Coordinación: Tratamiento y calidad del agua Subcoordinación: Tratamiento de Aguas Residuales Jefe de proyecto: Dra. Gabriela Mantilla Morales

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1 FICHA INFORMATIVA DE PROYECTOS Coordinación: Tratamiento y calidad del agua Subcoordinación: Tratamiento de Aguas Residuales Jefe de proyecto: Dra. Gabriela Mantilla Morales Clave: TC Titulo del proyecto: Estudio de preinversión de la planta de tratamiento de aguas residuales Atotonilco de Tula, consistentes en: ingeniería básica que incluye caracterización, aforo y pruebas de tratabilidad de las aguas residuales que llegarán a la planta de tratamiento. Problemática: Tratamiento de aguas residuales de la Cd. de México. La ciudad de México y su zona conurbada, genera un caudal de aguas residuales entre 20 m 3 /s (época de estiaje) a 70 m 3 /s (época de lluvias), las cuales son desalojadas por el emisor Oriente. La Planta de Tratamiento de Aguas Residuales Atotonilco, que se encuentra actualmente en la etapa de proyecto, se localizará en el municipio Atotonilco de Tula del estado de Hidalgo. Para el diseño de la planta se necesita realizar la caracterización y el aforo del agua residual ya que el caudal del agua, sus variaciones y los parámetros de calidad del agua son los parámetros básicos para el diseño de la planta. Para el dimensionamiento de los módulos de los diferentes procesos de tratamiento se necesita establecer los parámetros de diseño y operación con base en pruebas de tratabilidad del agua. Se ha propuesto que el tratamiento del agua residual se realice mediante un sistema convencional de lodos activados y que se diseñe un módulo de tratamiento físico-químico del agua que funcione solo en época de lluvias. Para estos procesos se necesitan los parámetros de diseño de los desarenadores, sedimentadores primarios, tanques de aeración con lodos activados, sedimentadotes secundarios y desinfección, así como los parámetros y las dosis de los reactivos para el tratamiento físicoquímico. En el proceso del tratamiento del agua residual se generan lodos para el tratamiento de los cuales se ha propuesto estabilización biológica anaerobia, desaguado y deshidratación. Se necesitan los parámetros de diseño de las unidades para realizar estos procesos. Objetivo: Obtener los parámetros de diseño para el dimensionamiento de la planta piloto de aguas residuales de Atotonilco - El Salto Obtención de los parámetros de diseño para los diferentes procesos que constituyen una planta de tratamiento de lodos activados convencional, de los lodos residuales y de un módulo de tratamiento físico-químico del agua residual. Resultados y/o productos: En este proyecto se realizó la caracterización de las aguas residuales en dos períodos, estiaje y lluvias. Durante los muestreos se tomaban muestras simples y compuestas para determinar la variación diaria y horaria de la calidad del agua durante el periodo de estudio. Se determinaron los siguientes parámetros: SST, SSV, GyA, DQO, DBO 5, NT, N-NH 3, P total, BTEX, coliformes fecales, huevos de helmintos, así como sulfuros, sulfatos, fenoles, cianuros, cadmio, cobre, cromo, arsénico, mercurio, níquel, plomo, zinc. Los muestreos se realizaron en los siguientes puntos: Río El Salto - Estación de aforo El Salto en la desviación del canal Tlamaco; Vaso de Cristo - Estación CNA en la planta de bombeo, Gran Canal - intersección con el río de los Remedios (km );

2 Río de la Compañía - estación antes de intersección con el Gran Canal), Gran Canal después de Canal Cartagena, Estación La Virgen - salida de túneles, Portal de salida de El Salto. En el punto denominado Gran Canal se determinaron y 2,4-D, 2,4,5-T, plaguicidas organoclorados (aldrín, BHC e isómeros alfa, beta y delta, cis-clordano, trans-clordano, 4,4 -DDD, 4,4 -DDE, 4,4 -DDT, dieldrín, alfa-endosulfán, beta-endosulfán, sulfato de endosulfán, endrín, endrín aldehido, endrín cetona, heptacloro, heptacloro epóxico, lindano, Metoxicloro); plaguicidas triazínicos (Atrazina y dos isómeros); plaguicidas organofosforados (metilparatión, paratión, malatión, etión, diazinón, disulfotón, gutión, demetón S). Los resultados de la caracterización indicaron altas variaciones de los sólidos suspendidos, DQO y las GYA en el agua residual, sobre todo en época de lluvias. Los promedios durante el período de lluvias fueron de 180 mg/l para los