EVALUACIÓN DE UN HUMEDAL MEXICANO CON LAS VARIANTES DE FLUJO SUBTERRÁNEO HORIZONTAL Y FLUJO SUBTERRÁNEO VERTICAL. Rivas, A.*

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1 EVALUACIÓN DE UN HUMEDAL MEXICANO CON LAS VARIANTES DE FLUJO SUBTERRÁNEO HORIZONTAL Y FLUJO SUBTERRÁNEO VERTICAL Rivas, A.* * Instituto Mexicano de Tecnología del Agua.Paseo Cuauhnahuac # 8532 Col. Progreso, Jiutepec, Morelos CP Tel-Fax: 52 (777) , arivas@tlaloc.imta.mx RESUMEN Los humedales son una tecnología que en los últimos años se han utilizado en México. En número hay aproximadamente 70 en operación. Se evalúa un humedal en el que es tratada el agua residual de una población de 5,000 habitantes. El sistema está formado por un biodigestor, celdas de flujo subterráneo horizontal, y por celdas de flujo subterráneo vertical. La eficiencia de remoción de la DBO fue de % para las celdas purificadoras y de % para las celdas de lodos. Se obtienen las eficiencias de tratamiento, por sistema y por proceso, de 28 parámetros (fisicoquímicos y microbiológicos). Se colectaron e identificaron 14 especies vegetales. Typha sp y Arundo Donax fueron las especies dominantes. Se realizaron pruebas de dispersión mediante el uso de trazadores en donde el tiempo de retención real resultó ser tres veces menor que el tiempo teórico (gasto de diseño) y que el gasto medido en campo. Se identificaron problemas del diseño físico para los que se generaron alternativas de solución. Los principales problemas de operación y mantenimiento fueron: deficiencias en la operación del pretratamiento, falta de control en la distribución del gasto, el gasto de operación no corresponde al de diseño, falta de poda y de disposición de la vegetación. PALABRAS CLAVES Dispersión, eficiencia de remoción, flujo superficial, fósforo, humedal, nitrógeno. INTRODUCCION En los últimos 10 años el uso de los humedales se ha incrementado en México, básicamente por sus bajos costos de tratamiento, en los que se incluyen menores costos de operación y mantenimiento. En este trabajo se realiza la evaluación de un sistema de humedales con una combinación de celdas con flujo subterráneo horizontal y flujo subterráneo. Se tienen como objetivos obtener: sus eficiencias de remoción de contaminantes, del sistema y por proceso; el tiempo real de tratamiento mediante el uso de trazadores; sus listas de especies vegetales; así como identificar los principales problemas de operación y mantenimiento y generar alternativas de solución. Se incluye como parte del proceso el tratamiento de los lodos generados en un biodigestor anaerobio, mediante celdas de lodos, con lo que se elimina la digestión, la disposición y la producción de los malos olores normalmente presentes en los sistemas mecanizados. Sistema de tratamiento La planta de tratamiento está ubicada en San José de Quilehtla, Tlaxcala, México, en la parte central del país. El sistema (Figura 1) consiste de rejillas (de limpieza manual), desarenador, cárcamo de bombeo, segundo sistema de rejillas, biodigestor. Del biodigestor se generan dos líneas de tratamiento: 1) El efluente es distribuido a las tres celdas de flujo subterráneo horizontal, ubicadas en paralelo, las que tienen como especie dominante al tule (Thypa sp). Finalmente los efluentes de las tres celdas se unen en una sola estructura colectora para pasar por un filtro de arena, el que está ubicado dentro de un estanque que contiene lirio acuático para complementar el tratamiento. 2) Los lodos producidos en el biodigestor son enviados hacia las celdas de lodos, las que funcionan como celdas de flujo subterráneo vertical y tienen como especie dominante al carrizo (Arundo donax). El efluente final es descargado a un arroyo. Universidad del Valle/Instituto Cinara Rivas, A. 132

