PUESTA EN MARCHA DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO IN SITU DE AGUAS RESIDUALES PARA CASAS HABITACIÓN Juan Francisco Márquez Morales, Rosa Ma. Bautista García, Juan M. Morgan-Sagastume* y Adalberto Noyola Robles Instituto de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México, Apdo.Postal 70-472; 04510, Ciudad Universitaria, Coyoacan, México D.F., México. FAX (5) 616-21-64 *E-mail: [email protected]

RESUMEN Se llevó a cabo la puesta en marcha de un prototipo de planta de tratamiento para casas habitación. La planta consta de compartimientos para fosa séptica, una zona de lecho de lodos con flujo ascendente y una zona empacada nitrificante-desnitrificante. Bajo las condiciones específicas de la casa habitación seleccionada se observó una remoción del 63% en la DQOt, 65% en los SST y 37% en el nitrógeno amoniacal. Se observó una baja adaptabilidad de los lodos granulares anaerobios al agua residual así como un pobre desarrollo de biomasa en la zona empacada. Se probaron dos sistemas de aireación, uno a base de un tubo vénturi y otro con un compresor de diafragma. Esta fase de la investigación proporcionó la pauta para el mejoramiento del proceso desde el punto de vista de diseño y de operación.

INTRODUCCIÓN En varias zonas del país existe el grave problema de la disposición de las aguas residuales generadas en centros urbanos, industriales y agrícolas. En el caso de las aguas residuales domésticas, el problema se agrava al no contar parte de la población con drenaje, situación que se presenta cuando éste tiene un alto costo de construcción por la naturaleza del terreno o cuando las zonas pobladas crecen a una tasa mayor que la urbanización. Un caso concreto de la problemática generada por la falta de drenaje se encuentra en los Pedregales de Coyoacán, el Pedregal de San Ángel y lo que es la zona habitada del Ajusco, zonas correspondientes a la Ciudad de México. Las aguas residuales de estas colonias son dispuestas en el subsuelo de la zona, lo que pone en riesgo la calidad del acuífero. Para limitar la contaminación del acuífero se propone el tratamiento in situ de las aguas residuales por medio de una planta de tratamiento paquete eficaz en relación con la normatividad vigente y eficiente en cuanto a los costos de inversión, operación y mantenimiento.

Bajo las condiciones sociales y económicas así como las ambientales, el medio mexicano exige que se consideren en el diseño de pequeñas plantas de tratamiento los siguientes rubros: • Que la planta de tratamiento posea dimensiones que permitan su instalación y operación a nivel unifamiliar y con márgenes de crecimiento en caso de incremento en el gasto domiciliario. • La planta de tratamiento deberá ser económica en su inversión y sobretodo en los recursos destinados a su operación y mantenimiento. • Que opere con eficacias tales que cumpla con la normatividad vigente. • Que las condiciones de mantenimiento preventivo y correctivo sean mínimas y puedan ser efectuadas en su mayor parte por los propios usuarios. • Que la planta de tratamiento no provoque molestias al usuario en relación con ruido, proliferación de insectos y malos olores. El objetivo del trabajo fue diseñar, construir y operar un prototipo de planta de tratamiento de aguas residuales para ser aplicada in situ al control de las descargas líquidas de casas habitación y con ello obtener y evaluar las principales variables de diseño del prototipo así como tratar de dar cumplimiento a las restricciones mencionadas con anterioridad.

