yedidia villegas peralta - Biblioteca

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SONORA
EVALUACIÓN DE LA EFICIENCIA DE
REMOCIÓN DE CARGA ORGÁNICA Y
MICROBIANA DE LA PLANTA DE
TRATAMIENTO DE LA COLONIA MARTE R.
GÓMEZ Y TOBARITO, CAJEME SONORA.
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE
MAESTRO EN CIENCIAS EN RECURSOS
NATURALES
PRESENTA
YEDIDIA VILLEGAS PERALTA
CD. OBREGÓN, SONORA
NOVIEMBRE DEL 2010
DEDICATORIAS
A mis padres Jaime e Hilaria, por su eterno e interminable amor, porque me han
enseñado todo lo que soy como persona, mis valores, mis principios, mi
perseverancia y mi empeño.
AGRADECIMIENTOS
A mi papa Jaime. Por su apoyo incondicional en cada paso de mi vida, por sus
enseñanzas las cuales siempre tengo en mente. Gracias por ser mi papá y crecer
junto conmigo.
A mi mama Hilaria. Por su gran amor y comprensión, por siempre atender con tanta
preocupación mis necesidades, no me equivoco al decir que eres la mejor mamá del
mundo.
A mis hermanos Jaime Abdiel y Luis. Porque siempre han respetado mi forma de
pensar y me han ayudado a sonreír cuando siento que no puedo.
A mis amigas de toda la vida Dalia y LiIi. Porque a pesar de estar lejos siempre las
he sentido conmigo, porque al vernos parece que el tiempo no ha pasado. Y a todos
mis amigos y demás que dejan y han dejado una parte de ellos en mí: Fátima, Ray,
Letty, Mirna, Xochitl, Beto y Felipe Sebastián.
A mi asesor. Dr. Pablo Gortares Moroyoqui. Por sus buenos consejos, por respetar
mis ideas y decisiones y sobre todo por ser más que mi asesor. Mil gracias por su
eterna disponibilidad.
A todos aquellos que colaboraron para la realización de mi tesis, sin excluir a
ninguno pero en especial a: Sr. Karim por sus múltiples incansables y madrugados
muestreos; Ing. Rafael Angulo por su espacio y conocimiento brindado; Mtra Lupita
Aguilar por su cooperación; Hilda y Omar por ser mis acompañantes inseparables
en la primer etapa de mi tesis; a Rubén y Aureliano por hacerme reír, porque sin su
ayuda no hubiera culminado mis análisis.
A mi Dios porque nunca me desampara y siempre está conmigo, por esas lecciones
de vida que me hacen crecer como persona día a día.
i INDICE GENERAL
DEDICATORIA
AGRADECIMIENTOS
INDICE GENERAL
i
INDICE DE TABLAS
v
INDICE DE FIGURAS
vi
RESUMEN
ix
CAPITULO I
I. INTRODUCCIÓN
10
1.1 ANTECEDENTES
10
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
13
1.3 JUSTIFICACIÓN
14
1.4 OBJETIVOS
18
1.4.1 Objetivo general
18
1.4.2 Objetivos específicos
18
1.5 HIPOTESIS
20
CAPITULO II
II. MARCO DE LA INVESTIGACIÓN
21
2.1 El agua
21
2.1.1 Contaminación ambiental
2.2 Aguas residuales
22
2.2.1 Historia de las aguas residuales
23
23
2.2.2 Concepto de agua residual
23
2.2.3 Características de un agua residual
24
2.2.3.1 Características físicas
28
2.2.3.2 Características químicas
30
2.2.3.2.1 Oxígeno disuelto
30
ii 2.2.3.2.2. pH
2.2.3.2.3 Nutrientes
2.2.3.2.4 Contenido de materia orgánica
2.2.4 Fuentes de un agua residual
2.3 Tratamientos de aguas residuales
2.3.1 Niveles de tratamiento
31
31
32
33
34
34
2.3.1.1 Pretratamiento o tratamiento primario
36
2.3.1.2 Tratamientos Secundarios
36
2.3.1.3 Tratamientos Terciarios
37
2.3.2 Tratamientos Fisicoquímicos y Biológicos
2.3.2.1 Laguna de estabilización
37
38
2.3.2.1.1 Tipos de lagunas
39
2.3.2.1.1.1 Lagunas anaerobias
40
2.3.2.1.1.2 Lagunas facultativas
