PUESTA EN MARCHA DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO IN

PUESTA EN MARCHA DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO IN SITU DE AGUAS
RESIDUALES PARA CASAS HABITACIÓN
Juan Francisco Márquez Morales, Rosa Ma. Bautista García, Juan M. Morgan-Sagastume* y
Adalberto Noyola Robles
Instituto de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México, Apdo.Postal 70-472; 04510,
Ciudad Universitaria, Coyoacan, México D.F., México. FAX (5) 616-21-64
*E-mail: [email protected]
RESUMEN
Se llevó a cabo la puesta en marcha de un prototipo de planta de tratamiento para casas habitación. La
planta consta de compartimientos para fosa séptica, una zona de lecho de lodos con flujo ascendente y
una zona empacada nitrificante-desnitrificante.
Bajo las condiciones específicas de la casa habitación seleccionada se observó una remoción del 63%
en la DQOt, 65% en los SST y 37% en el nitrógeno amoniacal. Se observó una baja adaptabilidad de
los lodos granulares anaerobios al agua residual así como un pobre desarrollo de biomasa en la zona
empacada. Se probaron dos sistemas de aireación, uno a base de un tubo vénturi y otro con un
compresor de diafragma. Esta fase de la investigación proporcionó la pauta para el mejoramiento del
proceso desde el punto de vista de diseño y de operación.
INTRODUCCIÓN
En varias zonas del país existe el grave problema de la disposición de las aguas residuales generadas en
centros urbanos, industriales y agrícolas. En el caso de las aguas residuales domésticas, el problema se
agrava al no contar parte de la población con drenaje, situación que se presenta cuando éste tiene un
alto costo de construcción por la naturaleza del terreno o cuando las zonas pobladas crecen a una tasa
mayor que la urbanización.
Un caso concreto de la problemática generada por la falta de drenaje se encuentra en los Pedregales de
Coyoacán, el Pedregal de San Ángel y lo que es la zona habitada del Ajusco, zonas correspondientes a
la Ciudad de México. Las aguas residuales de estas colonias son dispuestas en el subsuelo de la zona, lo
que pone en riesgo la calidad del acuífero. Para limitar la contaminación del acuífero se propone el
tratamiento in situ de las aguas residuales por medio de una planta de tratamiento paquete eficaz en
relación con la normatividad vigente y eficiente en cuanto a los costos de inversión, operación y
mantenimiento.
Bajo las condiciones sociales y económicas así como las ambientales, el medio mexicano exige que se
consideren en el diseño de pequeñas plantas de tratamiento los siguientes rubros:
• Que la planta de tratamiento posea dimensiones que permitan su instalación y operación a nivel
unifamiliar y con márgenes de crecimiento en caso de incremento en el gasto domiciliario.
• La planta de tratamiento deberá ser económica en su inversión y sobretodo en los recursos
destinados a su operación y mantenimiento.
• Que opere con eficacias tales que cumpla con la normatividad vigente.
• Que las condiciones de mantenimiento preventivo y correctivo sean mínimas y puedan ser efectuadas
en su mayor parte por los propios usuarios.
• Que la planta de tratamiento no provoque molestias al usuario en relación con ruido, proliferación de
insectos y malos olores.
El objetivo del trabajo fue diseñar, construir y operar un prototipo de planta de tratamiento de aguas
residuales para ser aplicada in situ al control de las descargas líquidas de casas habitación y con ello
obtener y evaluar las principales variables de diseño del prototipo así como tratar de dar cumplimiento a
las restricciones mencionadas con anterioridad.
METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
Diseño conceptual de la planta de tratamiento
El diseño contempla la combinación de dos medios biológicos: el anaerobio y el aerobio. La planta de
tratamiento consta de 4 regiones de tratamiento, es decir, una fosa séptica, un reactor anaerobio de
lecho de lodos con flujo ascendente, un filtro aerobio sumergido nitrificante y un Filtro anaerobio
desnitrificante
a) Zona de fosa séptica. En esta zona se retienen los sólidos sedimentables contenidos en el agua
residual para su almacenamiento y digestión. La fosa séptica recibe la descarga directa de agua residual.
