remocion de plancton en el proceso filtracion rapida

REMOCION DE PLANCTON
EN EL PROCESO
FILTRACION RAPIDA
Vazquez H.(1), Contento L.(1), Ingallinella A.M.(2), Sanguinetti G.(2),
Bachur J. (1), Matiuzzi M.(2)
(1) Ente Regulador de Servicios Sanitarios de la Pcia. de Santa Fe
Córdoba 844, P.5.- TE: 041-490535 - FAX: 041-497774
(2000)Rosario-Rca. Argentina
(2) Centro de Ingeniería Sanitaria- Facultad de Ciencias Exactas, Ing. y Agrimensura- UNR
Riobamba 245 Bis- TE: 041-212068 - FAX: 041-256207
E-mail: [email protected]
(2000)Rosario-Rca. Argentina
PALABRAS CLAVES:
Plancton - Filtración Rápida - Velocidad de Filtración - Contaje de partículas -Turbiedades
RESUMEN
Se presentan los primeros resultados de un proyecto de investigación iniciado
en el Centro de Ingeniería Sanitaria en forma conjunta con el Ente Regulador de
Servicios Sanitarios , relacionado con la exigencia de ausencia de zoo y fitoplancton
establecidas en las Normas de Calidad de Agua Potable vigentes en la Pcia. de Santa
Fe. Se realizaron ensayos de filtración en un filtro piloto, divididos en dos etapas,
laboratorio y campo. Los objetivos fueron determinar la influencia de la velocidad de
filtración en la remoción de organismos planctónicos y la evaluación del contaje de
microorganismos como herramienta de control del proceso de filtración. Los resultados
obtenidos permiten concluir que existe una disminución de la remoción de
microorganismos planctónicos cuando se aumenta velocidad de filtración y que para
las particulares condiciones del sistema de filtración ensayado no es conveniente
utilizar velocidades de filtración mayores a 10m/h.
INTRODUCCION
Entre los años 1990 y 1995 se llevó a cabo un estudio para evaluar la calidad protistológica del
agua filtrada en la planta de potabilización de la ciudad de Rosario. La planta trata aguas del Río Paraná
y tiene un proceso convencional de coagulación, floculación , filtración rápida y desinfección.
Durante el monitoreo se encontraron organismos del fito y zooplancton en cantidades variables
entre 1 y 20 org/l y se observó que cuando los filtros trabajaban por encima de su velocidad nominal de 7
m/h, el número de microorganismos planctónicos se incrementaba hasta valores de 50 org/l. (Vazquez
et al,1997)
Teniendo en cuenta dichas observaciones y dada la importancia sanitaria de la presencia de
plancton en el agua tratada se propuso incorporar la exigencia de ausencia de zoo y fitoplancton en la
Normas de Calidad de Agua Potable. Esta exigencia plantea nuevos requerimientos para los procesos
de tratamiento y para el control de los mismos.
En el año 1997 se inició un proyecto de investigación conjunto entre el Centro de Ingeniería
Sanitaria y el Ente Regulador de Servicios Sanitarios de la Pcia. de Santa Fe que pretende responder a
las siguientes preguntas:
m Cuál es la influencia de la velocidad de filtración en la eliminación del plancton para las
particulares características de las aguas del Rio Paraná?
m En qué medida el contaje de plancton permite evaluar la eficiencia de un sistema de
filtración?
m Cuáles son las técnicas más adecuadas para el contaje de fito y zooplancton?
Para responder a algunas de las preguntas planteadas se elaboró un programa de ensayos de
laboratorio y de campo cuyos primeros resultados se presentan en este trabajo.
ANTECEDENTES
Importancia sanitaria del plancton en aguas de consumo humano
Según los Standard Methods (1995) el término plancton se refiere a aquellas formas
microscópicas acuáticas que presentan pequeña o ninguna resistencia a las corrientes y que viven
flotando libremente y suspendidas en las aguas naturales. Dentro del plancton se distingue el
fitoplancton que son las algas microscópicas que se presentan bajo la forma unicelular, colonial o
filamentosa y el zooplancton que en aguas dulces comprende principalmente protozoos, cladóceros y
copepódos. Además pueden encontrarse zoosporas fúngicas y hongos acuáticos.