43
2.3.2.1.1.3 Laguna de maduración
46
2.3.2.1.1.4 Sistemas combinados
47
2.4 Principales parámetros para caracterizar aguas residuales
2.4.1 Métodos de evaluación para la demanda de oxígeno
48
48
2.4.1.1 Demanda bioquímica de oxígeno (DBO)
48
2.4.1.2 Demanda química de oxígeno (DQO)
49
2.4.2 Concentración de nitrógeno
50
2.5 Impactos de las descargas de aguas residuales
51
2.6 Legalidad
55
CAPITULO III
56
III. MATERIALES Y MÉTODOS
56
3.1 Localización de la zona de estudio
56
3.1.1 Descripción del sistema
3.2 Materiales
57
58
3.2.1 Equipo
59
3.3 Pruebas de infiltración
59
iii 3.3.1 Cálculos para pruebas de infiltración
3.4 Muestreo
3.4.1 Frecuencia de muestreo
60
61
64
3.5 Conservación y transporte de muestras
65
3.6 Tratamiento estadístico de los datos
65
3.7 Plan de acciones
66
CAPITULO IV
67
IV. DISCUSIÓN Y RESULTADOS
67
4.1 Pruebas de infiltración
67
4.2 Caracterización de la carga orgánica
71
4.2.1 Sólidos suspendidos totales
71
4.2.2 Sólidos suspendidos volátiles
73
4.2.3 Sólidos totales
76
4.2.4 Sólidos disueltos volátiles
78
4.2.5 Demanda química de oxígeno
80
4.2.6 Demanda bioquímica de oxígeno
83
4.2.7 Concentración de nitrógeno total
87
4.3 Parámetros físicos
88
4.3.1 Temperatura
88
4.3.2 Oxígeno disuelto
91
4.3.3 Potencial hidrógeno
93
4.4 Caracterización de carga microbiana
4.4.1 Coliformes fecales
4.5 Plan de acciones
4.5.1 Recomendaciones previas al arranque
95
95
99
99
4.5.2 Recomendaciones en el arranque
101
4.5.3 Recomendaciones para verificar el proceso biológico
102
4.5.3.1 Programa de evaluación del proceso biológico
103
4.5.4 Recomendaciones para mantenimiento
104
iv CAPITULO V
105
V. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
105
BIBLIOGRAFÍA
109
v INDICE DE TABLAS
Tabla 1. Características físicas, químicas y biológicas típicas de un
25
agua residual y su procedencia.
Tabla 2. Constituyentes de mayor importancia en un agua residual.
27
Tabla 3. Definiciones de los sólidos encontrados en agua.
29
Tabla 4. Niveles de tratamientos de aguas residuales.
34
Tabla 5. Clasificación de las lagunas.
40
Tabla 6. Ventajas y desventajas de las lagunas anaerobias.
42
Tabla 7. Principales impactos de las aguas residuales municipales
53
sobre el ecosistema acuático.
Tabla 8. Parámetros considerados para la caracterización y la norma a
58
la que aplica.
Tabla 9. Resultado de la prueba de infiltración para la laguna
67
facultativa y de maduración.
Tabla 10. Programa de muestreo sugerido par PTAR-Tobarito, en fase
103
de arranque.
vi INDICE DE FIGURAS
Figura 1. Etapas del proceso de digestión anaerobia.
41
Figura 2. Reacción de oxidación del dicromato de potasio en medio
49
ácido.
Figura 3. Extracciones y volúmenes anuales de aguas residuales, y
51
efectos al público e industriales.
Figura 4. Localización dela zona de estudio. PTAR-Marte R. Gómez
57
Tobarito.
Figura 5. Descarga del emisor Tobarito.
57
Figura 6. Puntos de observación para pruebas de infiltración
59
Figura 7. Localización de los puntos de muestreo de la PTAR. Marte
62
R. Gómez y Tobarito.
Figura 8. Toma de muestra en la entrada del agua residual a la laguna
62
anaerobia.
Figura 9. Toma de muestra en la salida de la laguna anaerobia.
63
Figura 10. Toma de muestra en el efluente de laguna facultativa.
63
Figura 11. Toma de muestra en el influente de laguna de maduración.
