I EVALUACIÓN DE LA EFICIENCIA DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES, LOCALIZADA EN IXTAPAN DE LA SAL, ESTADO DE MÉXICO

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1 I EVALUACIÓN DE LA EFICIENCIA DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES, LOCALIZADA EN IXTAPAN DE LA SAL, ESTADO DE MÉXICO Sofía Esperanza Garrido Hoyos (1) Dra. en Ciencias Químicas por la Universidad de Granada (España). Actualmente Profesora-Investigadora del Centro Interamericano de Recursos del Agua (CIRA), de la Universidad Autónoma del Estado de México. México. Líneas de investigación; Agua potable y Tratamiento de Aguas Residuales. Jaime Ixtlahuac García Ingeniero Civil de la Universidad Autónoma del Estado de México, Elizabeth Argüelles Hernández Ingeniero Químico del Instituto Tecnológico de Toluca, Direacción (1) : Unidad San Cayetano, Km 14.5 carretera Toluca - Ixtlahuaca. Toluca - México - Tel: (729) Fax: (729) RESUMEN En esta investigación se evaluó la eficiencia de un sistema de tratamiento de aguas residuales, integrado por un Reactor UASB, una Laguna Primaria y un Filtro Anaerobio. El sistema se localiza en la población de Ixtapan de la Sal, al sur del Estado de México y esta diseñado para tratar aguas residuales domésticas en clima subtropical, siendo su objetivo eliminar materia orgánica y microorganismos patógenos. Durante nueve meses se estudio el sistema, trabajando con un caudal de 1 L.p.s., obteniéndose la caracterización físico química del influente y efluente del sistema. Posteriormente estos datos se procesaron estadísticamente con la ayuda del programa de computación SPSS versión 7.0. Por otra parte también se obtuvieron las constantes biocinéticas para cada modulo, a partir de ecuaciones de reacción de primer orden. La eficiencia global del sistema en remoción de materia orgánica expresada como DQO total fue de 53.21%, estando por debajo de lo que se esperaba que era del 61%. En la remoción de microorganismos patógenos se obtuvo un valor de 4.7x10 4, el cual excede el limite marcado en la NOM-003-ECOL-1997 para aguas de servicio público en contacto directo u ocasional que es de 1000 UFC/100 ml. PALABRAS-CLAVE: Reactor UASB, Laguna Primaria, Filtro Anaerobio, Constantes Biocinéticas. INTRODUCCIÓN En México, durante las últimas décadas, el crecimiento poblacional y el desarrollo industrial han producido efectos que degradan al medio ambiente y deterioran sus recursos. Así los procesos de deterioro, como la contaminación del agua, han dado lugar a mayores riesgos a la salud y a la calidad de vida de la población. El gobierno federal ha manifestado una alta prioridad a la gestión del agua desde la década de los 70 s, y ha considerado la depuración de las aguas residuales como una herramienta de gestión, con el fin de controlar y prevenir la contaminación de los cuerpos de agua nacionales. Mención especifica requiere la reciente modificación al marco normativo (NOM-001-ECOL-1996), con motivo de la descarga de aguas residuales, publicada en 1997, en la que se establecen los límites máximos permisibles de contaminantes a cuerpos receptores de propiedad nacional, en función del uso del cuerpo de agua. Sin embargo, los cuerpos de agua siguen recibiendo descargas de aguas residuales municipales e industriales sin tratamiento, lo que implica que hay que intervenir más para poder llevar un control de las descargas. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 De acuerdo con el conteo de Población y Vivienda, elaborado por el Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática (INEGI), en 1995 México contaba con 91.1 millones de habitantes de los cuales 67.0 millones de habitantes (73.5%) se ubican en zonas urbanas y 24.1 millones (26.5%) en zonas rurales. En el medio rural imperan condiciones deficientes en la prestación de un servicio básico, como lo es el saneamiento, esto hace necesario la definición de estrategias para abatir los rezagos y avanzar en la prestación de este servicio. La situación actual de la depuración de las aguas residuales municipales en México, de acuerdo con el inventario nacional de plantas de tratamiento (CNA, Junio de 1998) es la siguiente: Se generan 235 m 3 /s de aguas residuales. Existen 914, sistemas de depuración de aguas residuales municipales, con una capacidad de m 3 /s. Hay 727, sistemas de depuración en operación, con una capacidad de m 3 /s, solo se tratan m 3 /s. Se descargan al ambiente 194 m 3 /s. Los tipos de procesos en los sistemas de depuración