REMOCION DE PLANCTON EN EL PROCESO FILTRACION RAPIDA Vazquez H.(1), Contento L.(1), Ingallinella A.M.(2), Sanguinetti G.(2), Bachur J. (1), Matiuzzi M.(2) (1) Ente Regulador de Servicios Sanitarios de la Pcia. de Santa Fe Córdoba 844, P.5.- TE: 041-490535 - FAX: 041-497774 (2000)Rosario-Rca. Argentina (2) Centro de Ingeniería Sanitaria- Facultad de Ciencias Exactas, Ing. y Agrimensura- UNR Riobamba 245 Bis- TE: 041-212068 - FAX: 041-256207 E-mail: [email protected] (2000)Rosario-Rca. Argentina

PALABRAS CLAVES: Plancton - Filtración Rápida - Velocidad de Filtración - Contaje de partículas -Turbiedades

RESUMEN Se presentan los primeros resultados de un proyecto de investigación iniciado en el Centro de Ingeniería Sanitaria en forma conjunta con el Ente Regulador de Servicios Sanitarios , relacionado con la exigencia de ausencia de zoo y fitoplancton establecidas en las Normas de Calidad de Agua Potable vigentes en la Pcia. de Santa Fe. Se realizaron ensayos de filtración en un filtro piloto, divididos en dos etapas, laboratorio y campo. Los objetivos fueron determinar la influencia de la velocidad de filtración en la remoción de organismos planctónicos y la evaluación del contaje de microorganismos como herramienta de control del proceso de filtración. Los resultados obtenidos permiten concluir que existe una disminución de la remoción de microorganismos planctónicos cuando se aumenta velocidad de filtración y que para las particulares condiciones del sistema de filtración ensayado no es conveniente utilizar velocidades de filtración mayores a 10m/h.

INTRODUCCION

Entre los años 1990 y 1995 se llevó a cabo un estudio para evaluar la calidad protistológica del agua filtrada en la planta de potabilización de la ciudad de Rosario. La planta trata aguas del Río Paraná y tiene un proceso convencional de coagulación, floculación , filtración rápida y desinfección. Durante el monitoreo se encontraron organismos del fito y zooplancton en cantidades variables entre 1 y 20 org/l y se observó que cuando los filtros trabajaban por encima de su velocidad nominal de 7 m/h, el número de microorganismos planctónicos se incrementaba hasta valores de 50 org/l. (Vazquez et al,1997) Teniendo en cuenta dichas observaciones y dada la importancia sanitaria de la presencia de plancton en el agua tratada se propuso incorporar la exigencia de ausencia de zoo y fitoplancton en la Normas de Calidad de Agua Potable. Esta exigencia plantea nuevos requerimientos para los procesos de tratamiento y para el control de los mismos. En el año 1997 se inició un proyecto de investigación conjunto entre el Centro de Ingeniería Sanitaria y el Ente Regulador de Servicios Sanitarios de la Pcia. de Santa Fe que pretende responder a las siguientes preguntas: m Cuál es la influencia de la velocidad de filtración en la eliminación del plancton para las particulares características de las aguas del Rio Paraná? m En qué medida el contaje de plancton permite evaluar la eficiencia de un sistema de filtración? m Cuáles son las técnicas más adecuadas para el contaje de fito y zooplancton? Para responder a algunas de las preguntas planteadas se elaboró un programa de ensayos de laboratorio y de campo cuyos primeros resultados se presentan en este trabajo.

ANTECEDENTES

Importancia sanitaria del plancton en aguas de consumo humano Según los Standard Methods (1995) el término plancton se refiere a aquellas formas microscópicas acuáticas que presentan pequeña o ninguna resistencia a las corrientes y que viven flotando libremente y suspendidas en las aguas naturales. Dentro del plancton se distingue el fitoplancton que son las algas microscópicas que se presentan bajo la forma unicelular, colonial o filamentosa y el zooplancton que en aguas dulces comprende principalmente protozoos, cladóceros y copepódos. Además pueden encontrarse zoosporas fúngicas y hongos acuáticos. La importancia sanitaria de la presencia de plancton en el agua filtrada y en el agua de consumo ha sido reconocida ampliamente atendiendo a las siguientes razones: m Pueden alojar bacterias patógenas en su interior, las que quedarían protegidas de la acción del desinfectante. m Indicaría ineficiencia en el proceso de filtración en la remoción de organismos patógenos tales como: quistes de Giardias y Cryptosporidium y huevos de nematodes . m Contribuye a la colonización de la red de distribución por las bacterias asociadas a los organismos planctónicos, aumentando la carga orgánica dentro de los conductos.

