REUTILIZACION DE AGUAS RESIDUALES: APROVECHAMIENTO

Seminario Internacional sobre Métodos Naturales para el Tratamiento de Aguas Residuales
REUTILIZACION DE AGUAS RESIDUALES: APROVECHAMIENTO DE LOS
NUTRIENTES EN RIEGO AGRICOLA
Lara, J. A*. y Hernández, A.**
*
Departamento de Ing. Civil. Pontificia Universidad Javeriana, Cra 7 #40-76, Bogotá, Colombia.
e-mail: [email protected]
**
Cátedra de Ingeniería Sanitaria y Ambiental, ETSI de Caminos, Canales y Puertos de Madrid, Universidad Politécnica de
Madrid, Ciudad Universitaria s/n, 28040, Madrid, España.
RESUMEN
El agua es un bien escaso en gran parte del mundo, donde la agricultura consume la mayoría de los recursos y por eso debe
ser el primer frente de actuación hacia el ahorro.
Se ha investigado la utilización de membranas de micro y ultrafiltración en el tratamiento terciario de aguas residuales, con
el fin de acondicionar el contenido de nutrientes en el efluente para su aprovechamiento mediante reutilización en
agricultura. El método incluyo la utilización de una microcoagulación previa al paso por las membranas. Se ha observado
que no hay acción significativa sobre el contenido de nitrógeno y potasio, mientras que en el caso del fósforo se han
encontrado rendimientos bastante interesantes. La microfiltración ha alcanzado eficiencias de eliminación de fósforo total
de entre 21 y 57%, de fósforo orgánico de entre 25 y 76% y de ortofosfatos de entre 14 y 55%, la ultrafiltración ha obtenido
rendimientos en cuanto a reducción de fósforo de entre el 9% y el 80%, de fósforo orgánico de entre el 7 y el 82% y de
ortofosfatos de entre el 14 y el 81%, dependiendo en ambos casos de las dosis de coagulante utilizada y de la concentración
de entrada. En lo relativo a los metales pesados analizados (Cobre, Hierro, Zinc, y Níquel) como se esperaba, las aguas
residuales de origen doméstico no tienen problemas por concentraciones de estos elementos y en los casos en que se
encontraron, fueron mínimas y eliminadas en su totalidad por las membranas.
PALABRAS CLAVES
Filtración por membranas, microfiltración, reuso de aguas residuales, reutilización de aguas, riego
agrícola, tecnologías de membrana, ultrafiltración.
INTRODUCCION
El agua es un bien escaso en gran parte del mundo y específicamente en España, la situación es en los
dos casos similar, donde la agricultura consume la mayoría de los recursos (72%) (Hernández, 2000) y
por eso debe ser el primer frente de actuación hacia el ahorro.
La agricultura generalmente consume agua de buena calidad que podría ser utilizada para otros usos
más restrictivos, es por ello que la reutilización de agua residual, además de aportar al aumento del
techo de recursos disponibles permite que esa agua de calidad que antes se usaba para riego agrícola,
esté disponible para otros usos.
Otro de los problemas que crea la agricultura al medio ambiente viene dado porque es práctica habitual
entre los agricultores aplicar cantidades de abonos y fertilizantes en exceso creando una potencial
contaminación de las aguas subterráneas y la eutrofización que esto puede causar.
En conjunción con estos dos aspectos, lo ideal sería poder reutilizar las aguas residuales para contar
con más recursos al mismo tiempo que se cuenta con una cantidad adicional de nutrientes que permitirá
reducir los aportes externos, con los beneficios lógicos para la economía del agricultor y para el medio
ambiente.
Universidad del Valle/Instituto Cinara
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No obstante no hay que olvidar que la reutilización de aguas residuales en riego agrícola tiene ciertas
limitaciones, ligadas en general al contenido de microorganismos patógenos en las mismas y a las
concentraciones de metales pesados que puedan contener.
Como último punto a considerar está el hecho de que entre las múltiples aplicaciones de las membranas
se cuenta con el tratamiento avanzado de agua residual, por lo que se eligió esta tecnología para
estudiar la viabilidad de su aplicación en la adecuación del contenido de nutrientes de las aguas
residuales con fines de reutilización en riego agrícola, dado que además de poder manejar el contenido
de nutrientes nos permiten controlar la contaminación microbiológica.
MATERIALES Y METODOS
La fase experimental de la investigación se llevo a cabo en la planta piloto de filtración por membranas
instalada en la Depuradora de Aguas Residuales Urbanas de Alcalá de Henares, perteneciente al Canal
de Isabel II.
El agua de entrada a la planta piloto corresponde al efluente final de la depuradora que ha sufrido un
tratamiento secundario mediante fangos activos. Estas instalaciones actualmente sirven a una población
de unos 150.000 habitantes, con un rendimiento medio de eliminación de DBO5 de un 84.5% y de
eliminación de sólidos suspendidos de un 91%.
