TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE CASAS HABITACIÓN: EVALUACIÓN IN SITU DE UN TREN DE TRATAMIENTO

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1 TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE CASAS HABITACIÓN: EVALUACIÓN IN SITU DE UN TREN DE TRATAMIENTO Jérôme Laugier, Juan Manuel Morgan y Adalberto Noyola* Instituto de Ingeniería, Bioprocesos ambientales, Universidad Nacional Autónoma de México, Apdo.Postal ; 04510, Ciudad Universitaria, Coyoacan, México D.F., México. FAX s:jlaugier@caramail.com,jmms@pumas.iingen.unam.mx, *noyola@pumas.iingen.unam.mx RESUMEN Se presenta la evaluación de un tren de tratamiento de aguas residuales para casas habitación, consistente en una fosa séptica convencional, de una microplanta y de un filtro lecho de raíces como postratamiento. La microplanta esta constituida por una zona de recepción del agua residual, de zonas anaerobias y aerobias puestas en serie, así como de una zona de sedimentación secundaria. El tren de tratamiento se instaló en una casa habitación para su evaluación in situ. Bajo las condiciones de descarga de aguas residuales de la casa habitación durante 5 meses, se observó una remoción en la DQO total, en los SST y en el nitrógeno total de 92.5%, 88.7% y 88.7% respectivamente. La instalación funciona con un solo compresor de diafragma con una potencia de 60 W. La planta presenta características que permiten una fácil instalación y operación en casas habitación. INTRODUCCIÓN Una de las alternativas que coadyuva a la solución del problema del manejo, tratamiento y disposición final de las aguas residuales domésticas es el tratamiento in situ de ellas, lo cual evita la incorporación de caudales al drenaje municipal, produce agua tratada que puede infiltrarse o reusarse en actividades domésticas, además de apoyar el desarrollo de una cultura del agua más evolucionada en México. En este sentido se diseñó, construyó y arrancó un sistema de tratamiento de aguas residuales domésticas (Figura 1) que por sus características de diseño cuenta con las siguientes ventajas:

2 La configuración del tren de tratamiento es sencillo que acopla sistemas de tratamiento de fácil mantenimiento. El sistema de tratamiento puede ser incorporado el paisaje en un jardín que lo hace pasar desaparecido. No provoca problemas de malos olores, ruido ni vectores. Se produce agua con la suficiente calidad para ser reusada en actividades domésticas (previa desinfección) no de primer uso. El objetivo de este trabajo fue la evaluación de la operación del tren de tratamiento bajo condiciones reales de operación. Entrada agua residual (1) (2) (3) (4) FOSA SÉPTICA MICROPLANTA FILTRO LECHO DE RAÍCES CISTERNA DE ALMACENAMIENTO DE AGUA Salida agua tratada Figura 1. Tren de tratamiento con sus diferentes elementos. DESCRIPCION DEL TREN DE TRATAMIENTO Fosa séptica Esta unidad consiste en un tanque de polietileno de alta densidad con 1 m 3 de volumen. En este equipo se retiene un 40% de los sólidos suspendidos y sedimentables contenidos en el agua residual permitiendo su hidrólisis y degradación. En esta unidad se llegan a alcanzar remociones de DBO 5 del orden de 30 a 40% (Task force, 1992). Microplanta El diseño de este sistema de tratamiento se encuentra protegido por la solicitud de patente # IMPI. El sistema consta básicamente de tres zonas: una zona céntrica para la recepción del agua residual, dos zonas anaerobias empacadas con anillos de plástico y seis zonas aerobias empacadas también con anillos de plástico, zonas puestas en serie. Se establece una corriente de recirculación de agua entre la última zona aerobia y la primera anaerobia a través de un sistema airlift, con el objeto de desnitrificar. La unidad incorpora una zona de clarificación secundaria del agua tratada (Morgan- Sagastume et al., 1998). En la Figura 2 se muestra un esquema del reactor con sus compartimientos. El diseño de este equipo se basa en los resultados descritos por Morgan-Sagastume

