DESEMPEÑO DE UN FILTRO BIOLÓGICO COMBINADO E INDICADORES BIOLÓGICOS EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

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1 DESEMPEÑO DE UN FILTRO BIOLÓGICO COMBINADO E INDICADORES BIOLÓGICOS EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES Clara García Santana y Simón González Martínez Instituto de Ingeniería Universidad Nacional Autónoma de México, Ciudad Universitaria. 451 México, D.F; Tel. (5) , Fax (5) cgsymre@yahoo.com y sgm@pumas.iingen.unam.mx RESUMEN Se determinó la eficiencia en la remoción de contaminantes orgánicos en un filtro biológico combinado a nivel piloto, empacado con piedras de tezontle de 12 mm de diámetro, y la presencia de protozoarios ciliados como indicadores biológicos de la calidad del agua. Se aplicaron tres cargas orgánicas (3, 7 y 9 gdqo/m 2 d) de menor a mayor durante 3 dias y se tomaron muestras de influente y efluente cada 48 horas. Se determinó DQO, NH 4, NO 3, SST, PO 4, DBO 5 y el índice saprobio de acuerdo con Pantle y Buck. La mayor remoción de los parámetros evaluados se obtuvo en la segunda carga orgánica con excepción del NH 4 que tuvo una mayor oxidación en la primera debido principalmente, al tiempo de contacto entre el agua y las bacterias nitrificantes y a la concentración de NH 4 en el influente. La máxima producción de NO 3 también se obtuvo en la segunda carga, observándose un descenso en la tercera; posiblemente debido a la disminución en la remoción de NH 4. Estos resultados coinciden con los índices saprobios determinados (2.87, 2.8 y 2.8 respectivamente, ubicándose como α- mesosaprobias) lo que nos permite concluir que existe una relación entre los contaminantes orgánicos y la presencia de protozoarios ciliados. INTRODUCCIÓN En las últimas décadas se han desarrollado los procesos biológicos para el tratamiento de aguas residuales que emplean película biológica fija en lechos sumergidos. Algunos de éstos cumplen con las funciones de tratamiento biológico y filtración por lo que se les conoce como filtración combinada (Iwai and kitao, 1994). En este tipo de sistemas el lecho filtrante atrapa los sólidos suspendidos en el agua además de proveer una superficie en la que se desarrolla la película biológica, que transforman los contaminantes orgánicos.

2 En los sistemas acuáticos existen especies de microorganismos que sólo son capaces de sobrevivir en intervalos muy estrechos de condiciones ambientales; estas especies, su desarrollo y sus características fisiológicas son un reflejo del medio en el que se encuentran y por ello, estos organismos pueden ser utilizados como parámetros indicadores en la caracterización del medio donde se desarrollan y en la evaluación de los sistemas de tratamiento. MÉTODO Para realizar el trabajo experimental se utilizó un filtro biológico (figura 1) construido en la planta de tratamiento de aguas residuales de Ciudad Universitaria por Valdivia Soto (1998). Este filtro consiste de un tuvo de PVC hidráulico de 3 m de largo colocado en posición vertical; tiene un diámetro de 3 cm y un espesor de pared de 6 mm. La base del filtro lo forma una placa de acero de 6 mm de espesor; la cual soporta el medio filtrante. Una estructura de ángulo de acero en forma de tripié soporta el filtro. Se utilizó piedra de tezontle como medio filtrante ya que tiene una gran porosidad, rugosidad, área superficial y es de bajo costo. El tezontle fue tamizado (malla 11.7 mm) para obtener partículas del mismo tamaño. Se empacó el filtro hasta una altura de un metro (figura 1). Las características del filtro con el tezontle son las siguientes: Superficie expuesta para la fijación de biopelícula: 15.9 m 2 Porosidad: 5.2 % Volumen ocupado por el tezontle: 3.9 litros Volumen disponible para el agua: 3.6 litros Salida de lodos de lavado Punto de muestreo 3 Nivel de agua 3 m Al desagüe Tezontle 1 cm Punto de muestreo 1 Manguera de nivel 1 m Tanque de lavado con agua potable A Bomba peristáltica Alimentación de agua residual bomba A Bomba peristáltica Entrada de aire Punto de muestreo 2 Efluente Llave Figura 1. Diagrama del sistema de filtración. bomba