SST, de 280 mg/l para la DQO y de 105 mg/l para GyA. Durante la época de estiaje los promedios de SST son 1.5 veces mayores, los promedios de la DQO son dos veces mayores y los de GyA son en un 10% mayores. Con el propósito de obtener los parámetros de diseño para dimensionar la planta Atotonilco se realizaron pruebas de tratabilidad para los diferentes procesos que constituyen una planta de tratamiento de lodos activados convencional, de los lodos residuales y de un módulo de tratamiento físico-químico del agua residual. Las pruebas de sedimentación indicaron que la profundidad del sedimentador primario debe ser entre 1.5 y 2.0 m. El aumento de la profundidad a 2.5 m no permite aumentar sustancialmente la remoción de SST en el sedimentador. Se pueden obtener remociones de SST de 50% con un tiempo de retención hidráulica (TRH) de 1.5 h. Sin embargo, la remoción del 65-70% de SST se logra con un TRH de h, por lo cual como TRH óptimo se recomienda 2 horas. Se pueden lograr remociones del 50% de SST con una carga superficial de 1.5 m 3 /(m 2.h). Sin embargo, la remoción de SST de 65-70% se logra con una carga de m 3 /(m 2.h), por lo cual como carga superficial óptima se recomienda la de 1.1 m 3 /(m 2.h). Las pruebas de flotación natural se realizaron con la finalidad de determinar la remoción de GyA que se puede lograr en el sedimentador primario de la planta. Para mejorar la remoción de GyA se propone un desarenador aireado. Para su diseño se realizaron pruebas de flotación con dispersión de aire. Los resultados indicaron que remociones de GyA mayores de 74-80% se pueden obtener en un desarenador aireado con una profundidad de 1.5 m, con un TRH de 20 min y con una cantidad de aire de 3.4 m 3.h -1.m -2. Las pruebas de tratamiento biológico aerobio con biomasa suspendida (sistema lodos activados) permitieron determinar el alcance del proceso para la remoción de la materia orgánica soluble. En época de estiaje se alcanzaron remociones de 89-93% de la DQO y de % de la DBO. Estas remociones son un 10% inferiores en época de lluvia. El intervalo de cargas hidráulicas superficiales para el diseño de sedimentadores secundarios es de m 3.m -2.d -1 para caudales medios. Las pruebas de cloración del efluente del sistema de lodos activados indicaron la necesidad de aplicar dosis de cloro de mg/l en época de estiaje y de mg/l en época de lluvias. El estudio del proceso de biodegradación aerobia de la materia orgánica en el agua residual mediante biorreactores con membrana señalaron la posibilidad de obtener mayores eficiencias de remoción comparado con el sistema de lodos activados. Se obtiene un efluente de alta calidad que permite cumplir con los requerimientos de la normativa referente al reúso del agua en servicios al público con contacto directo. Además, la remoción de coliformes fecales es de 99.99%, lo cual permite evitar la desinfección con cloro del efluente. En el estudio del proceso de coagulación-floculación-sedimentación se evaluaron 12 coagulantes, 8 polímeros catiónicos y aniónicos, así como sus combinaciones. Los mejores resultados de remoción de contaminantes se obtuvieron con la aplicación de polihidroxicloruro de aluminio. Las pruebas con el agua residual en época de lluvia indicaron que SST<30 mg/l se pueden obtener con una dosis de 0.61 mg Al/L (R-

3 SST de 92-97%; R-DQO de 60-63%; R-Turbiedad de 92-99%; R- color de 86-97%). El incremento de la dosis hasta 4.9 mg Al/L permite obtener un agua transparente con una turbiedad entre 5-6 UTN. Con estas dosis aumenta y la remoción de la DQO a 81%. Las pruebas con el agua residual en época de estiaje indicaron la necesidad de aplicar mayores dosis. Con una dosis de mg Al/L se obtuvo un sobrenadante con SST de mg/l (R-SST de 97%; R-DQO de 89-90%; R- Turbiedad de 95% ; R- color de 78-80%). Estos resultados demostraron la alta efectividad de este coagulante para aguas diluidas. Con dosis muy bajas (casi 10 veces menores que el resto de los coagulantes de aluminio) se obtienen excelentes resultados para la remoción de los SST y la Turbiedad. Son también buenos los resultados obtenidos con agua residual más cargada, generada en época de estiaje, pero las dosis requeridas se asemejan a las determinadas para PAX-29 y sí son menores que las determinadas para los PAX-WD, SAS y SAL. Fue muy alta la remoción de DQO determinada con PAX-XL19 en aguas con alta carga