3 et al., (1994). El único equipo eléctrico utilizado en esta planta y en todo el tren de tratamiento es un compresor de diafragma de 60 W que maneja 70 L de aire por minuto. Figura 2. Vista de la microplanta de tratamiento biológico con sus diferentes compartimientos. Patente # IMPI. Filtro lecho de raíces Este sistema del tipo natural construido consiste de un lecho relleno con grava en la cual se siembran plantas vegetales. El tratamiento del agua residual lo realizan los microorganismos que se desarrollan sobre la superficie de las piedras porosas de grava, así como en las raíces de las plantas que poseen microzonas aerobias. El filtro lecho de raíces es con flujo subsuperficial lo cual garantiza el control de malos olores, la no proliferación de vectores, evita el contacto con el agua negra y permite una vista agradable (Zachritz, 1993). Este tipo de sistemas poseen prácticamente un nulo costo de operación y mantenimiento y se obtienen eficacias de remoción de materia orgánica y coliformes respectivamente por arriba del 95% y del 99% (Badkoubi et al., 1998). En la Figura 3 se muestra un esquema del filtro lecho de raíces utilizado. Las plantas utilizadas fueron del tipo Phragmites Autralis.

4 2.20 m 0.10 m Phragmite con sistema de raíces Pozo de control 0.50 m Entrada Distribución (PVC Ø0.05 m) Nivel de agua 0.25 m Grava 0.20 m Salida Colector (PVC Ø 0.05 m) Entrada Pendiente 1.8% Salida Figura 3. Representación del filtro lecho de raíces. Cisterna de almacenamiento de agua Se utilizó un tanque de polietileno de 1000 L del cual se extrajo agua para el riego de cultivos. PRUEBAS DE CAMPO Y LABORATORIO La evaluación del funcionamiento del tren de tratamiento se llevó a cabo durante 17 semanas en las cuales se efectuaron 3 análisis por semana de 4 puntos de muestreo mostrados en la Figura 1. Los análisis consistieron en la determinación de la Demanda Química de Oxígeno total y soluble (DQOt y DQOs), Sólidos Suspendidos Totales (SST), Nitratos (N-NO 3 - ) y Nitritos (N-NO 2 - ), Nitrógeno Total Kejdahl (N-NTK), Nitrógeno amoniacal (N-NH 4 + ), Fosfatos totales (P-PO 4 - ), ph, alcalinidad y O 2 disuelto.

5 RESULTADOS Etapa de arranque Los efluentes de la casa habitación que suman la descarga de sanitarios, regaderas y cocina se hacen ingresar al tren de tratamiento una vez que éste se encuentre lleno con agua a su nivel de diseño y se hayan hecho las pruebas hidráulicas necesarias. La etapa de arranque implica básicamente el desarrollo de microorganismos sobre el empaque de la microplanta así como la siembra y acrecimiento de las plantas en el filtro lecho de raíces. Esta etapa duró aproximadamente un mes. Con el objeto de favorecer el crecimiento de la biomasa en los lapsos de tiempo en el que no hubo descargas de agua residual se estableció una corriente de recirculación de agua tratada entre la cisterna y la fosa séptica con un flujo de 60 L/min. Remoción de la DQO total y DQO soluble La Figura 4 muestra el perfil de concentraciones de la DQO(t) en los distintos puntos de muestreo (Figura 1) dentro del tren de tratamiento. En la fosa séptica se obtuvo una eliminación de la DQO(t) del 20%, mientras que en la microplanta fue del 80% y en el filtro lecho de raíces del 32%. La remoción global de DQO(t) en el tren de tratamiento fue del 90%. Como es posible observar en la Figura 4, se obtiene un agua tratada con una calidad constante independientemente de las fluctuaciones de concentración y flujo del agua residual efluente. La remoción global de DQO(s) fue de 92%.

6 Agua residual Salida Fosa séptica Salida Microplanta Salida Filtro lecho de raíces 800 mg O2/L Figura 4. Muestras Variación de la DQO total en condiciones reales de descarga de agua residual en la entrada de aguas residuales (1), en la entrada del reactor de tratamiento (2), en la entrada del filtro biológico (3) y en la salida de la cisterna de recepción (4). Remoción de SST En la Figura 5 se muestran los perfiles de concentraciones de sólidos suspendidos totales el los distintos puntos de muestreo a través del tren de tratamiento (Figura 1). En la fosa séptica se obtuvo una remoción del 40%, en la microplanta del 84% y en el filtro lecho de raíces del 27%. El tren de tratamiento efectuó una remoción global del 93% de sólidos suspendidos totales. Al cabo de 17 semanas de operación se acumularon 4.06 Kg de sólidos distribuidos como sigue: 1.72 Kg en la fosa séptica, 2.20 Kg en la microplanta y 0.14 Kg en el filtro lecho de raíces. Es necesario aclarar que tanto en la microplanta como en el filtro lecho de raíces, los sólidos acumulados contemplan tanto el sólido retenido del agua residual como aquel generado por la reproducción de los microorganismos. El balance de sólidos arroja una generación de 0.03 Kg/d de sólidos. Con el objeto de no saturar con sólidos la microplanta, se recomienda su purga total cada año de operación continua.