La importancia sanitaria de la presencia de plancton en el agua filtrada y en el agua de
consumo ha sido reconocida ampliamente atendiendo a las siguientes razones:
m Pueden alojar bacterias patógenas en su interior, las que quedarían protegidas de la
acción del desinfectante.
m Indicaría ineficiencia en el proceso de filtración en la remoción de organismos patógenos
tales como: quistes de Giardias y Cryptosporidium y huevos de nematodes .
m Contribuye a la colonización de la red de distribución por las bacterias asociadas a los
organismos planctónicos, aumentando la carga orgánica dentro de los conductos.
Lo antedicho justifica la inclusión del parámetro plancton en las Normas de Calidad de Agua
de Consumo lo cual requiere estandarizar técnicas de cuantificación confiables.
Normas relativas a la presencia de plancton en el agua potable
La OMS (1995) establece que es conveniente que no existan organismos de vida libre en los
sistemas de abastecimiento de agua potable, pero señala que no se pueden recomendar valores
máximos permisibles ya que no se cuenta con datos suficientes que relacionen cantidades de esos
organismos con efectos específicos sobre la salud.
La Comunidad Económica Europea (1980) establece en sus directivas para la calidad del
agua potable que ésta no deberá contener ni organismos parásitos, ni algas, ni elementos figurados
(animáculos).
En base a estos antecedentes en el año 1994, se incorporó en las Normas de Calidad de
Agua Potable de la Provincia de Santa Fe (Ley N°11.220) el requerimiento de ausencia de zoo y
fitoplancton.
Vlaski et al (1996) con respecto a los problemas que presentan las algas en los sistemas de
abastecimiento de agua en los Países Bajos, comentan que la filosofía que se adopta es "cuanto más
algas son removidas mejor", debido a que no existen standares apropiados. Señalan, por otra parte que
en algunos países europeos se establecen distintos límites para la clorofila a en aguas tratadas.
Evidentemente, se necesita seguir investigando para establecer nuevos criterios que
permitan asegurar la calidad protistológica del agua potable.
Técnicas de contaje de microorganismos , y su aplicación en el control del funcionamiento de
las plantas de tratamiento
La identificación y enumeración de microorganismos en aguas crudas y tratadas es utilizada
en los Estados Unidos desde hace muchos años para determinar la eficiencia de las plantas de
tratamiento en la eliminación de la microbiota y es conocida con el nombre de Análisis Microscópico de
Partículas (Microscopic Particulate Analysis, MPA).
Hancock et al (1996) analizaron aguas crudas y tratadas provenientes de 55 plantas
convencionales de tratamiento en USA. Los análisis incluyeron la identificación y enumeración de la
microbiota, la determinacion de volumen de pellet luego del centrifugado, el contaje de partículas totales
y la detección de Giardias y Cryptosporidium. Concluyeron que la técnica MPA provee información sobre
la eficiencia de los procesos de filtración y que su estandarización permitirá generar investigaciones que
servirán para comparar diferentes sistemas de filtración.
Harris et al (1996) en una publicación de USEPA, presentan un método consensuado para
la identificación de microorganismos de 1 a 600 micras de tamaño que normalmente se encuentran en
el agua cruda y no en el agua tratada y cuya presencia en esta última puede indicar deficiencias en la
operación de los filtros o crecimiento dentro de los mantos. Las partículas, a las que denominan
bioindicadores son clasificadas en diatomeas, otras algas, restos de plantas, polen, ciliados, rotíferos,
crustáceos, otros artrópodos, amebas, flagelados incoloros, nematodes y otros
( bacterias del hierro, esporas de hongos,etc.).Los autores proponen que la determinación del número de
partículas y su tamaño por medios electrónicos ( contadores de partículas ) que se usa como
herramienta de control del proceso de filtración, sea complementada con el análisis micróscopico de
partículas que permite no sólo cuantificar sino identificar a las mismas.