METODOLOGÍA EXPERIMENTAL Diseño conceptual de la planta de tratamiento El diseño contempla la combinación de dos medios biológicos: el anaerobio y el aerobio. La planta de tratamiento consta de 4 regiones de tratamiento, es decir, una fosa séptica, un reactor anaerobio de lecho de lodos con flujo ascendente, un filtro aerobio sumergido nitrificante y un Filtro anaerobio desnitrificante a) Zona de fosa séptica. En esta zona se retienen los sólidos sedimentables contenidos en el agua residual para su almacenamiento y digestión. La fosa séptica recibe la descarga directa de agua residual. En ella se lleva a cabo la separación de grasas y aceites, la sedimentación de sólidos y la degradación parcial de la materia orgánica. Además, posee la función de homogeneizar el agua residual previo a su ingreso a los compartimientos tipo lecho de lodos. b) Zona anaerobia de lecho de lodos con flujo ascendente. Una vez que el agua residual atraviesa la fosa séptica, ingresa a la cámara anaerobia de lecho de lodos en donde se removerá en un 60 a 70 % (éstos valores son estimaciones de diseño) el contenido de material orgánico del agua residual. Los lodos anaerobios retenidos en esta zona poseen características granulares o floculentas con actividad metanogénica. La región constituida por el reactor anaerobio de lecho de lodos con flujo ascendente denominado UASB está constituida por dos compartimientos en serie (uno interno y otro externo). En el fondo de ellos se encuentra un lecho de lodo anaerobio granular activo con una alta densidad de microorganismos responsables de la degradación de la materia orgánica soluble y en suspensión.

c) Zona empacada nitrificante y desnitrificante. Después de la zona de lecho de lodos, el agua residual ingresa a una cámara empacada con anillos de plástico. Esta zona empacada está dividida en dos secciones; la nitrificante y la desnitrificante. En la nitrificante se suministra aire. En la zona desnitrificante no existe aireación. El diseño de esta zona empacada elimina el uso de una bomba para la recirculación de agua entre las secciones nitrificante y desnitrificante necesaria para la eliminación de nitrógeno del agua (Figura 1).

Influente

Efluente

Figura 1 Vista de planta del prototipo

Materiales El prototipo posee un volumen neto total de 1016 L con una capacidad de tratamiento de 1 m3/d (de 5 a 10 personas). La planta de tratamiento está calculada para el manejo de agua residual doméstica con concentraciones típicas de DQO, DBO 5 y SST de 500, 220 y 220 mg/L respectivamente. La planta de tratamiento fue fabricada en fibra de vidrio y acoplada en un tinaco de plástico tipo “ROTOPLAS” de 1100 L para proporcionar firmeza a su estructura.. En el compartimiento correspondiente a la fosa séptica se introdujo una malla de alambre (la utilizada en gallineros) con el objeto de retener sólidos gruesos. El empaque utilizado en el filtro sumergido aerobio y el filtro anaerobio fue el constituido por anillos tubulares de plástico elaborados por Plásticos Maquilados Naucalpan S.A. y diseñados por Estudios y Proyectos de Ingeniería Ambiental. Para conectar la zona anaerobia de lecho de lodos con la zona anóxica se utilizaron dos tubos de PVC hidráulico de 2" de diámetro. Se construyó un sistema de tuberías de cobre de 1/2" de diámetro con válvulas de compuerta de cobre con el objeto de asegurar

una distribución homogénea del aire o del agua aireada (según sea el caso) dentro del compartimiento aerobio. Se utilizaron dos sistemas de aireación: uno con base en un tubo de vénturi de Mazzei Injector Co. Modelo 384 y un compresor de diafragma (The Pump A-813 modelo 40). Método La planta de tratamiento fue instalada en una casa habitación en la Colonia Ajusco de los Pedregales de Coyoacán, México D.F. en donde es posible observar una topografía irregular del terreno, una alta densidad de población con bajos recursos económicos, ausencia de drenaje y la consecuente descarga del agua residual a una grieta en el terreno. El seguimiento de la operación de la planta de tratamiento estuvo orientado a determinar: - la capacidad de tratamiento del agua residual, - la eficacia de operación del sistema de aireación, - la adaptación y capacidad de tratamiento del lodo anaerobio, - la proliferación de microorganismo en el empaque seleccionado, y - la aceptación de los habitantes de la casa a la planta de tratamiento. Con el objeto de controlar y dar seguimiento a la operación de la planta de tratamiento se efectuaron rutinariamente los siguientes análisis fisicoquímicos: demanda química de oxígeno total (DQOt), demanda química de oxígeno soluble (DQOs), sólidos suspendidos totales (SST), sólidos suspendidos volátiles (SSV), sólidos suspendidos fijos (SSF), Oxígeno disuelto, Alcalinidad y pH. También se efectuaron eventualmente mediciones de la actividad metanogénica de lodos. Los análisis fisicoquímicos rutinarios fueron realizados de acuerdo con los métodos estándar (APHA, AWWA, WPCF, 1989).

