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1 Evaluación alcatraz (Zantedeschia Aethiopica)como planta emergente en un pantano tipo flujo horizontal de subsuperfície para el tratamiento de aguas residuales de una granja porcícola Title Evaluación alcatraz (Zantedeschia Aethiopica)como planta emergente en un pantano tipo flujo horizontal de subsuperfície para el tratamiento de aguas residuales de una granja porcícola Issue Date Publisher Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Item Type Tesis de maestría Downloaded 12/07/ :36:29 Link to Item

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3 EVALUACIÓN DEL ALCATRAZ (ZANTEDESCHIA AETHIOPICA) COMO PLANTA EMERGENTE EN UN PANTANO TIPO FLUJO HORIZONTAL DE SUBSUPERFICIE PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE UNA GRANJA PORCICOLA Tesis presentada por JOSE ALONSO FIGUEROA GALLEGOS Presentada ante la Dirección Académica de la Universidad Virtual del Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey como requisito parcial para optar al título de MAESTRO EN CIENCIAS Especialidad en Ingeniería Ambiental Mayo de 1999

4 EVALUACIÓN DEL ALCATRAZ (ZANTEDESCHIA AETHIOPICA) COMO PLANTA EMERGENTE EN UN PANTANO TIPO FLUJO HORIZONTAL DE SUBSUPERFICIE PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE UNA GRANJA PORCICOLA Tesis presentada por JOSE ALONSO FIGUEROA GALLEGOS Aprobada en contenido y estilo por: Dra. María del Socorro Marcos de Khan Directora del Programa de Graduados en Ingenierías Y Tecnologías

5 DEDICATORIA A Esther, Carla y Talía: Por todo lo que significan para mí. A mis padres: Gracias por apoyarme constantemente en cada paso que emprendo. A mis hermanos: Por el apoyo que me han brindado a lo largo de mi vida. Dedico esta tesis a todas aquellas personas que han estado constantemente a lo largo de mi existencia, a las que dieron algo de sí mismas para que el día de hoy finalice e inicie otra etapa.

6 AGRADECIMIENTOS A mi asesor: Gracias por su paciencia y por todo su apoyo en el desarrollo de este trabajo. A los miembros del jurado: Gracias por su tiempo, consejos y sugerencias. Al ITESM Campus Chiapas: Gracias por esta maravillosa oportunidad de estudiar. Al Laboratorio de Calidad del Agua de la Comisión Nacional del Agua. Gracias por todo su apoyo. iv

7 RESUMEN EVALUACION DEL ALCATRAZ {ZANTEDESCHIA AETHIOPICA) COMO PLANTA EMERGENTE EN UN PANTANO TIPO FLUJO HORIZONTAL DE SUBSUPERFICIE PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE UNA GRANJA PORCICOLA MAYO DE 1999 JOSE ALONSO FIGUEROA GALLEGOS INGENIERO CIVIL UNIVERSIDAD AUTONOMA DE CHIAPAS Dirigida por el M.l. José Ignacio Luján Figueroa Esta investigación se desarrolló en una pequeña granja porcícola ubicada en La Trinitaria, Chiapas, en la cual se diseñaron, construyeron y evaluaron dos pantanos del tipo flujo horizontal de subsuperficie. En uno se le sembraron alcatraces (zantedeschia aethiopica) como plantas emergentes y en el otro no se le sembró ninguna planta. Durante tres meses se tomaron muestras en el influente de los pantanos (IP), el efluente del pantano sin alcatraces (EPSA) y el efluente del pantano con alcatraces (EPCA). Al realizar un análisis comparativo de los resultados, se encontraron mejores porcentajes en la remoción de la Demanda Química de oxígeno (DQO), Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO5), fosfato total como PO4, nitrógeno amoniacal, Sólidos Suspendidos Totales (SST), conductividad eléctrica, turbiedad, color, sulfatos, coliformes totales y fecales en el pantano con plantas emergentes. V

8 ÍNDICE DE CONTENIDO Página AGRADECIMIENTOS RESUMEN iv v ÍNDICE DE TABLAS x ÍNDICE DE FIGURAS ÍNDICE DE GRAFICAS ÍNDICE DE FOTOGRAFIAS xi xii xiii Capítulo 1. INTRODUCCIÓN Ubicación del proyecto Objetivo de la tesis Hipótesis Alcance de la investigación Producto final obtenido Organización del documento 8 2. TEORIA DE PANTANOS Selección del sitio Topografía Permeabilidad del terreno Factores hidrológicos Precipitación Evapotranspiración 11 vi

9 2.2.3 Balance hidrológico Factores hidráulicos Diseño hidráulico Profundidad del agua Tiempo de residencia hidráulico Consideraciones de diseño Área superficial Carga orgánica Medio poroso Vegetación 20 3 METODOLOGIA DE INVESTIGACION Introducción Descripción del sistema de tratamiento Estanque anaerobio Pantanos construidos Programa de muestreo Caracterización 29 4 DISEÑO DE LOS PANTANOS CONSTRUIDOS Bases de diseño Pretratamiento: Estanque anaerobio Diseño de los pantanos Instalaciones complementarias Disposición del efluente Facilidades 4 6 vii

10 5 DISCUSION Y RESULTADOS Resultados de campo Resultados de laboratorio Conclusión 53 6 RECOMENDACIONES Y TRABAJOS FUTUROS 55 ANEXO A. REPORTES DE LABORATORIO 58 ANEXO B. MEMORIA FOTOGRAFICA 72 BIBLIOGRAFÍA 88 viii

11 ÍNDICE DE TABLAS Tabla Página 2.1 Características de algunos materiales usados como substrato Requerimientos de algunas plantas acuáticas emergentes Calendarización de toma de muestras Parámetros obtenidos en laboratorio Composición granulométrica del substrato Resumen de parámetros de diseño Concentraciones promedio obtenidas durante la investigación Valor agregado del pantano con alcatraces en la remoción de contaminantes 54 A.1 Temperatura 59 A.2 ph de campo 60 A.3 DQO 61 A.4 DB A.5 Fosfato total como PO 4 63 A.6 N-amoniacal 64 A.7 SST 65 A.8 Conductividad eléctrica 66 A.9 Turbiedad 67 A. 10 Color 68 A.11 Sulfato total como S ix

12 A. 12 Coliformes totales 70 A. 13 Coliformes fecales 71 X

13 INDICE DE FIGURAS Figura Página 3.1 Diagrama del modelo Esquema del estanque anaerobio Esquema del pantano de tipo flujo horizontal de subsuperficie con plantas emergentes Planta de pantanos construidos Sección transversal de los pantanos construidos 45 xi

14 INDICE DE GRAFICAS Gráfica Página A.1 Temperatura 59 A.2 ph de campo A.3 DQO A.4 DB A.5 Fosfato total como PO4 6 3 A.6 N-amoniacal 64 A.7 SST 65 A.8 Conductividad eléctrica A.9 Turbiedad A. 10 Color 68 A. 11 Sulfato total como S A. 12 Coliformes totales 70 A. 13 Coliformes fecales 71 xii

15 INDICE DE FOTOGRAFIAS Fotografía Página B.1 Vista de la porqueriza 73 B.2 Estanque anaerobio 74 B.3 Excavación para construir los pantanos 75 B.4 Tubería de entrada a pantanos 76 B.5 Tubería para salida del agua de los pantanos 77 B.6 Paredes y piso de pantanos revestidos con mortero cemento-arena 78 B.7 Colocación de material filtrante en pantanos 79 B.8 Colocación de piedras a la entrada para distribución del flujo 80 B.9 Vista de pantanos 81 B.10 Pantanos construidos 82 B.11 Pantano con plantas emergentes 83 B.12 Monitoreo de oxígeno disuelto 84 B.13 Agregando color para determinar tiempo de detención 85 B.14 Toma de muestras 86 B.15 Transporte de muestras 87 xiii

16 CAPITULO 1 INTRODUCCION Cuando se analizan los sistemas de tratamiento en el contexto de los efectos medioambientales, las demandas de energía y los efectos económicos hacen que los pantanos sean una alternativa para tomarse seriamente en consideración. Las descargas de aguas residuales a pantanos no son una nueva práctica (Best, Ronnie. 1987), muchas sociedades han descargado aguas residuales en éstos por siglos. Recientemente, especialmente con el reconocimiento de las múltiples propiedades de los pantanos, en la búsqueda de soluciones innovadoras para proteger el medio ambiente (Nelson, Mark. 1997), enmarcadas en las corrientes actuales de "regresemos a lo básico", se ha empezado a evaluar el efecto de la disposición de agua residual a estos ecosistemas. El concepto se basa en el uso, no el abuso de los pantanos para tratar las aguas, y una de las mejores alternativas de reutilizar el agua es creando hábitats multifuncionales en pantanos. Como no siempre se dispone de un pantano natural, construir pantanos puede ser una buena opción. El objetivo es lograr que estos pantanos funcionen lo más cercano posible a un pantano natural. Generalmente son construidos y i