2 1 Influente. 2 Agua proveniente del pretratamiento (rejillas y desarenador) y bombeo. 3 Agua clarificada en el biodigestor. 4-7 salidas de las celdas purificadoras. 8 Lodos provenientes del biodigestor. 9 Efluente de las celdas de lodos. Figura 1. Sistema de tratamiento y ubicación de los sitios de muestreo Los datos de proyecto: población 5,000 personas, gasto diario 320 m 3 /d, temperatura promedio del mes más frío 13 C, coliformes fecales 10E10 NMP/100 ml, contribución de DBO mg/l. METODOS Muestreo e identificación de especies Las muestras se colectaron en las entradas y salidas de los procesos para evaluar sus eficiencias. Los parámetros de campo fueron: gasto, ph, conductividad, temperatura del agua y oxígeno disuelto. Los parámetros de laboratorio fueron los que se indican en la Tabla 2. La frecuencia de muestreo fue de cada cuatro horas (seis muestras por día para formar la muestra compuesta) durante cinco días (muestras simples para grasas y aceites y para coliformes fecales). Se colectaron e identificaron las especies vegetales de ambos sistemas y se determinó su densidad con la técnica de cuadrantes (Mueller-Dombois, 1974). Se realizó un estudio para el cálculo de la dispersión en el sistema utilizando como trazador la rhodamina w de acuerdo con la metodología propuesta por Galvis, (1984). Para la toma de muestras se ubicaron 6 puntos a lo largo del tubo de colección de cada una de las tres celdas, por lo que se obtuvieron valores para cada una de ellas. Mediante este sistema se pretendía además identificar posibles cortos circuitos (zonas muertas). El área del sistema se calculó con las ecuaciones de Kadlec (1996). RESULTADOS Y DISCUSION Mediciones de campo El gasto promedio medido fue de 3.62 l/s, el gasto medio de diseño es de 4.05 l/s, el gasto máximo es de 5.8 l/s, por lo que el sistema operó durante el muestreo por debajo del gasto medio. Universidad del Valle/Instituto Cinara Rivas, A. 133

3 En la Tabla 1 se presentan los resultados de ph, oxígeno disuelto, temperatura y conductividad de la planta Quilehtla. Tabla 1. Resultados de ph, oxígeno disuelto, temperatura y conductividad Punto de muestreo ph Oxígeno disuelto (mg/l) Temperatura del agua ( C) Conductividad Eléctrica (ds/m) P P P P P P P P P De manera general el ph se encuentra en valor cercano al neutro. La temperatura media del agua fue de 17 C. La conductividad eléctrica esperada en las celdas de tratamiento es de aproximadamente 400 ds/m. La obtenida es mayor desde el agua cruda con un valor promedio mínimo de 692 ds/m. El valor de este parámetro es alto desde el agua cruda y aumenta en los efluentes del sistema. La razón del incremento está relacionada con la acumulación de sales que durante la operación se va obteniendo. Desde el punto de vista de su reúso el agua tratada puede aprovecharse en riego agrícola por ser menor de 1200 ds/m, es decir, no restringe su uso por salinidad, sin embargo, la presencia de sales puede afectar el desarrollo de las plantas ya que puede acumularse en las raíces de los cultivos, las plantas gastan más energía en tratar de resolver el problema de ajuste osmótico en sus tejidos para obtener el agua que requiere y consecuentemente queda menos energía disponible para su desarrollo (Metcalf & Eddy, 1979). Parámetros de laboratorio y eficiencias de remoción En la Tabla 2 se presentan los resultados por sistema, en la Tabla 3 sus eficiencias de remoción por sistema y en la Tabla 4 el porcentaje de tratamiento por proceso. El valor de DBO total obtenido fue de 428 mg/l (Tabla 2). La eficiencia de remoción de la DBO fue de % para las celdas purificadoras (punto 7) y de % para las celdas de lodos (Tabla 3). Wood (1995) refiere un valor esperado de remoción de materia orgánica del 70 %, Rivas (1997) menciona una remoción del 80 %, la remoción obtenida fue mayor a los valores esperados. Crites (1994), cita que la carga de DBO debe ser menor que 0.2 kg/ha.d, el valor obtenido fue de 0.1 kg/m 2.d, el cual por ser