EVALUACION DE HUMEDALES CONSTRUIDOS PLANTADOS CON ESPECIES ORNAMENTALES EN LA ELIMINACION DE MATERIA ORGANICA, NUTRIENTES Y CONTAMINANTES PATOGENOS DE AGUAS SERVIDAS DE ORIGEN RURAL Habilitación presentada para optar al título de Ingeniero Ambiental VIVIANA EDITH BURGOS SALGADO CONCEPCION (Chile), 2015 UNIVERSIDAD DE CONCEPCION FACULTAD DE CIENCIAS AMBIENTALES
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UNIVERSIDAD DE CONCEPCION FACULTAD DE … · DBO 5 Demanda Biológica de Oxígeno a los 5 días DQO Demanda Química de Oxígeno HC Humedal Construido HCFS Humedal Construido de Flujo
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EVALUACION DE HUMEDALES CONSTRUIDOS PLANTADOS CON
ESPECIES ORNAMENTALES EN LA ELIMINACION DE MATERIA ORGANICA,
NUTRIENTES Y CONTAMINANTES PATOGENOS
DE AGUAS SERVIDAS DE ORIGEN RURAL
Habilitación presentada para optar al título de
Ingeniero Ambiental
VIVIANA EDITH BURGOS SALGADO
CONCEPCION (Chile), 2015
UNIVERSIDAD DE CONCEPCION
FACULTAD DE CIENCIAS AMBIENTALES
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EVALUACION DE HUMEDALES CONSTRUIDOS PLANTADOS CON
ESPECIES ORNAMENTALES EN LA ELIMINACION DE MATERIA ORGANICA,
NUTRIENTES Y CONTAMINANTES PATOGENOS DE AGUAS SERVI DAS DE
ORIGEN RURAL
Habilitación presentada para optar al título de
Ingeniero Ambiental
Alumno: Viviana Edith Burgos Salgado
Profesor guía: Dra. Gladys Vidal Sáez
CONCEPCION (Chile), 2015
UNIVERSIDAD DE CONCEPCION
FACULTAD DE CIENCIAS AMBIENTALES
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AGRADECIMIENTOS Esta tesis fue realizada con el financiamiento otorgada por el proyecto INNOVA
BIO BIO Nº13.3327-IN.IIP "Recuperación de agua mediante jardines depuradores
a partir de aguas servidas rurales: Aplicaciones innovadoras con impacto para la
comunidad rural".
Agradezco en primer lugar a la Dra. Gladys Vidal Sáez por brindarme la confianza
de realizar esta tesis y permitirme colaborar en el proyecto antes mencionado, de
igual manera a la Srta. Francisca Araya, Bioingeniero que puso a su disposición
toda su experiencia y paciencia en todo el desarrollo de este estudio que estuvo al
amparo de todo el Grupo de Ingeniería y Biotecnología Ambiental (GIBA) del
Centro EULA.
También, no habría podido llegar a esta instancia sin el apoyo permanente de mi
esposo Cristian Paz, quien me inspira constantemente a cumplir mis objetivos,
para él y Helena dedico todo mi trabajo.
Finalmente, creo que Dios es soberano en mi vida por lo que mi agradecimiento
final a El que me acompaña siempre.
“Sólo es posible avanzar cuando se mira lejos.
Solo cabe progresar cuando se piensa en grande”.
José Ortega y Gasset
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INDICE GENERAL RESUMEN………………………………………………………………………….. 11
ABSTRACT……………………………………………………………………….. 13
1. INTRODUCCIÓN…………………………………………………………. 15
1.1. Las aguas servidas………………………………………………………. 15
1.2. Tratamiento de aguas servidas…………………………………………. 17
1.3. Humedales Construidos……………………………………………….… 19
1.3.1. Componentes de los HC…………………………………………………. 19
1.3.2. Funciones de las plantas en humedales construidos……………….. 22
1.3.3. Plantas ornamentales en humedales construidos…………………….. 23
1.3.4. Clasificación de los HC…………………………………………………... 26
1.4. Mecanismos de eliminación de contaminantes en HC……………….. 30
1.4.1. Eliminación de Solidos Suspendidos (SS)…………………………….. 30
1.4.2. Eliminación de Materia Orgánica (MO)………………………………… 30
1.4.3. Eliminación de Nitrógeno (N)………………………………………….. 32
1.4.4. Eliminación de Fosforo (P)………………………………………………. 33
1.4.5. Eliminación de contaminantes patógenos…………………………….. 33
Coliformes totales; Cfg: Colifagos; ND: No Determinado.
