REMOCIÓN DE CONTAMINANTES DE AGUAS GRISES MEDIANTE EL USO DE HUMEDALES ARTIFICIALES EN VIVIENDAS SUSTENTABLES DEL ESTADO DE QUERÉTARO

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LUZ ELENA NARVÁEZ H., JUANA MARÍA MIRANDA V., LILIA NARVÁEZ H. 1. Universidad Politécnica de Santa Rosa Jáuregui [email protected]

2. Instituto de Metalurgia, Universidad Autónoma de San Luis Potosí (UASLP) [email protected] 3. Facultad del Hábitat, Universidad Autónoma de San Luis Potosí (UASLP) [email protected]

Resumen. En comunidades rurales de nuestro país, el problema del abastecimiento de agua potable y posterior tratamiento de aguas residuales es complejo debido a múltiples factores: bajo nivel socio económico de los beneficiarios, viviendas aisladas o pequeños núcleos urbanos, limitado acceso a nuevas tecnologías, carencia de supervisión, control y apoyo técnico de instituciones públicas o empresas de agua, etc. Lo anterior, plantea la necesidad de interesarse por proyectos innovadores en este campo, como es el caso de la biofiltración y la fitoremediación, presentando alternativas de tratamiento y uso eficiente del agua que sean de autoconstrucción y económicamente viables. A partir del año 2006, el estado de Querétaro ha apoyado el desarrollo rural sustentable, mediante la implementación de eco tecnologías tratando de conformar lo que han llamado viviendas rurales sustentables. Dentro del programa marco denominado “El Agua y la Energía en la Vivienda Sustentable”, se implementó el uso de humedales artificiales (biofiltros-jardineras) para el tratamiento de aguas grises (aguas jabonosas). Dicho sistema ayuda a eliminar una amplia gama de compuestos contaminantes presentes en las aguas de lavado como son: grasas, sólidos orgánicos sedimentables (residuos de alimentos), sólidos suspendidos (coloidales), excesos de nitrógeno y fósforo, entre otros, mediante procesos de sedimentación, filtración y fitorremediación. Durante el año 2006 al 2008 se instalaron 201 biofiltros - jardinera en diversos municipios: Arroyo Seco, Landa de Matamoros, Santa Rosa Jáuregui y Amealco del estado de Querétaro [1]. Con la finalidad de dar un seguimiento al buen uso y eficiencia de esta ecotecnia, en el 2009 se realizó una evaluación del funcionamiento de 120 biofiltros mediante la determinación de los límites máximos permisibles de contaminantes en aguas grises residuales establecidos por la NOM-001-ECOL-1996 [2]. Derivado de este estudio se encontraron variaciones significativas en el agua de salida de los biofiltros, el agua residual cumplía todos los requerimientos establecidos en la Norma excepto en la

Demanda Química de Oxígeno (DQO) cuyos valores se encontraron en rangos superiores a lo permitido. Se realizaron diversas encuestas para conocer las razones que provocaron estos resultados y se destacan las siguientes: la diferencia de material de sustrato (medio filtrante), la diferencia de plantas utilizadas (no en todos los casos se empleaban las macrófitas) además de la metodología de uso y mantenimiento fuera de especificaciones [3]. Debido a la problemática anteriormente citada, se propuso optimizar la eficiencia de remoción de los humedales artificiales modificando la distribución y composición de los sustratos (materiales pétreos). El objetivo de este proyecto fue desarrollar un nuevo sistema de filtración que permita disminuir los niveles de Demanda Química de Oxígeno (DQO) del agua tratada proveniente de aguas grises. Se emplearon como materiales filtrantes arena, grava, arcilla y tezontle variando las cantidades y las posiciones de los estratos mediante estudios de columna. Los indicadores evaluados para estimar la calidad del agua tratada fueron DQO, sólidos presentes, pH y conductividad. Se estableció un nuevo prototipo de relleno en el filtro jardinera que permitió disminuir los niveles de contaminantes a rangos aceptables permitidos. Esto permitirá contar con el diseño de un prototipo estandarizado de un humedal artificial para ser utilizado en las nuevas viviendas rurales sustentables que puedan establecerse en los próximos años. Palabras clave: aguas grises, humedal artificial, contaminantes. Desarrollo del tema. De acuerdo a la Ley de Aguas Nacionales en México (2008), se denominan aguas residuales a las aguas de composición variada provenientes de las descargas de usos público urbano, doméstico, industrial, comercial, de servicios, agrícola, pecuario, de las plantas de tratamiento y en general de cualquier uso, así como las mezclas de ellas [2]. 3