EXPERIENCIAS REALIZADAS
Objetivos
Determinar la influencia de la velocidad de filtración en la eliminación de zoo y fitoplancton en
el proceso de filtración rápida en arena.
Evaluar el contaje e identificación de plancton como herramienta para el control del proceso
de filtración.
Materiales y métodos
Las experiencias se dividieron en dos etapas:
1) Filtro piloto instalado en el laboratorio del Centro de Ingeniería Sanitaria.
2) Filtro piloto instalado en la Planta de Potabilización de la ciudad de Fray Luis Beltran,
ubicada a 30 km. de la ciudad de Rosario.
Etapa I : Ensayos de laboratorio
Filtro experimental
Un esquema del filtro puede verse en la Figura 1, así como el diagrama de funcionamiento
utilizado. Las características principales del filtro piloto son las siguientes:
Altura del manto filtrante: 1,20 m
Altura del agua sobrenadante: 1,20 m
Diámetro del filtro: 0,11 m
Diámetro efectivo de la arena: 1,35 mm
Se trabajó con agua prefabricada agregando al agua de consumo una suspensión de arcilla y
una suspensión de plancton proveniente de una laguna de estabilización, tratando de simular la calidad
del agua decantada de las plantas que tratan aguas del Río Paraná. Los microorganismos
predominantes fueron Cyclotella, Stephanodiscus, Chlorella, Scenedesmus, Euglena, Phacus,
Copépodos, Nematodes y Rotíferos.
Antes del ingreso del agua al filtro se agregó 10 mg/l de sulfato de aluminio a fin de generar
flocs característicos del agua decantada. Se realizaron 10 carreras de 24 horas de duración cada una y
se ensayaron dos velocidades de filtración : 10 y 15 m/h.
Se midieron, en forma horario, pérdidas de carga en el manto filtrante y turbiedades en el
agua de entrada y salida. El contaje de microorganismos planctónicos se realizó sobre tres muestras
tomadas la primera al inicio de la carrera, la segunda al promediar la misma y la tercera al finalizar.La
técnica de contaje utilizada fue la siguiente:
- Filtración de la muestra a través de una tela de nylon de 20 micrones de diámetro de poro (
2 litros para el agua de entrada y 5 litros para el agua filtrada).
- Arrastre del material retenido con un volumen aproximado de 5 ml de agua destilada.
- Contaje de plancton en cámara Sedgwick-Rafter utilizando un microscopio trinocular
Olympus BMAX 40.
Resultados obtenidos.
En la Tabla 1 se presentan valores representativos de los resultados obtenidos para las dos
velocidades ensayadas.
TABLA 1 - Resultados obtenidos en los ensayos de laboratorio
VELOCIDAD
No DE ORGANISMOS
TURBIEDAD
( m/h )
(organismos/litro )
( U.N.T )
Entrada
Salida
Entrada
Salida
10
160
6
7,0
1,8
15*
247
12
4,5
1,1
* Con ayudante de filtración
Esta primera etapa permitió ajustar las técnicas de contaje de organismos y obtener algunas
conclusiones orientativas que permitieron pasar a la segunda etapa. Por ejemplo, se comprobó que dada
la escasa cantidad de organismos presentes en el agua filtrada y el apreciable error de la técnica de
contaje utilizada, no fue posible establecer diferencias significativas de remoción para las dos
velocidades ensayadas. Por lo tanto se decidió incorporar una técnica complementaria: el contaje
electrónico de partículas, en la segunda etapa.
Etapa II: Ensayos de campo
Como se indicó anteriormente, los ensayos fueron realizados en la planta de potabilización
de la ciudad de Fray Luis Beltrán, que trata aguas del Río Paraná y que posee un proceso convencional
de coagulación, floculación hidráulica (canal de pantallas), sedimentación, filtración rápida y
desinfección. En la figura 2 se indica el esquema de funcionamiento utilizado durante los ensayos, el
filtro experimental fue el mismo que se usó en la primera etapa.