La planta piloto consta de un tanque de balance de 200 l, una bomba de alimentación de 2.5 m3/h,
altura máxima de impulsión de 32.4 m, una bomba de recirculación, un módulo de placa y bastidor
válido para membranas de micro y ultrafiltración, que contiene 120 membranas, un multitubo
intercambiador de calor, un termostato, un agitador de hélice para la mezcla del coagulante y los
productos de limpieza en el tanque, y válvulas e instrumentos necesarios para la medición, seguridad y
correcta operación de la planta.
El nivel de agua en el tanque de balance está controlado
por la apertura y cierre automáticos de las válvulas a la
entrada del mismo, además se cuenta con un control
también automático de calentamiento y enfriamiento de
los productos y un compresor de aire de 1.5 HP para los
propósitos de regulación.
Todas las partes en contacto con el líquido están hechas
de acero o plástico resistentes al ácido.
Fotografía 1. Planta Piloto
Las membranas de microfiltración son de polisulfona, marca DOW, del tipo GRM 0.45 PP, tamaño de
poro de 0.45 µm, flujo de agua >250 l/m2 h, límite de operación recomendado de pH 1-13, temperatura
de 0 a 75°C, presión de 0 a 5 bar.
Las membranas de ultrafiltración son de fluorpolímero, marca DOW, del tipo FS 81 PP, tamaño de
poro 10.000 Daltons, flujo de agua 200 a 500 l/m2 h, limite de operación recomendado de pH 1 a 11,
temperatura 0 a 60°C, presión de 0 a 15 bar.
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En total se tomaron 14 juegos de muestras para
cada uno de los dos tipos de membranas, cada
juego de muestras consiste en una muestra del
agua de entrada, una muestra de la sección de
perneado de la planta piloto después de la
filtración simple y una tercera muestra
correspondiente al filtrado de la planta piloto
con adición previa en continuo de sulfato de
alúmina en el tanque de alimentación.
En la MF se utilizaron dosis de sulfato de
alúmina de 11.43 mg/l a 200.23 mg/l y de entre
9.38 mg/l y 225 mg/l durante la etapa de UF.
Fotografía 2. Membrana GRM 0.45 PP
Al finalizar la toma de muestras se realizó medición in situ de temperatura y pH como control.
La analítica de las muestras se llevo a cabo mediante los métodos normalizados de la AWWA en el
Laboratorio de Ingeniería Sanitaria y Ambiental de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de
Caminos, Canales y Puertos de Madrid.
Los parámetros analizados fueron: Nitrógeno total Kjeldahl, Nitrógeno orgánico, Nitrógeno amoniacal,
Nitritos, Nitratos, Fósforo total, Fósforo orgánico, Fósforo hidrolizable, Ortofosfatos, Potasio, Níquel,
Zinc, Hierro, y Cobre.
RESULTADOS Y DISCUSION
El propósito de la investigación es determinar la viabilidad del tratamiento para la reutilización de las
aguas residuales en riego agrícola, para ello se debe tener en cuanta además del contenido de nutrientes,
la presencia de microorganismos patógenos y metales pesados, estos últimos por ser bioacumulables
y/o fitotóxicos.
En la Figura 1 se muestran los resultados obtenidos con las membranas de MF y en la Figura 2 los
correspondientes a la UF.
Los Metales Pesados son compuestos que en teoría no deberían estar presentes en las aguas residuales
de origen doméstico, objeto de esta investigación, no obstante, para corroborar esta afirmación se
realizó el análisis de algunos de ellos. En ninguna de las muestras se encontraron trazas de Níquel ni de
Hierro, en las que contenían cobre, este fue eliminado en su totalidad en todas las muestras. En cuanto
al Zinc, algunas muestras contenían trazas de este elemento y tras la microcoagulación y la filtración se
obtuvieron concentraciones promedio de salida de 0.04 ppm para los dos tipos de membranas, por
debajo de los 0.05 ppm recomendados como concentración máxima para este uso.
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20,00
18,00
Concentración (mg/l)
16,00
14,00
12,00
10,00
Entrada
8,00
Filtrado
6,00
Coagulación+Filtración
4,00
2,00
g/
l)
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P
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l)
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l)
0,00
Parámetros
Figura 1. Microfiltración
25,00
Concentración (mg/l)
20,00
Entrada
Filtrado
15,00
Coagulación+Filtración
10,00
5,00
N
N
TK
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Am
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l)
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0,00
Parámetros
Figura 2. Ultrafiltración
En cuanto al otro componente problemático, los microorganismos patógenos, la Dra. Abilia Soriano,
demostró en una investigación realizada en las mismas instalaciones de esta, que las membranas de UF
de 10 KDa eliminan totalmente la presencia de Coliformes Totales, Coliformes Fecales y Estreptococos
Fecales, mientras que las membranas de MF de 0.45 µm no logran la desinfección total, por lo que el
agua efluente del tratamiento con las mismas no podría utilizarse para regar cultivos que se consuman
crudos sin proceder antes a una desinfección total (OMS).
