Biorretención

La biorretención es el proceso mediante el cual se eliminan los contaminantes y sedimentos de las aguas pluviales . El objetivo principal de la celda de biorretención es atenuar el caudal máximo y eliminar los contaminantes presentes en dichas aguas.

El agua de lluvia se dirige primero al área de tratamiento diseñada, que convencionalmente consta de un lecho de arena (que sirve como transición al suelo real), una capa de medio filtrante (que consta de materiales estratificados de diversa composición) y plantas sobre el medio filtrante. ^{[ 1 ]} A lo largo de los años se han propuesto varios enmiendas del suelo, como residuos del tratamiento de aguas (RTA), cáscara de coco, biocarbón, etc. ^{[ 2 ] [ 3 ]} Se ha informado que estos materiales tienen un rendimiento mejorado en términos de eliminación de contaminantes. La escorrentía pasa primero sobre o a través de un lecho de arena, que reduce la velocidad de la escorrentía, la distribuye uniformemente a lo largo del área de encharcamiento, que consta de una capa orgánica superficial y/o cobertura del suelo y el suelo de plantación subyacente. El agua almacenada en el suelo de plantación del área de biorretención se exfiltra durante un período de días hacia los suelos subyacentes. ^{[ 4 ]}

El término "biorretención" se refiere al hecho de que la biomasa en el medio de tratamiento, como plantas y bacterias, retiene, absorbe, descompone y recicla los contaminantes presentes en la escorrentía. Es la biomasa la que retiene y transforma los contaminantes. ^{[ 5 ]} Estos procesos biológicos son esenciales para transformar los contaminantes dañinos en formas menos tóxicas antes de que lleguen a los cuerpos de agua aguas abajo. Con el tiempo, las comunidades microbianas dentro de la matriz del suelo se adaptan a las cargas locales de contaminantes, mejorando la eficiencia del tratamiento a largo plazo del sistema. La filtración, la adsorción, la transformación química y la degradación biológica son los principales métodos de tratamiento de contaminantes en la biorretención. ^{[ 6 ]} La filtración elimina principalmente los sólidos en suspensión, mientras que la adsorción une los contaminantes disueltos al suelo o a las partículas orgánicas. Los mecanismos químicos y biológicos trabajan juntos para reducir las concentraciones de nutrientes y degradar hidrocarburos y patógenos.

Cada uno de los componentes del área de biorretención está diseñado para realizar una función específica. La franja de vegetación reduce la velocidad de la escorrentía entrante y filtra las partículas . El lecho de arena también reduce la velocidad, filtra las partículas y distribuye el flujo a lo largo del área de biorretención. La aireación y el drenaje del suelo de plantación se proporcionan mediante el lecho de arena de 0,5 m (20 pulgadas) de profundidad. El área de encharcamiento proporciona un lugar de almacenamiento temporal para la escorrentía antes de su evaporación o infiltración . Algunas partículas que no son filtradas por la franja de vegetación o el lecho de arena se depositan en el área de encharcamiento. ^{[ 4 ]}  

La capa orgánica o de mantillo también filtra los contaminantes y proporciona un entorno propicio para el crecimiento de microorganismos que degradan los productos derivados del petróleo y otros materiales orgánicos . Esta capa actúa de forma similar a la hojarasca de un bosque y previene la erosión y la desecación de los suelos subyacentes. La cubierta vegetal también reduce el potencial de erosión, aunque con una eficacia ligeramente mayor que el mantillo. La velocidad máxima del flujo laminar antes de que se produzcan condiciones erosivas es de 0,3 metros por segundo (1 pie por segundo) para la cubierta vegetal y de 0,9 metros por segundo (3 pies por segundo) para el mantillo. ^{[ 7 ]}