En ella se lleva a cabo la separación de grasas y aceites, la sedimentación de sólidos y la degradación
parcial de la materia orgánica. Además, posee la función de homogeneizar el agua residual previo a su
ingreso a los compartimientos tipo lecho de lodos.
b) Zona anaerobia de lecho de lodos con flujo ascendente. Una vez que el agua residual atraviesa la
fosa séptica, ingresa a la cámara anaerobia de lecho de lodos en donde se removerá en un 60 a 70 %
(éstos valores son estimaciones de diseño) el contenido de material orgánico del agua residual. Los
lodos anaerobios retenidos en esta zona poseen características granulares o floculentas con actividad
metanogénica. La región constituida por el reactor anaerobio de lecho de lodos con flujo ascendente
denominado UASB está constituida por dos compartimientos en serie (uno interno y otro externo). En el
fondo de ellos se encuentra un lecho de lodo anaerobio granular activo con una alta densidad de
microorganismos responsables de la degradación de la materia orgánica soluble y en suspensión.
c) Zona empacada nitrificante y desnitrificante. Después de la zona de lecho de lodos, el agua residual
ingresa a una cámara empacada con anillos de plástico. Esta zona empacada está dividida en dos
secciones; la nitrificante y la desnitrificante. En la nitrificante se suministra aire. En la zona desnitrificante
no existe aireación. El diseño de esta zona empacada elimina el uso de una bomba para la recirculación
de agua entre las secciones nitrificante y desnitrificante necesaria para la eliminación de nitrógeno del
agua (Figura 1).
Influente
Efluente
Figura 1 Vista de planta del prototipo
Materiales
El prototipo posee un volumen neto total de 1016 L con una capacidad de tratamiento de 1 m3/d (de 5
a 10 personas). La planta de tratamiento está calculada para el manejo de agua residual doméstica con
concentraciones típicas de DQO, DBO 5 y SST de 500, 220 y 220 mg/L respectivamente.
La planta de tratamiento fue fabricada en fibra de vidrio y acoplada en un tinaco de plástico tipo
“ROTOPLAS” de 1100 L para proporcionar firmeza a su estructura.. En el compartimiento
correspondiente a la fosa séptica se introdujo una malla de alambre (la utilizada en gallineros) con el
objeto de retener sólidos gruesos.
El empaque utilizado en el filtro sumergido aerobio y el filtro anaerobio fue el constituido por anillos
tubulares de plástico elaborados por Plásticos Maquilados Naucalpan S.A. y diseñados por Estudios y
Proyectos de Ingeniería Ambiental. Para conectar la zona anaerobia de lecho de lodos con la zona
anóxica se utilizaron dos tubos de PVC hidráulico de 2" de diámetro. Se construyó un sistema de
tuberías de cobre de 1/2" de diámetro con válvulas de compuerta de cobre con el objeto de asegurar
una distribución homogénea del aire o del agua aireada (según sea el caso) dentro del compartimiento
aerobio.
Se utilizaron dos sistemas de aireación: uno con base en un tubo de vénturi de Mazzei Injector Co.
Modelo 384 y un compresor de diafragma (The Pump A-813 modelo 40).
Método
La planta de tratamiento fue instalada en una casa habitación en la Colonia Ajusco de los Pedregales de
Coyoacán, México D.F. en donde es posible observar una topografía irregular del terreno, una alta
densidad de población con bajos recursos económicos, ausencia de drenaje y la consecuente descarga
del agua residual a una grieta en el terreno.
El seguimiento de la operación de la planta de tratamiento estuvo orientado a determinar:
- la capacidad de tratamiento del agua residual,
- la eficacia de operación del sistema de aireación,
- la adaptación y capacidad de tratamiento del lodo anaerobio,
- la proliferación de microorganismo en el empaque seleccionado, y
- la aceptación de los habitantes de la casa a la planta de tratamiento.