64
Figura 12. Conservación y transportación de las muestras.
65
Figura 13. Comportamiento de los sólidos suspendidos totales en el
70
influente y efluente de la planta de tratamiento de la colonia Tobarito.
Periodo Junio-Diciembre 2009.
Figura 14. Comportamiento de los sólidos suspendidos totales en el
70
influente y efluente del sistema lagunar de la planta de tratamiento de
la colonia Tobarito. Periodo Mayo-Julio 2010.
Figura 15. Porcentajes de degradación de sólidos suspendidos totales
72
del sistema lagunar PTAR-Tobarito.
vii Figura 16. Comportamiento de los sólidos suspendidos volátiles en el
73
influente y efluente del sistema lagunar de la planta de tratamiento de
la colonia Tobarito. Periodo Junio-Diciembre 2009.
Figura 17. Comportamiento de los sólidos suspendidos volátiles en el
74
influente y efluente del sistema lagunar de la planta de tratamiento de
la colonia Tobarito. Periodo Mayo-Julio 2010.
Figura 18. Porcentajes de degradación del sistema lagunar PTAR-
75
Tobarito para SSV.
Figura 19. Comportamiento de sólidos totales en el influente y efluente
77
del sistema lagunar de la planta de tratamiento de la colonia Tobarito.
Periodo Junio-Diciembre 2009.
Figura 20. Comportamiento de sólidos totales en el influente y efluente
78
del sistema lagunar de la planta de tratamiento de la colonia Tobarito.
Periodo Mayo-Julio 2010.
Figura 21. Comportamiento de los sólidos disueltos volátiles en el
79
influente y efluente del sistema lagunar de la planta de tratamiento de
la colonia Tobarito. Periodo Junio-Diciembre 2009.
Figura 22. Comportamiento de los sólidos disueltos volátiles en el
79
influente y efluente del sistema lagunar de la planta de tratamiento de
la colonia Tobarito. Periodo Mayo-Julio 2010.
Figura 23. Comportamiento de la demanda química de oxígeno en el
80
influente y efluente del sistema lagunar de la planta de tratamiento de
la colonia Tobarito. Periodo Junio-Diciembre 2009.
Figura 24.Comportamiento de la demanda química de oxígeno en el
82
influente y efluente del sistema lagunar de la planta de tratamiento de
la colonia Tobarito. Periodo Mayo-Julio 2010.
Figura 25. Comportamiento de la remoción de
materia orgánica
medida como DBO del influente, y efluente del sistema lagunar de la
83
PTAR-Tobarito. Periodo Mayo-Julio 2010.
viii Figura 26. Comportamiento de la concentración de materia orgánica
84
medida como DBO por laguna de la PTAR-Tobarito. Periodo MayoJulio 2010.
Figura 27.Coloración de los diferentes efluentes del sistema de
86
tratamiento.
Figura 28. Comportamiento de la concentración de nitrógeno total del
87
influente, y efluente del sistema lagunar de la planta de tratamiento de
la colonia Tobarito. Periodo Junio 2010.
Figura 29. Comportamiento de la temperatura del influente, efluente 1,
89
2 y 3 del sistema lagunar de la planta de tratamiento de la colonia
Tobarito. Periodo Mayo-Julio 2010.
Figura 30. Comportamiento de la temperatura del influente, efluente 1,
90
2 y 3 del sistema lagunar de la planta de tratamiento de la colonia
Tobarito. Periodo Junio-Diciembre 2009.
Figura 31. Comportamiento de la concentración de oxígeno disuelto
92
por laguna d de la PTAR-Tobarito. Periodo Junio-Diciembre 2009.
Figura 32. Comportamiento de la concentración de oxígeno disuelto
92
por laguna d de la PTAR-Tobarito. Periodo Mayo-Julio 2010.
Figura 33. Comportamiento de pH por efluentes de la PTAR-Tobarito.
94
Periodo Junio-Diciembre 2009.
Figura 34. Comportamiento de pH por efluentes de la PTAR-Tobarito.
95
Periodo Mayo-Julio 2010.
Figura 35. Comportamiento microbiológico medido como UFC por
97
mililitro de coliformes fecales, en el influente y efluente del sistema
lagunar de la planta de tratamiento de la colonia Tobarito. Periodo
Junio-Diciembre 2009.
