EVALUACIÓN DE UN HUMEDAL MEXICANO CON LA VARIANTE DE FLUJO SUPERFICIAL, PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS. Rivas, A.

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1 EVALUACIÓN DE UN HUMEDAL MEXICANO CON LA VARIANTE DE FLUJO SUPERFICIAL, PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS 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 Se evalúa en este estudio un humedal en el que es tratada el agua residual generada en una unidad habitacional integrada por 350 habitantes, ubicada en Ixtaczoquitlán, Veracruz, México. El sistema de tratamiento consiste de un tanque séptico + celda de flujo superficial + laguna facultativa + celda de flujo superficial. La eficiencia de remoción de la DBO fue de 88.9 % y de % de coliformes fecales. Se obtienen las eficiencias de tratamiento, global y por proceso de 28 parámetros (fisicoquímicos y microbiológicos). Se colectaron e identificaron 11 especies vegetales, de las cuales Typha sp resultó ser la especie dominante. El tiempo de retención hidráulico calculado con el gasto medido y el obtenido mediante pruebas de trazadores fueron aproximadamente de siete días, mientras que el calculado con el gasto de diseño es de aproximadamente 53 días. Los principales problemas de operación y mantenimiento identificados fueron: el gasto de operación no corresponde al de diseño; se operó el sistema bajo un modelo diferente al de diseño; se presentaron deficiencias en la distribución de caudal, falta de poda y de disposición de la vegetación. El agua tratada es reutilizada en actividades acuícolas. PALABRAS CLAVES Dispersión, eficiencia de remoción, flujo superficial, fósforo, humedal, laguna facultativa, nitrógeno. INTRODUCCION En los últimos 10 años el uso de los humedales ha tomado importancia en Europa, África y Norteamérica. En Estados Unidos su número incrementó de 150 (Sherwood et al, 1992) a más de 1800 en los últimos 7 años. En México actualmente se estima que operan 50 de estos sistemas, considerando los de propiedad privada y los operados por los municipios. En este trabajo se realiza la evaluación de un humedal con la variante de flujo superficial, en el que se tienen como objetivos obtener sus eficiencias de remoción de contaminantes, por proceso y global del sistema, obtener sus listas de especies vegetales, identificar los principales problemas de operación y mantenimiento y generar alternativas de solución. Sistema de tratamiento. El humedal se ubica en Ixtaczoquitlán, Veracruz, en la parte centro este de México. Es propiedad de la empresa Cementos Apasco, Planta Orizaba, por lo que en lo sucesivo se le llamará planta Orizaba. Tiene como objetivo el tratamiento de aguas residuales de tipo doméstico. La población del proyecto es de 350 personas, el gasto medio es de 28.5 m 3 /d, la temperatura promedio del mes más frío es de 17 C, los coliformes fecales son 10E08 NMP/100 ml, la DBO 5 (considerando 45 g/ hab.d) es de 550 mg/l. El sistema consiste de una fosa séptica seguida de dos módulos, cada uno formado por una celda purificadora con plantas enraizadas y flujo libre de caudal. Le sigue una laguna y una segunda celda purificadora con características idénticas a la anterior. En la Figura 1 se ubican los puntos de muestreo (entradas y salidas de los procesos). El agua tratada (puntos 5 y 8) es descargada en un estanque con peces. Universidad del Valle/Instituto Cinara Rivas A. 124