Con el objeto de controlar y dar seguimiento a la operación de la planta de tratamiento se efectuaron
rutinariamente los siguientes análisis fisicoquímicos: demanda química de oxígeno total (DQOt),
demanda química de oxígeno soluble (DQOs), sólidos suspendidos totales (SST), sólidos suspendidos
volátiles (SSV), sólidos suspendidos fijos (SSF), Oxígeno disuelto, Alcalinidad y pH. También se
efectuaron eventualmente mediciones de la actividad metanogénica de lodos. Los análisis fisicoquímicos
rutinarios fueron realizados de acuerdo con los métodos estándar (APHA, AWWA, WPCF, 1989).
RESULTADOS y DISCUSIÓN
Inoculación de la zona del lecho de lodo y seguimiento de la actividad del microorganismo.
La cámara correspondiente a la zona de lecho de lodos se inoculó con lodo anaerobio granular activo
proveniente de un reactor anaerobio UASB industrial (Maltería).
En la Tabla 1 se presenta la caracterización efectuada al lodo de inóculo obtenido del reactor UASB de
la maltería y sus características después de mes y medio de operación.
Se inocularon 44.5 litros en el primer compartimiento (compartimiento interno) y 58 litros en el segundo
compartimiento (compartimiento externo) de la cámara de lecho de lodos.
En la Figura 2 se muestra la variación de volumen de las camas de lodo en el transcurso del experimento
(durante 9 meses). Como es posible observar, existe un fuerte movimiento de lodo del exterior al
interior y del interior al exterior del compartimiento de lodos lo que produce un movimiento del lodo en
la cámara interna a la cámara externa de lodos. Sin embargo, la cantidad de lodo total en los
compartimientos tiende a ser constante (promedio de 151.2 L) debido a factores hidráulicos como son
una buena distribución del influente y velocidades ascendentes menores a 1 m/h.
Tabla 1. Caracterización del lodo granular anaerobio en el momento de su inoculación y después de mes y medio de
operación.
PARÁMETROS
VALOR INICIAL VALOR FINAL
Actividad (g CH4-DQO/gSSV d)
SST (mg/L)
SSV (mg/L)
SSF (mg/L)
Fracción de granos mayor a 0.6 mm
0.5
76,337
62,662
13,675
0.85
0.003
53,436
50,756
2,680
0.56
% de
cambio
99
30
19
80
34
200
180
160
Volumen (L)
140
120
100
80
Cama interna
Cama externa
60
Total
40
20
0
0
50
100
150
200
250
300
Días de operación
Figura 2 Monitoreo del volumen de los dos compartimientos de lecho de lodos en función del tiempo.
Por otro lado, se realizaron pruebas de actividad metanogénica para controlar la variación de la
capacidad de degradación del microorganismo. El lodo con el cual se inoculó la planta tuvo una
actividad metanogénica de 0.5 g CH4-DQO/g SSV d. Sin embargo al cabo de mes y medio de
operación se observó un decaimiento casi total de la actividad del microorganismo (0.003 g CH4DQO/g SSV d). Esto se debió a la falta de adaptación de los microorganismos anaerobios a las
condiciones particulares del agua residual de la casa habitación. Aunque la cama de lodo no poseía
actividad metanogénica, hubo remoción de sólidos en un 48% lo que muestra la capacidad de filtración
de la cama de lodos. De hecho la fracción del contenido de material orgánico en el lodo se incrementó
un 14 % (19% de material orgánico) sin embargo hubo una destrucción o sustitución del lodo granular
en un 34% (Tabla 1).
Sistemas de aireación
Una de las partes más importantes de la planta de tratamiento lo constituye la sección aireada, pues en
ella se realiza el pulimento del efluente anaerobio y junto con la zona anóxica, la eliminación de
nitrógeno. Esta fue la zona que más atención requirió en cuanto a la operación y mantenimiento de la
planta de tratamiento.
El equipo a seleccionar para efectuar la aireación debía cumplir con las características de ser silencioso,
de bajo mantenimiento, económico y eficaz.
En gran medida, muchas de las fallas así como el éxito que presentan algunas plantas de tratamiento
paquete existentes en el mercado, están relacionadas con el equipo de aireación. En este sentido se
probaron dos sistemas de aireación, es decir:
• Sistema de aireación con tubo vénturi
• Con un compresor de diafragma
Concentración de O2 (mg/L)
2.75
2.5
2.25
2
1.75
1.5
1.25
Con aire
1
Sin aire
0.75
0.5
0.25
0
0
2
4
6
8
10
12
14 16
18
20 22
24 26
28
30
Tiempo (min)
Figura 3 Curva de incremento y decaimiento de la concentración de oxígeno en el compartimiento aerobio del
prototipo utilizando un tubo vénturi como sistema de aireación a una temperatura de 20°C.