7 mg/l Agua residual Salida Fosa séptica Salida Microplanta Salida Filtro lecho de raíces Figura 5. Muestras Variación de los SST en condiciones reales de descarga de agua residual en la entrada de aguas residuales (1), en la entrada del reactor de tratamiento (2), en la entrada del filtro biológico (3) y en la salida de la cisterna de recepción (4). Remoción del Nitrógeno La remoción de nitrógeno se lleva a cabo al combinar los procesos biológicos de nitrificación y desnitrificación, los cuales están presentes en la microplanta y el filtro lecho de raíces. En la tabla 1 se presentan las eficacias de remoción del nitrógeno determinado. Tabla 1. Porcentajes de remoción de materia orgánica y nitrógeno. DQO(t) % N-NTK % + N-NH 4 % Fosa séptica Microplanta Filtro lecho de raíces Tren de tratamiento Global El mayor porcentaje de remoción tanto de materia orgánica como de nitrógeno se lleva a cabo en la microplanta. La remoción de nitrógeno es importante para mitigar

8 el desarrollo de algas en el tanque de almacenamiento y en los sanitarios si es que se reusa el agua tratada en la descarga de sanitarios. Para llevar a cabo la nitrificación se requiere mantener un nivel de O 2 en la zona aerobia cercano a los 2 mgo 2 /L. La eliminación de Nitrógeno total se logra con una relación de recirculación de 2:1 (2 m 3 /d) entre las zonas aerobia y anaerobia. Aspectos Generales La planta opera con un solo equipo que consiste en un compresor de diafragma de 60 W. El costo de operación es aproximadamente de 1.5 $USD al mes por concepto de consumo de energía eléctrica. Cada año es necesario cambiar el diafragma del compresor con un costo aproximado de 75 $USD. Por otro lado se especifica la purga anual de la microplanta con un costo de 30 $USD anuales. Esto equivale a un costo mensual total de 10 $USD mensuales. Para un reúso con contacto humano se recomienda la desinfección del agua tratada con hipoclorito de sodio (dosis de 2 mg/l). Se necesita un requerimiento de área entre 12 y 17 m 2. La profundidad de las excavaciones varían de 1.5 m hasta 2.2 m. CONCLUSIONES Se muestra un proceso de tratamiento adecuado para casas habitación con bajos requerimientos de energía, además de no impactar con ruido, malos olores y vectores a los habitantes de la casa. La planta presenta características que permiten una fácil instalación y operación en casas habitación. El funcionamiento del tren de tratamiento es autónomo. El único equipo accionado por electricidad es el compresor de diafragma que requiere la microplanta. Con ello se obtiene un bajo consumo energético y fácil mantenimiento. En condiciones reales de descarga de las aguas residuales en el tren de tratamiento, se obtiene un agua tratada apta para reúso con eficacias por arriba del 90% en la eliminación de DQO (total y soluble) y SST.

9 AGRADECIMIENTOS Se agradece a ROTOPLAS S.A. de C.V. la donación de la fosa séptica y la cisterna para este proyecto. REFERENCIAS Badkoubi, A. Ganjidoust, H. Ghaderi, A. and Rajabi, A. (1998). Performance of a subsurface constructed wetland in Iran. Water Science and Technology, 38, 1, pp Morgan-Sagastume, J.M. Jiménez, B. and Noyola, A. (1994). Anaerobic-anoxicaerobic process with recycling and separated biomass for organic carbon and nitrogen removal from wastwater. Environmental Technology, Vol. 15, pp Morgan-Sagastume, J.M. Prunier, S. y Noyola, A. (1998). Evaluación de un prototipo de planta de tratamiento in situ de aguas residuales para casas habitación. Memorias del Congreso Inter Americano de Ingenieria Sanitaria, Lima Perú, 2 a 5 de noviembre. Task force, J. (1992). Design of Municipal Wastewater Treatment Plants. Manual of Practice No. 8. New York, Water Environmental Federation and American Society of Civil Engineers, pp Zachritz, W.-H. (1993). Performance Attributes of Large Scale Submerged Surface Constructed Wetlands for Domestic Wastewater Treatement, in : Subsurface Flow Construcded Wetlands Conference. El Paso, Center for Environmental Resource Management of University of Texas at El Paso ed, pp