orgánica. El estudio de la degradación anaerobia de los lodos indicó la necesidad de utilizar un tiempo de retención de los sólidos de 11 días a una temperatura de 35 C. Con este tiempo se logra un 48% de estabilización de los lodos residuales y un 41% de reducción de los sólidos totales. La carga de sólidos para el diseño de los reactores anaerobios de la planta debe ser de kg SV/(m 3.d). La generación de biogás es de m 3 biogás/kg SSV destruidos. Las pruebas de deshidratación del lodo digerido indicaron que con cargas de sólidos totales de kg/(h.m) se puede alcanzar un producto con una concentración hasta 30% de sólidos totales. La dosis del polímero utilizado en el acondicionamiento del lodo es de kg por tonelada de lodo seco. El sistema de tratamiento del agua residual de la ciudad de México mediante desarenadores, sedimentadotes primarios, reactores de lodos activados y desinfección permite lograr los objetivos de tratamiento cumpliendo con los requerimientos normativos de reúso de agua en riego agrícola. El sistema de tratamiento biológico con membranas es adecuado para el tratamiento del agua residual cuando se requiere obtener una calidad mejor del agua tratada, como es el caso de reúso en servicios al público. Metodología y desarrollo: Como parte de los trabajos preliminares para el diseño de la planta de tratamiento de aguas residuales Atotonilco, se realizaron análisis físico-químicos de muestras compuestas formadas por muestras tomadas cada cuatro horas. Para el parámetro GyA, coniformes fecales y huevos de helmintos se analizaron todas las muestras simples. La caracterización del agua se realizó en época de lluvia y estiaje. Se definieron los siguientes puntos de muestreo. PM1 Río El Salto Estación de aforo El Salto en la desviación del canal Tlamaco PM2 Vaso de Cristo Estación CNA en la planta de bombeo PM3 Gran Canal intersección con el río de los Remedios (km ) PM4 Río de la Compañía - estación antes de intersección con el Gran Canal PM5 Gran Canal después de Canal Cartagena PM6 Estación La Virgen salida de túneles Pruebas de tratabilidad para el tratamiento del agua residual 1. Sedimentación primaria Con el propósito de obtener los parámetros para diseñar el sedimentador primario, se realizó la prueba en columna usando una columna cilíndrica de plexiglás provista de llaves de muestreo colocadas equidistantes. Se obtuvieron las curvas % de remoción de SST vs. Tiempo de retención y % de remoción de SST vs. Carga hidráulica del sedimentador y se determinó la relación de

4 SSV/SST. 2. Pruebas de flotación Debido a las altas concentraciones de GyA que se han detectado en el agua residual, se evaluó la posibilidad de reforzar su remoción a nivel pretratamiento introduciendo un desarenador aireado, en el cual se obtienen altas remociones de GyA por flotación. Para determinar la relación aire requerido-remoción de GyA, se realizaron pruebas de flotación utilizando una columna cilíndrica de plexiglás provista de un difusor de aire en el fondo y de llaves de muestreo colocadas equidistantes, de donde se tomaron muestras de GyA a diferentes tiempos con el propósito de obtener las curvas de flotación, la profundidad óptima del tanque, la velocidad de flotación, tiempo de residencia hidráulica y la eficiencia de remoción de GyA. 3. Sedimentación secundaria Con el propósito de obtener los parámetros para diseñar el sedimentador secundario, se realizarán pruebas de sedimentación zonal para obtener: Altura de interfase vs. Tiempo de sedimentación Velocidad de sedimentación vs. Concentración de sólidos El índice volumétrico de lodos (IVL) se determinaba dos veces por semana en cuatro reactores. 4. Determinación de la cinética de biodegradación Mediante 4 (cuatro) reactores continuos que asemejan el tanque de aireación y sedimentador secundario de un sistema de lodos activados (Reactores tipo Eckenfelder), se determinó: La cantidad de sustrato no biodegradable, Sn La fracción de sustrato medida como DBO y DQO- convertida en nuevas células, a La fracción de SSV/día utilizada en respiración endógena, b La fracción de sustrato medida como DBO y DQO- usada para oxidación, a La fracción de SSV/día utilizada en respiración endógena, b Los parámetros de operación fueron: TRH: de 4 a 8 h TRC: 5-15 d SSVLM: 1,500-3,000 mg/l CV: kgdbo/(m3.d) F/M: kgdbo/(kgssvlm.d) 5. Prueba de tratabilidad en bioreactores con