EL TRATAMIENTO DE LAS AGUAS RESIDUALES DE CIUDADES MEDIANAS, PROBLEMÁTICA Y ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN. Jesús García Ollervides, Humberto Romero Álvarez

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1 EL TRATAMIENTO DE LAS AGUAS RESIDUALES DE CIUDADES MEDIANAS, PROBLEMÁTICA Y ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN Jesús García Ollervides, Humberto Romero Álvarez Comisión Nacional del Agua. Consultivo Técnico Insurgentes Sur 2140 México, D.F., Tel. (5) Ext Jesús M. Cervantes R., Antonio Romero Belmonte Comisión Nacional del Agua, Gerencia Estatal Av. Defensa Nacional Nº 90, Guadalupe, Zac. Tel RESUMEN Para ilustrar la problemática de las aguas residuales y las alternativas de solución, a las que se enfrentan 222 poblaciones de entre 20,000 y 100,000 habitantes, se tomó el caso de la Ciudad de Jerez, Zac., con 58,000 habitantes y una cobertura de agua potable superior al 90% y de alcantarillado del 80%. Pese a los esfuerzos realizados por el organismo operador, la eficiencia de operación de la planta de tratamiento a base de lagunas de estabilización, construida en 1990, no cumple al igual que en muchas otras poblaciones del país, con los requisitos de calidad que le fijan las normas vigentes al efluente. Con base en el diagnóstico, y de acuerdo con las estrategias definidas por la Comisión Nacional del Agua, los autores analizan, conforme al criterio técnico de evaluación establecido, las diferentes opciones de rehabilitación y proponen el aprovechamiento total de la infraestructura existente, mejorando su funcionamiento cinético e hidráulico. 1. INTRODUCCIÓN De acuerdo al censo general de población y vivienda de 1990, existen en el país 222 localidades cuyo número de habitantes fluctúa entre 20,000 y 100,000. Estas ciudades cuentan en general con una importante cobertura de agua potable y alcantarillado, así mismo en los últimos 10 años, se ha promovido como una componente del saneamiento la construcción de plantas de tratamiento de aguas residuales, existiendo hasta 1995 en esas localidades 162 de estos sistemas. La tecnología utilizada es la siguiente: 109 (67%), son lagunas de estabilización, 36 (22%) lodos activados y 17 (11%) utilizan otros procesos.

2 2. SITUACIÓN ACTUAL Pese a los esfuerzos realizados las eficiencias de operación de las plantas de tratamiento construidas, presentan en el 70% de los casos deficiencias que impiden obtener la calidad prevista en los proyectos, esto es debido a diferentes problemas, entre los que cabe citar los siguientes: sistemas mal concebidos, la mayoría de las veces por no contar durante el diseño con datos de calidad representativos del agua a la que se va a dar tratamiento o bien, falta de información actualizada de la localidad; otras causas de ineficiencia son defectos en la construcción, falta de recursos económicos o de personal capacitado para la operación. Con el propósito de solucionar esta problemática, el Programa Hidráulico de la CNA establece, entre otras, las siguientes estrategias: - Apoyo a los municipios y organismos operadores, en aspectos técnicos y administrativos para favorecer un ambiente financiero sano. - Apoyo para la rehabilitación de los sistemas de agua potable y saneamiento en zonas urbanas y rurales. - Promoción de tecnología apropiada para el diseño, construcción y operación de los sistemas de tratamiento de aguas residuales municipales. 3. ESTUDIO DE CASO, PROPUESTA PARA LA OPTIMIZACIÓN DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE JEREZ, ZAC Antecedentes. La planta de tratamiento fue construida en 1990, el proyecto consistió en un sistema lagunar compuesto por un desarenador, una bomba del tipo tornillo de Arquímides y tres lagunas de estabilización (anaerobia, facultativa y de maduración) conectadas en serie. El período de diseño considerado fue de 20 años ( ), concebido para desarrollarse en dos etapas, cada una con el tren de tratamiento antes descrito; la primera etapa (construida), daría servicio hasta el año 2000, la segunda etapa iniciaría su construcción en ese año. El gasto de diseño considerado para cada etapa fue de l/s y el total para el año 2010 de l/s (la población esperada para el año 2010 es de 78,000 habitantes, con una dotación de 175 l/h d y una aportación de aguas residuales de 140 l/h d). Los parámetros de diseño considerados en el proyecto original fueron: DBO=321 mg/l y C.F. = 5x10 7 NMP/100 ml. Se estableció como cuerpo receptor, en las condiciones particulares de descarga, el río Grande (actualmente, una parte del efluente tratado, se usa en riego restringido).