RESULTADOS y DISCUSIÓN Inoculación de la zona del lecho de lodo y seguimiento de la actividad del microorganismo. La cámara correspondiente a la zona de lecho de lodos se inoculó con lodo anaerobio granular activo proveniente de un reactor anaerobio UASB industrial (Maltería). En la Tabla 1 se presenta la caracterización efectuada al lodo de inóculo obtenido del reactor UASB de la maltería y sus características después de mes y medio de operación. Se inocularon 44.5 litros en el primer compartimiento (compartimiento interno) y 58 litros en el segundo compartimiento (compartimiento externo) de la cámara de lecho de lodos. En la Figura 2 se muestra la variación de volumen de las camas de lodo en el transcurso del experimento (durante 9 meses). Como es posible observar, existe un fuerte movimiento de lodo del exterior al interior y del interior al exterior del compartimiento de lodos lo que produce un movimiento del lodo en la cámara interna a la cámara externa de lodos. Sin embargo, la cantidad de lodo total en los compartimientos tiende a ser constante (promedio de 151.2 L) debido a factores hidráulicos como son una buena distribución del influente y velocidades ascendentes menores a 1 m/h.

Tabla 1. Caracterización del lodo granular anaerobio en el momento de su inoculación y después de mes y medio de operación.

PARÁMETROS

VALOR INICIAL VALOR FINAL

Actividad (g CH4-DQO/gSSV d) SST (mg/L) SSV (mg/L) SSF (mg/L) Fracción de granos mayor a 0.6 mm

0.5 76,337 62,662 13,675 0.85

0.003 53,436 50,756 2,680 0.56

% de cambio 99 30 19 80 34

200 180 160

Volumen (L)

140 120 100 80

Cama interna Cama externa

60

Total

40 20 0 0

50

100

150

200

250

300

Días de operación

Figura 2 Monitoreo del volumen de los dos compartimientos de lecho de lodos en función del tiempo.

Por otro lado, se realizaron pruebas de actividad metanogénica para controlar la variación de la capacidad de degradación del microorganismo. El lodo con el cual se inoculó la planta tuvo una actividad metanogénica de 0.5 g CH4-DQO/g SSV d. Sin embargo al cabo de mes y medio de operación se observó un decaimiento casi total de la actividad del microorganismo (0.003 g CH4DQO/g SSV d). Esto se debió a la falta de adaptación de los microorganismos anaerobios a las condiciones particulares del agua residual de la casa habitación. Aunque la cama de lodo no poseía actividad metanogénica, hubo remoción de sólidos en un 48% lo que muestra la capacidad de filtración de la cama de lodos. De hecho la fracción del contenido de material orgánico en el lodo se incrementó un 14 % (19% de material orgánico) sin embargo hubo una destrucción o sustitución del lodo granular en un 34% (Tabla 1). Sistemas de aireación

Una de las partes más importantes de la planta de tratamiento lo constituye la sección aireada, pues en ella se realiza el pulimento del efluente anaerobio y junto con la zona anóxica, la eliminación de nitrógeno. Esta fue la zona que más atención requirió en cuanto a la operación y mantenimiento de la planta de tratamiento. El equipo a seleccionar para efectuar la aireación debía cumplir con las características de ser silencioso, de bajo mantenimiento, económico y eficaz. En gran medida, muchas de las fallas así como el éxito que presentan algunas plantas de tratamiento paquete existentes en el mercado, están relacionadas con el equipo de aireación. En este sentido se probaron dos sistemas de aireación, es decir: • Sistema de aireación con tubo vénturi • Con un compresor de diafragma

Concentración de O2 (mg/L)

2.75 2.5 2.25 2 1.75 1.5 1.25

Con aire

1

Sin aire

0.75 0.5 0.25 0 0

2

4

6

8

10

12

14 16

18

20 22

24 26

28

30

Tiempo (min)

Figura 3 Curva de incremento y decaimiento de la concentración de oxígeno en el compartimiento aerobio del prototipo utilizando un tubo vénturi como sistema de aireación a una temperatura de 20°C.