Lo antedicho justifica la inclusión del parámetro plancton en las Normas de Calidad de Agua de Consumo lo cual requiere estandarizar técnicas de cuantificación confiables.

Normas relativas a la presencia de plancton en el agua potable La OMS (1995) establece que es conveniente que no existan organismos de vida libre en los sistemas de abastecimiento de agua potable, pero señala que no se pueden recomendar valores máximos permisibles ya que no se cuenta con datos suficientes que relacionen cantidades de esos organismos con efectos específicos sobre la salud. La Comunidad Económica Europea (1980) establece en sus directivas para la calidad del agua potable que ésta no deberá contener ni organismos parásitos, ni algas, ni elementos figurados (animáculos). En base a estos antecedentes en el año 1994, se incorporó en las Normas de Calidad de Agua Potable de la Provincia de Santa Fe (Ley N°11.220) el requerimiento de ausencia de zoo y fitoplancton. Vlaski et al (1996) con respecto a los problemas que presentan las algas en los sistemas de abastecimiento de agua en los Países Bajos, comentan que la filosofía que se adopta es "cuanto más algas son removidas mejor", debido a que no existen standares apropiados. Señalan, por otra parte que en algunos países europeos se establecen distintos límites para la clorofila a en aguas tratadas. Evidentemente, se necesita seguir investigando para establecer nuevos criterios que permitan asegurar la calidad protistológica del agua potable.

Técnicas de contaje de microorganismos , y su aplicación en el control del funcionamiento de las plantas de tratamiento La identificación y enumeración de microorganismos en aguas crudas y tratadas es utilizada en los Estados Unidos desde hace muchos años para determinar la eficiencia de las plantas de tratamiento en la eliminación de la microbiota y es conocida con el nombre de Análisis Microscópico de Partículas (Microscopic Particulate Analysis, MPA). Hancock et al (1996) analizaron aguas crudas y tratadas provenientes de 55 plantas convencionales de tratamiento en USA. Los análisis incluyeron la identificación y enumeración de la microbiota, la determinacion de volumen de pellet luego del centrifugado, el contaje de partículas totales y la detección de Giardias y Cryptosporidium. Concluyeron que la técnica MPA provee información sobre la eficiencia de los procesos de filtración y que su estandarización permitirá generar investigaciones que servirán para comparar diferentes sistemas de filtración. Harris et al (1996) en una publicación de USEPA, presentan un método consensuado para la identificación de microorganismos de 1 a 600 micras de tamaño que normalmente se encuentran en el agua cruda y no en el agua tratada y cuya presencia en esta última puede indicar deficiencias en la operación de los filtros o crecimiento dentro de los mantos. Las partículas, a las que denominan bioindicadores son clasificadas en diatomeas, otras algas, restos de plantas, polen, ciliados, rotíferos, crustáceos, otros artrópodos, amebas, flagelados incoloros, nematodes y otros ( bacterias del hierro, esporas de hongos,etc.).Los autores proponen que la determinación del número de partículas y su tamaño por medios electrónicos ( contadores de partículas ) que se usa como herramienta de control del proceso de filtración, sea complementada con el análisis micróscopico de partículas que permite no sólo cuantificar sino identificar a las mismas.

EXPERIENCIAS REALIZADAS Objetivos Determinar la influencia de la velocidad de filtración en la eliminación de zoo y fitoplancton en el proceso de filtración rápida en arena. Evaluar el contaje e identificación de plancton como herramienta para el control del proceso de filtración.

Materiales y métodos Las experiencias se dividieron en dos etapas: 1) Filtro piloto instalado en el laboratorio del Centro de Ingeniería Sanitaria. 2) Filtro piloto instalado en la Planta de Potabilización de la ciudad de Fray Luis Beltran, ubicada a 30 km. de la ciudad de Rosario.

Etapa I : Ensayos de laboratorio Filtro experimental Un esquema del filtro puede verse en la Figura 1, así como el diagrama de funcionamiento utilizado. Las características principales del filtro piloto son las siguientes: Altura del manto filtrante: 1,20 m Altura del agua sobrenadante: 1,20 m