3 El agua residual utilizada proviene de Ciudad Universitaria y de la colonia Copilco el Alto. El agua se introdujo por la parte superior del filtro formando un flujo descendente que pasa a través del lecho filtrante. La operación fue continua, solamente suspendiendo la alimentación de agua para el retrolavado El retrolavado se realizó cada 48 horas y consistió en la aplicación de un chorro de agua y aire a alta presión desde el fondo del filtro, después de suspender la alimentación de agua residual. Se aplicaron tres cargas orgánicas medidas como DQO, iniciando con la menor; las cargas fueron de 3, 7, y 9 gdqo/m 2 d. Para mantener constante la carga se regulaba el caudal del influente según la variación de la DQO. Las cargas orgánicas representan tiempos de retención hidraúlica (TRH) de 2, 4 y 5 minutos, respectivamente. Toma de muestras Las muestras de agua para su análisis fueron tomadas del influente (punto de muestreo 1) y del efluente (punto de muestreo 2), a través de bombas peristálticas que muestrearon continuamente para formar muestras compuestas de 48 horas. Para la cuantificación de sólidos producidos en el sistema se tomaron muestras de 1 litros del total de agua que se obtenía con cada lavado (punto de muestreo 3). De esta manera fue posible cuantificar la biomasa producida cada 48 horas. También del agua de retrolavado se tomaron las muestras para la identificación y cuantificación de los protozoarios ciliados (punto de muestreo 3). Análisis fisicoquímicos Se tomaron registros diarios in situ de temperatura, ph y de oxígeno disuelto. La determinación de DQO, NO 3 y NH 4 se realizó por medio de fotometría; la DBO 5 utilizando un Oxitop ISI-6. Todos ellos de acuerdo con los Métodos Estándar (APHA, 1994). Los SST se cuantificaron en influente y efluente del filtro y en cada retrolavado. El método fue por diferencia de pesos, según los Métodos Estándar, y utilizando papel millipore de.45 µm para ambos casos. Análisis biológicos Para cada carga orgánica se determinaron las especies de protozoarios ciliados indicadores de acuerdo con la clave ilustrada de Curds y Cockburn (197), su abundancia relativa y el Índice Saprobio, de acuerdo con la escala propuesta por Pantle y Buck (1955).

4 RESULTADOS Análisis fisicoquímicos En la tabla 1 se muestran los valores promedio de los parámetros analizados durante las tres cargas orgánicas, así como su porcentaje de remoción. Tabla 1. Valores promedio de los resultados obtenidos durante las tres cargas orgánicas Parámetro CARGA ORGÁNICA (gdqo/m 2 d) IN EF % REM IN EF % REM IN EF % REM DQO t (mg/l) DBO (mg/l) SST (mg/l) NH 4 (mg/l) NO 3 (mg/l) Temp. ( C) ph OD (mg/l) IN = influente, EF = efluente, %REM = % remoción. El mayor porcentaje de remoción de los parámetros evaluados se obtuvo en la segunda carga orgánica, con excepción del NH 4 que tuvo una mayor oxidación en la primera observándose una disminución al incrementar la carga orgánica. De acuerdo con algunos informes de trabajos realizados con sistemas similares (Rogalla et al, 199), se puede obtener una oxidación casi completa de NH 4 con tiempos de retención hidráulica (TRH) de una hora, si sus concentraciones en el influente son inferiores de 2 mg/l. En este trabajo se utilizaron TRH de 2, 4 y 5 minutos con concentraciones de amonio de 33, 4 y 43 mg/l para cada una de las tres cargas orgánicas, respectivamente. Por otra parte, Chen y Cheng (1994) reportan una inhibición de bacterias nitrificantes por altas concentraciones de amonio en el influente. Sin embargo, en este trabajo la remoción de amonio estuvo afectada, principalmente, por el tiempo de contacto entre el agua y las bacterias nitrificantes, y en menor grado por la concentración de NH 4 en el influente. En la figura 2 se muestra la remoción de NH 4 y su transformación a NO 3. Durante la primera carga la concentración de NH 4 en el influente es muy variable, estabilizándose un poco en la segunda y con pocas fluctuaciones en la tercera. Sin embargo, a pesar de estas variaciones su concentración en el efluente es más constante lo que refleja la eficiencia del sistema para transformarlo a NO 3. Estos últimos tienen su mayor producción en la segunda carga orgánica, observándose un ligero descenso en la tercera debido a las fluctuaciones del NH 4 en el influente. En la figura 3 se muestra el comportamiento de la DQO t y su porcentaje de remoción. Las variaciones que se observan en el influente son producto de los cambios que hay en la concentración de contaminantes durante el día por la actividad de la población