Como puede observarse en la Figura 3 el sistema de aireación con base en un tubo vénturi posee una alta eficacia de transferencia de oxígeno. Se obtuvo una constante de transferencia de oxígeno (KLa) de 8.83 h-1 correspondiente a una tasa máxima de transferencia de oxígeno de 1.1 mgO 2 /L min a una temperatura de 20 °C. Al comparar el valor de KLa obtenido con los valores de KLa generalmente estimados en sistemas de aireación convencionales (de 1 a 3 h-1), el vénturi resulta ser bastante eficaz en la transferencia de oxígeno. Sin embargo, para lograr el correcto funcionamiento del vénturi se requirió de una bomba centrífuga de turbina de 0.5 hp con una presión de descarga de al menos 2 atm cuyo mayor inconveniente fue el ruido producido (no tolerable sobretodo en las noches). Debido a ello fue necesario desconectar el sistema de aireación durante las noches lo que implicó producir condiciones de anaerobiosis para los microorganismos. Este hecho produjo condiciones no adecuadas de operación de la planta por lo que se decidió sustituir el sistema de aireación de tubo vénturi por un compresor de diafragma cuyas principales características son la operación silenciosa y casi nulo mantenimiento. La

planta de tratamiento estuvo operando durante tres meses con el tubo vénturi y el resto del tiempo de operación con el compresor de diafragma. Por otro lado se observó un alto grado de corrosión de las tuberías y accesorios de cobre instalados en la planta al cabo de 5 meses de operación. La concentración promedio de oxígeno disuelto en la cámará aerobia fue de 2.2 mg/L. Características de operación del empaque seleccionado Las características que se deben considerar para seleccionar un medio soporte adecuado son las siguientes: deben ser inertes y resistentes, deben ofrecer una relación área/volumen alta, deben favorecer la adhesión del microorganismo, deben estar disponibles, deben evitar el taponamiento y deben ser de bajo costo. Existen en el mercado empaques prefabricados que cumplen con todos los requisitos, excepto, en algunos casos, con el requerimiento de bajo costo. Aunque los empaques de origen natural son eficaces, poseen la desventaja de ofrecer una relación área/volumen baja por lo que impacta directamente el costo civil de la obra. Fue por ello que el empaque seleccionado fue uno prefabricado con Polietileno de alta densidad. Durante los 9 meses de operación no se observó una colonización bacteriana importante en el empaque. Este hecho fue preocupante pues la capacidad de remoción de materia orgánica y de nitrógeno dependen de este hecho. Con el objeto de tratar de sustituir este empaque y poder utilizar uno con base en material de desecho plástico de uso común, se introdujeron algunos recipientes de plástico (Botecitos de Yakult, envase PET para refrescos, tubos de PVC, botellas para el almacenamiento de agua purificada, envase de yogurt líquido así como empaque prefabricado tipo anillo Pall de máxima adhesión) en el sistema de tratamiento de lodos activados de la planta de tratamiento de aguas residuales de Ciudad Universitaria y en el prototipo de la planta de tratamiento de aguas. La colonización de todos los elementos, en ambos casos, fue pobre, sin embargo, se observó (visualmente) una tendencia mayor a la colonización en los empaques introducidos en el sistema de lodos activados y sobre todo en los empaques prefabricados. Por otra parte, en las cámaras aerobia y anóxica del prototipo de la planta de tratamiento se probó un empaque, que según las especificaciones del fabricante extranjero (BIOdek, Fixed Film Media), están especialmente diseñados para el soporte de microorganismos nitrificantes y desnitrificantes obteniendo un casi nulo resultado en su colonización. También se construyeron pequeños recipientes rellenos de empaque natural (piedra pómez y tezontle) los cuales fueron introducidos en el compartimiento aerobio. En este caso, la piedra pómez presentó una mayor respuesta en relación a la colonización que los demás empaques. Esto hace suponer que las características particulares del agua que se manejó en la casa no favorecieron la colonización del empaque. Se observó una presencia importante de detergentes en el agua lo que puede tener una influencia sobre el fenómeno de adhesión del microorganismo, dada sus características tensoactivas. En una investigación posterior deberá tocarse este punto con mayor profundidad. Determinación del caudal horario Con el objeto de contar con información real sobre el caudal que ingresó a la planta de tratamiento de aguas residuales se realizó un aforo diario durante una semana. El aforo se efectuó desde las 9 a 21 horas. Durante la noche hubo una descarga nula de agua residual.

