ANÁLISIS Y EVALUACIÓN DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES POR LODOS ACTIVADOS DE POK-TA-POK, CANCÚN, Q. ROO. Sotelo, Parra Alejandro, Cruz, Ojeda Arturo y Pozo, Román Fernándo. INSTITUTO MEXICANO DE TECNOLOGÍA DEL AGUA (IMTA). PASEO CUAUHNAHUAC NÚM. 8532, COL. PROGRESO, JIUTEPEC, MOR, MÉXICO, TELFAX: 91(73) 19-43-81. RESUMEN Para evaluar el funcionamiento de la Planta e identificar los problemas que afectan la eficiencia del tratamiento, se tomaron muestras de agua y de lodos residuales cada cuatro horas durante seis días. Parámetros fisicoquímicos y biológicos fueron analizados, tanto en campo como en laboratorio. En base a DBO total, SST y coliformes fecales, la planta presentó eficiencias de remoción de 90, 90, 99.989% respectivamente, éste último valor a pesar de ser bastante alto, no cumplió con las condiciones particulares de descarga. La planta está operando con nitrificación y con bajo contenido de SSVLM en el tanque de aireación. El lodo residual digerido deficientemente, por contener elevada concentración de coliformes fecales y huevos de helminto, y por haberse detectado Salmonella typhi, es considerado como residuo altamente infeccioso. Se requiere mejorar el control de flujo en cada una de las unidades de la planta, instalar un espesador de lodos e incrementar la dosificación de cloro. Además, es importante darle mantenimiento más frecuente y capacitar a personal operativo y de laboratorio. INTRODUCCIÓN El manejo adecuado de las aguas residuales es una necesidad para disminuir los riesgos de adquirir enfermedades y para evitar la degradación del medio natural. El proceso de lodos activados, es un tratamiento biológico aerobio de tipo secundario, que se basa en las reacciones metabólicas de síntesis y respiración de los microorganismos para reducir los contaminantes del agua residual. Ramalho, 1977, menciona que cuando se tienen concentraciones de substrato (medida como DBO 5 ) menores de 500 mg/l se sigue una cinética de primer orden, donde la variación del substrato se expresa de la siguiente manera: ds dt = KS ó ds dt = kxas Donde: S : Concentración de substrato. k : Constante de biodegradabilidad. Xa: Concentración de biomasa. En el sistema de lodos activados convencional el reactor se considera de tipo continuo, en estado estacionario y completamente mezclado. La determinación de la constante de biodegradabilidad se realiza mediante un balance de masa en el sistema de lodos activados convencional, una vez conocida ésta, se procede a determinar el tamaño del reactor y su tiempo de retención. La evaluación del proceso de lodos activados se mide a través del análisis de ciertos parámetros de operación y control, tales como edad del lodo (TRCM), relación F/M, tiempo de retención hidráulico, Sólidos Suspendidos Volátiles (SSV), DBO, DQO, ph, gasto, temperatura, entre otros (Hammer, 1986, Qasin, 1994). La eficiencia del sistema se determina mediante una relación entre el substrato contenido en el influente y el contenido en el
efluente. Generalmente en un sistema de lodos activados bien operado se alcanza una remoción de DBO del 90 al 95% (Ramalho, 1977). MATERIALES Y MÉTODOS La planta objeto de este estudio esta ubicada en el Km 7+500 de la Zona Hotelera del centro turístico de la ciudad de Cancún, Q. Roo. Las aguas residuales que recibe dicha planta son de tipo doméstico y para su tratamiento utiliza el sistema de lodos activados convencional. El sistema esta integrado propiamente por cinco subsistemas (cada uno con su respectivo tanque de aireación y tanque sedimentador) los cuales son alimentados con la mezcla de agua cruda que entra a la planta y el lodo activado de recirculación. El efluente final resulta de la unión de los efluentes de cada subsistema. El agua residual es enviada a la planta mediante bombeo por una empresa externa, dicho bombeo se realiza de acuerdo al nivel del agua del tanque de bombeo. El agua emerge a una altura superior al nivel de los tanque aireadores, luego pasa por un canal que cuenta con dos rejillas colocadas en forma perpendicular al flujo. El agua fluye y se distribuye a cuatro desarenadores colocados perpendiculares al flujo, posteriormente el agua sale de cada desarenador y es conducida hasta llegar a un sensor electrónico Parshall que mide el caudal de agua cruda, el agua entonces fluye y se combina con el lodo de recirculación procedente de cinco sedimentadores, es entonces distribuida esta mezcla mediante cinco compuertas (no hay medición de gasto en ellos) que comunican a cada uno de los tanques de aireación rectangulares de concreto reforzado. Estos tanques están clasificados como dos del módulo original y tres del módulo nuevo. El efluente de los tanques aireadores es bombeado a su correspondiente sedimentador circular. Los lodos acumulados