Figura 36.- Comportamiento microbiológico medido como UFC por
98
mililitro de coliformes fecales, en el influente y efluente de la planta de
tratamiento de la colonia Tobarito. Periodo Mayo-Julio 2010.
ix RESUMEN
En México, solo el 40% del agua residual generada recibe tratamiento, de tal manera
que se incumple con las normas mexicanas en cuanto a calidad de agua; el estado
de Sonora cuenta con un 37.69% de tratabilidad, y cuenta con el mismo porcentaje
de localidades con sistemas de saneamiento. El municipio de Cajeme cuenta con
dos plantas tratadoras, alcanzando un porcentaje de tratabilidad del 91%. La NOM001 SEMARNAT, establece que poblaciones de 2501 a 20,000 habitantes deberían
contar para enero del 2010 con un sistema de tratamiento de aguas residuales,
motivo por el que el municipio de Cajeme, estructuró un plan, para construir plantas
de tratamiento de aguas residuales (PTAR) en cuatro comunidades con población
dentro del rango mencionado anteriormente. Una de estas comunidades es Marte R.
Gómez y Tobarito que cuenta con una población de 8,215 habitantes, la cual cuenta
con un sistema de tratamiento biológico lagunar combinado, constituido por una
laguna anaerobia, una facultativa y una de de maduración con un gasto de 18.09 L/s.
Con el arranque de la PTAR-Tobarito, se pretende llegar al 96% de tratabilidad en el
municipio de Cajeme. El objetivo de esta investigación fue evaluar la eficiencia de
remoción del sistema de tratamiento de la PTAR-Tobarito, mediante análisis físicoquímicos con la finalidad de cumplir con las especificaciones
de la NOM-001-
SEMARNAT-1996, considerando su fase de arranque.
En este trabajo, se obtuvieron porcentajes de remoción de DBO5 del 48.44 %, DQO
de 27.6% y 8.5 % para P1 y P2 respectivamente. Las eficiencias de remoción de los
SST en P1 fueron de 78.5% y remociones negativas para P2. En cuanto la remoción
nitrógeno total fue del 44.12%. El porciento de remoción para el primer periódo para
CF fue del 99.7% y para el segundo del 99.8%. Se pone de manifiesto que las aguas
efluentes de la PTAR “Tobarito” pueden ser consideradas como agua de tipo A (para
riego agrícola) de acuerdo a la Norma NOM-001-SEMARNAT-1996. Por último se
estableció un plan de acciones para el arranque y operación de una planta de
tratamiento de sistemas lagunares.
Capítulo 1
Introducción 10 I INTRODUCCIÓN
1.1 ANTECEDENTES
Toda actividad humana genera desperdicios que pueden encontrarse de forma
sólida, líquida inclusive en estado gaseoso. La mayor parte de los residuos sólidos
son depositados en la porción líquida, con lo cual se generan las aguas residuales.
Las aguas residuales son aquellas de composición variada proveniente de las
descargas de usos municipales, industriales, comerciales, de servicios, agrícolas,
pecuarios, domésticos, incluyendo fraccionamientos y en general de cualquier tipo
de uso, así como la mezcla de ellas, y que ha perdido calidad por el uso dado
(SEMARNAT, 2010). Los recursos hidrológicos son de vital importancia para el
desarrollo socioeconómico de cualquier país. Más de 300 millones de habitantes
de ciudades en Latinoamérica producen 225,000 toneladas de residuos sólidos
cada día. Sin embargo, menos del 5% de las aguas de alcantarillado de las
ciudades reciben tratamiento (Reynolds, 2002).
Como resultado de la globalización, se han empezado a generar aguas residuales
de diversos tipos. Según de donde provienen se clasifican como domésticas,
industriales, pluviales y de escorrentías agrícolas (Metcalf y Eddy, 2004). La
generación de aguas residuales requiere cada vez más de tratamientos más
Capítulo 1
Introducción 11 complejos; entendiendo como tratamiento, al conjunto de operaciones y procesos
de remoción de contaminantes seleccionados y el cumplimiento de parámetros de
vertimiento o reuso; evitando afectar patrones higiénicos, estéticos, económicos y
ambientales (Terry, 2007).