2 1 Influente (agua cruda), entrada a la fosa séptica. 2 Entrada a la primera celda purificadora de los dos módulos. Módulo A: 3 Salida de la primera celda purificadora y entrada a la laguna. 4 Salida de la laguna y entrada a la segunda celda purificadora. 5 Efluente del módulo A. Módulo B: 6 Salida de la primera celda purificadora y entrada a la laguna. 7 Salida de la laguna y entrada a la segunda celda purificadora. 8 Efluente del módulo B. Figura 1. Tren de tratamiento y ubicación de los puntos de muestreo METODOS Toma de muestras y cuantificación e identificación de especies. Las muestras se tomaron en las entradas y salidas de los procesos para evaluar sus eficiencias. La frecuencia de muestreo fue de cada cuatro horas (seis muestras por día para formar la muestra compuesta) durante cinco días (muestras simples para coliformes fecales y grasas y aceites). Se colectaron e identificaron las especies vegetales 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). Se muestrearon 10 puntos en el módulo A y 9 en el módulo B. El colorante se introdujo en el punto 2. RESULTADOS Y DISCUSION Mediciones de campo El gasto medido fue en promedio de 1.25 l/s (varió entre 0.48 l/s a 1.6 l/s), el cual es más de tres veces el gasto de diseño (0.33 l/s), por lo que la planta se encontró operando por encima de su capacidad de tratamiento. Una razón del incremento del gasto durante el periodo de muestreo fue la presencia de lluvia. Por el módulo A pasa un gasto de l/s (56 m 3 /d), el cual es un poco mayor que el gasto del módulo B, que es de l/s (52.7 m 3 /d), debido a que el vertedor de distribución de gasto se encuentra ligeramente desnivelado a favor del módulo A. Los resultados de ph, oxígeno disuelto, temperatura y conductividad se presentan en la Tabla 1. 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 Módulo A P P P Módulo B P P P Universidad del Valle/Instituto Cinara Rivas A. 125

3 Los resultados mayores promedio de ph y oxígeno disuelto se encuentran en los puntos 4 y 7, los que equivalen a las salidas de las lagunas de los dos módulos. La razón de estos valores se debe a la producción de oxígeno por las algas existentes en las lagunas. Goldman et al, (1974) cita que este efecto se debe a que la velocidad de asimilación de CO 2 como fuente de carbono por parte de las algas, para realizar la fotosíntesis, es mayor que la de su producción, dejando libres los iones oxhidrilos, los que al acumularse aumentan el ph. La temperatura promedio durante el muestreo fue de 24 C la cual es favorable para el tratamiento. Los resultados obtenidos de conductividad eléctrica para los efluentes son menores de 350 ds/m y por ser menor que 1200 ds/m el agua tratada no restringe su reúso por salinidad. Resultados de los parámetros de laboratorio y eficiencias de remoción Los resultados de los parámetros de laboratorio se presentan en la Tabla 2, en la Tabla 3 sus eficiencias de remoción por sistema y en la Tabla 4 la eficiencia para cada proceso. El análisis de algunos de los parámetros de estas tablas es el siguiente: La remoción de SST, se tiene que esta varía entre 12 y 15% (Tabla 3) la cual es aparentemente baja ya que la remoción esperada (Rivas, 1997) varía entre 70 y 80% para este parámetro. La razón se debe a que se tienen problemas hidráulicos en la segunda celda, en la que por sus márgenes pasa una cantidad de algas proveniente de las lagunas, siendo descargadas en el efluente final incrementando el valor esperado de SST. La remoción de coliformes fecales esperada es del orden de 99.99%, la obtenida varió de a % (Tabla 3), lo que indica que la eliminación de patógenos fue bastante buena, lo cual puede deberse a los valores de ph (medidos en las lagunas) mayores que 9. La eficiencia de tratamiento esperada para la eliminación de nitrógeno amoniacal es de 65%, la obtenida fue prácticamente del 90% el cual es también un valor alto. Una razón probable es que además de las hidrófitas, las algas participan en la remoción de este compuesto. El mismo caso se presenta para la degradación del nitrógeno total, ya que se contemplaba una remoción cercana al 65%, y el valor obtenido fue del 85%. El fósforo removido varió de 60 a 66%, el valor esperado es de 80% por lo cual la eficiencia obtenida se encuentra dentro del rango teórico. Dos de los parámetros estudiados presentaron una eficiencia negativa, los cloruros y el potasio, lo cual puede deberse a la acumulación de estos compuestos en las unidades de tratamiento durante los años de su operación. En la Tabla 2 el valor de cloruros es de mg/l en el agua cruda (punto 1), de mg/l en el punto 5 y mg/l en el punto 8, que son los puntos de salida del sistema. El resultado es que se tiene un incremento de la concentración de cloruros del 4.73% y 7.22% respectivamente. El potasio se incrementa en un 3.4%. El porcentaje de remoción de DBO total es prácticamente del 90% el cual es bastante bueno considerando que se esperaría remover cerca del 80%. La dilución que la lluvia provocó es un aspecto que pudo haber influido en este valor alto de remoción. Universidad del Valle/Instituto Cinara Rivas A. 126