3 3.2. Descripción Geométrica de la Planta de Tratamiento. - Desarenador. - Bomba tipo tornillo de Arquímides. (Q= 63 l/s; 7.5 H.P.). - Laguna anaerobia. (largo=160 m; ancho= 55 m; profundidad = 3.50 m). - Laguna facultativa (largo=192 m; ancho= 83 m; profundidad = 1.30 m). - Laguna de maduración (largo=190 m; ancho= 88 m; profundidad = 1.30 m) Eficiencia Promedio. Parámetro* Influente Efluente Eficiencia % DQO 529 mg/l 378 mg/l 28 Coliformes Fecales 1.8x10 8 NMP/100 ml. 2.7x10 6 NMP/100 ml. 99 * Promedio de muestras puntuales de los días 17, 18, 19 de mayo de Propuesta de optimización. Las condiciones de diseño consideradas originalmente, han sido rebasadas, por lo que se requiere más que de una rehabilitación, de una optimización. Considerando la escasa disponibilidad de recursos financieros, la propuesta debe cumplir las siguientes condicionantes: - Aprovechar al 100% la infraestructura existente. - Cumplir con las condiciones particulares de descarga y/o la NOM 001 ECOL- 96, con la mínima inversión. - Evitar en lo más posible el uso de equipos electromecánicos y/o productos químicos. - Utilizar la menor área posible para las obras complementarias que se requieran.

4 Gasto y Calidad de Diseño Considerada para las Obras de Optimización. Análisis para las condiciones actuales (1997): Población: 59,690 habitantes. Dotación: 235 l/h d. Aportación de aguas residuales: 188 l/h d. Cobertura de alcantarillado: 85%. Q=110 l/s. Nota: el 28 de enero, 30 de enero y 1º de febrero, se realizaron aforos, siendo el gasto promedio de 120 l/s, incluidos los aportes del rastro y la empacadora. Qrastro = 4 l/s = m 3 /d. Qempacadora=6 l/s = 518 m 3 /d. DBO = 972 mg/l (promedio de ambas descargas). Nota: la temperatura considerada para el diseño y/o rehabilitación de todas las unidades de tratamiento, será de 11 C (temperatura promedio del mes más frío) Análisis conceptual para la optimización de la planta de tratamiento de Jerez, Zac. La optimización para cumplir con la normatividad vigente, se abordará mediante la propuesta de acciones que mejoren las condiciones hidráulicas y cinéticas, como sigue: - Dar tratamiento intramuros a las descargas del rastro y la empacadora, y en su caso, descargarlas en forma independiente al alcantarillado. - Incrementar la capacidad de alimentación a la planta de tratamiento, mediante la instalación de un equipo de bombeo de características similares al que se tiene en operación, con objeto de poder ingresar a la planta la totalidad de las aguas residuales que se generan. - Desazolve de las lagunas anaerobia y facultativa. - Dividir en dos la laguna anaerobia mediante un dique, con objeto de favorecer la mezcla y evitar zonas muertas. - Construir en su caso una laguna anaerobia adicional y un filtro rápido de grava con objeto de disminuir la carga que no puede removerse en la laguna facultativa. - Instalar mamparas en las lagunas facultativas y de maduración con objeto de mejorar el modelo hidráulico y cinético de las mismas.

5 La tabla 1 contiene los resultados del cálculo del esquema de rehabilitación propuesto. Tabla 1. Rehabilitación de la planta de tratamiento de Jerez, Zac. UNIDAD DE TRATAMIENTO Laguna Anaerobia revisión de carga actual (1997) y futura (2016) Carga (11 C) admisible ECUACIONES DE DISEÑO λ v=liqm/v λ va=20(t)-100 RESULTADOS Q=9504 m 3 /d (1997) 77 gr/m 3 d 120 gr/m 3 d RESULTADOS Q= m 3 /d (2016) gr/m 3 d 120 gr/m 3 d OBSERVACIONES No se requiere de una laguna anaerobia adicional, remanenete de DBO=140 mg/l Tiempo de retención (TRH) TRH=V/Qm 3.2 días 2.2 días Eficiencia esperada Laguna facultativa revisión de carga actual (1997) y futura (2016) Carga aplicada Filtro E=2T+20 λs=357.4 t-20 λ s=(liqm)/a 44% 192 Kg/ha d 835 Kg/ha d 44% 192 Kg/ha d 1230 Kg/ha d Laguna sobrecargada en un 435 %, requiere que se remueva el 84% de la carga aplicada mediante un filtro. Carga al filtro Carga remanente (eficiencia 84%) q=(de tabla) Se = So (H 0.67 /q 0.5 ) q=28.5 m3/ m2 d H=0.70 m q=28.5 m3/ m2 d H=0.70 m El filtro se construirá a la salida de la laguna facultativa, el efluente tendrá una DBO=25 mg/l. Área requerida Revisión de la remoción de coliformes fecales en las lagunas facultativas y de maduración A=Q/q 491 m2 largo=31.40 m ancho=16.00 m 491 m2 largo=31.40m ancho=16.0m Relación Largo/ancho=x x =L/A facultativa=2.35 maduración= Instalando mamparas en cada laguna x=12 x=11 x =12 x =11