En la Tabla 5, se puede apreciar el aumento en las concentraciones de materia
orgánica, nutrientes y microorganismos patógenos en consecuencia se aumenta el
volumen de carga en cada etapa. Los valores promedio para DQO y NH4+ fueron
98,70 ± 18,56 y 9,56 ± 3,79 mg/L, respectivamente cuando el sistema era operado
con una VCO de 0,013 kg/m3·d; por otro lado al aumentar la VCO (0,023 kg/m3·d)
los valores promedio para DQO y NH4+ aumentan a 158,71 ± 63,98 y 48,74 ±
16,44 mg/L, respectivamente. Para la última etapa (VCO: 0,053 kg/m3·d) los
valores obtenidos para DQO y NH4+ fueron 361,09 ± 94,69 y 272,32 ± 43,98 mg/L,
respectivamente. En cuanto al material en suspensión, estos llegan a 302,25 ±
58,97 mg/L para SST y 297,62 ± 67,03 mg/L para los SSV. En cuanto a la
contaminación patógena, ésta presenta valores típicos a un AS con valores de
Coliformes Fecales del orden de los 107 NMP/100mL, además de contaminación
viral en la última VCO expresada como Colifagos en el orden de los 105
UFP/100mL.
Cada AS es única en sus características, caudal y características fisicoquímicas,
estos dependen del tamaño de la población, del sistema de alcantarillado
empleado, el nivel de industrialización y de la pluviometría (Henze et al., 2002). En
este caso, el AS utilizada corresponde a una del tipo doméstica de concentración
Media (Metcalf & Eddy, 1995) con una concentración de DQO y DBO5 que no
superan los 500 y 220 mg/L, y SST inferiores a 350 mg/L; sin embargo las
concentraciones de nutrientes indican un AS de concentración Alta (NH4+ >50
mg/L y PO4-3 >10 mg/L), esto es propio del origen de ésta, que fue obtenida de la
planta de tratamiento de aguas servidas ubicada en la comuna de Hualqui, ya que
las concentraciones de P y N en AS es mayor en zonas rurales respecto a las
urbanas (Tsuzuki et al., 2010).
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5.2. Caracterización de los efluentes
5.2.1. Parámetros operacionales
Los parámetros operacionales pH, POR, temperatura y OD, se presentarán
mediante gráficos de barra en función de cada VCO (kg/m3·d) realizada.
La Figura 11, resume el comportamiento del pH a lo largo del periodo de
operación de los sistemas en estudio; en la grafica se observa que los valores de
pH para todo este periodo oscilaron entre 6,58 y 7,65, mateniendose en
condiciones neutras (cercano a 7) para cada estrategias evaluadas.
Figura 11. Variación de pH en cada sistema en estudio, considerando las
diferentes VCO evaluadas. ( ) HC1- Lirio acuático; ( ) HC2- Jacinto de agua; ( )
HC3- Tulbagia; ( ) HC4- Papiro egipcio.
La medida del POR de las aguas es un índice del estado del sistema, en función
de este se puede concluir si un cuerpo de agua presenta condiciones aeróbicas o
anaeróbicas, o también nos puede dar un indicio del grado de tratamiento aplicado
al AS (Píriz, 2000). En la Figura 12, se presentan los valores promedio y
desviación estándar para el POR de cada sistema en cada una de las estrategias
evaluadas; en general los valores obtenidos oscilaron entre -76,35 ± 34,67 y -
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0,013±0,003 0,023±0,003 0,053±0,018
VCO (kg/m3•d)
0
2
4
5
7
9
11
12
14
pH
49
165,60 ± 23,28 mv, a partir de ellos se puede concluir que los sistemas operaban
bajo condiciones anaeróbicas, por tanto la degradación de la MO ocurre
principalmente a través de reacciones anaeróbicas.