son retirados cada hora durante 15 minutos. Parte de estos lodos son recirculados, mientras que el resto son digeridos aeróbicamente. El agua clarificada procedente de los sedimentadores secundarios es bombeada a un tanque de cloración de concreto con mamparas que forman 7 canales. Parte del agua clorada es inyectada a 7 pozos de absorción y el resto se almacena en 5 cisternas para posteriormente ser usada para riego de áreas verdes. Los lodos digeridos aeróbicamente son bombeados a un tanque de homogenización donde previamente se le adiciona una disolución de polímero en agua, lo cual facilita la floculación del lodo que posteriormente es deshidratado por un filtro banda. El lodo deshidratado es dispuesto a cielo abierto fuera de la ciudad y el filtrado es enviado de vuelta a la estación de bombeo externa a la planta. Para la evaluación y la identificación de los problemas operativos y de diseño de la planta, se realizaron seis muestreos diarios en seis sitios de muestreo para aguas y cuatro para lodos residuales. Se seleccionaron parámetros fisicoquímicos y biológicos, de manera que se obtuviera para cada sitio de muestreo suficiente información para cubrir los objetivos del estudio. En campo se midió ph, oxígeno disuelto (OD), temperatura del agua y del ambiente, cloro residual, dosificación de cloro, tasa de respiración, sólidos sedimentables y caudal de entrada a la planta. En laboratorio se midieron DBO total y soluble, DQO total y soluble, sulfatos, SST, SSV, Nitrógeno en todas sus formas, fosfatos totales, detergentes, cloruros, alcalinidad, conductividad, metales (Ca, Mg y Na), coliformes fecales, huevos de helminto y análisis de CRETIB (Corrosivo, Reactivo, Explosivo, Tóxico, Inflamable y Biológico infeccioso) para el lodo residual, según las normas NOM-CRP-001 y 002-ECOL/1993. La toma de muestra, preservación y análisis fueron realizados en base al Manual de Métodos Estandarizados para Agua y Aguas residuales (APHA, 1992), considerando las recomendaciones de la Enviromental Protecction Agency (EPA, 1979) y de la Comisión Nacional del Agua de la ciudad de México (CNA, 1996), se tomaron muestras compuestas proporcionales al gasto cada 4 horas, durante seis días (5 muestras por día).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN Calidad del influente. El flujo que maneja la planta es variable (Figura 1) y depende de la afluencia turística. El caudal promedio fue de 178.76 l/s, con un rango de variación de 88.20 a 245 l/s. El agua cruda, tuvo un ph promedio de 7.26 unidades de ph y un OD de 0.18 mg/l. La materia orgánica medida como DBO total y soluble y DQO total y soluble, presentó concentraciones de 211.00, 127.33, 418 y 165.16 mg/l respectivamente, por lo que el agua, se considera moderadamente contaminada (Peavy, et al., 1985). El clima tropical de la región proporcionó al agua cruda una temperatura promedio de 29.9 C, mientras que por el tipo del suelo y por la cercanía al mar se presentaron elevadas concentraciones promedio de cloruros de 675.55 mg/l, y una alcalinidad de 434.16 mg/l medida como CaCO 3, lo que contribuyó a generar un valor promedio de conductividad de 2635.28 micromhos/cm. Esto indica indirectamente presencia significativa de sólidos disueltos que por el proceso de lodos activados no se remueven fácilmente. La concentración promedio de SSV y SST fue de 170.80 y 214.10 mg/l respectivamente. Por otra parte, la concentración de nutrientes fue ligeramente menor a los valores encontrados para aguas moderadamente contaminadas. Por la concentración promedio de coliformes fecales y huevos de helminto que fueron de 1.17 X 10 8 NMP/100 ml y 66.98 huevos/l respectivamente, se encontró que el agua que se genera de la Zona Hotelera de Cancún, Q. Roo, está severamente contaminada biológicamente. Figura 1. Comportamiento del gasto en el influente de la planta de tratamiento de aguas residuales de Pok-Ta-Pok, Cancún, Q. Roo. Período: del 11 al 16/06/1996. CALIDAD DEL EFLUENTE Y ASPECTOS OPERATIVOS DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO. Los parámetros de operación que no sufrieron cambios apreciables durante el proceso de tratamiento fueron el ph y la temperatura, mientras que el OD fue incrementado hasta una concentración promedio de 2.88 mg/l. Las concentraciones promedio de DBO y DQO, ambas total y soluble fueron de 20.50 y 16.50; 84.33 y 47.33 mg/l respectivamente. Con estos valores se alcanzaron eficiencias promedio de remoción para DBO y DQO total en el orden indicado de 90.28 y 78.93% respectivamente. Este último valor corrobora el hecho de que existe todavía presencia de materia orgánica que no alcanza a degradarse por la biomasa activa. En cuanto a la concentración promedio de SST se tuvo un valor de 20.50 mg/l, lo que proporcionó una eficiencia de remoción de 90.43%.