de aguas residuales municipales que operan son: Lagunas de estabilización 52%, Lodos activados convencional 22%, Tanque Imhoff 7%, Filtros biológicos 4%, Zanjas de oxidación 2%, otros 13%. Las lagunas de estabilización y lodos activados son los que tienen un mayor porcentaje de sistemas, de los cuales el 25% están fuera de operación. El sistema integral Reactor UASB Laguna Primaria Filtro Anaerobio, ofrece una alternativa más, en el tratamiento de aguas residuales municipales, para localidades con clima subtropical. Este sistema brinda las características de ser un sistema sencillo y económico para su construcción en el medio rural. Se espera una eficiencia en remoción de materia orgánica expresada como DQO del 61% que comparado con sistemas convencionales de 80-90% es aceptable considerando que los costos iniciales de operación y mantenimiento son mucho más bajos. MATERIAL Y MÉTODOS UBICACIÓN DEL SISTEMA Y CARACTERÍSTICAS DE LA LOCALIDAD. El sistema integral de tratamiento de aguas residuales municipales que es objeto de estudio se encuentra en la localidad de Ixtapan de la Sal. A lo largo de los últimos años se han realizado diversas investigaciones con modelo prototipo propiedad de la Universidad en esta localidad. El municipio de Ixtapan de la Sal se encuentra al sur del Estado de México. Sus coordenadas son: 80º de latitud norte y 90º de longitud oeste, con una altitud de 2020 metros sobre el nivel del mar. Predomina el clima semicalido y subhúmedo con lluvias en verano, contando con una temperatura media anual de 17.9 C y una mínima de 1 C. Tiene una extensión territorial Km 2. Atraviesan al municipio varios ríos que en la temporada de sequía se transforman en arroyos, 2 de los cuales, el de Calderón y el de Nenetzingo, ubicados en las barrancas del mismo nombre, unen sus aguas para dar nacimiento al Río Ixtapan, el cual, posteriormente cambia su nombre por el de Río San Jerónimo. Igual ocurre con los ríos Oaxusco y Tlapala. El Río Malinaltenango se pierde en un precipitado despeñadero, en el lugar conocido como El Abra y subterráneamente atraviesa las encantadoras grutas de Cacahuamilpa, para aparecer nuevamente en Dos Bocas, donde se une al Río Amacuzac. Un dato importante es el atractivo turístico de este lugar, ya que cuenta con balnearios de aguas termales y parque acuático recreativo. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 SISTEMA REACTOR UASB LAGUNA PRIMARIA FILTRO ANAEROBIO El sistema que fue motivo de este trabajo de investigación, operó con un caudal de estudio de 1 L.p.s. El reactor UASB tiene una capacidad de m 3, la laguna primaria de m 3 y el filtro anaerobio de m 3. En la figura 1 se presenta el plano del sistema integral Reactor UASB, Laguna Primaria y Filtro Anaerobio. Figura 1: Sistema integral Reactor UASB, Laguna Primaria y Filtro Anaerobio. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 DETERMINACIONES ANALÍTICAS El sistema se evalúo para conocer su eficiencia en el tratamiento del agua residual de la población de Ixtapan de la Sal, Estado de México, durante un período de 9 meses. Este sistema operó con un caudal de 1 L.p.s. El día 19 de Enero de 1998 se inicio la evaluación del sistema, tomando muestras compuestas cada ocho días en los puntos: influente general, efluente del reactor UASB, efluente de la laguna primaria y efluente del filtro anaerobio. El día 28 de Septiembre de 1998, finalizo la evaluación. Las muestras tomadas se identificaron para cada modulo como sigue: Modulo Muestra: Influente Muestra: Efluente Reactor UASB M1 M2 Laguna Primaria M2 M3 Filtro Anaerobio M3 M4 Las determinaciones analíticas que se realizaron a las muestras tomadas fueron: in-situ (temperatura y ph) y en laboratorio (color, conductividad, turbiedad, sólidos en sus diferentes formas, alcalinidad, acidez, dureza, DBO total y soluble, DQO total y soluble, nitritos, nitratos y nitrógeno amoniacal). Los análisis fueron realizados siguiendo los criterios de muestreo y conservación de las muestras propuestos por Standard Methods for Examination Wastewater (APHA, AWWA y WPCF) y las Normas Oficiales Mexicanas. De los resultados de los análisis obtenidos en el laboratorio, se eliminaron los datos que corresponden al tiempo de arranque del reactor UASB, aproximadamente son dos meses, del 19 de Enero al 16 de Marzo de Esto debido a que el arranque de este tipo de reactores es una actividad delicada e importante para lograr el éxito de la planta de tratamientos de aguas residuales. Durante esta fase la biomasa