17 manejados con el uso de vegetación que "mejore" la calidad del agua. Las raíces de las plantas usadas liberan al medio circundante pequeñas cantidades de compuestos orgánicos como azúcares o aminoácidos, que favorecen a ciertos microorganismos que viven a su alrededor, cerca de las mismas. Así se genera una especie de esfera de influencia de la raíz que se conoce con el nombre de rizósfera (Vázquez Yañes, Carlos. 1989). Los microorganismos favorecidos por la rizósfera pueden a su vez favorecer a la planta, al acelerar la solubilización de nutrientes del suelo o de la materia orgánica descompuesta o, como sucede con ciertas bacterias, fijando el nitrógeno atmosférico. El uso de pantanos o humedales construidos puede ser un tratamiento alternativo (EPA, 1988), éstos son sistemas con plantas acuáticas, de flujo superficial o de flujo de subsuperficie. Algunas de las ventajas (Nelson, Mark y Hammer, Donald.1989) de su uso: a) Menor costo de operación o mantenimiento que los sistemas tradicionales. b) Bajos requerimientos técnicos. c) No requieren el agregado de productos químicos que dañan al medio ambiente. d) Los mecanismos de tratamiento son naturales (biológicos y microbiológicos). e) Adiciona paisajes bonitos. f) Efectividad y confianza en el tratamiento de aguas residuales. 2

18 g) Tolerante a las fluctuaciones hidrológicas y cargas contaminantes. h) Provee indirectamente el crecimiento de ambientes verdes, vida silvestre, áreas recreacionales. Algunas desventajas son: a) Requerimiento de áreas grandes de terreno. b) Datos no precisos de diseño y criterios de operación. c) Complejidad hidrobiológica y falta de entendimiento de importantes procesos dinámicos. d) Requerimiento de pendientes topográficas y geología de la zona adecuadas. e) Susceptibilidad a inundaciones. El pantano construido tipo flujo horizontal de subsuperficie evita: a) El mal olor. b) La proliferación de moscas y mosquitos. c) El contacto de personas y animales con los efluentes residuales. Este último es una unidad que consiste en un canal o fosa en cuyo fondo se coloca un material impermeable al agua, el cual puede ser plástico, suelo poco permeable o concreto. El canal se llena con un substrato poroso (suelo, arena o grava) para soportar el crecimiento de las plantas acuáticas emergentes. El agua residual fluye por gravedad y horizontalmente a través del substrato en el cual entra en contacto con una mezcla de microorganismos facultativos que viven en asociación con las raíces de las plantas en el substrato. 3

19 En el documento Pantanos (1998), se señala que durante el paso del agua a través de la rizósfera, la materia orgánica es descompuesta, el nitrógeno es desnitrificado y el fósforo es fijado en el suelo. Los pantanos artificiales para el tratamiento de aguas residuales son sistemas simples que permiten el establecimiento de una amplia variedad de mecanismos para retener o degradar contaminantes contenidos en las aguas residuales, en estos sistemas el oxígeno es transportado por las plantas hacia el suelo inundado, lo cual facilita la respiración de las raíces de las plantas, se crean áreas localizadas de metabolismo aeróbico y sus reacciones químicas asociadas cerca de la rizósfera. Simultáneamente, la acumulación de materia orgánica crea zonas de metabolismo anaerobio y sus reacciones químicas asociadas. La eliminación de contaminantes en un sistema de tratamiento de aguas residuales que utilizan plantas acuáticas, se atribuye a la asimilación de la planta y a los procesos bioquímicos o físicos que ocurren en la zona de la raíz, la columna de agua y el sedimento. El transporte de oxígeno hacia la zona de la raíz crea un microambiente oxidado que estimula las transformaciones de los compuestos de carbono y nitrógeno. La asimilación de contaminantes por las plantas y los procesos microbianos que se desarrollan en la zona de la raíz dependen de la capacidad de las plantas para transportar oxígeno hacia esta zona. Por lo anterior, se concluye que las reacciones del tratamiento dependen de la filtración, adsorción, precipitación y degradación microbiológica, debidas tanto al material usado como medio filtrante y de la vegetación cultivada. 4

20 Dentro de la vegetación investigada destacan plantas de la clase Typha, Scirpus, Phragmites, así como pasto (EPA.1988) y otras (Hammer, Donald. 1989). La ubicación de Chiapas en el cinturón tropical (Alvarez del Toro, M. 1993), una de las zonas de mayor diversidad biológica del mundo, su propia historia geológica, su influencia oceánica en ambas vertientes y su accidentada topografía, hacen de esta región de México una de las áreas con mayor biodiversidad alojada en una variedad de hábitats distribuidos en los numerosos ecosistemas. De ahí que se diga que, con excepción del desierto y las nieves eternas, todos los ambientes representados en el territorio nacional se encuentran en Chiapas. Para el buen funcionamiento de un sistema de tratamiento de aguas residuales por medio de pantanos artificiales, una restricción importante es contar con la planta adecuada que sea consistente con el ecosistema local, por lo que si se quiere introducir a Chiapas este tipo de tratamiento, se debe identificar la(s) planta(s) que permita(n) que el sistema sea operable. 1.1 Ubicación del provecto La investigación se realizó en una pequeña granja porcícola, en donde se mantienen de 5 a 10 cerdos para engorda, como todas las granjas de la zona, tiene problemas relacionados a la disposición de las aguas residuales producto del lavado de las instalaciones, generando malos olores y proliferación de moscas. Esta granja se encuentra en La Trinitaria, Chiapas, que se localiza a 1540 MSNM, 5

21 15 07' de latitud norte y 92 03' de longitud oeste del meridiano de Greenwich; es cabecera del municipio del mismo nombre y se sitúa al sureste del estado de Chiapas. La localidad de La Trinitaria se desarrolla en una extensión aproximada de 118 ha, mismas que se consideran como área urbana. El clima de la localidad es semicálido-subhúmedo, con temperatura media de 18.6 C, temperatura máxima media de 24.8 C, temperatura mínima media de 12.5 C, precipitación anual de 908 mm, evaporación de 1535 mm, con dirección predominante de los vientos norte y velocidades entre 2.1 m/s y 6 m/s, el régimen de lluvias es de mayo a octubre. La localidad se asienta en una planicie cuyo rango de pendientes varía de 0 a 5%. En esta zona se detectan rocas sedimentarias en donde predomina la caliza (INEGI. 1995). 1.2 Objetivo de la tesis Diseñar, construir y evaluar un pantano de tipo flujo horizontal de subsuperficie, utilizando alcatraces (zantedeschia aethiopica) como plantas emergentes (Vázquez Y., Carlos. 1989), para tratar las aguas residuales procedentes del aseo de animales e instalaciones de una pequeña granja porcícola. 1.3 Hipótesis La especie zantedeschia aethiopica, crece y se desarrolla bien como planta emergente en un pantano de tipo flujo horizontal de subsuperficie, absorbiendo 6

22 nutrientes de las aguas residuales, creando sus raíces un microambiente propicio de metabolismo aeróbico y anaerobio y sus reacciones químicas asociadas, que contribuyen al tratamiento de las aguas residuales. 1.4 Alcance de la investigación Con la presente investigación se pretende evaluar la efectividad del alcatraz {zantedeschia aethiopica) en la reducción de la demanda química de oxígeno (DQO), la demanda bioquímica de oxígeno (DB0 5 ), fosfato total (como PO4), nitrógeno amoniacal, sólidos suspendidos totales (SST), conductividad eléctrica, turbiedad, color, sulfato total (como SO4), coliformes totales y fecales, así como observar las posibles variaciones en la temperatura y ph del agua. 1.5 Producto final obtenido Al realizar un análisis comparativo de los resultados, se encontró que el pantano con alcatraces incrementa su efectividad en la remoción de la DQO en un 13%, la DBO5 en 13%, los fosfatos (como P0 4 ) en 17.67%, N-amoniacal en 10.6%, los SST en 9.62%, la conductividad eléctrica en 5.3%, la turbiedad en 11.02%, el color en 1.15%, los sulfatos (como SO4) en 9.25%, los coliformes totales en 1.21% y los coliformes fecales en 1.46% con respecto al pantano sin plantas emergentes. 7

23 1.6 Organización del documento En el capítulo 1, se destacan las ventajas y desventajas en el uso de pantanos construidos, se describe la ubicación del proyecto, se plantea el objetivo, la hipótesis y el alcance de la investigación. En el capítulo 2, se hace una revisión bibliográfica destacando los aspectos relativos a la selección del sitio de construcción, los factores hidrológicos e hidráulicos y las consideraciones de diseño de los pantanos. En el capítulo 3, se plantea la metodología de la investigación. En el capítulo 4, se presenta el diseño de los pantanos tomando en consideración los aspectos mencionados en la revisión bibliográfica. En el capítulo 5, se presenta la discusión, los resultados y la conclusión, después de cinco meses de operación del sistema. En el capítulo 6, se presentan algunas recomendaciones y se sugieren algunos trabajos para dar continuidad a la investigación. En el anexo A, se presentan los resultados completos de los análisis de laboratorio así como las gráficas correspondientes. 8