En la Figura 2, se muestra la gran reducción de DBO y SST que tuvo lugar durante el período de muestreo en la Planta de Pok-Ta-Pok, Cancún, Q. Roo. En cuanto a la calidad biológica se encontró una concentración promedio de huevos helminto de 2.67 huevos/l, con un rango de variación de no detectable a 4 huevos/l, en tanto que la concentración de coliformes fecales rebasó las condiciones particulares de descarga (1 X10 3 NMP/100 ml) en tres de los seis días de muestreo en un 2,500%. Por otra parte, debido a la reducida información con respecto a este último parámetro, no fue posible correlacionar su concentración con parámetros como dosificación de cloro, cloro residual y gasto de entrada al tanque de cloración. Lo anterior, se pudo observar con algunos de los datos que se obtuvieron, donde, por ejemplo para el primer día de muestreo el gasto promedio del influente al tanque de contacto con cloro fue de 235.20 l/s con una dosificación de cloro de 3.79 mg/l y una concentración de coliformes fecales en el influente del tanque de 4.0 X 10 2 NMP/100 ml, obteniéndose en el efluente una concentración de coliformes fecales de 2 NMP/100 ml; mientras que para el tercer día de muestreo con un gasto de 169.05 l/s, una dosificación de cloro de 5.42 mg/l, pero con una concentración de coliformes en el influente del tanque de 1.2 X 10 6 NMP/100 ml, se obtuvo una concentración de coliformes en el efluente fue de 5.0 X 10 4 NMP/100 ml, valor que debió ser mucho menor, puesto que el gasto fue menor y la dosificación de cloro mayor. Figura 2. Comportamiento de la DBO y SST en el influente y efluente de la planta de tratamiento de aguas residuales de Pok-Ta-Pok Período: del 11 al 16/06/1996. Con estos resultados, se deduce que el problema principal del sistema de cloración radica más en la falta de mantenimiento del tanque de contacto con cloro que en su operación, esta afirmación se basa en que durante el muestreo se observó presencia de una capa gruesa de sólidos (lodo) a la salida del tanque de cloración que pudo haber incrementado la concentración de este parámetro. Además, la concentración de cloro residual detectada fue menor (1.37 mg/l) que la condición de descarga particular permisible que es de 2.0 mg/l, por lo que se recomienda aumentar la dosificación de cloro para mejorar la eficiencia de la desinfección. En un proceso de tratamiento por lodos activados, la adecuada operación del sistema aireador-sedimentador permite obtener tanto un efluente de buena calidad como altas eficiencias de tratamiento. Para alcanzar, estas condiciones es importante mantener suficiente concentración de oxígeno disuelto en el tanque de aireación, además de contar con suficiente biomasa. En la Figura 3, se presenta la gráfica de consumo de oxígeno para el módulo original y nuevo. Para el original, se atribuye que debido a la baja concentración de biomasa la velocidad de consumo de oxígeno es muy lenta, mientras que para el módulo nuevo el consumo de oxígeno fue más rápido a causa de que se encontró mayor concentración de biomasa, lo cual varió de 620 a 924 mg/l medida como SSV. No obstante, que el consumo de oxígeno es mejor en el módulo nuevo que en el original, ambos módulos presentaron parámetros de control (IVL, TRCM, t, F/M y SSV) que difieren notablemente de los recomendados por la literatura para los sistemas de lodos activados. A pesar de esto, se obtuvieron eficiencias de remoción