El aforo se realizó al medir el volumen de agua tratada acumulada en un lapso de una hora. En la Figura 4 correspondiente a la variación de flujo semanal se muestra el comportamiento promedio del caudal con sus respectivas desviaciones estándar. En los días martes, jueves y sábado se presentan máximos de la curva debido al lavado de ropa que se hace rutinariamente esos días (una de las actividades de los habitantes de la casa es el lavado de ropa ajena). El caudal promedio semanal es de 38.8 l/h (0.93 m3/d) con una desviación estándar de 26.2 l/h. Este caudal coincide con el caudal de diseño de 1 m3/d. Al existir picos hidráulicos importantes el flujo de diseño se ve rebasado y las velocidades ascendentes en los compartimientos del prototipo de la planta paquete salen del intervalo adecuado de operación produciendo problemas como es el lavado de lodo anaerobio floculento y su acumulación en los compartimientos aerobios así como el paso de sólidos flotantes de la fosa séptica al compartimiento anaerobio y la resuspensión de lodo sedimentado en el compartimiento anóxico, todo ésto observado en la operación de la planta de tratamiento. Un diseño posterior de la planta de tratamiento deberá contemplar una mejor asimilación de los picos hidráulicos extremos. 180 Prom+des.

160

Caud.prom

Caudal (l/h)

140

Prom-des.

120 Flujo de diseño 41.6 l/h (1 m3/d)

100 80 60 40 20 0 L

M

M

J

V

S

D

Días de la semana

Figura 4 Variación promedio de caudal durante una semana.

Eficacia de remoción de contaminantes. En las Figuras 5, 6 y 7 se presentan las variaciones de la DQOtotal, DQOsoluble y SST. En la Tabla 2 se presentan los valores de concentración promedio por tipo de contaminante así como las eficacias de remoción de la zona anaerobia y empacada y de la planta de tratamiento en su conjunto. De la Tabla 2 junto con lo expuesto anteriormente es posible mencionar los siguientes puntos: • El agua residual que estuvo tratando la planta de tratamiento posee una concentración por arriba de lo que generalmente presenta un agua residual catalogada como doméstica (entre 350 y 500 mgO 2/L para DQO total). La carga orgánica promedio aplicada a la planta de tratamiento fue de 1.4 kg DQO/m3/d. • La zonas fosa séptica + reactor anaerobio trabajan al 60% de su capacidad potencial debido a un decaimiento de la actividad metanogénica de lodo que puede estar relacionado con las características específicas del agua residual. Sin embargo, casi el 50% de la DQOt la remueve el

reactor anaerobio sin costo energético alguno. Por otro lado, la cama de lodos no posee una agitación importante que facilite la interacción sustrato microorganismo y que evite cortos circuitos hidráulicos debido a la baja producción de biogás. Tabla 2 Valores promedio de la operación de la planta PARÁMETRO

INFLUENTE A LA PLANTA

EFLUENTE ANAEROBI O

EFLUENTE DE ZONA EMPACAD A

% DE REMOCIÓN EN ZONA ANAEROBIA

% DE REMOCIÓN EN ZONA EMPACADA

% DE REMOCIÓN PLANTA TOTAL

pH Alcalinidad, mg CaCO3/L DQOt mgO2/L DQOs mgO2/L SST mg/L SSF mg/L SSV mg/L N-NH4+

7.56 679

7.5 630

7.53 667

-----

-----

-----

1453 975 307 51 256 181

886 643 175 31 144 142

572 420 105 21 81 114

39 34 43 39 43 22

35 34 40 30 43 20

63 57 65 59 68 37

1750

DQOt (mg O2/L)

1500

I E

1250 1000 750 500 250 0 0

20

40

60

80 100 120 140 160 180 200 Muestreos durante 9 meses de operación

220

240

260

280

Figura 5 Variación de la concentración de DQOt en el influente y en el efluente durante los 9 meses de operación de la planta de tratamiento.