4 Tabla 2. Parámetros de laboratorio PARÁMETROS PUNTOS DE MUESTREO (mg/l, excepto si se indica otra unidad) P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 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 Cl N-NO N-NO CaCO Bicarbonatos Ca, CaCo Mg, CaCo CaCO Sulfatos K G y A * * * 24.9 * * CF, NMP/100 ml 223E07 630E07 134E03 284E02 111E03 230E04 665E03 622E02 CT, NMP/100 ml 166E11 282E10 516E03 800E04 894E04 224E03 243E04 243E03 Análisis de la DBO por proceso. Al hacer un análisis del comportamiento de la DBO en cada uno de los procesos de tratamiento se tiene que se obtuvo una remoción del 32.7% entre los puntos 1 y 2 (Tabla 4). No obstante, es conveniente señalar que la concentración de DBO del agua residual típica es de 250 mg/l, y el valor obtenido fue de 45.4 mg/l (Tabla 2, punto 1), es decir, un agua bastante diluida. Entre los puntos 2 y 3, que corresponden a la primera celda con plantas, se mejora la calidad del agua en un 81.8% (Tabla 4). Este es el proceso en el que se realiza la mayor remoción de contaminantes. Posteriormente entre los puntos 3 y 4, es decir en la laguna, se disminuye a la materia orgánica en un 7%. En la segunda celda de plantas (puntos 4 y 5) la remoción es de tan sólo 0.77%, una remoción muy baja comparada con la de la primera celda. Hasta aquí se analizó el módulo A. Para el módulo B se tiene que entre los puntos 2 y 6, que corresponden a la primer celda con hidrófitas se remueve el 85.4% de DBO, valor similar al de la primer celda del módulo A. Entre los puntos 6 y 7 se presenta un valor negativo de remoción (-17.71%), sin embargo, si se consideran los valores de la DBO de estos dos puntos 4.46 mg/l y 5.25 mg/l (Tabla 2) la diferencia es poco significativa para fines prácticos. De igual modo, hay una pequeña variación de DBO entre los puntos 7 y 8 con una muy leve remoción de 4%. Del análisis anterior se puede deducir que la mayor parte del tratamiento se realiza hasta la primera celda purificadora, y que las unidades posteriores contribuyen con muy poco en la mejoría de calidad del agua en cuanto a la remoción de la DBO. Universidad del Valle/Instituto Cinara Rivas A. 127

5 Tabla 3. Eficiencia total del sistema de remoción de contaminantes PORCENTAJES DE PARÁMETROS EFICIENCIAS REMOCIÓN (mg/l, excepto si se REPORTADAS MÓDULO A MÓDULO B indica otra unidad) (%) Punto 5 Punto 8 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 Se analizó la concentración de clorofila "a", en los puntos 4 y 7 (salida de las lagunas). La concentración de clorofila a de una laguna facultativa, que es similar a la laguna existente en el tren de tratamiento, debe variar entre 500 y 2000 µg/l. Los valores obtenidos variaron entre 90 y 180 µg/l los que se encuentran por debajo del mínimo de 500 µg/l para este tipo de laguna, lo que se debió a que la carga orgánica que recibe es muy baja, es decir, ante lo limitado de los nutrientes se desarrolla poca población algal y consecuentemente el color es de un verde tenue. Lo anterior afecta la remoción de patógenos, ya que si se desarrollara una mayor población de algas incrementaría el ph y con ello la mortandad de bacterias patógenas. Universidad del Valle/Instituto Cinara Rivas A. 128