24 En el anexo B, se presenta la memoria fotográfica de los trabajos de la investigación. 9

25 CAPITULO 2 TEORIA DE PANTANOS Al diseñar y construir un pantano de flujo horizontal de subsuperficie, es necesario ser cuidadoso al tomar en consideración todas las teorías y modelos que gobiernan su funcionamiento, por lo que a continuación se hace una revisión de los elementos más importantes. 2.1 Selección del sitio Topografía Un pantano puede ser construido casi en cualquier lugar (EPA. 1988). Unicamente hay que tomar en consideración que rellenar y excavar representan los mayores costos de inversión, por lo que un lugar con pendientes naturales hasta ocho por ciento (EPA. 1993) es bueno para mantener en el pantano un gradiente hidráulico aceptable Permeabilidad del terreno Para evitar la entrada y/o salida de agua al pantano por filtraciones, EPA (1988) recomienda colocar una capa de arcilla o membrana de material sintético en las paredes del pantano que contienen al substrato en donde se desarrollarán 10

26 las plantas emergentes. 2.2 Factores hidrológicos Precipitación La complejidad hidrológica hace que el diseño y la interpretación de datos sean difíciles en el sistema de pantanos. No es posible ignorar los cambios del volumen de agua debido a las lluvias, pues contribuye en el flujo total, propiciando por un lado la dilución del agua contaminada, y por el otro, el aumento de velocidades, reduciendo el tiempo de retención. Mediciones históricas de lluvias pueden ser usadas para estimar la precipitación Evapotranspiración La evapotranspiración contribuye a una disminución en el volumen de agua en el pantano, propiciando una mayor concentración, disminuyendo las velocidades, aumentando el tiempo de retención en el pantano. Métodos empíricos como los de Thomthwaite (Aparicio, F. 1992) pueden ser usados para su cálculo Balance hidrológico El balance de agua, está gobernado por la ecuación de continuidad que la n

27 podemos expresar de la siguiente manera (EPA. 1988) Q -Qe+P-E, donde: Q = flujo del influente, volumen / tiempo Q e = flujo del efluente, volumen / tiempo P = precipitación, volumen / tiempo Et = evapotranspiración, volumen / tiempo dv = cambio de volumen en el tiempo di En la ecuación anterior se desprecian las pérdidas por infiltración en el suelo y las entradas de aguas procedentes del subsuelo, ya que se recomienda colocar material impermeable en el lecho del pantano. 2.3 Factores hidráulicos Diseño hidráulico Cuando se espera tener un flujo de subsuperficie en un pantano, es común usar la Ley de Darcy, que gobierna el flujo de agua en un medio poroso: Q = KsAS 12

28 donde: 3 Q = flujo de agua, m /día Ks = conductividad hidráulica de una unidad de área del medio perpendicular a la 3 2 dirección del flujo, m /m /día 2 A S = área total de sección transversal, perpendicular al flujo, m = gradiente hidráulico del agua en el sistema, dh/dl, m/m Esta ley no es estrictamente aplicable a un pantano con flujo horizontal de subsuperficie, por las limitaciones físicas que presenta el sistema. La ley de Darcy asume que el flujo es laminar, esto no es estrictamente cierto en un pantano en donde el medio poroso es a base de pedazos de roca o grava, en este caso se presenta un flujo turbulento si se diseña con un gradiente hidráulico grande. La ley de Darcy asume también que el flujo debe ser constante y uniforme, pero en un pantano, varía el gasto de entrada con el de salida debido a la precipitación, la evapotranspiración y la sedimentación de los sólidos del agua. También pueden ocurrir "cortos circuitos" en el substrato por una porosidad desigual de los materiales o por no tener cuidado en la colocación del material. Todos los factores señalados anteriormente limitan la aplicabilidad de la Ley de Darcy, pero a pesar de lo anterior el modelo de Darcy nos proporciona una buena herramienta para el diseño de los pantanos de flujo horizontal de subsuperficie, siempre y cuando se utilice un tamaño moderado de grava (menor o igual a 4 cm), (EPA. 1993)., si se construye apropiadamente para evitar los "cortos circuitos", si se diseña con pendientes hidráulicas pequeñas para tratar que el flujo sea laminar, si se diseña con el gasto promedio de entradas y salidas, y si se consideran las pérdidas de 13

29 agua por infiltración y evapotranspiración Profundidad del agua El nivel del agua es un factor importante para la selección y mantenimiento de la vegetación del pantano, EPA (1988) reporta profundidades de agua entre 0.30 m y 0.76 m en pantanos experimentales construidos en Estados Unidos de América y Europa. Algunos estudios reportados (Hammer. 1989), seleccionaron 0.6 m considerando acumulaciones de 25 mm/año con lo que se deduce que a 20 años el tiempo de vida del pantano se habría agotado, mientras que Wood. A (1994) reporta como rango típico de 0.10 a 1.0 m Tiempo de residencia hidráulico Los cambios de características en la construcción del sistema de pantanos se deben al tiempo de residencia hidráulico necesario para el tratamiento (dependiendo de ello se presentan incrementos efectivos y la estabilización del sistema se da cuando ocurre la maduración). Antes de todo esto se necesitan conceptos para redefinir y especificar valores de las reacciones cinéticas, por lo que las ecuaciones de régimen hidráulico pueden ser usadas con confianza. Los tiempos de residencia reportados están en un rango de 3-6 días (Hammer, D. 1989), para lograr remover los patógenos, sólidos y amonio. EPA (1988) y (1993) 14

30 reporta valores de 6-7 y hasta 1 o 2 días, mientras que Wood. A (1994) reporta como rango típico de 2 a 7 días. 2.4 Consideraciones de diseño Area superficial Los organismos acuáticos tienen un papel importante dentro de las consideraciones para la construcción de pantanos, por ser ellos parte del medio por los cuales pueden ser removidos determinados contaminantes, cumpliendo una función importante en la transformación de substancias orgánicas e inorgánicas. La importancia del proceso microbiano en la construcción de pantanos da lugar a investigar a fondo su morfología, estructura de células, sus funciones y con ello sus requerimientos nutricionales; habitat (temperatura, concentración de sales y ph), reproducción y crecimiento poblacional, cinética de crecimiento microbiano (Hammer, D. 1989). El proceso de tratamiento en un pantano de flujo horizontal de subsuperficie se puede modelar con una ecuación cinética de primer orden (EPA. 1993). Estudios en filtros en donde el mecanismo predominante es la degradación microbiológica, han encontrado una tasa de reducción de DB0 5 que puede ser modelada con la ecuación general siguiente (EPA y 1993): 15

31 en donde: C = Concentración de la materia orgánica oxidable (biodegradable), al inicio del tiempo t, mg/í DB0 5 C e = Concentración remanente de materia orgánica después de un tiempo t, mg/l DB0 5 Kt = Constante de degradación de primer orden de la temperatura C, días" 1 T = Tiempo de residencia hidráulico, días Al estar reflejada la temperatura en el valor de Kt, éste se puede calcular (Eckenfelder, W. 1989) como: Kt=K 2O (0) T * 2 donde: K20 = constante de reacción a 20 C 0= función de la temperatura T= temperatura del agua, C La constante de degradación de primer orden de la temperatura puede ser calculada según Tchobanoglous y Culp (EPA. 1993): 16

32 K, = K2o(1.06) T - : Un valor típico dado por EPA (1993) para es días" Basados en experiencias Europeas y Norteamericanas (EPA. 1988), reportan características de algunos materiales, tabla 2.1. Medio Max 10% del tamaño Porosidad Conductividad K20 Filtrante Máximo mm (n) hidráulica (Ks) m 3 /m 2.d Arena fina Arena media Arena gruesa Tabla 2.1. Características de algunos materiales usados como substrato Como se vio anteriormente el flujo de las aguas residuales a través del pantano, es un flujo a través de un medio poroso y está gobernado por la ley de Darcy (Linsley, R. y Francini, J. 1988): Q= KsAS El flujo o gasto se puede definir como: Q = 17

33 por lo que el tiempo de residencia hidráulico en un pantano: T = donde: 3 Q = flujo o gasto, m /día V = volumen del medio filtrante, m n = porosidad del material, expresado como fracción T = tiempo de residencia hidráulico, días 3 En base a lo anterior, se obtiene (EPA. 1988) que el área superficial se puede calcular: As = donde: C e = DB0 5 del efluente, mg/l C = DB0 5 del influente, mg/l Kt = constante de reacción de primer orden que depende de la temperatura, día" 1 d = profundidad del pantano, metros n = porosidad del material, expresado como fracción 2 A s = área superficial del pantano, m 18