• La zona empacada consistente en una zona aerobia y una anóxica no han funcionado satisfactoriamente según las consideraciones de diseño hechas. La biopelícula de microorganismo no se desarrolló debido posiblemente a las características específicas del agua residual (alto contenido de detergentes) y a la variación en las condiciones de aireación.

• Durante la operación de la planta se observó producción de espuma en el compartimiento aireado. Esto debido a la presencia de jabones y detergentes en el agua residual así como por la agitación producida por la aireación. En algunos casos, esta espuma rebalsa el bordo libre de la planta. • Bajos las condiciones de operación de la cámara aerobia se observó una limitada nitrificación del efluente (37%). 1750 I E

DQOs (mg O2/L)

1500 1250 1000 750 500 250 0 0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

Muestreos durante 9 meses de operación Figura 6 Variación de la concentración de DQOt en el influente y en el efluente durante los 9 meses de operación de la planta de tratamiento.

1100 1000

I E

900 800

SST (mg/L)

700 600 500 400 300 200 100 0 0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Muestreo durante 9 meses de operación

220

240

260

280

Figura 7 Variación de la concentración de SST en el influente y en el efluente durante los 9 meses de operación de la planta de tratamiento.

Por otro lado, el costo total de la planta de tratamiento fue de 9,300 pesos (de 1995). La planta tuvo aceptación por parte de los habitantes de la casa habitación. CONCLUSIONES y RECOMENDACIONES • La planta de tratamiento de aguas trabajó, bajo las condiciones específicas de la casa habitación donde fue instalada, con un 63 % de eficacia en la remoción de materia orgánica medida como DQOt. • En este sentido, la planta de tratamiento no alcanzó las expectativas de diseño en relación con la eficacia de remoción esperada. No se logró la adaptación del lodo granular anaerobio. La falta de crecimiento de biomasa sobre el material de soporte provocó una baja eficiencia de eliminación de la materia orgánica en la zona aerobia y anóxica. No se lograron condiciones para llevar a cabo el proceso de nitrificación. Las características del agua residual, particularmente el contenido de detergentes, pudo tener una influencia directa sobre este resultado. Con el objeto de poder asegurar una adecuada operación de la planta de tratamiento es recomendable enfocar esfuerzos subsecuentes de investigación en los siguientes rubros: • Especificar y probar un tren de tratamiento constituido por una unidad de rejilla, una fosa séptica convencional, la planta paquete de tratamiento de aguas y desinfección de agua. • En cuanto al diseño de la planta de tratamiento es recomendable incrementar el bordo libre de las paredes y mamparas internas de la planta de tratamiento, mejorar la distribución de agua en el compartimiento anaerobio. Sustituir la cama de lodo por un filtro anaerobio, cambiar la distribución de agua influente a los compartimientos empacados de dos a un sólo conducto. Es conveniente evitar el uso de tuberías para no provocar taponamientos. Evitar el uso de accesorios de cobre y de materiales metálicos en general. • Es recomendable operar la planta de tratamiento bajo otras condiciones relacionadas con la calidad del agua residual y fluctuación de su caudal. • Se recomienda cambiar el sistema de aireación con base en el vénturi por un compresor de diafragma. AGRADECIMIENTOS Se agradece a la Fundación MAPFRE la beca otorgada para la realización de estos experimentos. REFERENCIA APHA, AWWA, WPCF (1989)

"Standard methods for examination of water and wastewater" American Public Health Association, 15th de., New York