menor que el recomendado no colmatará el sistema en un futuro próximo. De igual modo, el mismo autor refiere que la carga de sólidos suspendidos no debiera exceder de 0.08 kg/m 2.d para evitar taponamientos. La carga obtenida fue de kg/m 2.d Con respecto a este parámetro el riesgo de taponamientos es bastante alto, sin embargo no se observaron problemas de colmatación durante la toma de muestras. La concentración de sólidos totales obtenidos fue de 1131 mg/l en el agua cruda (punto 1), valor considerablemente mayor que la concentración típica del agua residual, que varía entre 700 y 800 mg/l. La eficiencia de remoción de sólidos suspendidos, la cual varió entre 84 y 87 % (Tabla 3), fue mayor a la esperada (70 % de acuerdo con Wood, 1995, 80% de acuerdo con Rivas, 1997). La DQO total obtenida es casi tres veces mayor que el de la DBO, lo que indica que el agua residual tiene un componente bastante grande de compuestos no orgánicos, los que son generados en alguna industria, de hecho el agua residual incluye componentes de granjas porcícolas y de industria textil. La eficiencia de remoción de DQO esperada es del 80 %, la obtenida varió entre 86 y 92 %, por lo Universidad del Valle/Instituto Cinara Rivas, A. 134

4 cual el sistema está removiendo de manera eficiente este contaminante. La remoción de nitrógeno amoniacal en las celdas purificadoras (punto 7) fue de 29.35% la cual es considerablemente menor a la esperada, de 65%. PARÁMETROS (mg/l, excepto si se indica otra unidad) Tabla 2. Parámetros de laboratorio PUNTOS DE MUESTREO P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 ST * SST * SSV * SSF * SDT DBO T DBO S DQO T DQO S N-NH 3, KJELDHAL N Org, k N T, k P-PO * O-PO SAAM 9.22 * Cl * N-NO N-NO CaCO Bicarbonatos * 18 Ca, CaCo Mg, CaCo CaCO Sulfatos K G y A CF, NMP/100 ml 225E0 8 CT, NMP/100 ml 662E0 9 * Punto no muestreado * 177E07 208E07 295E05 266E04 181E04 208E7 341E5 * 517E08 209E05 460E05 246E06 626E03 223E08 555E05 La remoción de coliformes fecales es del % en las celdas purificadoras y 99.74% en las celdas de lodos (Tabla 3). La remoción esperada es del 99.9 %, la que prácticamente se obtuvo en las celdas purificadoras, no así en las celdas de lodos en donde la eficiencia obtenida fue ligeramente menor. Es probable que se tenga un déficit de tiempo de retención y de oxigenación para realizar la nitrificación en estas celdas, sin embargo, la remoción de las celdas de lodos es del 85%, la cual es bastante buena, aunque si se desea remover un porcentaje mayor de este contaminante se tendría que construir una celda adicional para incrementar el tiempo de retención, o bien, construir un Universidad del Valle/Instituto Cinara Rivas, A. 135

5 sistema de flujo superficial para pulir el agua tratada. El nitrógeno total obtenido para los efluentes finales (puntos 7 y 9) fue de mg/l y mg/l, respectivamente, los cuales de acuerdo con la NOM-001 ECOL-96, cumplen con los límites máximos establecidos para los usos en riego agrícola y urbano, los cuales son de 40 mg/l como promedio mensual y 60 mg/l como promedio diario. Algunas de las eficiencias son negativas, lo cual puede deberse a diferentes razones: En el caso de los cloruros se tiene una eficiencia positiva, aunque pequeña (5.84%) en las celdas purificadoras, sin embargo en las celdas de lodos la eficiencia es negativa (-21.8 %), lo que puede deberse a su acumulación en las celdas de lodos. El mismo caso se presenta para el fósforo total en donde las eficiencias fueron negativas (Tabla 3), con valores de - 57% y - 66%, lo que indica que este nutriente se ha estado acumulando en el sistema, probablemente por no retirar oportunamente los residuos de las podas del carrizo, por lo que se reincorporan al sistema. Con respecto a nitritos y nitratos la eficiencia es aparentemente negativa, ya que el incremento de estos compuestos es el resultado normal de la nitrificacióndenitrificación. Tabla 3. Eficiencia total del sistema de remoción de contaminantes PORCENTAJES DE PARÁMETROS EFICIENCIAS REMOCIÓN (mg/l, excepto si se REPORTADAS CELDAS CELDAS DE indica otra unidad) (%) P7 LODOS P9 ST SST SSV SSV SDV DBO T DBO S DQO T DQO S N-NH 3, KJELDHAL N Org, k NT, k P-PO O-PO SAAM Cl N-NO N-NO CaCO Bicarbonatos Ca, CaCo Mg, CaCo H T, CaCO Sulfatos k G y A CF, NMP/100 ml CT, NMP/100 ml Universidad del Valle/Instituto Cinara Rivas, A. 136

