna especie vegetal redujo la concentración de níquel.

Luna y Aburto (2014) ³⁰ señalan que el sistema de tratamiento de humedales artificiales ubicado en el lago del Bosque San Juan de Aragón permitirá remover entre un 80% a 90% los contaminantes presentes, sin embargo, al encontrarse en una fase de estabilización, sólo reduce de forma significativa la concentración de carbono y coliformes. Conforme a lo indicado, el porcentaje de remoción puede variar en función del desarrollo y adaptabilidad de las especies utilizadas, es así que se obtuvieron porcentajes de remoción variables para los diferentes contaminantes.

No existen investigaciones similares que permitan comparar de manera simultánea los pastos empleados. No obstante el estudio de Palta y Morales (2013) ³¹ evalúa la eficiencia de remoción de contaminantes de Brachiaria mutica (pasto pará), Pennisetum purpureum (pasto elefante) y Panicum maximum (pasto guinea o chileno); obteniéndose que el mayor porcentaje de remoción de la DQO, DBO y coliformes fue del pasto pará (20,34%; 46,90% y 74,36% respectivamente), seguido por el pasto elefante en todos los parámetros indicados (19,73%; 46,86% y 74,35% respectivamente), por su parte el pasto alemán obtuvo porcentajes relativamente inferiores a las otras especies analizadas (16,84%; 45,22% y 72,27% respectivamente).

La recopilación bibliográfica de Estrada (2010) ³² refiere que el junco (Juncus spp.) tiene una buena adaptación y remueve la DBO en un 69%, DQO en un 70% y el nitrógeno en un 18%; además refiere que, en el caso de los metales pesados, el junco y el barbasco son capaces de concentrar níquel en su sistema radicular, mientras que el botoncillo almacena níquel tanto en su estructura radicular como en las hojas y tallos.

Laverde y Salazar (2017) ³³ mencionan que el tratamiento de aguas residuales provenientes de estaciones de servicio mediante humedales artificiales puede reducir en 94,4% la concentración de TPH siempre y cuando se suministre nutrientes a las plantas, mientras que, si no se suministra nutrientes, este porcentaje desciende a 83,7% aproximadamente. Con base a lo expuesto anteriormente se identifica que los porcentajes de remoción obtenidos en esta investigación oscilan entre los valores de estudios realizados previamente con otras especies vegetales.

V. CONCLUSIONES

Conforme a la caracterización de las aguas del río Rumiyacu se determinó que la mayor parte de los parámetros se encuentran dentro de la normativa ambiental vigente (Anexo I del Libro VI del TULSMA- AM 097A), exceptuando la demanda química de oxígeno (DQO), hidrocarburos totales de petróleo (TPH), coliformes totales y fecales. La tabla 9 del Anexo 1 indica que el límite permisivo de TPH para la descarga en un cuerpo de agua dulce debe ser nulo, y al no cumplirse este requisito (0,2 mg/L de TPH en los 3 puntos de muestreo) es necesario implementar tratamientos complementarios como es el caso de humedales artificiales.

Para la remoción de contaminantes se diseñaron 3 humedales artificiales, con las siguientes dimensiones ancho de 1,37 m, profundidad de 0,25 m, y largo de 8,3 m, los cuales permiten tratar un caudal de 131,9 m3/día. Y una vez que las especies vegetales se adaptaron al medio, se verificó que los pastos arvense y alemán removieron la mayor cantidad de TPH (50%), el pasto elefante disminuyó significativamente la DQO (98,77%) y el pasto chileno redujo la cantidad de coliformes totales (33,33%) y fecales (50%). Por lo tanto, es conveniente ensayar humedales con estas especies vegetales en serie a fin de determinar la eficiencia de remoción