6 Tabla 1 Cont. Rehabilitación de la planta de tratamiento de Jerez, Zac. UNIDAD DE TRATAMIENTO Laguna facultativa concepto: ECUACIONES DE DISEÑO RESULTADOS Q=9504 m 3 /d (1997) RESULTADOS Q= m 3 /d (2016) OBSERVACIONES TRH= TRH=V/Qm 2.17 días 1.48 días Coeficiente de cresimiento bacteriano(kb) 9Kb=(Tabla) Kb=0.46 día -1 Kb=0.46 día -1 Dispersión(d) d=x/1.0136(x 2 ) x d=0.08 d=0.08 Factor a a= 1+4Kb θ d a=1.15 a=1.15 Coliformes remanentes en el efluente, NMP/ 100ml (laguna facultativa) Laguna maduración de Ne={4ae(1-a/2d)}/(1-a) 2 Ni 1.8x x x x10 5 El efluente será apto para riego restringido hasta el año TRATAMIENTO DE LAS AGUAS RESIDUALES DEL RASTRO MUNICIPAL Y LA EMPACADORA. De acuerdo a los datos de calidad preliminares del efluente del rastro y de la empacadora de carnes, la concentración de DBO y DQO es la siguiente: Rastro Empacadora DBO mg/l 903 mg/l DQO 2375 mg/l 2143 mg/l Las aguas residuales de estas empresas, al incorporarse al drenage municipal, producen una sobrecarga que ocaciona una drástica reducción de la eficiencia de la planta de tratamiento. Ante esta situación, se hace necesario que estas empresas traten por separado sus aguas residuales.

7 4.1 Propuesta de tratamiento para las descargas del rastro y de la empacadora. Por la carga orgánica que contienen esas aguas se propone que se traten mediante reactores anaerobios de flujo ascendente (RAFA), con estas unidades se pueden lograr eficiencias de remoción del 80 al 90%. 4.2 Bases de diseño. - Carga orgánica aplicada 15 a 20 kg de DQO/m 3 - Velocidad de flujo en el sedimentador 1.2 a 1.5 m/h - Pendiente en el sedimentador 50% - Altura del reactor 4.5 D 6m - Longitud del vertedor 1l/s.m<Q/L<15l/s.m - Area superficial para recolección de gas 1m 3 gas por h/m 2. - Profundidad del lecho fluidizado 2.6m a 4.00m. La tabla 2 muestra un ejemplo de diseño para un reactor (RAFA) para 10 l/s. Tabla 2 Diseño de un Reactor de Flujo Ascendente, Q=10 l/s, DQO=2375 mg/l. CONCEPTO EUACIÓN DE DISEÑO RESULTADO OBSERVACIONES Area superficial (As) cs=24m 2 /m 2.d. As= Qm/ cs 36m 2 Profundidad de la cámara de sedimentación(d) D=QhTr/As 4m Ancho del sedimentador (A) A=LT/5 2.7m Ancho de la cámara de gas (C) C=A/B 0.9m Ancho total B=A+C 4.50m Velocidad en el canal recolector (VC) VC=Q/l 1.5l/s.m El efluente esperado del reactor es: DBO=170 mg/l. DQO=240 mg/l Volúmen de la cámara de gas (vg) 3 Vg 5m 3 /m 2.h

8 5. CONCLUSIONES. - Es factible la rehabilitación de las lagunas de Jerez, Zac, con un mínimo de obra civil (filtros de grava y mamparas) y con ello garantizar la eficiencia requerida hasta el año Cualquier acción de mejora deberá considerar la separación de las descargas del rastro y de la empacadora y exigir que los responsables de esas aguas las traten en forma independiente.