6 PARÁMETROS (mg/l, excepto si se indica otra unidad) ST SST SSV Tabla 4. Eficiencia de remoción de contaminantes por proceso PUNTOS DE MUESTREO P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P SSF SDT DBO T DBO S DQO T DQO S N-NH 3, KJELDHAL N Org, k N T, k P-PO O-PO SAAM Cl N-NO N-NO CaCO Bicarbonatos Ca, CaCo Mg, CaCo CaCO Sulfatos K G y A CF, NMP/100 ml * CT, NMP/100 ml * Punto no muestreado De acuerdo con las normas actualmente vigentes el agua tratada en el sistema de Quilehtla, por no tener una cantidad menor de 1000 NMP /100 ml, no es apta para los siguientes usos: NOM -003, ECOL 1997, para reúso urbano y NOM -001, ECOL 1996, para reúso agrícola, acuícola, servicios, descarga a aguas y bienes nacionales o a suelos. En la Tabla 2 se observa que los coliformes fecales en ninguno de los casos el valor es menor de 1000 para los efluentes del sistema. Se realizó el análisis de los huevos de helmintos, de tal manera que en los procesos comprendidos por las 3 Universidad del Valle/Instituto Cinara Rivas, A. 137

7 celdas purificadoras el porcentaje de remoción fue del 100 %, no así en el efluente de las celdas de lodos en donde se removió el 91.2 %. Las especies identificadas fueron: Ascaris lumbricoides, Trichuris trichura y Taenia solium. Prueba de dispersión La constante de dispersión media en las celdas 1,2 y 3 fue de El tiempo de retención media para las tres celdas, calculado con el gasto de diseño (320 m 3 /d), fue de 4.56 días, con el gasto medido ( m 3 /d) fue de 4.83 días. Estos dos valores son bastante similares, sin embargo, el tiempo de retención obtenido con el gasto de la dispersión (tiempo real) fue de tan solo 0.92 días. Lista de especies Se identificaron 14 especies vegetales. La especie dominante fue Typha latifolia L., Typha Dominguensis Pers. y Cyperus Odoratus L en las celdas purificadoras y Arundo donax en las celdas de lodos. Las otras especies fueron: Zantedeshia aethiopica (l.,spreng), Sagittaria Sagittifolia L., Hydrocotyle Umbellata, Canna L., Hymenocallis Sp., Philodendron Sp., Scirpus Californicus (Mey, Stead), Phytolacca Icosandra L., Cyperus Senmiochraceus BuecK y Bromus Carrnatus Hoock. Evaluación del diseño teórico El área calculada con los datos del proyecto (gasto y DBO) fue de 0.40 ha, con los valores obtenidos del muestreo fue de 0.35 ha y de 0.82 ha con las dimensiones medidas en campo. De acuerdo con lo anterior se tiene que el área real es mayor que la calculada con los datos del proyecto y con los resultados obtenidos en campo, es decir, fue sobredimensionada poco menos que el doble, por lo cual funcionará de manera eficiente durante los próximos años, aún cuando incremente la generación de agua residual. Para el cálculo del área con los datos obtenidos durante el muestreo se realizó con la ecuación de Kadlec (1996). Problemas del diseño físico No se cuenta con unidades de medición de caudal entre los procesos, pero se cuenta con un medidor digital en el cárcamo de bombeo. No es posible tomar muestras en las salidas de las celdas de lodos. El agua proveniente de las celdas de lodos llega mezclada a una sola caja receptora, por lo que no pueden analizarse por separado. Existe una deficiente distribución del gasto dentro de las celdas por pequeños desniveles en la caja distribuidora. El desarenador no se diseñó correctamente, por lo que no cumple con las especificaciones requeridas para este