elevadas, un efluente claro, y bajas concentraciones de DBO y SST, siendo la limitante la presencia de coliformes fecales que rebaso en el 50% de los datos el valor permisible de descarga.. Figura 3. Consumo de oxígeno disuelto en los módulos original y nuevo de la planta de tratamiento de aguas residuales de Pok-Ta-Pok, Cancún, Q. Roo. Con el fin de mostrar la variación de algunos parámetros de control y operación durante los días de muestreo, se presentan las Tablas 1 y 2. Cabe mencionar que el módulo original esta constituido por 2 tanques de aireación y 2 sedimentadores y el módulo nuevo lo forman 3 tanques de aireación y 3 sedimentadores. De estas tablas, se observa que en los dos módulos se tienen concentraciones bajas de SSV, obteniéndose valores de IVL elevados y relaciones de F/M altas y muy variables, esto es debido al tipo de lodo que se presentó en los cinco sistemas, el cual fue un lodo floculento que formó una capa de sobrenadante claro que varió de 20 a 550 ml. La característica floculenta del lodo, se considera se debe a dos causas: a) a la existencia en exceso de algunos tipos de microorganismos de naturaleza filamentosa que impiden que el lodo sedimente bien, quedando en suspensión gran parte de su masa y b) por la presencia de burbujas de gas procedentes de las condiciones anóxicas o anaeróbicas que pudieron presentarse por no retirar oportunamente el lodo sedimentado, de hecho, se pudo notar en trabajo de campo que el retiro de lodos sedimentados, se realiza cada hora durante 15 minutos, pero en muchas ocasiones por descuido del personal de operación, éste no se lleva a cabo a la hora señalada sino tiempo después. También, otro factor que pudo afectar el proceso es que el tiempo de retención celular promedio en los tanques aireadores fue más bajo (3.46 días) que el recomendado que varía de 5-15 días, produciendo un lodo suboxidado el cual es muy ligero y por tanto, no sedimenta fácilmente. Al hecho anterior, cabe agregar que en los sedimentadores, se encontró un tiempo de retención hidráulico de 5.8 horas, valor que es mayor que el recomendado en la literatura (5 horas), esto es benéfico, pero se tendrá que controlar el retiro de los lodos sedimentados ya que puede dar lugar a que las bacterias facultativas al encontrar condiciones anóxicas utilicen el oxígeno de los nitratos (desnitrificación) para formar principalmente N 2, o bien bajo condiciones anaerobias se generan gases tales como H 2 S, CO 2 y metano, provocando que éstos al emerger a la superficie arrastren el lodo e impidan una buena sedimentación (W. Czysz et al., y E. Blitz et al., 1991).
Tabla 1. Comportamiento de algunos parámetros de control para el módulo original. Fecha DBO efluente (mg/l) SSV(biomasa) (mg/l) IVL (ml/g) Relación F/M (días -1 ) 11/06/96 18 1328 411.35 0.77 12/06/96 28 404 1012.82 3.02 13/06/96 28 620 800.95 1.95 14/06/96 31 586 900.90 1.69 15/06/96 22 513 878.16 2.13 16/06/96 16 630 673.08 1.61 Tabla 2. Comportamiento de algunos parámetros de control para el módulo nuevo. Fecha DBO efluente (mg/l) SSV (biomasa) (mg/l) IVL (ml/g) Relación F/M (días -1 ) 11/06/96 38 808 701.99 0.9 12/06/96 25 620 807.52 1.40 13/06/96 31 732 782.61 1.18 14/06/96 20 840 654.08 0.88 15/06/96 28 740 743.73 1.05 16/06/96 22 924 618.47 1.58 Calidad del lodo digerido. El lodo residual digerido presentó todavía concentraciones promedio de DBO total, DQO total y SSV para el módulo original de 2,100, 5,741 y 2,699 mg/l respectivamente, y para el módulo nuevo, en el orden mencionado fueron de 2,890, 3,625 y 2,313 mg/l. Estos valores indican indirectamente que en el módulo original se concentra más material de difícil biodegradación. En ambos digestores, se encontró que no hubo reducción eficiente de SSV, debido principalmente al bajo tiempo de retención hidráulico que fue de 3.65 días (recomendado 15-20 días), ocasionando un lodo deficientemente estabilizado. Un incremento en el tiempo de retención podría lograrse al instalar un espesador y controlar el gasto de entrada y retiro de lodos. Los lodos ya deshidratados presentan problemas para su disposición debido a la alta concentración de parásitos y a la presencia bastante significativa de coliformes fecales. Además de que, se detectó Salmonella typhi que es un agente etiológico causante de tifoidea. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. La contaminación del agua es debida principalmente a la actividad turística, por lo que el controlar la calidad del agua residual, se proporcionarán adecuadas condiciones sanitarias para la población turística y lugareña; un