Figura 12. Variación de POR en cada sistema en estudio, considerando las
diferentes VCO evaluadas. ( ) HC1- Lirio acuático; ( ) HC2- Jacinto de agua; ( )
HC3- Tulbagia; ( ) HC4- Papiro egipcio.
Los valores observados muestran la tendencia a disminuir del potencial redox al
aumentar el VCO, sin embargo para el HC4- Papiro egipcio, los valores
alcanzados fueron en todas las etapas mayores por lo que se atribuye un efecto a
la vegetación utilizada en este caso.
En particular, los HCFSSH debido a que se encuentran permanentemente
inundados, se ve afectada la transferencia de oxígeno y por tanto el POR del
medio. Diversos autores reportan que HCFSSH que tratan AS urbanas y operan
con cargas superficiales de 2-6 g DBO5/m2·d, producen efluentes con bajas
concentraciones de oxígeno y POR negativo, en muchos casos menor a -100 mV
(García et al., 2003, 2004; Huang et al., 2004).
La variación de temperatura a lo largo del período de operación de los sistemas,
se presenta en la Figura 13, en ella se observa que los valores de temperatura
oscilaron entre 14,21 ± 2,62 y 10,36 ± 1.80 ºC. En general se observó que la
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0,013±0,003 0,023±0,003 0,053±0,018VCO (kg/m3•d)
-200
-170
-140
-110
-80
-50
-20
PO
R (m
V)
50
temperatura presenta un comportamiento similar al de los patrones estacionales,
es decir disminuye en invierno (VCO: 0,023 ± 0,003 kg DQO/m3·d) y aumenta en
primavera (VCO: 0,053 ± 0,018 kg DQO/m3·d).
Figura 13. Variación de Temperatura en cada sistema en estudio, considerando
las diferentes VCO evaluadas. ( ) HC1- Lirio acuático; ( ) HC2- Jacinto de agua;
( ) HC3- Tulbagia; ( ) HC4- Papiro egipcio.
Estudios han demostrado que las plantas en HC actúan como termorregulador,
aminorando la insolación en el verano y actuando como aislante en el invierno con
un efecto positivo para los procesos biológicos (Smith et al, 1997). García et al.
(2003) han observado que un HC sin vegetación ni restos vegetales, el gradiente
térmico medido en verano ha sido de hasta 12 ºC/m, en cambio en un HC con
vegetación (1800 g/m2 de biomasa aérea expresada en peso seco) y restos
vegetales (310 g/m2) ha sido de 3,4 ºC/m.
Estudios recientes, reportan que la temperatura es un indicador importante a
considerar en el funcionamiento de las plantas y en definitiva en la capacidad de
eliminación de contaminantes a través de HC, ya que influye directamente en la
concentración de oxígeno que es el principal encargado de la degradación de la
MO proveniente de las AS; estos indican que a menores temperaturas, el OD se
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0,013±0,003 0,023±0,003 0,053±0,018
VCO (kg/m3•d)
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
Tem
pera
tura
(oC
)
51
encuentra en mayores concentraciones favoreciendo las reacciones aeróbicas
dentro del sistema (Stein, 2010).
En la Figura 14, se presentan los valores promedio y desviación estándar para la
concentración de OD, obtenido durante el periodo de operación para los diferentes
sistemas, en cada VCO evaluada. De manera general se observa que todos los
efluentes presentaron valores de OD inferiores a 1 mg/L, lo que nos indica que
nuestros sistemas se encuentran operando bajo condiciones anóxicas, propio de
los HCFSSH. Los resultados obtenidos, coinciden con los reportados por García et
al. (2004); los autores concluyen que los procesos aeróbicos de eliminación de
MO son poco significativos en comparación con los procesos anaeróbicos para
este tipo de humedales.