Diámetro del filtro: 0,11 m Diámetro efectivo de la arena: 1,35 mm

Se trabajó con agua prefabricada agregando al agua de consumo una suspensión de arcilla y una suspensión de plancton proveniente de una laguna de estabilización, tratando de simular la calidad del agua decantada de las plantas que tratan aguas del Río Paraná. Los microorganismos predominantes fueron Cyclotella, Stephanodiscus, Chlorella, Scenedesmus, Euglena, Phacus, Copépodos, Nematodes y Rotíferos. Antes del ingreso del agua al filtro se agregó 10 mg/l de sulfato de aluminio a fin de generar flocs característicos del agua decantada. Se realizaron 10 carreras de 24 horas de duración cada una y se ensayaron dos velocidades de filtración : 10 y 15 m/h. Se midieron, en forma horario, pérdidas de carga en el manto filtrante y turbiedades en el agua de entrada y salida. El contaje de microorganismos planctónicos se realizó sobre tres muestras tomadas la primera al inicio de la carrera, la segunda al promediar la misma y la tercera al finalizar.La técnica de contaje utilizada fue la siguiente: - Filtración de la muestra a través de una tela de nylon de 20 micrones de diámetro de poro ( 2 litros para el agua de entrada y 5 litros para el agua filtrada). - Arrastre del material retenido con un volumen aproximado de 5 ml de agua destilada. - Contaje de plancton en cámara Sedgwick-Rafter utilizando un microscopio trinocular Olympus BMAX 40.

Resultados obtenidos. En la Tabla 1 se presentan valores representativos de los resultados obtenidos para las dos velocidades ensayadas. TABLA 1 - Resultados obtenidos en los ensayos de laboratorio VELOCIDAD No DE ORGANISMOS TURBIEDAD ( m/h ) (organismos/litro ) ( U.N.T ) Entrada Salida Entrada Salida 10

160

6

7,0

1,8

15*

247

12

4,5

1,1

* Con ayudante de filtración

Esta primera etapa permitió ajustar las técnicas de contaje de organismos y obtener algunas conclusiones orientativas que permitieron pasar a la segunda etapa. Por ejemplo, se comprobó que dada la escasa cantidad de organismos presentes en el agua filtrada y el apreciable error de la técnica de contaje utilizada, no fue posible establecer diferencias significativas de remoción para las dos velocidades ensayadas. Por lo tanto se decidió incorporar una técnica complementaria: el contaje electrónico de partículas, en la segunda etapa.

Etapa II: Ensayos de campo Como se indicó anteriormente, los ensayos fueron realizados en la planta de potabilización de la ciudad de Fray Luis Beltrán, que trata aguas del Río Paraná y que posee un proceso convencional de coagulación, floculación hidráulica (canal de pantallas), sedimentación, filtración rápida y desinfección. En la figura 2 se indica el esquema de funcionamiento utilizado durante los ensayos, el filtro experimental fue el mismo que se usó en la primera etapa.

Se alimentó el filtro con agua proveniente de los sedimentadores de la planta, con turbiedades que oscilaron entre 3 y 10 UNT y con concentraciones de microorganismos planctónicos entre 10 y 150 org/l. Los géneros predominantes en el agua de entrada fueron: Melosira, Navícula, Cyclotella, Chlorella, Oscillatoria, Copépodos y Rotíferos. Se realizaron 20 carreras de 12 horas de duración cada una. La duración se estableció atendiendo a razones operativas. Se ensayaron velocidades de filtración de 5, 10 y 15 m/h, midiéndose turbiedades y número total de partículas en el agua de entrada y salida del filtro con una frecuencia horaria. La determinación de la cantidad de microorganismos se realizó sobre tres muestras de la entrada y tres muestras de la salida (muestras compuestas durante cuatro horas), utilizándose la misma técnica de contaje que en los ensayos de laboratorio. Para la determinación del número de partículas y su tamaño se utilizó un equipo Malvern ALPS 100L que se basa en el principio de oscurecimiento de la luz y que mide en un rango entre 2 y 150 micrones.

Resultados obtenidos y discusión En la Tabla 2 se presentan los resultados correspondientes a las muestras compuestas de entrada y salida. Para confeccionar la tabla se eligió una carrera representativa de cada una de las velocidades ensayadas y se incluyeron los siguientes parámetros: - Turbiedad - Número total de partículas ( entre 2 y 150 micrones ) - Número de partículas entre 3 y 18 micrones - Número total de microorganismos del plancton Para cada uno de los parámetros se calcularon las remociones logarítmicas de la siguiente forma: Remocion logarítmica = Log10 (parámetro entrada) - Log10 (parámetro salida) Los resultados indican una disminución de remoción de turbiedad, número de partículas totales y organismos del plancton a medida que aumenta la velocidad de filtración.