Como puede observarse en la Figura 3 el sistema de aireación con base en un tubo vénturi posee una
alta eficacia de transferencia de oxígeno. Se obtuvo una constante de transferencia de oxígeno (KLa) de
8.83 h-1 correspondiente a una tasa máxima de transferencia de oxígeno de 1.1 mgO 2 /L min a una
temperatura de 20 °C. Al comparar el valor de KLa obtenido con los valores de KLa generalmente
estimados en sistemas de aireación convencionales (de 1 a 3 h-1), el vénturi resulta ser bastante eficaz en
la transferencia de oxígeno. Sin embargo, para lograr el correcto funcionamiento del vénturi se requirió
de una bomba centrífuga de turbina de 0.5 hp con una presión de descarga de al menos 2 atm cuyo
mayor inconveniente fue el ruido producido (no tolerable sobretodo en las noches). Debido a ello fue
necesario desconectar el sistema de aireación durante las noches lo que implicó producir condiciones de
anaerobiosis para los microorganismos. Este hecho produjo condiciones no adecuadas de operación de
la planta por lo que se decidió sustituir el sistema de aireación de tubo vénturi por un compresor de
diafragma cuyas principales características son la operación silenciosa y casi nulo mantenimiento. La
planta de tratamiento estuvo operando durante tres meses con el tubo vénturi y el resto del tiempo de
operación con el compresor de diafragma. Por otro lado se observó un alto grado de corrosión de las
tuberías y accesorios de cobre instalados en la planta al cabo de 5 meses de operación. La
concentración promedio de oxígeno disuelto en la cámará aerobia fue de 2.2 mg/L.
Características de operación del empaque seleccionado
Las características que se deben considerar para seleccionar un medio soporte adecuado son las
siguientes: deben ser inertes y resistentes, deben ofrecer una relación área/volumen alta, deben favorecer
la adhesión del microorganismo, deben estar disponibles, deben evitar el taponamiento y deben ser de
bajo costo.
Existen en el mercado empaques prefabricados que cumplen con todos los requisitos, excepto, en
algunos casos, con el requerimiento de bajo costo. Aunque los empaques de origen natural son eficaces,
poseen la desventaja de ofrecer una relación área/volumen baja por lo que impacta directamente el
costo civil de la obra. Fue por ello que el empaque seleccionado fue uno prefabricado con Polietileno de
alta densidad.
Durante los 9 meses de operación no se observó una colonización bacteriana importante en el empaque.
Este hecho fue preocupante pues la capacidad de remoción de materia orgánica y de nitrógeno
dependen de este hecho. Con el objeto de tratar de sustituir este empaque y poder utilizar uno con base
en material de desecho plástico de uso común, se introdujeron algunos recipientes de plástico (Botecitos
de Yakult, envase PET para refrescos, tubos de PVC, botellas para el almacenamiento de agua
purificada, envase de yogurt líquido así como empaque prefabricado tipo anillo Pall de máxima
adhesión) en el sistema de tratamiento de lodos activados de la planta de tratamiento de aguas
residuales de Ciudad Universitaria y en el prototipo de la planta de tratamiento de aguas. La
colonización de todos los elementos, en ambos casos, fue pobre, sin embargo, se observó (visualmente)
una tendencia mayor a la colonización en los empaques introducidos en el sistema de lodos activados y
sobre todo en los empaques prefabricados. Por otra parte, en las cámaras aerobia y anóxica del
prototipo de la planta de tratamiento se probó un empaque, que según las especificaciones del
fabricante extranjero (BIOdek, Fixed Film Media), están especialmente diseñados para el soporte de
microorganismos nitrificantes y desnitrificantes obteniendo un casi nulo resultado en su colonización.
También se construyeron pequeños recipientes rellenos de empaque natural (piedra pómez y tezontle)
los cuales fueron introducidos en el compartimiento aerobio. En este caso, la piedra pómez presentó una
mayor respuesta en relación a la colonización que los demás empaques.