En todas las estrategias evaluadas, el HC4- Papiro egipcio presento las mayores
concentraciones para OD, lo que puede deberse al aumento en el crecimiento de
esta especie (en comparación con los otros HC) lo que permite un aumento en la
transferencia de oxigeno desde las hojas a las raíces. Debido a la ausencia de
oxígeno en suelos saturados de agua, las raíces y rizomas de las plantas que
crecen en los humedales deben obtener oxígeno de sus órganos aéreos
internamente a través de espacios de aire en las plantas (Brix, 1994) .
52
Figura 14. Variación de OD en cada sistema en estudio, considerando las
diferentes VCO evaluadas. ( ) HC1- Lirio acuático; ( ) HC2- Jacinto de agua; ( )
HC3- Tulbagia; ( ) HC4- Papiro egipcio.
5.2.2. Caracterización fisicoquímica
Las caracterizaciones fisicoquímicas para los efluentes de cada sistema en
estudio considerando las diferentes VCO evaluadas (0,013 ± 0,003; 0,023 ± 0,003
y 0,053 ± 0,018 kg/m3·d) se presentan en las Tablas 6, 7 y 8.
En la Tabla 6, se presenta la caracterización fisicoquímica de los efluentes de los
diferentes sistemas en estudio, al operar con una VCO: 0,013 ± 0,003 kg/m3·d. En
la tabla se observa que los valores promedio para MO expresada como DBO5 y
DQO oscilaron entre 9,38 ± 14,82 a 15,92 ± 16,82 mg/L y entre 42,24 ± 17,42 a
55,06 ± 19,79 mg/L, respectivamente, encontrándose los mayores valores en el
sistema HC1- Lirio acuático. Por otro lado la concentración de nutrientes medida
como NH4+ y PO4
-3, osciló entre 0,12 ± 0,10 a 2,53 ± 1,19 mg/L para NH4+ y desde
0,17 ± 0,06 a 2,17 ± 0,58 mg/L para PO4-3, mostrando las concentraciones
menores el HC4- Papiro egipcio. En cuanto a contaminación patógena estos
llegaron al orden de los 4×103 NMP/100mL.
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0,013±0,003 0,023±0,003 0,053±0,018
VCO (kg/m3•d)
0.26
0.45
0.64
0.83
1.02
OD
(mg/
L)
53
Tabla 6. Caracterización fisicoquímica de los efluentes de cada sistema en estudio al operar los humedales con VCO= 0,013 ± 0,003 kg/m3·día.
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0,013±0,003 0,023±0,003 0,053±0,018VCO (kg/m3•d)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Efic
ienc
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e E
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n (%
)
57
Figura 16. Eficiencias de eliminación de DQO para cada sistema en estudio,
considerando las diferentes VCO efectuadas. ( ) HC1- Lirio acuático; ( ) HC2-
En las etapas de operación II y III (VCO: 0,023 y 0,053 kg DQO/m3·d,
respectivamente) se alcanzan eficiencias de eliminación para DBO5 y DQO
superiores al 80% y 95% respectivamente, estos valores son concordantes con los
reportados por otros autores en donde se muestran valores de hasta un 80% para
la DBO5 y de un 75% para la DQO (Vymazal, 2005); en cambio en la etapa I
(VCO: 0,013 kg DQO/m3·día) se obtiene que la eficiencia de eliminación de MO
que oscila entre 40 y 75%, esta baja eficiencia obtenida puede ser explicada por el
hecho de que los sistemas en estudio, se encuentran en etapa de aclimatación o
acondicionamiento, lo cual nos indica que están recién comenzando a
desarrollarse los consorcios y rizosfera. La rizosfera es conocida por albergar una
gran diversidad de formas bacterianas (Paul & Clark, 1996) y es por ello que las
eficiencia encontrados de los HC con plantas son mayores a los reportados para
HC no plantados, ya que la rizosfera estimula la comunidad microbiana (Gagnon
et al., 2006). Estudios realizados, sugieren que la rizosfera mejora la densidad y
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0,013±0,003 0,023±0,003 0,053±0,018
VCO (kg/m3•d)
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la actividad microbiana proporcionando superficie para el crecimiento microbiano,
una fuente de carbono a través de los exudados de las raíces y un ambiente
ligeramente aeróbico a través de la liberación de oxígeno por la raíz (Gersberg et
al, 1986; Brix, 1997).