La arcilla en el suelo de plantación proporciona sitios de adsorción para hidrocarburos , metales pesados , nutrientes y otros contaminantes. El almacenamiento de aguas pluviales también se produce gracias a los poros en el suelo de plantación. El agua y los nutrientes almacenados en el agua y el suelo quedan disponibles para que las plantas los absorban. El diseño del área de biorretención se determina después de considerar las limitaciones del sitio, como la ubicación de los servicios públicos, los suelos subyacentes, la vegetación existente y el drenaje. Los sitios con suelos franco-arenosos son especialmente apropiados para la biorretención porque el suelo excavado se puede rellenar y usar como suelo de plantación, eliminando así el costo de importar tierra para plantar. Un estrato de suelo circundante inestable y suelos con un contenido de arcilla superior al 25 por ciento pueden impedir el uso de la biorretención, al igual que un sitio con pendientes superiores al 20 por ciento o un sitio con árboles maduros que se eliminarían durante la construcción de las mejores prácticas de manejo . ^{[ 8 ]}

Los principales nutrientes que se encuentran en la escorrentía de aguas pluviales son el fósforo y el nitrógeno, que se generan comúnmente por fertilizantes para césped, hojarasca, recortes de césped, suelos sin fertilizar, detergentes, deposición atmosférica y lluvia. ^{[ 9 ]} Si no se tratan, estos nutrientes contribuyen a la eutrofización en los sistemas acuáticos aguas abajo, lo que lleva a la proliferación de algas y al agotamiento del oxígeno. Los medios de biorretención diseñados con un contenido óptimo de suelo y materia orgánica pueden reducir significativamente tanto las formas totales como disueltas de nitrógeno y fósforo. La biorretención se valora por su tamaño compacto, asequibilidad y atractivo estético. Estos sistemas mejoran la recarga de aguas subterráneas, reducen las tasas máximas de descarga y los volúmenes de escorrentía superficial, y mejoran en gran medida la calidad de las aguas pluviales. ^{[ 10 ]} También ofrecen ventajas adicionales como la creación de hábitats, sombra, reducción del ruido y mitigación de los efectos de las islas de calor urbanas. ^{[ 11 ]} Cuando se integran en paisajes urbanos o estacionamientos, los sistemas de biorretención proporcionan espacios verdes y alivio visual en entornos que de otro modo serían impermeables. Estas ventajas adicionales las convierten en una estrategia de desarrollo de bajo impacto (LID, por sus siglas en inglés) preferida tanto en proyectos de nueva construcción como en aplicaciones de rehabilitación.

Los metales traza contaminantes, como el zinc , el plomo y el cobre, se encuentran en la escorrentía de aguas pluviales proveniente de superficies impermeables (por ejemplo, carreteras y aceras). Los sistemas de tratamiento, como los jardines de lluvia y las jardineras de aguas pluviales, utilizan una capa de biorretención para eliminar los metales pesados ​​de la escorrentía. Las formas disueltas de metales pesados ​​pueden unirse a las partículas de sedimento en la carretera, las cuales son capturadas por el sistema de biorretención. Además, los metales pesados ​​pueden adsorberse a las partículas del suelo en el medio de biorretención a medida que la escorrentía se filtra. ^{[ 12 ]} En experimentos de laboratorio, las celdas de biorretención eliminaron el 94%, 88%, 95% y >95% de zinc, cobre, plomo y cadmio , respectivamente, del agua con concentraciones de metales típicas de la escorrentía de aguas pluviales. Si bien esto representa un gran beneficio para la mejora de la calidad del agua, los sistemas de biorretención tienen una capacidad limitada para la eliminación de metales pesados. Esto, en última instancia, controlará la vida útil de los sistemas de biorretención, especialmente en áreas con altas cargas de metales pesados. ^{[ 13 ]}

Metal removal by bioretention cells in cold climates was similar or slightly lower than that in warmer environments. Plants are less active in colder seasons, suggesting that most of the heavy metals remain in the bioretention media rather than being taken up by plant roots.^[14] Therefore, removal and replacement of the bioretention layer will become necessary in areas with heavy metal pollutants in stormwater runoff to extend the life of the treatment system.