Durante siglos se han utilizado las lagunas de estabilización como un proceso de
depuración de aguas residuales. Los primeros experimentos para lagunas
aireadas fueron en Inglaterra a principios del año 1882. En la década de 1920 los
estanques artificiales fueron diseñados y construidos para recibir y estabilizar las
aguas residuales provenientes de pequeñas localidades. En 1950, la utilización de
los estanques se convirtió en un reconocido y económico método de tratamiento
de aguas para pequeños municipios e industrias. A partir de 1980, alrededor de
7,000 lagunas de estabilización fueron usadas en los Estados Unidos (Dinges,
1982). Las lagunas de estabilización son ampliamente utilizadas para descargas
de aguas municipales e industriales, en todo Australia (García, 2006). Rosales et
al., (2002), en un estudio que realizaron entre 1997 y 2001 encontraron que las
lagunas de oxidación son los sistemas de depuración más numerosos seguidos de
los sistemas que operan mediante el proceso de lodos activados, 2.5 veces más
los primeros para los 5 años analizados. Los sistemas lagunares son muy
utilizados en todo el mundo por su costo beneficio y su simplicidad, además de la
ausencia de aparatos que consumen energía (Vikram et al., 2006).
Así pues, varios autores entre ellos: Jímenez, 2002; Egocheaga y Moscoso, 2004;
Feachem et al., 1983; Sanhueza et al., 1995; Mara y Cairncross, 1989; Mara et al.,
1992; Rolim, S., 2000; Shuval et al., 1988; Yánez,1993; Stewart,2005, coinciden
en el hecho de que las lagunas de estabilización tienen un alto nivel tanto en la
remoción de patógenos como en la de compuestos orgánicos; requiriendo
mínimos recursos para su diseño, construcción, operación, y mantenimiento.
El alto grado de deterioro de la calidad de aguas nacionales, especialmente la
superficial, muestra que es necesario realizar, entre otras acciones, una revisión
del esquema de incentivos vigentes para el tratamiento de aguas residuales.
Capítulo 1
Introducción 12 Las leyes vigentes exigen que al descargar aguas residuales a los cuerpos
receptores, estas cumplan con las características de calidad que fija la norma
NOM-001-SEMARNAT-1996. Dicha norma establece los límites máximos
permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales en bienes
nacionales.
Desde 1973, se expidió el Reglamento para la Prevención y Contaminación del
agua. En 1988 se promulgó la Ley General del Equilibrio Ecológico y de
Protección al Ambiente. En 1991 se estableció el cobro de derechos por el uso o
aprovechamiento de los bienes del dominio público de la Nación, como cuerpos
receptores de las descargas de aguas residuales.
La intención original de la ley Federal de Derechos en materia de Agua, es que las
cuotas de los derechos por uso de bienes del dominio público de la federación,
como cuerpos receptores de aguas residuales, fueran mayores a los costos de
tratamiento por metro cúbico. El propósito de la legislación mencionada en los
párrafos anteriores es propiciar la construcción de plantas de tratamiento, de ahí
que en las normas mexicanas, se establecieran rangos de población adecuados
para la creación de plantas de tratamiento.
Capítulo 1
Introducción 13 1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Aún cuando el municipio de Cajeme cuenta con dos plantas de tratamiento de
agua residual que tratan el 91% de las aguas negras, existen localidades que
teniendo la población mínima para contar con una planta de tratamiento de aguas
residuales, señalado en la NOM-001-SEMARNAT-1996, no cuentan con ésta.
El municipio de Cajeme desea cumplir con las especificaciones de la norma antes
mencionada y es por eso que ha construido una planta de tratamiento situada en
la colonia Tobarito; así que para comprobar el buen funcionamiento de esta planta
de aguas residuales, es fundamental que los parámetros de diseño sean los
adecuados para asegurar la calidad de las aguas tratadas. En base al arranque de
operación de la nueva planta de tratamiento de la colonia Marte R. Gómez y
Tobarito, surge la siguiente pregunta:
¿Cuáles serán las eficiencias de remoción que garantizan que el sistema lagunar
cumple con la calidad deseada?
Capítulo 1
Introducción 14 1.3 JUSTIFICACIÓN
La rápida urbanización ejerce una inmensa presión sobre los escasos y frágiles
recursos hídricos y los sistemas de alcantarillado saturados, propiciando
degradación ambiental.