Esto hace suponer que las características particulares del agua que se manejó en la casa no favorecieron
la colonización del empaque. Se observó una presencia importante de detergentes en el agua lo que
puede tener una influencia sobre el fenómeno de adhesión del microorganismo, dada sus características
tensoactivas. En una investigación posterior deberá tocarse este punto con mayor profundidad.
Determinación del caudal horario
Con el objeto de contar con información real sobre el caudal que ingresó a la planta de tratamiento de
aguas residuales se realizó un aforo diario durante una semana. El aforo se efectuó desde las 9 a 21
horas. Durante la noche hubo una descarga nula de agua residual.
El aforo se realizó al medir el volumen de agua tratada acumulada en un lapso de una hora.
En la Figura 4 correspondiente a la variación de flujo semanal se muestra el comportamiento promedio
del caudal con sus respectivas desviaciones estándar. En los días martes, jueves y sábado se presentan
máximos de la curva debido al lavado de ropa que se hace rutinariamente esos días (una de las
actividades de los habitantes de la casa es el lavado de ropa ajena). El caudal promedio semanal es de
38.8 l/h (0.93 m3/d) con una desviación estándar de 26.2 l/h. Este caudal coincide con el caudal de
diseño de 1 m3/d. Al existir picos hidráulicos importantes el flujo de diseño se ve rebasado y las
velocidades ascendentes en los compartimientos del prototipo de la planta paquete salen del intervalo
adecuado de operación produciendo problemas como es el lavado de lodo anaerobio floculento y su
acumulación en los compartimientos aerobios así como el paso de sólidos flotantes de la fosa séptica al
compartimiento anaerobio y la resuspensión de lodo sedimentado en el compartimiento anóxico, todo
ésto observado en la operación de la planta de tratamiento. Un diseño posterior de la planta de
tratamiento deberá contemplar una mejor asimilación de los picos hidráulicos extremos.
180
Prom+des.
160
Caud.prom
Caudal (l/h)
140
Prom-des.
120
Flujo de diseño
41.6 l/h (1 m3/d)
100
80
60
40
20
0
L
M
M
J
V
S
D
Días de la semana
Figura 4 Variación promedio de caudal durante una semana.
Eficacia de remoción de contaminantes.
En las Figuras 5, 6 y 7 se presentan las variaciones de la DQOtotal, DQOsoluble y SST.
En la Tabla 2 se presentan los valores de concentración promedio por tipo de contaminante así como
las eficacias de remoción de la zona anaerobia y empacada y de la planta de tratamiento en su conjunto.
De la Tabla 2 junto con lo expuesto anteriormente es posible mencionar los siguientes puntos:
• El agua residual que estuvo tratando la planta de tratamiento posee una concentración por arriba de
lo que generalmente presenta un agua residual catalogada como doméstica (entre 350 y 500 mgO 2/L
para DQO total). La carga orgánica promedio aplicada a la planta de tratamiento fue de 1.4 kg
DQO/m3/d.
• La zonas fosa séptica + reactor anaerobio trabajan al 60% de su capacidad potencial debido a un
decaimiento de la actividad metanogénica de lodo que puede estar relacionado con las
características específicas del agua residual. Sin embargo, casi el 50% de la DQOt la remueve el
reactor anaerobio sin costo energético alguno. Por otro lado, la cama de lodos no posee una
agitación importante que facilite la interacción sustrato microorganismo y que evite cortos circuitos
hidráulicos debido a la baja producción de biogás.
