Evaluación del balance de carbono en una planta de tratamiento de aguas residuales basada en humedales artificiales

Abstract

Los humedales artificiales han demostrado su utilidad en el tratamiento de aguas residuales siendo herramientas claves en las acciones para mitigar el cambio climático al actuar como sumideros de carbono. No obstante, esta capacidad de captura se ve contrarrestada por las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) generadas durante los procesos bacterianos de descontaminación que ocurren en el sustrato de los humedales. Por lo tanto, es crucial establecer un balance de carbono que considere el carbono capturado por la vegetación a través de fitodepuración y el sustrato, frente a los GEI emitidos, los cuales son expresados en términos de CO₂ equivalente (CO₂e), considerando el potencial de calentamiento global a 100 años. En este estudio, el balance incluye las emisiones directas de CH₄ y N₂O, así como las emisiones indirectas de N₂O, calculadas utilizando la metodología del Panel Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC). Las emisiones de CO₂ no biogénico fueron despreciadas, y el CO₂ biogénico no fue considerado como GEI. Se evaluaron dos alternativas de tratamiento de aguas residuales utilizando humedales artificiales de flujo subsuperficial horizontal (HAFSsH) y de flujo vertical (HAFSsV) como tratamiento biológico secundario: i) Pretratamiento + Tanque Imhoff + HAFSsH; y ii) Pretratamiento + Tanque Imhoff + HAFSsV. Ambas alternativas incluyen un HAFSsV para el tratamiento de fangos primarios. El balance de carbono se calculó para evaluar la capacidad de los humedales artificiales tanto de forma independiente como dentro de un sistema integral de tratamiento de aguas residuales. Los resultados demostraron que en ambas tipologías de humedales, la fijación de carbono supera a las emisiones de GEI, permitiéndoles funcionar como sumideros de carbono. Notablemente, el HAFSsV fue más eficiente en la captura de carbono por unidad de área de implantación en comparación con el HAFSsH, considerando estándares similares de calidad del agua efluente. Por otro lado, el sistema integral de tratamiento de aguas residuales resultó ser una fuente neta de carbono, siendo los tanques Imhoff los principales responsables de las emisiones de CO₂e en ambas alternativas evaluadas. Se recomienda investigar alternativas de tratamiento de aguas residuales que permitan prescindir de las unidades de tratamiento primario, con el objetivo de que el sistema integral funcione como un sumidero de carbono, logrando una mayor eficiencia tanto en la depuración del agua como en la mitigación del cambio climático.

Constructed wetlands have demonstrated their usefulness in wastewater treatment as key tools in climate change mitigation actions by acting as carbon sinks. However, this capture capacity is offset by greenhouse gas (GHG) emissions generated during the bacterial decontamination processes that occur in the wetland substrate. Therefore, it is crucial to establish a carbon balance that considers the carbon sequestered by the vegetation through phytodegradation and the substrate versus the GHG emitted, which are expressed in terms of CO₂ equivalent (CO₂e), considering the 100-year global warming potential. In this study, the balance includes direct CH₄ and N₂O emissions, as well as indirect N₂O emissions, calculated using the methodology of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Non-biogenic CO₂ emissions were disregarded, and biogenic CO₂ was not considered as a GHG. Two wastewater treatment alternatives were evaluated using horizontal subsurface flow (HAFSsH) and vertical flow (HAFSsV) constructed wetlands as secondary biological treatment: i) Pretreatment + Imhoff Tank + HAFSsH; and ii) Pretreatment + Imhoff Tank + HAFSsV. Both alternatives include a HAFSsV for primary sludge treatment. The carbon balance was calculated to evaluate the capacity of constructed wetlands both independently and within an integrated wastewater treatment system. The results showed that in both wetland typologies, carbon sequestration exceeds GHG emissions, allowing them to function as carbon sinks. Notably, HAFSsV was more efficient in carbon sequestration per unit area of implantation compared to HAFSsH, considering similar effluent water quality standards. On the other hand, the integrated wastewater treatment system turned out to be a net source of carbon, with the Imhoff tanks being the main responsible for CO₂e emissions in both alternatives evaluated. It is recommended to investigate wastewater treatment alternatives that make it possible to dispense with the primary treatment units, so that the integrated system can function as a carbon sink, achieving greater efficiency in both water purification and climate change mitigation.