En América Latina y el Caribe sólo el 19% de las aguas residuales colectadas en
alcantarillados reciben algún tratamiento antes de ser dispuestas en los cuerpos
de agua, como ríos y mares. Esto significa que aproximadamente de cincuenta y
dos millones de metros cúbicos por día de aguas residuales que son generadas,
solo tres millones y fracción reciben tratamiento (CNA, 2008). Estas descargas
constituyen un vector de transmisión de parásitos, bacterias, virus y patógenos.
En México, solo el
caudales
40% de las descargas de aguas residuales en diferentes
reciben el tratamiento adecuado, además se carece de parámetros
mínimos de volumen de agua en cuerpos receptores, de programas de apoyo y se
incumplen las leyes (CNA, 2008).
En nuestro país, se generan alrededor de 420 metros cúbicos cada segundo, de
estas las municipales generan 235.8 m3/s y las no municipales generan el resto
(170 m3/s); mientras que el agua residual municipal colectada es de 208 m3/s.
(CNA, 2008).
El municipio de Cajeme cuenta con una población de 356,290 habitantes,
integrado por varias localidades, entre las más grandes en cuanto a población se
encuentra
Ciudad
Obregón,
Esperanza,
Marte
R.
Gómez
y
Tobarito,
Quetchehueca y Pueblo Yaqui (INEGI, 2009).
Aún cuando Ciudad Obregón mantiene el saneamiento de las aguas residuales
domésticas mediante la operación de dos plantas de tratamiento con sistemas
biológicos lagunares, solo se ha cubierto el 91% de estos residuos líquidos
(INEGI, 2009). Estas plantas de tratamiento de aguas residuales municipales
Capítulo 1
Introducción 15 (PTARM) de Cd. Obregón generan alrededor de 1 m3/s de aguas residuales
tratadas (L. Castro-Espinoza et al., 2009).
Es cierto, que sin un manejo adecuado de las descargas de las aguas residuales
supone serios riesgos para la salud humana y el medio ambiente. El verter aguas
residuales sin tratar al océano constituye uno de los mayores problemas que
amenazan los ecosistemas marinos, trayendo consigo cambios de acidez y
alcalinidad en el agua que propician la muerte de la flora y fauna. Varios estudios
realizados sobre los efectos de descargas de aguas residuales sin tratar, muestran
como disminuye la calidad del agua en los cuerpos receptores, fenómeno
observado por
Jáuregui-Medina, et al., (2007), en el Rio Mololoa, de Nayarit
México.
Alrededor de 1.8 millones de personas mueren cada año debido a enfermedades
diarreicas incluyendo al cólera (OMS, 2008). En Perú, 1991, se asumió que la
epidemia de cólera fue causada por la vía de agua contaminada y riego con aguas
residuales crudas o diluidas (OPS, 1999).
En México, de acuerdo a la Secretaría de Salud, las enfermedades infecciosas
intestinales que existieron en el 2007 llegaron a 5.533 millones de casos. Las
principales causas de estas enfermedades en el último año son: virus y otros
organismos (4.6 millones de casos), Paratifoidea y Salmonelosis (119.7 mil casos),
la Fiebre Tifoidea (44.8 mil casos) y la intoxicación alimentaria bacteriana y la
Shigelosis, con 36.7 mil y 12.7 mil casos, respectivamente, todas a causa de no
tener el acceso al agua potable y al saneamiento adecuado (CNA, 2008).
Ante lo mencionado anteriormente se planteó la construcción de una nueva planta
de tratamiento, situada en la colonia Marte R. Gómez y el Tobarito. La importancia
de este proyecto radica en que el municipio de Cajeme desea contar con el cien
porciento de sus aguas residuales tratadas, de esta manera colaborar a la
conservación de la zona costera del Golfo de California, lugar donde desembocan
todas las descargas de esta localidad y en primera instancia cumplir con las
Normas
Oficiales
Mexicanas
NOM-001-SEMARNAT-1996,
NOM-002-
Capítulo 1
Introducción 16 SEMARNAT-1996 y la NOM-003-SEMARNAT-1997, las cuales establecen los
límites máximos permisibles para la descarga
de aguas residuales a bienes
propiedad de la nación, que van al alcantarillado público y las que se reusen en
servicios públicos, respectivamente (SEMARNAT, 2010). El objetivo secundario de
esta planta es ser una fuente adicional de suministro de agua, particularmente
para riego agrícola.