En la Tabla 3 se presentan los valores promedios de remoción log para los distintos parámetros incluidos en Tabla 2, con el objeto de visualizar en forma más clara lo expresado anteriormente

TABLA 3 - Valores promedios de remoción log de turbiedad, plancton y partículas totales obtenidos en los ensayos de campo VELOC. REMOCION LOGARITMICA (m/h)

TURBIEDAD

PLANCTON

PART. TOTALES

PART. 3-18 µ

5

0,959

1,975

1,049

1,304

10

0,671

1,461

0,606

0,892

15

0,565

1,240

0,378

0,648

La remoción de partículas entre 3 y 18µ fue considerada por su interés sanitario ya que pueden incluir quistes de Giardia y Cryptosporidium. Se puede observar que la remoción log de partículas entre 3 y 18µ para las distintas velocidades es menor que la remoción log de plancton. En la Figura 3 se ha graficado la remoción log de turbiedad versus la remoción log de partículas y en la Figura 4 la remoción log de turbiedad versus la remoción log de plancton.

RELACION ENTRE LA REMOCION LOGARITMICA DE TURBIEDAD Y DE PARTICULAS TOTALES 1,2

Partículas Totales

1,1

R2 = 0,734

1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

0,4 Remoción Logarítmica de 0,3 0,3 0,4 0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

Remoción Logarítmica de Turbiedad

Datos experimentales

FIGURA 3

Recta de Ajuste

1,2

Remoción Logarítmica de Plancton

RELACION ENTRE LA REMOCION LOGARITMICA DE TURBIEDAD Y DE PLANCTON 2,8

R2 = 0,323

2,6 2,4 2,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

Remoción Logarítmica de Turbiedad

Datos experimentales

Recta de Ajuste

FIGURA 4

Del análisis de las Figuras 3 y 4 se puede observar que existe una relación lineal entre la remoción de turbiedad y la remoción de partículas totales y no así entre la remoción de turbiedad y la remoción de plancton. En las Figuras 5, 6 y 7 se graficaron los valores de turbiedad, partículas totales y número de organismos planctónicos obtenidos en las muestras compuestas a lo largo de la carrera para las distintas velocidades ensayadas.

15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0-4 hs

4-8 hs

Plancton

Partic. Tot.

FIGURA 5

1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 8-12 hs

Turbiedad

Turbiedad a la salida del filtro (UNT)

Plancton (N° de Org./10 litros) Partic. Totales (N° por ml/100)

VARIACION DE TURBIEDAD,PART. TOTALES Y PLANCTON DE SALIDA A LO LARGO DE LA CARRERA DEL FILTRO Velocidad: 5 m/h

15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0-4 hs

4-8 hs

Plancton

Partic. Tot.

1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 8-12 hs

Turbiedad a la salida del filtro (UNT)

Plancton (N° de Org./10 litros) Partic. Totales (N° por ml/100)

VARIACION DE TURBIEDAD,PART. TOTALES Y PLANCTON DE SALIDA A LO LARGO DE LA CARRERA DEL FILTRO Velocidad: 10 m/h

Turbiedad

FIGURA 6

150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0-4 hs

4-8 hs

Plancton

Partic. Tot.

1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 8-12 hs

Turbiedad a la salida del filtro (UNT)

Plancton (N° de Org./10 litros) Partic. Totales (N° por ml/100)

VARIACION DE TURBIEDAD,PART. TOTALES Y PLANCTON DE SALIDA A LO LARGO DE LA CARRERA DEL FILTRO Velocidad: 15 m/h

Turbiedad

FIGURA 7

De la observación de las gráficas anteriores se deduce que para una velocidad dada (5m/h, 10m/h ó 15m/h) no existió una correlación directa entre los tres parámetros evaluados (Plancton, Partículas Totales y Turbiedad ).

En las Figuras 8, 9 y 10 se ha graficado la variación horaria de los valores de turbiedad de entrada y salida del filtro a lo largo de la carrera para cada una de las velocidades.

Turbiedad (UNT)

VARIACION HORARIA DE TURBIEDADES Velocidad: 5 m/h 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12

Tiempo de carrera (horas) ENTRADA

SALIDA

FIGURA 8

Turbiedad (UNT)

VARIACION HORARIA DE TURBIEDADES Velocidad: 10 m/h 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Tiempo de carrera (horas) ENTRADA

FIGURA 9

SALIDA

10 11 12

Turbiedad (UNT)

VARIACION HORARIA DE TURBIEDADES Velocidad: 15 m/h 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12

Tiempo de carrera (horas) ENTRADA

SALIDA

FIGURA 10

Es interesante observar que mientras para las velocidades de 5 m/h y 10 m/h la turbiedad de salida se mantuvo en valores bajos, independientemente del aumento de turbiedad en el agua de entrada; para una velocidad de 15 m/h el aumento de turbiedad en la entrada se reflejó en un aumento de la turbiedad de salida. Es necesario destacar que el contaje de partículas y la medición de turbiedades se llevan a cabo mediante métodos instrumentales que poseen una exactitud y precisión mayor que el método de contaje de microorganismos utilizado en este estudio. Por otra parte, en este estudio sólo se contaron los organismos planctónicos mayores a 20 micrones.