5 tributaria. Estas variaciones son mayores en la primera y tercera cargas, en comparación con la segunda; esto se debió a la dilución de nutrientes en el influente por la época de lluvias. Sin embargo, a pesar de estas variaciones la concentración en el efluente es casi constante en las tres cargas lo que indica una buena eficiencia del sistema. En la segunda y tercera cargas, algunos valores de la DQO t del efluente son similares a los de la DQO s, lo que indica que el sistema es eficiente en la remoción de sólidos. No se observa una tendencia en la remoción de DQO y DBO. Según la tabla 1, el porciento de remoción de la DQO es del 85% para la primera y tercera cargas y de 6 NH4 INF. NH4 EFL. NO3 INF. NO3 EFL. 5 Concentración (mg/l) gdqo/m 2 d 7 gdqo/m 2 d 9 gdqo/m 2 d Figura 2. Producción de NO 3 y remoción de NH 4 en las tres cargas orgánicas. (cada punto de la gráfica fue medido cada 48 horas) 4 INF. EFL. EFL.sedimentado % remoción Concentración (mg/l) Remoción DQOt (%) 5 3 gdqo/m 1 l 3 gdqo/m 2 d 7 gdqo/m 2 d 9 gdqo/m 1 l 9 gdqo/m 1 dia 9 gdqo/m 2 d 1 Figura 3. Comportamiento y Porcentaje de remoción de la DQO en las tres cargas orgánicas (cada punto de la gráfica fue medido cada 48 horas)

6 81% para la segunda. La DBO presenta una remoción similar en las tres cargas orgánicas. Esto se confirma en la figura 4 donde se observa que la mayor remoción de SST se encuentra en la segunda carga orgánica, lo que confirma el buen funcionamiento del sistema como un filtro al atrapar los sólidos suspendidos en el agua entrante. Simultáneamente a la cuantificación de los SST, se determinaron los sólidos suspendidos volátiles (SSV) y se observó en las dos últimas cargas que todos los SST del efluente son volátiles (SSV), ya que todos ellos son producto del desprendimiento de la biopelícula. Esto confirma aún más la funcionalidad y eficiencia del sistema como filtro combinado. INF. EFL. % remoción Concentración (mg/l gdqo/m 2 d 7 gdqo/m 2 d 9 gdqo/m 9 gdqo/m 1 dia 2 d Figura 4. SST producidos en las tres cargas orgánicas (cada punto de la gráfica fue medido cada 48 horas) % Remoción En la tabla 2 se observa la producción de biomasa de las tres cargas orgánicas. La biomasa se incrementa con la carga debido a la mayor disponibilidad de alimento que tienen los microorganismos y que les permite reproducirse con mayor rapidez. Esto se confirma con el tiempo promedio de duplicación el cual disminuye con la carga, y el número de duplicaciones por día, las cuales se incrementan de 2.9 en la primera hasta 18.5 en la tercera carga. Carga orgánica Tabla 2. Biomasa producida en las tres cargas orgánicas Biomasa producida (g/d) Biomasa en tezontle (g) Tiempo promedio de duplicación* (h) No. duplicaciones por día 3 gdqo/m 2 d gdqo/m 2 d gdqo/m 2 d * = tiempo que tarda en duplicarse la biomasa y que podría ser el TRC.