34 2.4.2 Carga orgánica De acuerdo a resultados de sistemas piloto (EPA. 1988), los pantanos pueden significativamente reducir la demanda bioquímica de oxígeno (DB0 5 ), sólidos suspendidos, nitrógeno, así como metales. Los resultados muestran (Hammer, D. 1989) que la remoción de DB0 5 promedio en pantanos ha sido del orden del 90%, con un nivel de influente promedio de 113 mg/l para una aplicación de alrededor de 5 cm/día, con lo que se ha obtenido un efluente de 11 mg/l. Wood, A. (1994) señala como máxima carga de DBO en el influente como de 75 kg/ha/día Medio poroso En este tipo de sistema se han ensayado diversos materiales diferentes de suelo y grava. Alexander y col. (1986) realizaron experimentos utilizando materiales como dolomita, ladrillo molido y cenizas de una planta de producción de energía. Encontraron comportamientos similares a los de grava y arena. Turner (1994) evaluó las propiedades hidráulicas de pantanos artificiales de flujo subsuperficial en los que utilizó desechos de llantas como substrato, se reportaron mejores conductividades hidráulicas que los substratos de grava. 19

35 Juárez B. y Rico Rodríguez (1976) reportan expresiones de Alien Hazen, Schlichter y Terzaghi para calcular la permeabilidad de los materiales en base a su granulometría Vegetación Son pocas las variedades de plantas para pantanos usadas en el tratamiento de aguas residuales, el porcentaje total con respecto a las familias de ambiente forestal van en un orden del 1 %, las plantas de especies emergentes o flotantes son preferentemente usadas en el diseño (Hammer, D. 1989). En general es importante considerar con respecto a las plantas acuáticas para tratamiento de aguas: a) La clasificación a la que pertenecen con el fin de ubicar bajo que ambientes específicos crecen en mayor proporción. b) La posible forma de adaptación que pueden tener con respecto al ambiente contaminado. c) Tasas de reproducción y crecimiento. d) Tipo de nutrientes requeridos. e) Como se realiza la interacción entre la vegetación y el agua residual a tratar. EPA (1988) reporta algunas características de las plantas acuáticas emergentes utilizadas en pantanos, tabla 2.2: 20

36 Nombre Temp. Deseable Temp. Germ. Tol. Max. a la Rango Científico C C salinidad ppm ph Typha spp Phragmites com Juncus spp Scirpus spp Carex spp Tabla 2.2. Requerimientos de algunas plantas acuáticas emergentes EPA (1993) reporta las siguientes plantas utilizadas en pantanos: Peltandra virgínica, typha latifolia, pontederia cordata, zantedeschia aethiopica, calocafía esculenta, sagittaria latifolia, phragmites, canna flaccida, scirpus americanus, hedychium coronatum, y recomienda como densidad típica de plantas en el pantano, espaciadas 0.46 m entre ellas. EPA (1998) reporta como plantas típicas usadas en pantanos para el tratamiento de aguas residuales de animales: hidrocotyle umbrellata, iris versicolor, virginicus, juncus effusus, phragmites australis, sagittaria spp, scirpus spp, typha spp, zizaniopsis miliacea. 21

37 CAPITULO 3 METODOLOGIA DE INVESTIGACION 3.1 Introducción En una granja porcícola con animales confinados, el manejo y disposición de los desechos son los mayores problemas. Los desechos producidos en este tipo de instalaciones son líquidos, semisólidos y sólidos, estos residuos son difíciles de manejar siendo un foco potencial de contaminación. El agua que se usa para el aseo de las instalaciones, obviamente se contamina con los residuos y los propietarios de las granjas deben responder por la calidad del agua que descargan ya sea a los alcantarillados municipales o a otros cuerpos receptores. 3.2 Descripción del sistema de tratamiento El sistema (figura 3.1) constó de porqueriza de 3.15 x 4.15 m, con piso de cemento-arena, puerta metálica y techo de lámina de asbesto-cemento (fotografía B.1), en donde se mantuvieron 5 cerdos para engorda que se adquirieron pequeños y cuando tuvieron un peso aproximado de 100 kg. se vendieron. Para limpiar los desechos producidos por los animales, las instalaciones se lavaban todos los días entre 7:30 y 9:30 de mañana, utilizando en promedio 80 litros de agua por cerdo, ésta escurría por gravedad a través de una tubería de PVC de 4 pulgadas de diámetro a un estanque anaerobio (Figura 3.2, Fotografía B.2), el 22

38 Instalaciones para cerdos Pre-tratamiento (laguna anaerobia) - Salida de lodos Pantano 1 con plantas emergentes Pantano 2 sin plantas emergentes Aguas tratadas descargadas a un pastizal Figura 3.1 Diagrama del modelo efluente del estanque estaba conectado a los pantanos (Figura 3.3) por medio de tuberías de PVC de 4 pulgadas de diámetro (Fotografía B.4), el agua del efluente de los pantanos se regaba a un pastizal. 23

39 3.3 Estanque anaerobio Ya que los cerdos producen una cantidad apreciable de sólidos, no fue posible conducir directamente las aguas producto del lavado de las instalaciones a los pantanos. Para evitar el taponamiento del medio filtrante fue necesario optar por un pretratamiento. D2-4m Figura 3.2 Esquema del estanque anaerobio Tomando en consideración que una de las ventajas de los pantanos construidos tipo flujo horizontal de subsuperficie es evitar el contacto de personas y animales con las aguas residuales, en primera instancia se pensó en la construcción de una fosa séptica o un digestor, que también cumpliera con este propósito, pero al hacer el análisis económico, la construcción de este tipo de pretratamiento se salía del presupuesto destinado. Por tal motivo se acondicionó una excavación existente para que funcionara como un estanque anaerobio. A esta excavación se le revistieron de concreto las paredes, para impermeabilizarla (Fotografía B.2), quedando con la siguiente geometría y dimensiones: base circular de 3.7 m de diámetro, paredes con 76.5 de inclinación. La tubería del 24

40 efluente del estanque que fue el influente de los pantanos se colocó a 0.70 m de la base del estanque, al estar funcionando el sistema el agua tenía una profundidad de 1.25 m. 3.4 Pantanos construidos Se diseñaron (sección 4.3) y construyeron dos pantanos tipo flujo horizontal de subsuperficie, las excavaciones fueron de 2.90 m de largo, 1.18 m de ancho y 1.0 m de profundidad para cada uno (Fotografía B.3), las paredes de los pantanos fueron revestidas de concreto para impermeabilizarlas (Fotografía B.6), a la entrada de los pantanos, 1.18 m a lo ancho y 0.54 m a lo largo, se colocaron piedras para distribuir el flujo (Fotografía B.8), posteriormente se colocó el medio permeable de los pantanos que consistió de un material arenoso que se encontró en el mismo terreno, al que se realizó un análisis granulométrico (Tabla 4.1) y determinó teóricamente su permeabilidad. En el pantano número uno se sembraron plantas de alcatraz a cada 30 cm, se optó por esta separación entre plantas, atendiendo a experiencias reportadas (EPA. 1993), en el pantano número dos, con las mismas características que el pantano número uno, no se le sembraron plantas. 25

41 Alcatraces Influente Piedras Substrato Efluente Figura 3.3 Esquema del pantano tipo flujo horizontal de subsuperficie con plantas emergentes De acuerdo al objetivo de la tesis (sección 1.2) de evaluar un pantano tipo flujo horizontal de subsuperficie, utilizando alcatraces como plantas emergentes para tratar aguas residuales porcícolas, fue necesario construir un pantano con las mismas características pero sin plantas emergentes, para que sirviera como testigo y poder obtener las posibles diferencias en eficiencias, estas diferencias serían atribútales a los alcatraces. Se escogieron estas plantas emergentes debido a que en la zona, es común verlas florecer donde hay escurrimientos de aguas jabonosas o residuales domésticas. Por la limitación del tiempo para la realización de la investigación, en el pantano se sembraron plantas desarrolladas conseguidas con los vecinos, en lugar de bulbos. Una vez construido el sistema, antes de tener los puercos, se llenó con agua limpia el estanque y los pantanos, a fines de mes de septiembre de 1998 se compraron los cerdos pequeños, comenzando el experimento. En los primeros días de octubre, se sembraron los alcatraces en el pantano número uno, al principio algunas hojas se marchitaron, pero el proceso de aclimatación fue muy 26