En la Figura 17 se resume el comportamiento del sistema en cuanto a la eficiencia
de eliminación de COT.
Figura 17. Eficiencias de eliminación de COT para cada sistema en estudio,
considerando las diferentes VCO efectuadas. ( ) HC1- Lirio acuático; ( ) HC2-
Se estima que las plantas ornamentales utilizadas en cada HC ha jugado un papel
importante en estos resultados, observándose diferencias en cada uno de ellos,
siendo la especie papiro egipcio aquella que logra los valores más altos (>50% de
eliminación) y la especie lirio acuático la que presentó las menores eficiencias de
eliminación, cercanas al 20% para VCO de 0,013 y de 0,023 kg DQO/m3·d. Esto
nos indica que la actividad biodegradadora al interior del sistema se ve favorecida
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0,013±0,003 0,023±0,003 0,053±0,018VCO (kg/m3•d)
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por la planta al transportar el oxígeno hacia las raíces y de estas a otras zonas,
logrando así la eliminación de MO (Brix, 1994).
Además, se puede apreciar que la eliminación de MO medida como COT, tiene
una tendencia diferente a la observada para la eliminación de DBO5 y DQO, ya
que esta se ha mantenido estable en la segunda etapa con un porcentaje de
eliminación inferior al 60%, esta tendencia se mantiene constante hasta la
finalización de este estudio. Esta diferencia, se entiende debido a que COT, es
una medida no específica de todos los compuestos orgánicos presentes en el
agua, que en este caso usamos como complemento en la medición de la calidad
de ésta.
En las Figuras 18 y 19, se presentan las eficiencias de eliminación obtenidas para
SST y SSV en función de las diferentes VCO evaluadas para cada uno de los
humedales en estudio; en general se observa que tanto para SST y SSV la
eficiencia de eliminación fue superior al 50% en todos los sistemas. Al evaluar la
capacidad del sistema para eliminar los sólidos presentes en el AS (influente), se
observa que en la primera etapa (VCO: 0,013 ± 0,003 kg/m3·d) se obtienen las
eficiencias más bajas, lo que coincide con la puesta en marcha de los sistemas; en
cambio para la segunda y tercera etapas, (VCO: 0,023 ± 0,003 y 0,053 ± 0,018
kg/m3·d, respectivamente) se obtiene una mayor estabilidad en los resultados y se
alcanzan eficiencias de eliminación superiores al 90%.
En los humedales HCFHSS la mayor parte de la eliminación de la materia en
suspensión (70%) sucede cerca de la zona de entrada, y su concentración va
disminuyendo de forma aproximadamente exponencial a lo largo del lecho hasta
alcanzar remociones cercanas al 90% (García & Corzo, 2008).
El rendimiento de eliminación de SST tanto en sistemas horizontales como en
verticales suelen alcanzar valores superiores al 90% de eliminación (Vymazal
2005; Vymazal 2007; Weedon, 2003).
60
Figura 18. Eficiencias de eliminación de SST para cada sistema en estudio,
considerando las diferentes VCO efectuadas. ( ) HC1- Lirio acuático; ( ) HC2-
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0,013±0,003 0,023±0,003 0,053±0,018VCO (kg/m3•d)
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5.3.2. Eliminación de Nutrientes
La Figura 20 presenta la eficiencia de eliminación de P, medida PO4-3 para las tres
VCO evaluadas en cada HC.