En México se generan en promedio a nivel municipal 290 m /s de aguas residuales, de las cuales únicamente el 30% reciben algún tipo de tratamiento, el resto es conducido al drenaje, siendo un promedio de 90 a 180 L /persona/día [4]. Las aguas grises son las aguas residuales que provienen de regaderas, aseo personal y lavado de ropa tanto en el hogar como en oficinas, hoteles, escuelas, etc. con excepción de las provenientes del sanitario y de la cocina. Representa de un 50 a un 80% del volumen de agua residual doméstica generada diariamente y son una fuente potencial de reuso; ya sea en el interior de la vivienda para uso en sanitario (aprox. se desperdicia de un 20 a 30% del agua potable) o en el exterior para el riego de jardines, parques o huertos [5]. Los principales contaminantes que contienen las aguas grises son productos químicos sintéticos compuestos de nitratos, fosfatos y agentes tensoactivos, que se utilizan en grandes cantidades para la

limpieza doméstica e industrial y actúan como contaminantes del agua al ser arrojados en cuerpos de agua.

Tratamiento de aguas residuales. No de uso tan común en la actualidad pero que cada día cobran más importancia, es el tratamiento de aguas residuales por medio de humedales artificiales (biofiltros), estos son sistemas de tratamiento físico/biológico donde se reproducen los procesos que ocurren en la naturaleza pero en un ambiente controlado. Son sistemas apropiados para comunidades pequeñas en áreas rurales en donde los sistemas de tratamiento de aguas convencionales no son económicos ni técnicamente factibles [6] Su sencillo sistema de construcción se integra al paisaje de la vivienda adaptándose a la disposición del terreno con costos de instalación, operación y mantenimiento de hasta 80% menos que una planta de tratamiento convencional ya que no requiere de una fuente externa de energía y no existen partes mecánicas. El humedal artificial aprovecha la capacidad de auto purificación de los sistemas acuáticos mediante la acción de un sustrato y plantas, en donde se combinan las características de ecosistemas terrestres y acuáticos. Dichos sistemas han sido documentados durante los últimos treinta años y se ha extendido su uso principalmente en Europa [7] Los procesos principales que manejan los biofiltros son la filtración y la fitorremediación. La primera es una operación unitaria de separación, por la cual se hace pasar una mezcla de sólidos y fluidos, gas o líquido, a través de un medio poroso o medio filtrante que puede formar parte de un dispositivo denominado filtro, donde se retiene de la mayor parte de él o de los componentes sólidos de la mezcla. La segunda se basa en el uso de las plantas, terrestres o acuáticas, que absorben nutrientes tales como fósforo y nitrógeno de efluentes o lugares contaminados. Específicamente, la planta macrófita que más se utiliza dentro de los humedales es la anea (Typhaspp.) ya que son fuertes, fáciles de propagar y capaces de producir una biomasa anual grande. Son capaces de eliminar grandes cantidades del nitrato y del fosfato. Específicamente en el estado de Querétaro se implementaron biofiltros que constan de tres secciones: trampa de grasas, estanque de estabilización y filtro-jardinera [1]. La sección filtro-jardinera está constituida por sustratos pétreos de arena, arenilla, grava y piedra porosa con distintas alturas. En la figura 1 se muestra el esquema del humedal artificial.

Figura 1. Esquema del humedal artificial construido en las comunidades de Querétaro.

En este trabajo se modificó la distribución y composición de los sustratos sólidos del relleno del filtrojardinera para optimizar la remoción de contaminantes de aguas grises. Metodología. Se utilizaron cuatro componentes pétreos: arena (granulometría entre 0,063 y 2 mm), grava (2 a 64 mm), gravilla (6 y 10 mm) y tezontle (roca de origen volcánico, entre 10 y 30 mm). El material fue lavado y secado. Se fabricó una columna con tubos de PVC con un diámetro de 160 mm y una altura de 80 cm, Figura 2. La alimentación del agua residual en la columna se llevó a cabo por la parte superior, en la parte inferior se recolectó el agua tratada. Para impedir el paso de sólidos grandes se les colocó en la parte inferior (boquilla) un pedazo de manta de cielo. A cada prototipo se le procedió a dar un lavado previo con 14 litros de agua. Se vertió 1L de solución correspondiente (normal o elevada).

Figura 2. Esquema de columna para optimización de biofiltro.

Figura 3. Imagen de biofiltro construido en comunidades del estado de Querétaro.  

Se realizaron análisis por cada tipo de sustrato con el agua residual, posteriormente se realizó la prueba incluyendo los cuatro sustratos en sus diferentes alturas. Se variaron tres alturas 10, 15 y 20 cm por cada sustrato.