Los análisis de las diferentes especies de Nitrógeno arrojaron como resultado que se elimina una
pequeña parte correspondiente a N orgánico, compuesto por aminas y proteínas ligadas a la materia
celular, esta reducción corresponde aproximadamente al 5% del Nitrógeno total que entra con lo que
podemos decir que en la practica la totalidad del N atraviesa el sistema.
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La adición de sulfato de alúmina previa a la filtración con las membranas permite que se lleve a cabo
una microcoagulación que hace que el fósforo pueda ser retirado de las aguas residuales, la eficiencia
de ese proceso depende de la concentración de sulfato de alúmina y de la concentración de entrada.
En la investigación se han encontrado las siguientes relaciones:
Para la MF de 0.45 µm:
y = 0.093 ⋅ ln( x) + 0.2081
Para la UF de 10 KDa:
y = 0.1466 ⋅ ln( x) + 0.2673
donde:
x:
cociente entre la concentración de sulfato de alúmina aplicada/concentración de P total a
la entrada.
P total eliminado (%)
y:
En la Figura 3 se puede ver su representación gráfica.
Rendimientos esperados
Fósforo Total
Rendimiento de eliminación (%)
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
Concentración de Sulfato de Alúmina/Concentración de entrada
MF
UF
Figura 3. Rendimientos esperados
En la Figura se puede ver que para las concentraciones aplicadas se pueden obtener eficiencias de hasta
un 57% utilizando MF y un 80% usando UF, por otro lado la remoción de P total si no se adiciona
coagulante ronda el 10%.
Estos datos significan que el proceso permitiría trabajar con relaciones N/P de entre 5.9 y 2.8 usando
MF y de entre 12.4 y 2.5 para UF.
Esto significa que podemos producir un agua con la relación de nutrientes que necesitemos para el
cultivo.
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CONCLUSIONES
Ya que hablamos de reutilización respondiendo a una escasez de recurso, parece lógico pensar que la
forma más adecuada de riego sea el goteo de forma que se utilice un procedimiento similar al de la
fertirrigación, en la que se le dan a la planta el agua y los nutrientes por la misma vía.
Según datos de Fertiberia sobre requerimientos de nutrientes para cultivos regados en España por este
método, variando la dosis de coagulante aplicada al proceso podríamos producir agua residual para el
riego de calabacín o sandia que requieren una aplicación de nutrientes con una relación N/P de 5.6 y
5.8 respectivamente o podríamos también regar avellanos o cítricos que requieren una relación de N/P
aplicado de 12.2 y 12.3 respectivamente.
Esto demuestra como se puede optimizar el contenido de nutrientes en el agua residual de acuerdo al
uso que se le quiera dar y como mediante el control adecuado se puede reducir el uso de abonados
químicos mediante el aprovechamiento óptimo de los nutrientes presentes en el agua residual.
REFERENCIAS
Asano, T. (Ed) (1998). Wastewater reclamation and reuse. In: Water quality management library, Vol.
10, Technomic publishing co. Lancaster.
Código de buenas practicas agrícolas, Comunidad de Madrid, Madrid.
Hernández, A. (2000). Abastecimiento y distribución de agua. Colegio de Ingenieros de Caminos
Canales y Puertos, Servicio de publicaciones de la escuela de ingenieros de caminos de Madrid
(UPM), Madrid.
Lara, J. (2002). Eliminación de nutrientes mediante procesos de membrana. PhD. Thesis. Escuela
Técnica Superior de ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de Madrid, Universidad Politécnica
de Madrid.
Métodos Normalizados para el análisis de aguas potables y residuales. (1992). American Public
Health Association/American Water Works Association/Water Environmental Federation, Ed. Diaz
de Santos, Madrid.
Mujeriego, R. (Ed). (1990). Riego con agua residual municipal regenerada: Manual práctico,
Universidad Politécnica de Catalunya, Barcelona.
Soriano, A. (2001). Investigación sobre el empleo de membranas en tratamientos terciarios de
desinfección. PhD Thesis. Escuela Técnica Superior de ingenieros de Caminos, Canales y Puertos
de Madrid, Universidad Politécnica de Madrid.
Ultrafiltration Pilot Plant type M37/M38, Sanitary Design: Operating Manual. Dow Danmark A/S,
separation systems.
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