proceso, por lo que no se remueven eficientemente las arenas, las que pasan al cárcamo de bombeo donde generan problemas de obstrucción y desgaste de las bombas. Problemas de la operación y mantenimiento El caudal observado no siempre coincidió con el indicado en el medidor de gasto. Los gastos más pequeños se presentaron principalmente por taponamiento de la bomba con basuras. La poda de la vegetación se realiza una vez al año, la cual no es suficiente según la frecuencia recomendada para estos sistemas, que varía entre 4 y 6 veces por año. Cuando se realiza la poda, los residuos de la vegetación no son dispuestos en un área fuera de las celdas, provocando que los nutrientes liberados durante la descomposición se reincorporen a las celdas, incrementando la carga orgánica y disminuyendo la eficiencia de remoción de contaminantes. Se identificaron durante la evaluación del sistema áreas sin vegetación dentro de una de las celdas. Las plantas transfieren el oxígeno a los microorganismos existentes en las superficies del lecho. Sin plantas no se transfiere el oxígeno y disminuye la eficiencia de remoción de contaminantes. Universidad del Valle/Instituto Cinara Rivas, A. 138

8 CONCLUSIONES Las eficiencias de remoción de contaminantes (DBO, DQO, patógenos, etc.) fueron en su mayoría más altos que los referidos en la literatura, por las mejores condiciones ambientales que se tienen en el país, por lo que se puede concluir que el uso de los humedales en México representan una importante alternativa para el tratamiento de las aguas residuales. Las especies dominantes fueron el tule (Typha sp), tulillo (Cyperus sp) y el carrizo (Arundo donax). Sin embargo se pueden investigar y utilizar otras especies vegetales, dependiendo de sus tasas de transferencia de oxígeno. La eficiencia de tratamiento puede incrementarse atendiendo las deficiencias identificadas en el diseño físico (corregir el desarenador, y recircular el agua tratada en las celdas de lodos hacia las celdas purificadoras para eliminar el 100% de los huevos de helmintos e incrementar la remoción de patógenos y otros contaminantes). Los problemas de operación y mantenimiento más relevantes fueron inexistencia o deficiencias en la poda y disposición de la vegetación, así como fallas en la distribución del gasto. Una poda y disposición de la vegetación, con una programación de 4 a 6 veces por año así como una eficiente distribución del caudal permitirán mejorar la calidad del agua tratada. AGRADECIMIENTOS Se agradece a la Dra. Gabriela Mantilla Morales y al Ing. Fernando Pozo Román por su apoyo para la realización de los muestreos, al Dr. Firdahus Jhabvala, Director del Centro de Estudios de Investigación del Sureste A. C., a las autoridades municipales de Quilehtla, Tlax., por su autorización para realizar la toma de muestras en la planta de Quilehtla y a Frances por la traducción. REFERENCIAS Crites, R. W. (1994). Design criteria and practice for constructed wetlands. Wat. Sci. Tech., 29(4), 1-6. Goldman, J. C.; Oseald, W. J. and Jenkins. (1974). The kinetics of inorganic carbon limited algal growth. WPCF, 46(3), Kadlec, R. H. and Knight, R. L. (1996). Treatment wetlands. Lewis publishers, Boca ratón. Metcalf and Eddy. (1979). Wastewater engineering. Treatment, disposal, and reuse. Third edit. Mc Graw. Hill, Inc. Mueller-Dombois and Ellemberg H. (1974) Aims and methods of vegetation ecology. John Wiley and Sons. Rivas, H. A. (1997). Lechos de plantas acuáticas (LPA) para el tratamiento de aguas residuales. Ingeniería Hidráulica en México, XII(3), II Época, Sherwood, C. R. and Donald, S. B. (1992). Constructed wetland design. The first generation. Water Environment Research, 64(6), Wood, A. (1995). Constructed wetlands in water pollution control: Fundamentals to their undersatnding. Wat. Sci. Tech., 32(3), Universidad del Valle/Instituto Cinara Rivas, A. 139