42 rápido. 3.5 Programa de muestreo El programa de muestreo (tabla 3.1), se estableció de acuerdo a la disponibilidad del Laboratorio de Calidad del Agua de la Gerencia Regional Frontera Sur de la Comisión Nacional del Agua, por ser este laboratorio el más confiable de la localidad y por la disposición institucional de apoyo a la investigación. En la tabla 3.1 se muestra la calendarización para la entrega de muestras. Muestra no. Fecha 1 2/12/98 2 9/12/ /01/ /01/ /01/99 6 2/02/99 7 9/02/ /02/ /02/ /03/99 Tabla 3.1 Calendarización de toma de muestras En las fechas indicadas, el laboratorio recibió las muestras entre las 13:00 y 14:00 horas. En virtud de que la granja se encuentra a 2.5 horas de Tuxtla Gutiérrez, el muestreo se iniciaba aproximadamente a las 7:00 horas. Las muestras del influente de los pantanos (IP), fueron muestras simples 27

43 que se tomaron dentro del estanque anaerobio, justamente donde se encontraba la tubería de salida del estanque y que correspondía a la entrada de los pantanos, este procedimiento se hacía con una cubeta de plástico, teniendo el cuidado de hacer a un lado la nata que se formaba en la superficie del agua del estanque y tratando de llenar la cubeta a la altura de entrada a la tubería, inmediatamente se le medía en campo la temperatura y el ph del agua con un potenciómetro marca Colé Palmer. Cada muestra consistió de 2 litros de agua que se le agregaban 2 mi de H2SO4 como conservador, esta muestra era para los análisis de la DQO y Nitrógeno; 2 litros de agua sin conservador, para los análisis fisicoquúnicos y 200 mi de agua sin ningún conservador para análisis bacteriológico. Las muestras tomadas del efluente del pantano sin alcatraces (EPSA) y del efluente del pantano con alcatraces (EPCA), fueron muestras compuestas; al necesitarse 4.2 litros de agua de cada efluente, se obtenían 500 mi cada 15 minutos (Fotografía B.14), una vez obtenidas, al igual que las muestras del (IP), se colocaban en garrafas de plástico de 3 litros de capacidad. Las muestras para los análisis bacteriológicos se colocaban en bolsas de plástico esterilizadas. Todo lo anterior se realizó atendiendo a las instrucciones del laboratorio para cumplir con la normatívidad vigente indicada en la tabla 3.2. Una vez obtenidas las muestras, se colocaban en un recipiente térmico con 28

44 hielo para transportarlas (Fotografía B.15); en el trayecto era necesario drenar el recipiente cada hora aproximadamente para evitar la contaminación con agua de deshielo. 3.6 Caracterización Los parámetros analizados fueron: En campo: tiempo de residencia hidráulico, oxígeno disuelto dentro de los pantanos, temperatura del agua y ph. Para medir el tiempo de residencia hidráulico, se utilizaron 250 mi de color vegetal rojo, disuelto en 18 litros de agua, agregados en el influente de cada pantano, midiéndose el tiempo en aparecer en los efluentes. El oxígeno disuelto se midió en una ocasión, en la fecha en que se tomó la muestra 9, con un oxímetro YSI modelo 54 A. Dentro de cada pantano se hicieron agujeros hasta encontrar la superficie del agua, a la mitad en el sentido transversal y en el longitudinal a 0.20, 1.20 y 2.20 m desde el inicio de los mismos. 3.2 En Laboratorio se determinaron los parámetros que se indican en la tabla 29

45 Parámetro PH Conductividad eléctrica Turbiedad Color N-Nitratos (como N) Sulfatos (como S0 4 ) DB0 5 DQO Fosfato total (como P0 4 ) N-amoniacal Sólidos Suspendidos Totales Coliformes Totales Coliformes Fecales Método de prueba NOM-AA-O NOM-AA NOM-AA NOM-AA NOM-AA NOM-AA NOM-AA NOM-AA NOM-AA NOM-AA NOM-AA NOM-AA NOM-AA Tabla 3.2 Parámetros obtenidos en laboratorio La temperatura es básicamente importante por su efecto en otras propiedades, por ejemplo, aceleración de reacciones químicas, reducción en la solubilidad de los gases, intensificación de sabores y olores, etc. La intensidad de acidez o alcalinidad de una muestra se mide en la escala ph, que en realidad mide la concentración de iones hidrógeno presentes. La conductividad eléctrica da una indicación de la concentración total de iones existentes en el agua objeto de análisis, la conductividad aumenta con la concentración de iones disueltos en la muestra, variando además con la naturaleza de dichos iones. Como la conductividad eléctrica de las soluciones acuosas de sales, aumenta con la temperatura, se toma como temperatura patrón la de 25 C. 30

46 La presencia de sólidos coloidales le da al líquido una apariencia nebulosa que es poco atractiva y puede ser dañina. La turbiedad en el agua puede causarla partículas de arcilla y limo, los desechos residuales e industriales o la presencia de numerosos microorganismos. Aún el agua pura no es incolora, tiene un tinte azul verdoso pálido en grandes volúmenes. Es necesario diferenciar entre el color verdadero debido al material en solución y el color aparente debido a la materia suspendida. El método está basado en la comparación de la muestra de agua con una solución de cloruro de cobalto y cloroplatinato potásico, expresándose la intensidad de color en función de los miligramos de Pt contenidos en un litro. Esta solución presenta un máximo de absorción en 460 nm y físicamente solo son correctas las medidas que se hacen con esta longitud de onda. El nitrógeno es un elemento importante ya que las reacciones biológicas solo pueden efectuarse en presencia de suficiente nitrógeno. Existen cuatro formas principales por lo que toca a la ingeniería de salud pública: a) Nitrógeno orgánico. Nitrógeno en la forma de proteínas, amino ácidos y urea. b) Nitrógeno amoniacal. Nitrógeno como sales de amoníaco; por ejemplo (NH 4 ) 2 C03, o como amoníaco libre. c) Nitrógeno de nitritos. Una etapa intermedia de oxidación que 31

47 normalmente no se presenta en grandes cantidades, d) Nitrógeno de nitratos. Producto final de la oxidación del nitrógeno. La oxidación de los compuestos de nitrógeno, se le llama nitrificación y la reducción del nitrógeno, se le llama desnitrificación. Los sulfatos son requeridos por las bacterias para la síntesis de la materia orgánica. El sulfato es reducido biológicamente en condiciones anaerobias. Los compuestos orgánicos por lo regular son inestables y pueden oxidarse biológica o químicamente para obtener productos finales estables, relativamente inertes, tales como CO2, NO3, H2O. La indicación del contenido orgánico de un desecho se obtiene al medir la cantidad de oxígeno que se requiere para su estabilización: a) Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO5), mide la cantidad de oxígeno que requieren los microorganismos mientras descomponen la materia orgánica. b) Demanda Química de Oxígeno (DQO), mide la oxidación química que usa una mezcla hirviendo de dicromato de potasio y ácido sulfúrico concentrado. El fósforo es también esencial para el crecimiento de algas y otros organismos biológicos. Las formas usuales de fósforo encontradas en soluciones 32

48 acuosas incluye los ortofosfatos, polifosfatos y fosfato orgánico. Los sólidos suspendidos totales permite estimar la cantidad de materia en suspensión que lleva el agua. Organismos patógenos se encuentran en las aguas residuales que pueden causar enfermedades a animales y humanos. Las principales categorías de organismos patógenos encontradas en las aguas residuales son bacterias, virus, protozoarios y helmintos. Debido a que el número de organismos patógenos presentes en las aguas residuales son pocos y difíciles de cuantificar e identificar, los coliformes, que son más numerosos y más fáciles de medir, son comúnmente usados como organismos indicadores. 33

49 CAPITULO 4 DISEÑO DE LOS PANTANOS CONSTRUIDOS 4.1 Bases de diseño Según datos reportados por EPA. (1997) cada puerco genera en promedio 0.21 kg DB0 5 por día. El consumo de agua es del orden: ( 5 puercos ) ( 80 l/puerco/día ) = 400 litros de agua por día. Aportándose como carga orgánica: ( 5 puercos ) ( 0.21 kg DBO s / puerco / día ) = 1.05 kg DBO^día. 4.2 Pretratamiento: Estanque anaerobio Tal como fue descrito en la sección 3.3, las aguas residuales son primeramente llevadas a un estanque a cielo abierto de m 3 de capacidad (fotografía B.2), por lo que se aprovechó esta excavación, revisándose para ver si se cumple con lo requerimientos de un estanque anaerobio. La concentración a la entrada del pretratamiento: 34

50 C 0 = (1.05 kg DBOg/día.) / ( 400 litros de agua por día.) = kg DBOg/litro = = 2,625 mg DB0 5 / litro Para un estanque anaerobio la carga volumétrica recomendable según Mará y Pearson citado en IMTA (1998) es: Cv= 20 (T)-100 donde: Cv= carga volumétrica recomendable en gramos/m /día T= temperatura mínima promedio 3 Por lo que Cv= 20(12.5)-100= 150 gr/m 3 /d Según Meiring (1968), Mará y Pearson (1986), citados en IMTA (1998): C v = donde: 3 C v = carga volumétrica en gr/m /día 3 L = DBO5 en el influente en gr/m (=mg/l) 3 V a = volumen de la laguna anaerobia en m para este caso: 35