se reproduce y adapta al agua residual, por lo que es un período inestable y de transición. Se utilizo como inoculó para el reactor UASB, lodo activado digerido, con un tiempo aproximado de arranque de 2 meses, como se nombro anteriormente. El tratamiento de los datos obtenidos de los análisis, fue hecho por medio del programa estadístico SPSS versión 7.0, el cual nos da los valores mínimos, máximos, media y desviación estándar, para cada uno de los parámetros analizados. También se obtienen regresiones, correlaciones, relación entre las medias de cada dato, etc. Se realizaron correlaciones múltiples para obtener la relación directa o inversa de las variables dependientes en estudio (DBO y DQO) con las variables independientes de: Temperatura, ph, color, turbiedad, sólidos totales totales (STT), sólidos suspendidos volátiles (SSV). En el caso de que la correlación entre los parámetros de DBO y DQO con parámetros como: Temperatura, ph, color, turbiedad, STT, SSV, se acercara a un coeficiente de correlación cercano a 1, se realizo una regresión múltiple obteniendo los coeficientes para integrar la ecuación 1, la cual queda de la forma: y = a X 1 + b X 2 + c X 3 + C ecuación (1) donde; y = DBO o DQO. X 1, X 2, X 3 = Parámetros tales como :Temperatura, ph, color, turbiedad, STT, SSV. a, b, c = Coeficientes, el programa SPSS los dará automáticamente. C = Constante. Con la aplicación de esta ecuación, tendremos ventajas, ya que el valor de la DBO o DQO, se podrá determinar por medio de análisis más sencillos y rápidos de realizar. Para el procedimiento de comparación de medias el programa SPSS lo hará comparando pares de ellas, por ejemplo: Comparando la media de DBO (M1), con la media de DBO (M2), se podrá observar la variación de este parámetro durante el proceso de depuración. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 RESULTADOS Y DISCUSIÓN Los resultados de las determinaciones analíticas se dividieron en época de sequía del 19 de Enero al 25 de Mayo de 1998 y en época de lluvias del 01 de Junio al 28 de Septiembre de El Reactor UASB, operó con una temperatura que estuvo dentro de un rango mesofílico (T = C). El ph no fue el óptimo para la digestión anaerobia, ya que esta se lleva en un intervalo de 7.0 a 7.2, y en nuestro caso el ph fue de Las eficiencias en remoción de materia orgánica expresada como DBO y DQO en el reactor UASB fue baja, ya que la cantidad de carga orgánica que entro en el reactor UASB estuvo por debajo de las condiciones para las cuales se diseño, no cumpliendo así con las necesidades de alimentación de los microorganismos encargados de la degradación de la materia orgánica Las épocas de sequía y lluvias, también influyeron en el funcionamiento del reactor UASB, observándose un mejor funcionamiento en épocas de lluvias, debido principalmente a la temperatura, ya que en esta época se tiene una temperatura mayor y como consecuencia la velocidad de degradación de la materia orgánica aumenta. En la figura 2 (a y b) se presenta un ejemplo del % eficiencia en remoción de materia orgánica expresada como DQO (total y soluble) frente a la carga orgánica superficial, para mostrar la influencia de estas épocas en funcionamiento del reactor UASB. Figura 2(a): % Eficiencia en remoción de materia orgánica expresada como DQO (total y soluble) frente a la carga orgánica superficial, para el Reactor UASB. En época de sequía. 70 % Eficiencia DQOs y = x R 2 = DQOt y = x R 2 = kg /m 2.d DQO total DQO soluble Lineal (DQO total) Lineal (DQO soluble) ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 Figura 2(b): % Eficiencia en remoción de materia orgánica expresada como DQO (total y soluble) frente a la carga orgánica superficial, para el Reactor UASB. En época de lluvias. % Eficiencia DQOs y = x R 2 = DQOt y = x R 2 = kg /m 2.d b). De Jun-Sep. DQO total DQO soluble Lineal (DQO total) Lineal (DQO soluble) En el Reactor UASB se estudio el comportamiento cinético, utilizando la concentración de biomasa, X, expresada como mg SSV/l y la concentración de sustrato, S, expresada como mg DQO/l, para determinar las constantes biocinéticas. En la tabla 1, se dan los valores que se obtuvieron de las constantes biocinéticas. La eficiencia obtenida en la remoción de materia orgánica expresada como DBO (total y soluble), DQO (total y soluble) y STT, en el Reactor UASB durante la evaluación se muestra en la tabla 2. Respecto al funcionamiento de la Laguna primaria la cantidad de materia orgánica superficial promedio que entra a