Se alimentó el filtro con agua proveniente de los sedimentadores de la planta, con
turbiedades que oscilaron entre 3 y 10 UNT y con concentraciones de microorganismos planctónicos
entre 10 y 150 org/l. Los géneros predominantes en el agua de entrada fueron: Melosira, Navícula,
Cyclotella, Chlorella, Oscillatoria, Copépodos y Rotíferos.
Se realizaron 20 carreras de 12 horas de duración cada una. La duración se estableció
atendiendo a razones operativas. Se ensayaron velocidades de filtración de 5, 10 y 15 m/h, midiéndose
turbiedades y número total de partículas en el agua de entrada y salida del filtro con una frecuencia
horaria. La determinación de la cantidad de microorganismos se realizó sobre tres muestras de la
entrada y tres muestras de la salida (muestras compuestas durante cuatro horas), utilizándose la
misma técnica de contaje que en los ensayos de laboratorio.
Para la determinación del número de partículas y su tamaño se utilizó un equipo Malvern
ALPS 100L que se basa en el principio de oscurecimiento de la luz y que mide en un rango entre 2 y
150 micrones.
Resultados obtenidos y discusión
En la Tabla 2 se presentan los resultados correspondientes a las muestras compuestas de
entrada y salida. Para confeccionar la tabla se eligió una carrera representativa de cada una de las
velocidades ensayadas y se incluyeron los siguientes parámetros:
- Turbiedad
- Número total de partículas ( entre 2 y 150 micrones )
- Número de partículas entre 3 y 18 micrones
- Número total de microorganismos del plancton
Para cada uno de los parámetros se calcularon las remociones logarítmicas de la siguiente
forma:
Remocion logarítmica = Log10 (parámetro entrada) - Log10 (parámetro salida)
Los resultados indican una disminución de remoción de turbiedad, número de partículas
totales y organismos del plancton a medida que aumenta la velocidad de filtración.
En la Tabla 3 se presentan los valores promedios de remoción log para los distintos
parámetros incluidos en Tabla 2, con el objeto de visualizar en forma más clara lo expresado
anteriormente
TABLA 3 - Valores promedios de remoción log de turbiedad, plancton y partículas totales
obtenidos en los ensayos de campo
VELOC.
REMOCION LOGARITMICA
(m/h)
TURBIEDAD
PLANCTON
PART. TOTALES
PART. 3-18 µ
5
0,959
1,975
1,049
1,304
10
0,671
1,461
0,606
0,892
15
0,565
1,240
0,378
0,648
La remoción de partículas entre 3 y 18µ fue considerada por su interés sanitario ya que
pueden incluir quistes de Giardia y Cryptosporidium. Se puede observar que la remoción log de
partículas entre 3 y 18µ para las distintas velocidades es menor que la remoción log de plancton.
En la Figura 3 se ha graficado la remoción log de turbiedad versus la remoción log de
partículas y en la Figura 4 la remoción log de turbiedad versus la remoción log de plancton.
RELACION ENTRE LA REMOCION LOGARITMICA
DE TURBIEDAD Y DE PARTICULAS TOTALES
1,2
Partículas Totales
1,1
R2 = 0,734
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
Remoción Logarítmica de
0,3
0,3 0,4 0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
Remoción Logarítmica de Turbiedad
Datos experimentales
FIGURA 3
Recta de Ajuste
1,2
Remoción Logarítmica de Plancton
RELACION ENTRE LA REMOCION LOGARITMICA
DE TURBIEDAD Y DE PLANCTON
2,8
R2 = 0,323
2,6
2,4
2,2
2
1,8
1,6
1,4
1,2
1
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
Remoción Logarítmica de Turbiedad
Datos experimentales
Recta de Ajuste
FIGURA 4
Del análisis de las Figuras 3 y 4 se puede observar que existe una relación lineal entre la
remoción de turbiedad y la remoción de partículas totales y no así entre la remoción de turbiedad y la
remoción de plancton.