Figura 20. Eficiencias de eliminación de PO4-3 para cada sistema en estudio,
considerando las diferentes VCO efectuadas. ( ) HC1- Lirio acuático; ( ) HC2-
La eliminación de P mediante HC es baja, los valores reportados en literatura se
encuentran entre un 10-20% (García & Corzo, 2008), por otra parte, el PO4-3
representa más del 60% del PT en el AS (Henze et al., 2002)
Para los sistemas en estudio se observa que para HC1- Jacinto de agua y HC3-
Tulbagia las eficiencias de eliminación no fueron superiores al 20%; en cambio
para el HC4- Papiro egipcio se obtienen eficiencias de eliminación superiores al
90%, por lo que se atribuye un aporte en la eficiencia desde la especie vegetal
utilizada; investigadores como Kyambadde (2004) corroboran estos resultados ya
que recomiendan la utilización de esta especie para obtener mayores eficiencias
de eliminación de nutrientes.
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0,013±0,003 0,023±0,003 0,053±0,018
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En la Figura 21 presentan los resultados obtenidos para la eficiencia de
eliminación de amonio.
Figura 21. Eficiencias de eliminación de NH4+ para cada sistema en estudio,
considerando las diferentes VCO efectuadas. ( ) HC1- Lirio acuático; ( ) HC2-
En la figura se observa que las eficiencias de eliminación en este estudio son
superiores al 30%, esta mayor eficiencia puede deberse principalmente a la
utilización de un influente diluido en las dos primeras etapas (VCO: 0,013 y 0,023
kg/m3.d). Al aumentar la concentración de afluente, VCO: 0,053 kg/m3.d, los
porcentajes de eliminación muestran una disminución consecuente con el
aumento en la carga orgánica; sin embargo los más altos valores observados
(superiores al 50%) corresponden a HC1- Lirio acuático, HC3- Tulbagia y HC4-
Papiro egipcio, sugieren que mecanismos como la absorción por el medio de
soporte o la acción microbiana se están llevando a cabo (Vymazal, 2007).
En las AS el nitrógeno se encuentra principalmente como NH4+, las
concentraciones de nutrientes que asimilan las plantas suelen ser insignificantes
en comparación con las cargas de nutrientes que reciben los HCFSSH, y están en
el rango del 10-20% (García & Corzo, 2008).
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0,013±0,003 0,023±0,003 0,053±0,018VCO (kg/m3•d)
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Cabe mencionar que la especie vegetal es relevante en esta eficiencia ya que la
mayor parte de los nutrientes asimilados son devueltos al agua, debido a los
procesos de descomposición (Stottmeister et al., 2003). En este sentido se
muestra una clara diferencia en el HC4– Papiro egipcio al mostrar eficiencias
superiores a los otros HC, para todas las VCO evaluadas.
5.3.3. Eliminación de Patógenos
A continuación se presentan las concentraciones de salida para Coliformes totales
y fecales de los efluentes de cada celda a las distintas cargas orgánicas
estudiadas. Además, se presenta, mediante grafico de barras las concentraciones
de colifagos de los efluentes para la carga de efluente con una VCO de 0,053 ±
0,018 kg/m3·d
Bacterias: Coliformes Totales (CT) y Coliformes Fec ales (CF).
Las concentraciones de CT y CF se muestran en las Figuras 22 y 23,
respectivamente. Los resultados obtenidos indican que existe remoción de
patógenos considerando que el promedio de CT y CF del afluente fue de 7×107± 8
×107 y 4×107 ± 8×106 NMP/100mL respectivamente y obteniendo valores que
coinciden con lo establecido en la literatura, con disminuciones que oscilan entre 1
y 2 UL/100 mL para estos indicadores (Rivera, 1995; Ottová, 1997); sin embargo,
no se permitiría una descarga según normativa a cuerpos de aguas superficiales
(DS 90/2000) o la reutilización del efluente para riego (NCh 1333/1978) ya que las
concentraciones obtenidas (106 y 105 NMP/100mL) superan el rango permitido(103
NMP/100mL para CF).
64
Figura 22. Concentraciones de salida de CT para cada sistema en estudio,
considerando las diferentes VCO efectuadas. ( ) HC1- Lirio acuático; ( ) HC2-