la Laguna Primaria es de 1160 kg DBO S /ha.d, lo cual indica que la laguna en época de sequía trabaja en parte como una laguna anaerobia ya que se aseguran condiciones anaerobias con cargas superficiales > de 1000 kg DBO S /ha.d. En época de lluvias la Laguna Primaria trabaja como laguna facultativa ya que la carga orgánica superficial que entra a esta laguna es de 660 kg DBO S /ha.d. Por lo tanto, la Laguna Primaria ni se comporta como facultativa ni como anaerobia en su totalidad y al igual que para el Reactor UASB, está muestra un mejor funcionamiento en época de lluvias a consecuencia del aumento de temperatura en esta época. Para el estudio de coliformes fecales en el efluente, se considero un modelo de flujo disperso. El valor obtenido es de 4.7x10 4 UFC/100 ml, el cual excede el limite permitido por la NOM-003-ECOL-1997, que es de 1000 UFC/100 ml para aguas de servicio al publico con contacto indirecto u ocasional. Las constantes biocinéticas que se obtuvieron para la laguna se presentan en la tabla 1. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 La eficiencia obtenida en la remoción de materia orgánica expresada como DBO (total y soluble), DQO (total y soluble) y STT, en la Laguna Primaria durante la evaluación se muestra en la tabla 2. Respecto al Filtro Anaerobio su funcionamiento no es el adecuado, debido a que la carga orgánica es muy alta (30.62 kg/m 3.d), excediendo los valores recomendados para un filtro. De igual manera, el tiempo de retención hidráulico no es el suficiente para que se degrade el sustrato de manera satisfactoria. Los valores de las constantes biocinéticas, se presentan en la tabla 1. Las eficiencias obtenidas no fueron las esperadas, debido al desprendimiento de biomasa del material de soporte del filtro, aumentando los sólidos suspendidos volátiles en el efluente. Por tal motivo, ésta situación dificulto el procesamiento de datos. En la tabla 2, se presentan las eficiencias en remoción de materia orgánica expresada como DBO T y DQO T, para el Filtro Anaerobio. Tabla 1. Constantes biocineticas de cada módulo. Constantes biocinéticas Reactor UASB Laguna Primaria Filtro Anaerobio Velocidad específica máxima de crecimiento (µ d d -1 max) Velocidad específica de consumo de materia 2.5x10-3 d d -1 orgánica (q S ) Constante de velocidad de muerte (k d ) d -1 Coeficiente de rendimiento (Y) Constante de velocidad máxima de consumo de sustrato (k) d d d -1 Comparando las constantes biocinéticas obtenidas en este trabajo, con las de otros autores, muestran una variación a causa de la diferencia en las condiciones de operación del sistema, dentro de las cuales se puede mencionar: caudal tratado, temperatura, ph, cargas orgánicas, tiempo de retención hidráulico, etc. Tabla 2. Eficiencias obtenidas en cada módulo. Materia orgánica % Eficiencia de remoción de materia orgánica expresada como: Reactor UASB Laguna Primaria Filtro Anaerobio DQO T DQO S DBO T DBO S STT La eficiencia global del sistema en remoción de materia orgánica expresada como DQO T es de 53.21%, estando por debajo de lo que se esperaba que era del 61%. Por otra parte, realizando correlaciones entre parámetros se observo que la cantidad de materia orgánica expresada como DQO soluble y DBO soluble, se relacionan directamente con parámetros físicos como: Color, turbiedad, STT, SSV, en donde estos parámetros aumentan con una mayor concentración de materia orgánica o viceversa. Este efecto se puede ver en la figura 3 DQO (soluble) y figura 4 DBO (soluble). En la tabla 3, se dan valores de coeficientes de correlación. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7

8 Figura 3: Correlación entre parámetros; mg STT/L, mg DBOs/L y mg SSV/L frente a mg DQO/L STT y = x R 2 = mg/l SSV y = x R 2 = DBOs y = x R 2 = mg DQOs/L SSV DBO soluble STT Lineal (SSV) Lineal (DBO soluble) Lineal (STT) Figura 4: Correlación entre parámetros; mg STT/L, mg SSV/L frente a mg DBOs/L STT y = x R 2 = mg/l SSV y = x R 2 = mg DBOs/L b). SSV Lineal (SSV) STT Lineal (STT) ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 8