Tabla 2 Valores promedio de la operación de la planta
PARÁMETRO
INFLUENTE
A LA
PLANTA
EFLUENTE
ANAEROBI
O
EFLUENTE
DE ZONA
EMPACAD
A
% DE
REMOCIÓN
EN ZONA
ANAEROBIA
% DE
REMOCIÓN
EN ZONA
EMPACADA
% DE
REMOCIÓN
PLANTA
TOTAL
pH
Alcalinidad,
mg CaCO3/L
DQOt mgO2/L
DQOs mgO2/L
SST mg/L
SSF mg/L
SSV mg/L
N-NH4+
7.56
679
7.5
630
7.53
667
-----
-----
-----
1453
975
307
51
256
181
886
643
175
31
144
142
572
420
105
21
81
114
39
34
43
39
43
22
35
34
40
30
43
20
63
57
65
59
68
37
1750
DQOt (mg O2/L)
1500
I
E
1250
1000
750
500
250
0
0
20
40
60
80
100 120
140 160 180
200
Muestreos durante 9 meses de operación
220
240
260
280
Figura 5 Variación de la concentración de DQOt en el influente y en el efluente durante los 9 meses de operación de la
planta de tratamiento.
• La zona empacada consistente en una zona aerobia y una anóxica no han funcionado
satisfactoriamente según las consideraciones de diseño hechas. La biopelícula de microorganismo no
se desarrolló debido posiblemente a las características específicas del agua residual (alto contenido
de detergentes) y a la variación en las condiciones de aireación.
• Durante la operación de la planta se observó producción de espuma en el compartimiento aireado.
Esto debido a la presencia de jabones y detergentes en el agua residual así como por la agitación
producida por la aireación. En algunos casos, esta espuma rebalsa el bordo libre de la planta.
• Bajos las condiciones de operación de la cámara aerobia se observó una limitada nitrificación del
efluente (37%).
1750
I
E
DQOs (mg O2/L)
1500
1250
1000
750
500
250
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
Muestreos durante 9 meses de operación
Figura 6 Variación de la concentración de DQOt en el influente y en el efluente durante los 9 meses de operación de la
planta de tratamiento.
1100
1000
I
E
900
800
SST (mg/L)
700
600
500
400
300
200
100
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Muestreo durante 9 meses de operación
220
240
260
280
Figura 7 Variación de la concentración de SST en el influente y en el efluente durante los 9 meses de operación de la
planta de tratamiento.
Por otro lado, el costo total de la planta de tratamiento fue de 9,300 pesos (de 1995). La planta tuvo
aceptación por parte de los habitantes de la casa habitación.
CONCLUSIONES y RECOMENDACIONES
• La planta de tratamiento de aguas trabajó, bajo las condiciones específicas de la casa habitación
donde fue instalada, con un 63 % de eficacia en la remoción de materia orgánica medida como
DQOt.
• En este sentido, la planta de tratamiento no alcanzó las expectativas de diseño en relación con la
eficacia de remoción esperada. No se logró la adaptación del lodo granular anaerobio. La falta de
crecimiento de biomasa sobre el material de soporte provocó una baja eficiencia de eliminación de la
materia orgánica en la zona aerobia y anóxica. No se lograron condiciones para llevar a cabo el
proceso de nitrificación. Las características del agua residual, particularmente el contenido de
detergentes, pudo tener una influencia directa sobre este resultado.
Con el objeto de poder asegurar una adecuada operación de la planta de tratamiento es recomendable
enfocar esfuerzos subsecuentes de investigación en los siguientes rubros:
• Especificar y probar un tren de tratamiento constituido por una unidad de rejilla, una fosa séptica
convencional, la planta paquete de tratamiento de aguas y desinfección de agua.
• En cuanto al diseño de la planta de tratamiento es recomendable incrementar el bordo libre de las
paredes y mamparas internas de la planta de tratamiento, mejorar la distribución de agua en el
compartimiento anaerobio. Sustituir la cama de lodo por un filtro anaerobio, cambiar la distribución
de agua influente a los compartimientos empacados de dos a un sólo conducto. Es conveniente evitar
el uso de tuberías para no provocar taponamientos. Evitar el uso de accesorios de cobre y de
materiales metálicos en general.
• Es recomendable operar la planta de tratamiento bajo otras condiciones relacionadas con la calidad
del agua residual y fluctuación de su caudal.
• Se recomienda cambiar el sistema de aireación con base en el vénturi por un compresor de
diafragma.
AGRADECIMIENTOS
Se agradece a la Fundación MAPFRE la beca otorgada para la realización de estos experimentos.
REFERENCIA
APHA, AWWA, WPCF (1989)
"Standard methods for examination of water and wastewater"
American Public Health Association, 15th de., New York