51 Cv = (2625 gr/rrf) (0.4 rrtvdía) / 9.34 rrf= gr/m" como la carga volumétrica recomendable es mayor que la carga volumétrica de trabajo se acepta. El tiempo de retención = Volumen / Gasto de entrada T=( 9.34 m 3 )/ (0.4 m 3 /d) = días Si cada puerco genera m 3 /d de residuos (EPA. 1997), el volumen de lodos generados cada 6 meses, que es el período de engorda de los cerdos: V= (180 d) (0.006 m 3 /d/cerdo) (5 cerdos) = 5.4 m 3 Considerando la base del estanque de 3.7 m de diámetro, alcanzará una altura de 50 cm, por lo que deben extraerse por medio de la tubería indicada en la figura 3.1. Remoción de DBO s en porcentaje según recomendaciones de Mará y Pearson (1986), basadas en las de Meiring et al (1968) citados en IMTA (1998): %Reducción de DB0 5 = 2 (T) + 20 = 2 (12.5) + 20 = 45% Por lo anterior, la concentración de DB0 5 a la salida de la laguna, que será la misma a la entrada al pantano: Ci = (2625 mgdboj/litro) ( 0.55) = mgdbo«/litro 36

52 Según INEGI (1995), en la Trinitaria evaporan mm al año, en promedio 4.2 mm al día, lo que corresponde para el área de la laguna m 2 a un volumen de litros por día, por lo que el gasto de entrada a los pantanos será: Q= 400 l/día l/día = l/día. Ajustando la concentración de DBO5: C = mg DB0 5 / litro 4.3 Diseño de los pantanos Los litros por día se dividirán en dos, puesto que de acuerdo al proyecto, la mitad del gasto pasará a través de un pantano con alcatraces como plantas emergentes y la otra parte pasará en un pantano sin plantas emergentes que servirá como testigo. Por lo que el gasto en el influente será: Q = ( l/día) 12 = litros / día. Ci= mg DB0 5 /litro Para la determinación de la concentración en el efluente del pantano, se hace en base al tipo de uso que se le quiera dar al agua tratada, en este caso, 37

53 para riego, por lo que según la normatividad vigente (NOM-001-ECOL-1996) acepta como promedio diario hasta 200 mg/l y como promedio mensual hasta 150 mg/l de DB0 5, por lo que se considera: Ce = 120 mg/l de DBCv La temperatura mínima media en La Trinitaria es de 12.5 C (INEGI ) K, =1.104 (1.06) ( 1 2^ Kt= 0.713/d Del análisis de laboratorio del material que se utilizará como substrato se obtuvieron los siguientes resultados: Peso específico seco suelto = 1770 kg/m Porosidad (n) = 32% D tn cm En la tabla 4.1 se muestra la composición granulométrica del substrato utilizado en el pantano: 38

54 Malla (mm) % que pasa Tabla 4.1. Composición granulométrica del substrato De acuerdo a lo comentado en las secciones y se consideró que este material cumple con las características para lechos de pantanos. El área de cada pantano, de acuerdo a la sección 2.4.1, será: Ci Q \TÍ Si se acepta d= 0.7 m As = ( * Ln ( /120) / ( * 0.7 * 0.32) = 2.86 m 2 La evapotranspiración en el pantano se puede calcular con el método de Thorntwaite (Aparicio, F. 1992) 39

55 La temperatura máxima promedio para Trinitaria es 18.6 C y se encuentra ubicada a 15 07' latitud norte y 92 03' longitud oeste. (INEGl. 1995). Aplicando el modelo de Thorntwaite (Aparicio, F. 1992) u = 1.6 Ka I = a = donde: U: evapotranspiración en cm/mes T: temperatura máxima media en C I: Constante (Indice de eficiencia de temperatura) a. Constante adimensional que depende del valor de I Kg: coeficiente que depende de la altitud del lugar Sustituyendo en la expresión de "I" la temperatura máxima promedio de 18.6 C, resulta: 1=7.3 40

56 para una latitud de 15 07', según Thorntwaite (Aparicio, F.1992), le corresponde: Ka = 1.02 Sustituyendo el valor de "I" en la expresión de "a", se obtiene: a = Por lo que: U = cm/ mes = 4.03 mm/día. Como se indicó en la introducción, en La Trinitaria se evaporan mm/año, lo que corresponde a 4.20 mm/día en promedio, se ve que existe congruencia entre los datos calculados y los datos históricos. Si el área del pantano es de 2.86 m 2, le corresponde una evapotranspiración de litros por día, por lo que el gasto en el efluente será de litros/ día. El gasto promedio en el pantano: Q P = (Q + Q e ) 12 = ( ) 12 = litros/ día. 41

57 Recalculando el área de los pantanos con el gasto promedio: A s = ( x Ln ( /120 ) / ( x 0.7 x 0.32) = 2.79 m 2 Si se considera una relación ancho-largo de 1:2, resulta un pantano de 1.18 m de ancho por 2.36 m de largo. El tiempo de residencia hidráulico en el pantano: Ce = e a -(Kt) T T = (ln ln ) / (-0.713) = 3.72 días, el cual está dentro del rango reportado en el capítulo 2. La conductividad hidráulica, según K. Terzaghi ( Juárez B. y Rico R. 1976), para suelos arenosos se calcula de la siguiente manera: 2 K=C 1 *D 1 0 *( t) K: conductividad hidráulica en cm/ seg t: temperatura del agua en C D 1 0: tamaño tal que sea igual o mayor que el 10%, en peso, del suelo. 42

58 siendo un valor típico para arenas con limos C 0 = por lo que K= m/día (m /m /día) El valor anterior tiene congruencia con los datos reportados en la tabla 2.1. La pendiente requerida en el pantano: Aplicando la Ley de Darcy: Q= KsAS S= ( m 3 /d) /( m 3 /m 2 /d *1.18m*0.7m) = Revisando: Q=(2.79*0.713*0.7*.32)/(ln( /120))= m 3 /día Q= Ks *A*S= m 3 /m 2 /d*1.18m*0.7m* = m 3 /día Ambos valores corresponden a lo calculado anteriormente. El resumen de resultados para cada pantano se presenta en la tabla 4.2 y en las figuras 4.1 y

59 Parámetro Valor Valor típico Q 168 l/d Kt 0.713/d d 0.7 m m n Ci mg/l 113 mg/l Ce 120 mg/l 11 mg/l A 2.79 m2 L 2.36 m W 1.18 m T 3.72 d 1-7 d Tabla 4.2 Resumen de parámetros de diseño. Figura 4.1 Planta de pantanos construidos 44

60 Figura A2 Sección transversal de los pantanos construidos 4.4 Instalaciones complementarias Las aguas producto del lavado de las instalaciones eran transportadas por gravedad hacia el estanque anaerobio a través de tuberías de PVC de 4 pulgadas de diámetro. El estanque anaerobio contó con una tubería de PVC de 6 pulgadas de diámetro instalada en el fondo del mismo, que gracias a la topografía de la zona drenaba por gravedad hacia unos pastizales, esta tubería tenía un tapón campana en la salida que servía para extraer los lodos que se acumulaban cada 3 meses. Estos lodos debían ser tratados. 45

61 Del estanque anaerobio hacia los pantanos fluye el agua por gravedad por tuberías de PVC de 4 pulgadas de diámetro. El efluente de los pantanos fluye también por gravedad a través de dos tuberías de PVC de 4 pulgadas de diámetro; al final de éstas tienen colocadas un codo de 90 instalado verticalmente a otro tubo del mismo diámetro (Figura 3.2) y 1 m de altura (Fotografía B.14), en el tubo vertical se le abrieron agujeros de 0.5 cm de diámetro para la salida del agua, esto fue con el fin de controlar el tiempo de residencia hidráulico dentro de los pantanos. 4.5 Disposición del efluente El agua tratada procedente de los pantanos, sirvió para regar un pastizal en el mismo terreno. 4.6 Facilidades En el terreno donde se realizó la investigación, se cuenta con energía eléctrica y agua potable. Para el lavado diario de las instalaciones se instaló una manguera de 0.5 pulgadas de diámetro y aproximadamente 70 m de longitud, el aseo se realizaba entre las 7:00 y 9:00 A.M. que eran las horas en que se 46

62 suministra el servicio de agua. De acuerdo a un aforo realizado en el lugar, era necesario suministrar agua de la manguera durante 20 minutos para completar los 400 litros calculados. En los días en que el sistema municipal no suministró agua, se bombeó directamente desde una cisterna. 47