9 Tabla 3. Valores de coeficientes de correlación. Correlación (R) Parámetros Reactor UASB Laguna Primaria Filtro Anaerobio DQOs Vs STT DQOs Vs SSV DQOs Vs Color DBOs Vs STT DBOs Vs SSV DBOs Vs Color Podemos decir entonces, que como variables dependientes la DQO soluble y la DBO soluble, se pueden relacionar con variables más fáciles de medir como son: El color, la turbiedad, STT, SSV y turbiedad. Por lo tanto, seleccionando como variables independientes: El color, los STT y los SSV, se realizó una regresión múltiple con la ayuda del programa SPSS, determinando así, los coeficientes para cada una de estas variables, los cuales sirvieron para integrar las siguientes ecuaciónes, las cuales permitirán calcular los valores para variables dependientes tales como: DQO S y DBO s de forma más fácil y rápida, para cada modulo. Las ecuaciones quedan para cada modulo de la siguiente forma: Reactor UASB. DQO S = X X x10-2 X ecuación (2) R = DBO S = 7x10-2 X X X ecuación (3) R = Laguna Primaria. DQO S = X X X ecuación (4) R = DBO S = X X x10-2 X ecuación (5) R = Filtro Anaerobio. DQO S = X X X ecuación (6) R = DBO S = X X X ecuación (7) R = Donde; X 1 = Sólidos suspendidos volátiles (SSV). X 2 = Sólidos totales totales (STT). X 3 = Color ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 9

10 CONCLUSIONES Con base en el estudio realizado, concluimos que: El sistema presentó un mejor funcionamiento en época de lluvias, debido a que la velocidad de reacción de remoción de materia orgánica aumenta con la temperatura y en está época la temperatura fue mayor en comparación con la época de sequía. Por otra parte la climatología de México para 1998, fue atípica, ya que las lluvias se retrasaron bastante. El ph ejerce en el reactor UASB una gran influencia como consecuencia de la existencia de diversos grupos bacterianos, cuyas actividades metabólicas han de estar perfectamente coordinadas para que esté sea estable. Las condiciones de ph medio en el reactor UASB son de 6.47 originando una mala producción de gas metano y una mala granulación. En la laguna primaria para el proceso de fotosíntesis, el rango de ph esta dentro de los limites para que este proceso se lleve a acabo, el rango de ph para la zona anaerobia no es satisfactorio ya que esta por debajo del recomendado. En el filtro anaerobio el ph en le influente es bajo, presentando una alta producciòn de ácidos grasos volátiles. En la correlación de parámetros se observa que la turbiedad, es un parámetro dependiente de los sólidos suspendidos volátiles. Este tipo de sólidos en su mayor parte es materia orgánica y la turbiedad tiene una variación notoria con respecto a la entrada y salida del sistema, por lo que se puede decir que existe una buena remoción de materia orgánica En los análisis de correlación realizados entre la carga orgánica superficial expresada en términos de DQO ó DBO (total y soluble) contra % Eficiencia de remoción de materia orgánica, se obtuvieron mejores coeficientes de correlación en época de lluvias y una buena eficiencia en remoción de materia orgánica en esta época, para cada modulo. Con una regresión múltiple, utilizando como variables independientes: El color, los STT y los SSV, se obtuvieron coeficientes para integrar una ecuación, la cual permitirá obtener de forma más fácil y rápida parámetros como: DQO soluble y DBO soluble, para cada modulo que integra el sistema. Haciendo una comparación de las constantes biocinéticas obtenidas en este trabajo con las observadas por otros autores, éstas muestran variación, a causa de la diferencia en las condiciones de operación del sistema, dentro de las cuales se pueden mencionar: caudal, temperatura, ph, cargas orgánicas, tiempo de retención hidráulico, etc. El Reactor UASB tiene una eficiencia en remoción de materia orgánica expresada como DBO total del 48.61%, la Laguna primaria del 23.18% y el Filtro Anaerobio de 17.78%. El sistema tiene una eficiencia global del 53.21% en remoción de materia orgánica expresada como DQO total, la cual se encuentra por debajo de la eficiencia esperada que era del 61%. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. APHA, AWWA, APCF. Métodos normalizados para el análisis de aguas potables y residuales. Ed. Díaz Santos, S. A. España Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática; Secretaría del Medio Ambiente, Recursos naturales y Pesca. Estadísticas del Medio Ambiente. México Comisión Nacional del Agua NOM-AA. Normas Oficiales Mexicanas; Dirección General de Normas de México. 5. Normas Oficiales Mexicanas. NOM-001-ECOL SEMARNAP. (Secretaría de Medio Ambiente, Recursos Naturales y Pesca). Diario Oficial, Lunes 6 de Enero de Normas Oficiales Mexicanas. NOM-003-ECOL (Secretaría de Medio Ambiente, Recursos Naturales y Pesca). Publicada en el Diario Oficial de la Federación el 21 de septiembre de ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 10

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