membranas La prueba de tratabilidad se realizó en un MBR piloto de 227 L de volumen, con membranas sumergidas de fibra hueca. La fuerza transversal o impulsora de las membranas es alcanzada creando una presión negativa (succión) en el lado del permeado. La limpieza de la membrana se alcanza a través de ciclos de lavado con el permeado y lavados químicos. La frecuencia de los ciclos de lavado con el permeado se determinó durante la operación. Un difusor es colocado debajo del módulo de membranas para facilitar la fricción con la superficie de la membrana y de esta manera controlar el ensuciamiento de la superficie de la membrana. Para el arranque del sistema piloto primero se realizaron pruebas con agua desionizada y pruebas para la determinación de flujo crítico y sub-crítico. El MBR fue alimentado con el agua residual durante tres meses aplicando tres cargas orgánicas volumétricas con un tiempo de retención celular entre 40 y 60 días. 6. Determinación de la dosificación de cloro Se determinó la curva dosis de cloro aplicado al efluente vs. cantidad de cloro residual presente en el efluente tratado en los reactores Eckenfelder, obteniendo el punto de quiebre de cloro residual mediante el método volumétrico de Ioduro-Almidón. La prueba se realizó con cuatro diferentes efluentes aplicando 3 dosis a cada uno. Se midió cloro residual y Coliformes Fecales.

5 Pruebas de tratabilidad para el tratamiento de lodos (primarios y secundarios) 7. Digestión anaerobia Se determinó la proporción de mezcla de lodos primarios y secundarios con los que será alimentado el digestor anaerobio, y la relación SSV/SST de ambos. Se usaron tres reactores de degradación anaerobia, enchaquetados para mantener una temperatura de 35 C. El proceso se controlaba midiendo SST, SSV, DQO, ph, alcalinidad, AGV, cantidad de biogás. Se determinaron las correlaciones entre el tiempo de residencia de sólidos y el porcentaje de destrucción de los SV, la reducción de los ST y el porcentaje de metano y bióxido de carbono en el biogás. 8. Espesamiento y deshidratación de los lodos digeridos Se realizaron pruebas de compresión de los lodos digeridos para determinar el tiempo de residencia hidráulica en los espesadores. Se realizaron pruebas de deshidratación de lodos por filtración al vacío para definir la cantidad de sólidos depositados en el filtro por unidad de volumen filtrado y la resistencia específica del lodo. Para el acondicionamiento de los lodos digeridos, se aplicaron polímeros catiónicos y se determinaron sus dosis. Pruebas de tratabilidad para el tratamiento fisicoquímico del agua residual 9. Pruebas de coagulación-floculación-sedimentación Para obtener los parámetros de diseño del sistema de tratamiento primario avanzado se realizaron pruebas de tratabilidad en jarras con diferentes reactivos químicos, se seleccionaron los mejores coagulantes, floculantes o sus combinaciones, se determinaron las mejores dosis, ph y tiempos de mezclado. Como parámetros de respuesta en las pruebas se usaron: SST, SSV, Turbiedad, Color, DQO. Para el control del proceso: ph, Alcalinidad y Temperatura. Se realizó un escalamiento del proceso con muestreo de todos los parámetros, incluyendo la DBO, CF, HH. 10. Pruebas de cloración del efluente del tratamiento físico-químico Determinación de la cantidad de cloro a aplicar en función de la concentración de SST y turbiedad en el efluente. La prueba es similar a la presentada para la cloración del efluente del tratamiento biológico y se realizó con cuatro diferentes efluentes de coagulación-floculación, aplicando 3 dosis a cada uno. Pruebas de tratabilidad para el tratamiento de los lodos químicos resultantes 11. Pruebas de encalado, espesamiento y deshidratación de los lodos Se determinó la efectividad del encalado de los lodos primarios generados en el tratamiento físicoquímico del agua. En experimentos adicionales se determinó la efectividad de la estabilización del lodo, incluyendo la remoción de patógenos. Se realizaron pruebas de compresión de los lodos para determinar el tiempo de residencia hidráulica en los espesadores. Se realizaron pruebas de deshidratación de lodos por filtración al vacío para determinar la resistencia específica del lodo. Para el acondicionamiento de los lodos, se aplicaron polímeros catiónicos y se determinaron sus dosis.

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