7 Análisis biológicos En total se identificaron 18 especies de protozoarios ciliados; 13 de éstas presentes en la primera carga orgánica, 14 en la segunda y 1 en la tercera (tabla 3). Todas ellas se han registrado como habitantes típicos de aguas domésticas sin tratar o bajo tratamiento biológico, siendo en los filtros percoladores (Kinner y Curds, 1987; Sleigh, 1989) y los sistemas de lodos activados (Curds, 1969; Al-Shahwani y Horan, 1991; Slàdececk, 1981; Sleigh, 1989) en donde han sido observadas. En la tabla 4 se muestran los índices saprobios (SIPB) determinados para las tres cargas orgánicas. De acuerdo con los valores de SIPB, los influentes de las tres cargas son de grado polisaprobio; sin embargo, los efluentes se encuentran dentro del rango de las α-mesosaprobias con excepción de la segunda carga que tiene una tendencia hacia el rango de las β-mesosaprobias. Estos resultados fueron confirmados a través de la ecuación propuesta por Slàdececk (1981) para la determinación del índice saprobio (S) en función de la DBO, y concuerdan con los resultados obtenidos en los análisis fisicoquímicos, mostrando que el mayor desempeño del filtro se obtuvo en la segunda carga orgánica (7 gdqo/m 2 d). Tabla 3. Protozoarios ciliados encontrados en la fase estable de cada una de las tres cargas orgánicas PRESENCIA EN CARGA ORGÁNICA Y PROTOZOARIO CILIADO ABUNDACIA RELATIVA* 3 gdqo/m 2 d 7 gdqo/m 2 d 9 gdqo/m 2 d Aspidisca cicada Aspidisca lynceus Amphileptus sp Colpidium sp Cyclidium sp Chilodonella uncinata Epistylis plicatilis Glaucoma sp Litonotus fasciola Opercularia curvicaula Oxytricha fallas Paramecium aurelia Paramecium caudatum Podophrya fixa Stylonychia putrina Trachelophyllum pusillum Tokophrya quadripartita Vorticella microstoma Total de especies * De acuerdo con Pantle y Buck: 1= pocos, 3=algunos y 5 = muy abundantes Tabla 4. SIPB de las tres cargas orgánicas y su grado de saprobiedad Carga orgánica SIPB Saprobiedad Características 3 gdqo/m 2 día 2.87 α-mesosaprobia Agua fuertemente contaminada; poco OD, apenas 7 gdqo/m 2 día 2.8 α - βmesosaprobia comienza la mineralización, las especies son bacterias y 9 gdqo/m 2 día 2.8 α-mesosaprobia protistas

8 CONCLUSIONES El análisis de todos los resultados nos permite concluir que el filtro tuvo una mayor eficiencia en la segunda carga orgánica (7 gdqo/m 2 d), pues existe una mayor remoción de contaminantes en comparación con las otras dos cargas. La remoción de NH 4 se vio afectada principalmente por el tiempo de contacto entre el agua y las bacteris nitrificantes y en menor grado por la concentración de NH 4 en el influente. A mayor carga orgánica, mayor producción de biomasa, menor tiempo de duplicación y mayor número de duplicaciones por día. Los índices saprobios a través de las especies identificadas muestran que las tres cargas orgánicas se encuentran en el rango de las α-mesosaprobias y que sólo la segunda carga tiene una tendencia hacia la β-mesosaprobiedad es decir, una mejor calidad de agua. Los índices biológicos coinciden con los resultados obtenidos en los análisis fisicoquímicos; aún cuando no se utilicen las mismas escalas de medición. Si existe una relación entre los contaminantes orgánicos y la presencia de protozoarios ciliados, lo que nos permite utilizarlos como indicadores biológicos. BIBLIOGRAFÍA Al-Shahwani, S.M; y Horan, N.J. (1991). The use of Protozoa to indicate changes in the performance of activated sludge plants. Wat. Res. No. 6, 25: APHA, AWWA y WPFC (1992). Métodos normalizados para el análisis de aguas potables y residuales. Díaz de Santos. España. Curds, C.R. (1969). An ilustrated Key to the British Freshwater Ciliated Protozoa commonly found in Activated Sludge. W. P. R. Ministry of tecnology, HMSO. Technical paper No. 12. Londres, Inglaterra. 9pp. Chen, S. y Cheng, S. (1994). The enhancement of nitrification by indirect aeration and kinetic control in sumerged biofilm reactor. 18 th IAWQ Biennial International Conference & Exibition. Singapore. Pp Foissner W. (1992). Evaluating water quality using protozoa and saprobity indexes. Protocols in protozoology. Society of Protozoologists. Iwai S. y Kitao T. (1994). Wastewater treatment with microbial films. Technomic Publishing Co. Inc., Labcaster, Pensilvania.184 pp. Kinner, N.E. y Curds, C.R. (1987). Development of protozoa and Metazoan communities in rotating biological contactor biofilm. Arlington, Virginia, EUA. 1: Rogalla F., Parraudeau M., Bacquet G., Burbigot M., Sibong J. y Guilles P. (199). Nitrification and phosphorus precipitation with biological aereated filters. Reseach Journal WPCF. 62(2): Slàdececk, V. (1981). Indicator value of the genus Opercularia (Ciliata). Hydrobiology, 79: Sleigh M. A. (1989). Protozoa and Other protists. Cambridge University Press. N.Y. 342 pp. Valdivia S. C. (1998). Filtración combinada en lechos de tezontle para el tratamiento de aguas residuales. Tesis de maestría, Facultad de Ingeniería, UNAM. 98 pp.