En las Figuras 5, 6 y 7 se graficaron los valores de turbiedad, partículas totales y número de
organismos planctónicos obtenidos en las muestras compuestas a lo largo de la carrera para las
distintas velocidades ensayadas.
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0-4 hs
4-8 hs
Plancton
Partic. Tot.
FIGURA 5
1,5
1,4
1,3
1,2
1,1
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
8-12 hs
Turbiedad
Turbiedad a la salida del filtro
(UNT)
Plancton (N° de Org./10 litros)
Partic. Totales (N° por ml/100)
VARIACION DE TURBIEDAD,PART. TOTALES Y PLANCTON
DE SALIDA A LO LARGO DE LA CARRERA DEL FILTRO
Velocidad: 5 m/h
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0-4 hs
4-8 hs
Plancton
Partic. Tot.
1,5
1,4
1,3
1,2
1,1
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
8-12 hs
Turbiedad a la salida del filtro
(UNT)
Plancton (N° de Org./10 litros)
Partic. Totales (N° por ml/100)
VARIACION DE TURBIEDAD,PART. TOTALES Y PLANCTON
DE SALIDA A LO LARGO DE LA CARRERA DEL FILTRO
Velocidad: 10 m/h
Turbiedad
FIGURA 6
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0-4 hs
4-8 hs
Plancton
Partic. Tot.
1,5
1,4
1,3
1,2
1,1
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
8-12 hs
Turbiedad a la salida del filtro
(UNT)
Plancton (N° de Org./10 litros)
Partic. Totales (N° por ml/100)
VARIACION DE TURBIEDAD,PART. TOTALES Y PLANCTON
DE SALIDA A LO LARGO DE LA CARRERA DEL FILTRO
Velocidad: 15 m/h
Turbiedad
FIGURA 7
De la observación de las gráficas anteriores se deduce que para una velocidad dada (5m/h,
10m/h ó 15m/h) no existió una correlación directa entre los tres parámetros evaluados (Plancton,
Partículas Totales y Turbiedad ).
En las Figuras 8, 9 y 10 se ha graficado la variación horaria de los valores de turbiedad de
entrada y salida del filtro a lo largo de la carrera para cada una de las velocidades.
Turbiedad (UNT)
VARIACION HORARIA DE TURBIEDADES
Velocidad: 5 m/h
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12
Tiempo de carrera (horas)
ENTRADA
SALIDA
FIGURA 8
Turbiedad (UNT)
VARIACION HORARIA DE TURBIEDADES
Velocidad: 10 m/h
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Tiempo de carrera (horas)
ENTRADA
FIGURA 9
SALIDA
10 11 12
Turbiedad (UNT)
VARIACION HORARIA DE TURBIEDADES
Velocidad: 15 m/h
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12
Tiempo de carrera (horas)
ENTRADA
SALIDA
FIGURA 10
Es interesante observar que mientras para las velocidades de 5 m/h y 10 m/h la turbiedad de
salida se mantuvo en valores bajos, independientemente del aumento de turbiedad en el agua de
entrada; para una velocidad de 15 m/h el aumento de turbiedad en la entrada se reflejó en un aumento
de la turbiedad de salida.
Es necesario destacar que el contaje de partículas y la medición de turbiedades se llevan a
cabo mediante métodos instrumentales que poseen una exactitud y precisión mayor que el método de
contaje de microorganismos utilizado en este estudio. Por otra parte, en este estudio sólo se contaron
los organismos planctónicos mayores a 20 micrones.