Se analizaron las aguas residuales obtenidas en los 120 biofiltros ubicados en las comunidades de Querétaro. Los parámetros analizados en el agua tratada fueron Demanda Química de Oxígeno (DQO), pH, sólidos presentes y conductividad. La tabla 1 muestra un comparativo entre los valores promedio obtenidos del agua reciclada mediante los biofiltros y los valores límites permisibles establecidos por la NOM. Tabla 1. Comparación de concentración de contaminantes en agua reciclada mediante biofiltros contra límites máximos permisibles en aguas tratadas para uso agrícola [2]

Parámetros

Valores promedio

Límite máx. permisible

Criterio de aceptación

DQO (mg/l)

20 – 533

< 470 ppm

No cumple

Conductividad (µ/cm)

732 – 1780

< 5000 mS

Cumple

Sólidos (mg/l)

0.9 - 2.9

20-30 ppm

Cumple

pH

7.1 - 8.3

6a9

Cumple

Se reprodujeron las condiciones del biofiltro establecidas en el manual [1]: arena (10 cm), arenilla (15 cm), grava (15 cm) y piedra porosa (15 cm). Se desarrollaron dos tipos de aguas residuales grises sintéticas: Normal (1.9 g de detergente, 1.2 ml de suavizante en 1L de agua) y Elevada (2.1 g de detergente, 1.3 ml de suavizante en 1L de agua) [8]. Para comprobar la calidad del agua se analizaron los siguientes parámetros: Demanda Química de Oxígeno (NMX-AA-030-SCFI-2001), Conductividad (NMX-AA-093-SCFI-2000), Sólidos (NMX-AA-034-SCFI-2001) y pH (NMX-AA-008-SCFI-2000). Los parámetros obtenidos con ambas formulaciones fueron: agua normal DQO 512-794 mg/L, conductividad 1.4-2.3 mS/cm, Sólidos 613-1138 mg/L y pH 8.8-10.5; en el agua con una concentración elevada DQO 763-1000 mg/L, conductividad 2.2-2.6 mS/cm, Sólidos 1046-1240 mg/L y pH 8.8-10.7.

Resultados y discusión En la figura 4 se muestra el porcentaje de remoción de la demanda química de oxígeno (DQO) del agua gris sintética normal utilizando los distintos sustratos propuestos. La DQO es la cantidad de materia orgánica e inorgánica en un cuerpo de agua susceptible de ser oxidada por un oxidante fuerte. Se aprecia que al utilizar grava y gravilla el porcentaje de remoción es inferior al 10% aun cuando se varían las alturas de los mismos. Al utilizar tezontle el porcentaje se incrementa conforme la cantidad de sustrato aumenta, llegando a valores máximos de remoción del 20% de DQO. La arena mostró el mejor comportamiento, sus porcentajes de remoción oscilaron entre un 60 y un 85% a medida que la altura de sustrato se incrementaba. Esto puede deberse principalmente a la granulometría del sustrato, ya que este material presentaba el menor tamaño de partícula.

%  de  remoción  de  DQO  

90   80   70   60  

10  cm  

50  

15  cm  

40  

20  cm  

30   20   10   0   Grava  

Tezontle  

Gravilla  

Arena  

Figura 4 Porcentaje de remoción de DQO en agua gris sintética normal utilizando arena, gravilla, tezontle y grava en diferentes proporciones.

En la figura 5 se muestra el porcentaje de remoción del DQO de los distintos sustratos al utilizar el agua gris sintética elevada. Se observa un comportamiento similar a la figura 4, la grava y la gravilla mostraron los niveles más bajos de remoción, inferiores al 10% para todos los casos. El tezontle mostró un mejor efecto al tener 15 cm de altura con valores cercanos al 20%. Aun cuando la concentración de los contaminantes se incrementó en el agua sintética elevada, el sustrato de arena fue capaz de remover la concentración de DQO en porcentajes entre 65 y 85%.

90   %  de  remoción  de  DQO  

80   70   60  

10  cm  

50  

15  cm  

40  

20  cm  

30   20   10   0   Grava  

Tezontle  

Gravilla  

Arena  

Figura 5 Porcentaje de remoción de DQO en agua gris sintética a concentración elevada utilizando arena, gravilla, tezontle y grava a diferentes alturas.

Una vez determinada la capacidad de remoción de niveles de DQO en aguas tratadas con los diferentes sustratos se procedió a modificar las alturas originales del biofiltro. El sustrato de arena se aumentó de 10 cm a 20 cm, el sustrato de grava permaneció igual, el sustrato de tezontle (equivalente a piedra porosa en el biofiltro del manual) fue disminuido de 15 cm a 10 cm y finalmente la gravilla (equivalente a la porción de arenilla) disminuyó de 15 cm a 10 cm. Con fines comparativos en la figura 6 se presentan los resultados de calidad del agua tratada con el biofiltro establecido en el manual y el biofiltro propuesto variando las alturas de los sustratos pétreos. Se puede observar que la propuesta de modificación mejora todos los parámetros de calidad del agua tratada, el único parámetro que se mantiene muy semejante es el pH. La remoción de sólidos varía de 25 a 43% entre el biofiltro del manual y la propuesta, al igual que el parámetro de conductividad donde los porcentajes de incrementan de 28 a 50%. El parámetro más importante que se trató de optimizar fue el porcentaje de DQO, se logró un aumento de eficiencia cercano al 20%, el porcentaje de remoción varió de 70 a 88% aproximadamente.