63 CAPITULO 5 DISCUSION Y RESULTADOS Los resultados de la investigación se presentan a continuación: 5.1 Resultados de campo El tiempo de residencia hidráulico en ambos pantanos fue de 2.5 días, este valor comparado con los 3.72 días de diseño nos da una relación de 0.67, posiblemente porque la permeabilidad del substrato utilizado fue mayor que el calculado teóricamente o por existir algún corto circuito en el sistema. El oxígeno disuelto en el pantano sin alcatraces, a una profundidad de 5 cm de la superficie del agua, se midieron concentraciones de 1.4, 1.3 y 1.2 mg/l, respectivamente, pero para profundidades de 10 cm y mayores, resultaron concentraciones de oxígeno de 0 mg/l para todos los casos. Para el pantano con alcatraces, los resultados fueron de 0.5, 2.5 y 1.8 mg/l y 0.1, 0.2 y 0 mg/l respectivamente. Con los resultados anteriores, se pudo deducir que solamente una capa de agua cercana a la superficie dentro de los pantanos, estaba en condiciones aeróbicas, posiblemente por transferencia de oxígeno atmosférico a través de los vacíos de la grava; a mayor profundidad, las condiciones fueron anaerobias. 48

64 Tanto en la laguna (IP), en el efluente del pantano sin alcatraces (EPSA), como para el pantano con alcatraces (EPCA) las mediciones reportaron 0 mg/l de oxígeno disuelto. El ph, en el IP este rango osciló entre 7.39 y 6.42, el EPSA entre 7.42 a 6.81 y el EPCA entre 7.47 y En el IP y EPSA la tendencia fue a acidificarse, mientras que en el EPCA la tendencia fue a obtener un valor de 7, (Tabla A.1 y Figura A.1). La temperatura del agua fue un reflejo de la temperatura ambiente, los valores (tabla A.2 y figura A.2 del anexo A) no muestran diferencias notables. Los alcatraces tuvieron un buen desarrollo floreciendo a mediados del mes enero de 1999, se le cortaron las flores y algunas hojas para inducir el crecimiento de brotes nuevos y por lo mismo aumentar las necesidades de nutrientes de las plantas. 5.2 Resultados de laboratorio En lo referente a la Demanda Química de Oxígeno (DQO): en el influente de los pantanos, en términos generales se observó una tendencia ascendente en los valores (Tabla A.3 y Gráfica A.3), esto se debió a que cuando el sistema comenzó a operar los cerdos estaban pequeños, por lo que la carga orgánica fue aumentando a medida que éstos fueron creciendo. En ambos efluentes (EPSA y 49

65 EPCA) hasta la muestra 5 (26/01/99) no se observó una diferencia clara en sus concentraciones, pero a partir de la muestra 6, se pudo observar las ventajas del pantano con alcatraces, esto coincidió con la floración y poda de las plantas. Los resultados obtenidos de los análisis de la DBO5, tienen tendencias muy semejantes a los de la DQO comentadas en el párrafo anterior, con una relación DBO5/DQO en los siguientes porcentajes: para el IP: 49.20%; para el EPSA: 51.64% y para el EPCA: 51.95%. La concentración máxima en el IP se encontró en la muestra 8 con mg/l a la que le correspondió una concentración en el EPCA de mg/l, que representó una eficiencia de remoción del 85.84%. La concentración de entrada estuvo alejada de la concentración inicial calculada (Ci= mg/l, Tabla 4.2), posiblemente se debió a sobreestimación de la carga orgánica al diseñar los pantanos. El fosfato total como P0 4, hasta la muestra 4, su reducción fue casi la misma en ambos pantanos, pero a partir de la muestra 5 se ve la diferencia de mayor reducción en el pantano con alcatraces (Tabla A.5 y Gráfica A. 5) lo que coincide como en los casos de la DQO y DBO5 con la floración y poda de las plantas, esto parece lógico, toda vez que se trata de un nutriente. El N-amoniacal no muestra grandes diferencias en los resultados (Tabla A.6 y Gráfica A.6) como los parámetros anteriores, únicamente se pudo observar una pequeña reducción en el EPCA a partir de la muestra 7. Esto pudo ser por la ausencia de oxígeno disuelto en los pantanos y por el corto tiempo real de residencia hidráulico (2.5 días). 50

66 Para los sólidos suspendidos totales (SST), hasta la muestra 4, ambos pantanos tuvieron casi la misma reducción, en las muestras 5, 6, 7, 9 y 10 se observó mayor reducción en el pantano con alcatraces, la muestra 8 presentó mayor reducción en el pantano sin alcatraces. Aunque los promedios indican un porcentaje mayor de reducción de SST en el pantano con alcatraces, no se aprecia claramente, lo que sí es claro es que existió reducción al pasar por ambos pantanos (Tabla A.7 y Gráfica a.7) esto pudo deberse a los mecanismos de filtración, sedimentación, etc. Al analizar los resultados de la conductividad eléctrica (Tabla A.8 y Gráfica A.8) no se aprecian grandes cambios, esto puede deberse a que las variaciones de temperatura fueron mínimas y que los tipos de iones y su concentración no tuvieron diferencias notables. La turbiedad siempre se mantuvo en valores más bajos en el efluente del pantano con alcatraces (Tabla A.9 y Gráfica A.9). El color no mostró cambios significativos al pasar por ambos pantanos (Tabla A.9 y Gráfica A.9). El sulfato total como SO4 no muestra una tendencia clara entre el EPSA y EPCA, pero siempre estuvieron por debajo de las concentraciones en el IP (Tabla A.11 y Gráfica A. 11). 51

67 En promedio la relación coliformes fecales/coliformes totales fue: para IP de 82.30%, para EPSA de 97.98% y para EPCA de 89.62%; se observa únicamente en el EPCA una tendencia de reducción constante (Tablas A. 12 y A. 13 y Gráficas A. 12 y A. 13); aunque presenta un alto porcentaje de reducción, los resultados no son adecuados para disponer las aguas de acuerdo a la normatividad vigente, por lo que requiere adicionar cloro o algún otro tratamiento para bajar las concentraciones de coliformes. El único valor reportado de N-nitratos fue en el EPCA en la muestra no. 6 con concentración de 0.25 mg/l, en los demás fueron reportados como ND (no determinados), lo que según el laboratorio significa que no se encontraron dentro de los rangos buscados, posiblemente aparecieron en concentraciones más pequeñas. Esto parece lógico ya que dentro de los pantanos no se encontró oxígeno disuelto y el tiempo de residencia fue relativamente corto (2.5 días), por lo tanto el nitrógeno total no alcanzó a oxidarse. Es importante mencionar que únicamente los datos de temperatura del agua y el ph medido en campo presentaron valores bajos en su desviación estándar, los demás parámetros presentaron valores altos, como puede verse en el anexo A. Aunque el sistema completo comenzó a funcionar en el mes de septiembre, las primeras muestras se tomaron en el mes de diciembre, por lo que se cree que el sistema estuvo en fase temprana de estabilización, requiriéndose varios meses o quizá años para llegar a una fase madura de estabilización, por consiguiente los datos presentaron gran dispersión. 52

68 En la tabla 5.1 se muestran los valores promedio obtenidos durante la investigación. Tabla 5.1 Concentraciones promedio obtenidas durante la investigación 5.3 Conclusión Después de diseñar y construir un pantano tipo flujo horizontal de subsuperficie, utilizando alcatraces (zantedeschia aethiopica) como plantas emergentes, haber evaluado los resultados de las muestras tomadas en un período de 10 semanas (resultados en anexo A), se concluye lo siguiente: a) La especie zantedeschia aethiopica, crece y se desarrolla bien como planta emergente en un pantano de tipo flujo horizontal de subsuperficie. b) El pantano tipo flujo horizontal de subsuperficie con la especie zantedeschia aethiopica como planta emergente, incrementó su efectividad en el tratamiento de las aguas residuales de la granja 53

69 porcícola en relación con un pantano con las mismas características pero sin plantas emergentes, en los porcentajes que se muestran en la tabla 5.2 Parámetro % DQO 13 DB P N-NH SST 9.62 Cond. eléct. 5.3 Turbiedad Color 1.15 S Colif. Tot Colif. Fec Tabla 5.2 Valor agregado del pantano con alcatraces en la remoción de contaminantes 54