inadecuado control provocará degradación del medio natural y en consecuencia desalentará a los turistas afectando los ingresos económicos de la zona. El caudal de agua que recibe la planta varíó de 88.20 a 245 l/s, con un valor promedio de 178.56 l/s. La concentración promedio de DBO total, SST, coliformes fecales y huevos de helminto para el influente fue en el orden mencionado de 211 mg/l, 214 mg/l, 1.17 X 10 8 NMP/100 ml y 66.98 huevos/l, mientras que el efluente tuvo concentraciones para los mismos parámetros de 20.50 mg/l, 20.50 mg/l y 12.56 X 10 3 NMP/100 ml, 2.66 huevos/l respectivamente. En base a DBO total, SST y coliformes fecales, la planta presentó eficiencias de remoción de 90, 90, 99.989% respectivamente, este último valor a pesar de ser bastante alto, no cumplió con las condiciones particulares de descarga. La planta está operando con nitrificación y con bajo contenido de SSVLM en el tanque de aireación, lo que causa alta relación de F/M y IVL, además de bajos valores de TRCM. El lodo residual digerido deficientemente, por contener elevada concentración de coliformes fecales y huevos de helminto, y por haberse detectado Salmonella typhi, es considerado como residuo altamente infeccioso. Se requiere control adecuado de la recirculación de lodo, de manera que se pueda incrementar la concentración de SSVLM en el tanque de aireación y por tanto se obtengan valores menores de IVL y F/M. Esto se reflejará en la obtención de parámetros cinéticos más precisos y acordes con los reportados en la literatura. Se recomienda retirar con mayor frecuencia los lodos de los sedimentadores para evitar condiciones anóxicas o anaerobias que puedan interferir con la eficiencia del proceso. Es importante incrementar la dosificación de cloro y mantener el tanque de cloración libre de natas. Se requiere instalar medidores de flujo en cada unidad de tratamiento para controlar y ajustar oportunamente el caudal de entrada. También, es necesario instalar un espesador de lodos para incrementar el tiempo de retención de los digestores y mejorar la remoción de SSV. Se recomienda implementar un programa de mantenimiento de la planta y otro para capacitación de personal a todos niveles. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS. APHA, AWWA, WPCF, (1992), Standard Methods for Examination of Waterand Wastewater, American Public Health Association, 18th ed. New York. Hammer, Mark J., (1986), Water and Wastewater Technology, Segunda edición, Prentice Hall, pp 411-418. Peavy, H. S. et al., (1985), Environmental Engineering, Editorial Mc. Graw Hill, pp 207-247. Ramalho, R. S., (1977), Introduction to Wastewater Treatment Processes, Academic Press Inc, pp 164-169. W. Czysz et al. y E. Blitz et al., (1991), Manual de Disposición de Aguas Residuales, Origen, Descarga, Tratamiento y Análisis de las Aguas residuales, Tomo II, Corporación Técnica República Federal de Alemania, pp 623-629. Environmental Protection Agency (EPA), (1979), Inspectors Guide for Evaluation of Municipal Waste Treatment Plants, Washington, D.C. April. Comisión Nacional del Agua (CNA), (1996), Subgerencia de proyectos, Comunicación personal. Normas Oficiales Mexicanas en materia de protección ambiental, NOM-CRP-001-ECOL/1993 y NOM-CRP-002- ECOL/1993, De las características de los residuos peligrosos, el listado de los mismos y los límites que hacen a un residuo peligroso por su toxicidad al ambiente, Primera edición, pp 231-329.
Qasin, R. Syed, (1994), Wastewater Treatment Plants, Planning, Desing and Operation, Technomic Publishing Co. INC., caps. 13, 17, 24 y 25.