100   Porcentaje  de  Remoción  (%)  

90   80   70   60   50  

Propuesta  

40  

Manual  

30   20   10   0   Conduc>vidad   (mS/cm)  

pH  

Sólidos  (mg/l)  

DQO  

Figura 6. Calidad de agua tratada a concentración normal

En la Figura 7 se observa el comportamiento de ambos prototipos aumentando la concentración de contaminantes en el agua residual sintética. Se observa el mismo comportamiento que en la Figura 6,

la modificación de altura de sustratos optimiza la eficiencia de remoción de todos los contaminantes analizados, y permite sustraerlos aun cuando la concentración se incrementó en un 10%.

Porcentaje  de  Remoción  (%)    

100   90   80   70   60   50  

Propuesta  

40  

Normal  

30   20   10   0   Conduc>vidad   (mS/cm)  

pH  

Sólidos  (mg/l)  

DQO  

Figura 7. Calidad de agua tratada a concentración elevada

Conclusiones Mediante las pruebas realizadas en este estudio fue posible proponer un prototipo estándar de biofiltro que mostró una eficiencia de remoción superior al biofiltro expuesto en el manual. Fue posible constatar que cada uno de los sustratos pétreo presentaba un comportamiento distinto, siendo la arena, el material que mejor removió los contaminantes provenientes de los detergentes y suavizantes en el agua gris sintética. Adicionalmente, se observó que tanto la gravilla como el tezontle pueden emplearse en menor cantidad, ya que no contribuyen significativamente a disminuir los niveles de DQO en el agua gris. Se demostró que los sustratos establecidos originalmente en los biofiltros de las comunidades son adecuados para disminuir los niveles de contaminantes en las aguas grises, sin embargo, el mal uso de éstos aunado con la falta de un adecuado mantenimiento de limpieza continua, contribuyen a obtener aguas residuales que no cumplen con los criterios establecidos para su reuso. Los biofiltros son un sistema de eliminación muy eficiente, a partir de la nueva determinación de alturas propuestas en esta investigación, se podrán aportar mayores beneficios a los usuarios de los mismos y se tendrá una contribución importante al medio ambiente. REFERENCIAS

1.

Construcción de un Biofiltro. Manual del Usuario. Serie “El agua y la energía en la vivienda sustentable”. Talleres Gráficos de Gobierno del estado de Querétaro. Primera Edición 2007.

2.

NOM LEY DE AGUAS NACIONALES Diario Oficial de la Federación 1º de diciembre de 1992 Última reforma publicada DOF 18 de abril de 2008.

3.

Vázquez Salgado Raquel, Narváez Hernández Luz E. (2009). Propuesta de prototipo estándar para los biofiltros del proyecto marco “El agua y la energía en la vivienda rural sustentable”. Tesis de Licenciatura Ingeniería en Calidad Ambiental. Universidad Interamericana del Norte, Universidad Tecnológica de Querétaro.

4.

De Anda Sánchez J, 2007. Tecnología innovadora que permite tratar aguas grises y generar un jardín o producir flores de ornato. Centro de Investigación y Asistencia en Tecnología y Diseño del Estado de Jalisco.

5.

Eriksson E., Auffarth K., Henze M. 2002. Characteristics of grey wastewater. Urban Water, 4(1), 85-104.

6.

Martínez 2007 Martínez P., M.G. Ramos y L.M. Rodríguez., (2007). Humedales Artificiales como alternativa para mejorar la calidad del agua. Memorias del Encuentro de la participación de la mujer en la ciencia. Memoria de Investigación 2007. Universidad de Murcia).

7.

Elke M., Glaser D.,Setty K.. (2007) Diseño e Implementación de soluciones para los problemas de recursos hídricos en San Cristóbal de las Casas México. Tesis Maestría en Ciencias y Administración del Ambiente. Bren School of Environmental Science & Management. University of California, Santa Barbara 12.Lara B. 1998. Depuración de aguas residuales municipales con humedales artificiales. Tesis de maestría en Ingeniería y Gestión Ambiental. Universidad Politécnica de Cataluña.

8.

Revista  de  la  Procuraduría  Federal  del  Consumidor,  versión  electrónica.   http://www.profeco.gob.mx/revista/pdf/est_07/lavadoras.pdf