6 Tabla 4. Eficiencia de remoción de contaminantes por proceso PARÁMETRO % DE REMOCIÓN POR PROCESO P2 P3 P4 P5* P6 P7 P8** ST SST SSV SSV SDV DBO T DBO S DQO T DQO S N-NH 3, K 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 Prueba de dispersión En el módulo A el tiempo de retención calculado con el gasto de diseño fue de 53.5 días, 7.45 días con el gasto medido y 6.26 días con el gasto de la dispersión, en el módulo B los caudales fueron 53.5 días, 7.95 días y 5.23 días, respectivamente. Los caudales medido y el obtenido mediante la prueba de dispersión son significativamente menores que el gasto de diseño. El tiempo de retención de los dos módulos debiera ser el mismo ya que se calculan con el mismo gasto, sin embargo la variación se debe a que reciben volúmenes diferentes, generados por un desnivel en el vertedor de distribución, a la generación de zonas muertas por insuficiencias en la operación y mantenimiento (falta de limpieza de las estructuras de paso). Igualmente el módulo B tiene 20 cm más de profundidad que el módulo A. El gasto de diseño es de m 3 /d, el cual es considerablemente menor que el gasto medido, que fue de m 3 /d en el módulo A, y de 95.8 m 3 /d en el Módulo B. Lista de especies. En la Tabla 5 se presentan las especies vegetales identificadas en los humedales. Universidad del Valle/Instituto Cinara Rivas A. 129

7 Tabla 5. Lista de especies NOMBRE COMÚN NOMBRE CIENTÍFICO PLANTAS EMERGENTES Tule Typha dominguensis Pers Tule Thypa latifolia L. Tulillo Scirpus validus Carrizo Phragmites spp (existen varías especies) Junco Juncus eleocharis Alcatraz Zantedeschia aethiopica Gingibre Hedychium coronarium PLANTAS FLOTANTES Lentejuelas, lentejilla de agua, chilicastle Lemna spp. Lentejilla de agua Wolffia spp. Lirio acuático Eichhornia crassipes Ninfa Nymphaea spp, Durante el tiempo de muestreo la distribución de las especies se encontró del siguiente modo: hacia el cabezal de la celda purificadora se desarrolla el alcatraz (Zantedeschia aethiopica), sin embargo es el tule (Thypa Latifolia L.) la especie que presenta mayor dominancia (aproximadamente un 98 % del área). Las demás especies representan un valor cuantitativo poco significante para el tratamiento, incluyendo las especies flotantes que sólo se encuentran en pequeños manchones sobre las lagunas. Evaluación del diseño teórico El área del sistema se calculó con la ecuación de Kadlec (1996), para un sistema de flujo superficial. Las áreas calculadas fueron las siguientes: con base en los resultados de laboratorio se tiene que el área actual del sistema (0.164 ha) es mucho mayor que el área calculada con los resultados de laboratorio (0.07 ha). De hecho, de acuerdo con las ecuaciones de diseño de lagunas facultativas, el tratamiento podría realizarse con solamente este proceso, lo que significa que el sistema se encuentra sobredimensionado. Problemas de operación El sistema se estaba operando de un modo diferente con respecto al criterio con el que fue diseñado El gasto medio medido fue de 1.25 l/s, el cual es más de tres veces el gasto de diseño. Se está realizando una distribución incorrecta del gasto hacia los módulos por dos razones: 1) El vertedor que distribuye el caudal se encuentra desnivelado. 2) El tubo de llegada a la caja de distribución no está ubicado exactamente en el centro, sino considerablemente hacia el módulo B provocando el paso de un mayor caudal El sistema no incluye pretratamiento No se cuenta con una unidad de medición de caudal Problemas de mantenimiento Falta de extracción de las natas flotantes generadas en la fosa séptica las que pudieran producir malos olores Falta de limpieza del tubo de distribución en los cabezales Falta de poda y disposición del material podado Universidad del Valle/Instituto Cinara Rivas A. 130

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. La especie dominante fue el tule (Typha sp), sin embargo se pueden investigar y utilizar otras especies vegetales, dependiendo de sus tasas de transferencia de oxígeno. Se tienen problemas en el diseño ya que no se cuenta con rejillas ni desarenador, ni estructuras de derivación (by- pass), ni con unidades de medición de gasto y la planta fue sobredimensionada. La instalación de estos procesos puede facilitar la operación e incrementar las eficiencias de tratamiento. 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. La poda y disposición correcta 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. La carga orgánica que recibe el sistema se encuentra por debajo de la carga orgánica recomendada para esta alternativa tecnológica, lo que beneficia sus eficiencias de tratamiento. Los humedales requieren de 5 a 8 días de tiempo de retención para realizar la remoción de contaminantes. 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 understanding. Wat. Sci. Tech., 32(3), Universidad del Valle/Instituto Cinara Rivas A. 131