CONCLUSIONES CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Los resultados obtenidos permiten arribar a una serie de conclusiones, las que son válidas para las características físicas del filtro utilizado ( granulometrías, espesor del manto, tirante líquido ) y para las aguas del Río Paraná: l Existe una relación entre la velocidad de filtración y la remoción de partículas totales, turbiedad y organismos planctónicos. Cuando aumenta la velocidad de filtración disminuye la remoción, aún trabajando con buena calidad de agua decantada, por lo que no sería conveniente utilizar velocidades de filtración mayores a 10m/h. l La remoción de turbiedad no guarda una relación lineal con la remoción del plancton. l En las experiencias realizadas los valores de turbiedad, partículas totales y número de organismos de plancton en el agua filtrada no guardaron relación directa entre sí. l El contaje de plancton es insustituible como indicador de la calidad prostitológica del agua filtrada. No obstante, teniendo en cuenta la complejidad y el error del método, deberán continuarse las investigaciones para demostrar si puede establecerse una relación entre dicho método y el contaje de partículas que permita usar ambas técnicas en forma complementaria

BIBLIOGRAFIA

- Le Chevalier M.W., Norton W.D; Examining Relationships Between Particle Counts and Giardia, Cryptosporidium and Turbidity, Journal AWWA,December 1992. - Syrotinski S., Microsocpic Water Quality and Filtration Efficiency, Journal AWWA, April 1971. - Vlaski A. N., Van Breemen, Alaerts G.J., The algae problem in th Netherlands form a water treatment perpective, Aqua, Vol 45, N°4, 1996. - Ley 11220, Provincia de Santa Fe, 1994. - Comunidad Económica Europea, Directivas para la calidad del agua potable, 1980. - OMS, Guías para la Calidad del Agua Potable, 1995. - Harris S., Hancock C.,Vasconcelos J., Microscopic Particulate Analysis (MPA) for Filtration Plant Optimization, EPA 910, R-96-001, April 1996. - Hancock C., Ward J.V., Hancock K., Klonicki P., Surbaum G., Assesing plant performance using MPA. - Standar Methods for the examination of Water and Wastewater, APHA, AWWA and WEF, Washington, 19 th edition, 1995. -Vazquez H., Ingallinella A.M., Sanguinetti G., Bachur J., Contento L., Remoción de microorganismos en los procesos de clarificación y filtración. Informe Nacional. XXI Congreso Mundial de IWSA/AIDE, Madrid, España, 1997.

AGRADECIMIENTOS Los autores quieren expresar su agradecimiento a : Las autoridades de la Cooperativa de Agua Potable y Otros Servicios Limitada de Fray Luis Beltran; y especialmente a los operadores de la planta potabilizadora y al Dr. Guillermo Lespinard por su activa colaboración para el normal desarrollo de las experiencias realizadas.

VELOC. (m/h)

5

10

15

TABLA 2 - Resultados obtenidos en los ensayos de campo TURBIEDAD PLANCTON PARTICULAS TOTALES (UNT) (Organismos/10 litros) (Número por ml) Entrada Salida Remoc. Entrada Salida Remoc. Entrada Salida Remoc. Log Log Log

PARTICULAS 3-18 µ (Número por ml) Entrada Salida Remoc. Log

4,45

0,45

0,995

540

1

2,732

5066

374

1,132

3303

123

1,429

2,90

0,40

0,860

640

15

1,630

4171

440

0,977

2740

177

1,190

3,15

0,30

1,021

330

9

1,564

3981

365

1,038

2597

132

1,293

3,25

0,95

0,534

144

3

1,681

5344

1266

0,626

3000

362

0,918

3,15

0,65

0,677

118

5

1,373

5256

1489

0,548

3234

470

0,838

2,85

0,45

0,802

64

3

1,329

4546

1030

0,645

2698

324

0,920

2,00

0,60

0,523

1290

60

1,333

3755

1627

0,364

2274

491

0,666

2,60

0,55

0,675

1480

110

1,129

3372

1685

0,301

1978

551

0,555

4,55

1,45

0,497

1810

100

1,258

5035

1706

0,470

2862

541

0,724