70 CAPITULO 6 RECOMENDACIONES Y TRABAJOS FUTUROS Como en todo trabajo de investigación a lo largo del desarrollo del mismo, se encuentran algunos problemas que se tienen que resolver, por lo que, en los siguientes párrafos se comentarán algunas de las cosas que se tuvieron que realizar para hacer ajustes en la investigación y en las líneas finales los trabajos que ajuicio del autor serían interesantes de investigar. Para revisar el diseño del estanque anaerobio, fue necesario estimar de acuerdo a datos típicos reportados en la literatura, la carga orgánica producida por los cerdos, una vez funcionando el sistema, no se alcanzó la concentración de proyecto en el influente de los pantanos, esto posiblemente a que los datos reportados fueron mucho mayores que la producción de desechos de los animales, por lo que se recomienda que al diseñar, siempre que se pueda se realice una campaña de aforos y caracterización de las aguas residuales. En cuanto a la permeabilidad del material utilizado como substrato en los pantanos, se calculó teóricamente, pero al hacer una prueba antes de que el sistema entrara en operación, se observó que la permeabilidad real era mucho mayor que la calculada, por lo que se recomienda también hacer las pruebas necesarias, ya sea en laboratorio y/o en campo para trabajar con datos confiables. 55

71 Al construir tanto el estanque anaerobio como los pantanos y colocar tubos de PVC en las paredes, al principio todo funcionó bien, pero al paso de los días en esos puntos existieron fugas de agua que disminuían el tiempo de residencia hidráulico dentro de los pantanos y bajaba los niveles, fue necesario que en varias ocasiones se repararan dichas fugas de agua; se recomienda poner especial atención al construir este tipo de juntas y evitar así gastos y pérdida de tiempo posteriores. Es muy recomendable dejar instalados desde el inicio de la construcción de los pantanos, algunos tubos perforados y colocados verticalmente dentro del substrato y a lo largo de los mismos, para que sirvan de puntos de monitoreo tanto de oxígeno disuelto a diferentes profundidades, así como de requerirse, se puedan obtener muestras de agua. En este caso particular no se previeron dichas instalaciones y cuando se hicieron mediciones del oxígeno disuelto, se tuvieron que cavar agujeros, con muchas molestias y problemas de estabilidad de las paredes de las excavaciones. Para el presente trabajo de investigación, sería conveniente seguir mon/toreando a lo íargo de varios meses o quizá años, tal vez mensualmente o con la periodicidad que se pueda, la calidad de las aguas del influente y de los efluentes, para poder tener una visión clara del comportamiento de los parámetros medidos a o largo del tiempo. 56

72 Sería interesante también probar con otras plantas de la región y evaluar los resultados, o en vez de tener como testigo al pantano si plantas emergentes, sembrar plantas diferentes en cada pantano. Un punto que en este trabajo no se le dio la importancia requerida, quizá por el poco tiempo que se tuvo operando el sistema, es la alta producción de sedimentos en el pretratamiento, de no diseñar un sistema adecuado para retirar los lodos, en poco tiempo, esta unidad sería inoperable por problemas de saturación, por lo que es recomendable la instalación de un separador de sólidos antes de que los desechos entren al pretratamiento. 57

73 ANEXO A REPORTES DE LABORATORIO 58

74 Muestra no. IP EPSA EPCA Promedio Desv. Std % Reduc Tabla A. 1 Temperatura ( C) Gráfica A. 1 Temperatura ( C) 59

75 Muestra no. IP EPSA EPCA Promedio Desv. Std % Reduc Tabla A.2 ph de campo Gráfica A.2 ph de campo 60

76 Muestra IP EPSA EPCA , , , , , Promedio 1, Desv. Std % Reduc Tabla A.3 DQO (mg/l) Gráfica A.3 DQO (mg/l) 61

77 Muestra no. IP EPSA EPCA Promedio Desv. Std % Reduc Tabla A.4 DBO s (mg/l) Gráfica A.4 DB0 5 (mg/l) 62

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79 Muestra IP EPSA EPCA Promedio Desv. Std % Reduc Tabla A.6 N-amoniacal (mg/l) Gráfica A.6 N-amoniacal (mg/l) 64

80 Muestra IP EPSA EPCA Promedio Desv. Std % Reduc Tabla A.7 SST (mg/l) Gráfica A.7 SST (mg/l) 65

81 Muestra no. IP EPSA EPCA 1 1, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Promedio 1, , , Desv. Std % Reduc Tabla A.8 Conductividad eléctrica (umhos/cm) Gráfica A.8 Conductividad eléctrica (umohos/cm) 66

82 Muestra IP EPSA EPCA Promedio Desv. Std % Reduc Tabla A.9 Turbiedad (UTN) Gráfica A.9 Turbiedad (UTN) 67

83 Muestra no. IP EPSA EPCA Promedio Desv. Std % Reduc. & Tabla A. 10 Color (U. Pt-Co) Gráfica A. 10 Color (U. Pt-Co) 68

84 Muestra no. IP EPSA EPCA Promedio Desv. Std % Reduc Tabla A. 11 Sulfato total como S0 4 (mg/l) Gráfica A. 11 Sulfato total como S0 4 (mg/l) 69

85 Muestra no. IP EPSA EPCA E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E+05 Promedio 7.29E E E+05 Desv. Std. 6.28E E E+05 % Reduc Tabla A. 12 Coliformes totales (NMP/100ml) Gráfica A. 12 Coliformes totales (NMP/100 mi) 70

86 Muestra no. IP EPSA EPCA E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E+05 Promedio 6.00E E E+05 Desv. Std. 6.00E E E+05 % Reduc Tabla A. 13 Coliformes fecales (NMP/100 mi) Gráfica A. 13 Coliformes fecales (NMP/100 mi) 71

87 ANEXO B MEMORIA FOTOGRAFICA 72

88 Fotografía B.1. Vista de la porqueriza 73

89 Fotografía B.2. Estanque anaerobio 74

90 Fotografía B.3. Excavación para construir pantanos 75

91 Fotografía B.4. Tubería de entrada a pantanos 76

92 Fotografía B.5. Tubería de salida de pantanos 77

93 Fotografía B.6. Paredes y piso de pantanos revestidos con mortero cementoarena 78

94 Fotografía B.7. Colocación de material filtrante en pantanos 79

95 Fotografía B.8. Colocación de piedras a la entrada para distribución del flujo 80

96 Fotografía B.9. Vista de pantanos 81

97 Fotografía B.10. Pantanos construidos 82

98 Fotografía B.11. Pantano con plantas emergentes (zantedeschia aethiopica) 83

99 Fotografía B.12. Monitoreo de oxígeno disuelto 84

100 Fotografía B.13. Agregando color para determinar tiempo de detención 85

101 Fotografía B.14. Toma de muestras 86

102 Fotografía B.15. Transporte de muestras 87

103 BIBLIOGRAFIA Best, Ronnie. (1987) Natural wetlands-southern environment: wastewater to wetlands, where do we go from here?. M. Publishers Inc. Orlando Florida. INEGI. (1995). Anuario Estadístico del Estado de Chiapas. Nelson, Mark. (1997) The potential of created wetlands for protection of the coastal environment. Summary of presentation given al Centro Ecológico Akumal (CEA) Q.Roo. Vázquez Y., Carlos. (1989). Cómo viven las plantas. Fondo de Cultura Económica. EPA. (1988). Design Manual. Constructed Wetlands and Aquatic Plant Systems for Municipal Wastewater Treatment. Hammer, Donald. (1989) Constructed Wetlands for Wastewater Treatment. Municipal, Industrial and Agricultural. Lewis Publishers.USA. Alvarez del T. Miguel y otros.(1993). Chiapas y su Biodiversidad. Gobierno del Estado de Chiapas. Martínez M. (1994). Catálogo de nombres vulgares y científicos de plantas mexicanas. Fondo de Cultura Econónica. 88

104 Aparicio, F. (1992). Fundamentos de Hidrología de Superficie. Noriega-Limusa. Wood, Andrew. (1994) Constructed Wetlands in Water Pollution Control: Fundamental to their Understanding. Biblioteca Electrónica. CENCA. ÍMTA. Linsley, R., Francini, J. (1988). Ingeniería de los Recursos Hidráulicos. CECSA. Sotelo A., Gilberto. (1985) Hidráulica General. Vol I. Ed. Limusa. EPA. (1993) Subsurface Flow Constructed Wetlands for Wastewater Treatment. A Technology Assessment. EPA (1997). Constructed Wetlands and Wastewater Management for Confined Animal Feeding Operations. Eckenfelder, W. (1989) Industrial Water Pollution Constrol. McGraw-Hill. Juárez, B. E., Rico, R. A.(1976) Mecánica de Suelos. Tomo I. Fundamentos de Mecánica de Suelos. Ed. Limusa. EPA (1998) Constructed Wetland for Animal Waste Treatment. A Manual on Performance, Design and Operation with Case Histories. 89

105 Norma Oficial Mexicana NOM-001-ECOL-1996, que establece los límites máximos permisibles de contaminantes en descargas de aguas residuales en aguas y bienes nacionales. Corregida de acuerdo a adecuaciones publicadas en el D.O.F. 30-IV-97. CNA-IMTA (1994). Manual de Diseño de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento. Libro II. Proyecto. 3a. Sección. Potabilización y Tratamiento. Tema: Tratamiento. Subtema: Lagunas de estabilización. Pantanos (1998). Página internet 90

106