CONCLUSIONES
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Los resultados obtenidos permiten arribar a una serie de conclusiones, las que son válidas
para las características físicas del filtro utilizado ( granulometrías, espesor del manto, tirante líquido ) y
para las aguas del Río Paraná:
l Existe una relación entre la velocidad de filtración y la remoción de partículas totales,
turbiedad y organismos planctónicos. Cuando aumenta la velocidad de filtración disminuye la
remoción, aún trabajando con buena calidad de agua decantada, por lo que no sería
conveniente utilizar velocidades de filtración mayores a 10m/h.
l La remoción de turbiedad no guarda una relación lineal con la remoción del plancton.
l En las experiencias realizadas los valores de turbiedad, partículas totales y número de
organismos de plancton en el agua filtrada no guardaron relación directa entre sí.
l El contaje de plancton es insustituible como indicador de la calidad prostitológica del agua
filtrada. No obstante, teniendo en cuenta la complejidad y el error del método, deberán
continuarse las investigaciones para demostrar si puede establecerse una relación entre
dicho método y el contaje de partículas que permita usar ambas técnicas en forma
complementaria
BIBLIOGRAFIA
- Le Chevalier M.W., Norton W.D; Examining Relationships Between Particle Counts and
Giardia, Cryptosporidium and Turbidity, Journal AWWA,December 1992.
- Syrotinski S., Microsocpic Water Quality and Filtration Efficiency, Journal AWWA, April
1971.
- Vlaski A. N., Van Breemen, Alaerts G.J., The algae problem in th Netherlands form a water
treatment perpective, Aqua, Vol 45, N°4, 1996.
- Ley 11220, Provincia de Santa Fe, 1994.
- Comunidad Económica Europea, Directivas para la calidad del agua potable, 1980.
- OMS, Guías para la Calidad del Agua Potable, 1995.
- Harris S., Hancock C.,Vasconcelos J., Microscopic Particulate Analysis (MPA) for
Filtration Plant Optimization, EPA 910, R-96-001, April 1996.
- Hancock C., Ward J.V., Hancock K., Klonicki P., Surbaum G., Assesing plant performance
using MPA.
- Standar Methods for the examination of Water and Wastewater, APHA, AWWA and WEF,
Washington, 19 th edition, 1995.
-Vazquez H., Ingallinella A.M., Sanguinetti G., Bachur J., Contento L., Remoción de
microorganismos en los procesos de clarificación y filtración. Informe Nacional. XXI Congreso Mundial de
IWSA/AIDE, Madrid, España, 1997.
AGRADECIMIENTOS
Los autores quieren expresar su agradecimiento a :
Las autoridades de la Cooperativa de Agua Potable y Otros Servicios Limitada de Fray Luis
Beltran; y especialmente a los operadores de la planta potabilizadora y al Dr. Guillermo Lespinard por su
activa colaboración para el normal desarrollo de las experiencias realizadas.
VELOC.
(m/h)
5
10
15
TABLA 2 - Resultados obtenidos en los ensayos de campo
TURBIEDAD
PLANCTON
PARTICULAS TOTALES
(UNT)
(Organismos/10 litros)
(Número por ml)
Entrada Salida
Remoc. Entrada
Salida
Remoc. Entrada Salida
Remoc.
Log
Log
Log
PARTICULAS 3-18 µ
(Número por ml)
Entrada
Salida
Remoc.
Log
4,45
0,45
0,995
540
1
2,732
5066
374
1,132
3303
123
1,429
2,90
0,40
0,860
640
15
1,630
4171
440
0,977
2740
177
1,190
3,15
0,30
1,021
330
9
1,564
3981
365
1,038
2597
132
1,293
3,25
0,95
0,534
144
3
1,681
5344
1266
0,626
3000
362
0,918
3,15
0,65
0,677
118
5
1,373
5256
1489
0,548
3234
470
0,838
2,85
0,45
0,802
64
3
1,329
4546
1030
0,645
2698
324
0,920
2,00
0,60
0,523
1290
60
1,333
3755
1627
0,364
2274
491
0,666
2,60
0,55
0,675
1480
110
1,129
3372
1685
0,301
1978
551
0,555
4,55
1,45
0,497
1810
100
1,258
5035
1706
0,470
2862
541
0,724