Se especifica dentro de la NOM-001-SEMARNAT-1996, que poblaciones de 2050
a 20,000 habitantes deberán contar para Enero del 2010 con un sistema de
tratamiento para sus aguas residuales, y en algunas de sus localidades ya entra
en el rango.
Así, que para el aprovechamiento de agua residual tratada en el Valle del Yaqui,
resulta necesario la certeza de que la calidad de agua sea la adecuada para el uso
requerido, entonces es de suma importancia que la planta de tratamiento de la
colonia Tobarito esté funcionando correctamente bajo las condiciones de diseño
establecidas y dentro de norma.
Si no existiera la planta de tratamiento en ésta comunidad, se seguirían enviando
las descargas de aguas residuales domésticas a los drenes que conducen el agua
hasta el mar, se contaría aun más con la presencia de contaminación del aire por
los malos olores liberados de este conducto.
Puede llegar el momento en que los habitantes de este municipio, ya no cuenten
con el recurso mar sino que solo sea un sitio de descarga de aguas negras, y que
posiblemente debido al poco manejo que se le da a las aguas negras, las
generaciones futuras no conozcan más que un basurero llamado “mar”.
Este estudio propiciará la investigación científica tendiente a buscar alternativas de
solución de bajo costo a la problemática de la disposición de aguas residuales
domésticas. A su vez, se conseguirá alcanzar la meta propuesta por el municipio
de Cajeme “cero vertidos de aguas negras al mar”, que por ende dará
cumplimiento a las normas mexicanas en materia de agua.
Capítulo 1
Introducción 17 Finalmente es importante mencionar que este trabajo es un proyecto que realiza
el Instituto Tecnológico de Sonora (ITSON) en conjunto con el Organismo
Operador Municipal de Agua Potable, Alcantarillo y
Saneamiento de Cajeme
(OOMAPASC) por lo tanto, es un trabajo de investigación que cuenta con el
personal calificado, con los medios y el equipo suficiente para llevarse a cabo. No
existiendo obstáculos de ningún tipo.
Sin embargo, una posible limitación son las condiciones climatológicas como la
lluvia que impiden realizar el muestreo, debido a que el terreno para accesar a la
planta se vuelve peligroso, además de afectar la dinámica del sistema lagunar por
dilución de muestras. Otra limitación, ésta de tipo geográfico es la distancia
existente entre el lugar de muestreo y el laboratorio base de análisis, donde los
tiempos de recorrido son de aproximadamente cuarenta minutos.
Es de suma importancia que la planta de tratamiento este funcionando con los
parámetros establecidos por las normas, de esta manera evitar gastos de
operación innecesarios y posibles riesgos.
Capítulo 1
Introducción 18 1.4 OBJETIVOS
1.4.1 Objetivo General
Evaluar la eficiencia de remoción de carga orgánica y microbiana de las lagunas
de estabilización de la colonia Marte R. Gómez y Tobarito, con base en la NOM001-SEMARNAT-1996 modificada, con la finalidad de cumplir
con las
especificaciones establecidas, considerando el arranque y operación de la planta
de tratamiento.
1.4.2 Objetivos Específicos
• Calcular los niveles de infiltración en las lagunas de oxidación a través de la
medición constante de columna de agua, comprobando la correcta
compactación del terreno.
• Evaluar la calidad del agua residual del influente y los efluentes de las
lagunas de oxidación a través de análisis fisicoquímicos: Sólidos
Suspendidos
Totales
(SST),
Sólidos
Suspendidos
Volátiles
(SSV),
Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO), pH, concentración de Oxígeno
disuelto, y concentración de Nitrógeno, conociendo así la calidad del agua
tratada.
• Determinar la remoción de materia orgánica y Coliformes Fecales de la
planta de tratamiento de la colonia Marte R. Gómez y Tobarito, mediante la
Demanda Química de Oxígeno y conteo en placa para la cuantificación de
Coliformes Fecales.
Capítulo 1
Introducción 19 • Integrar un plan de acciones para el arranque y operación de una planta de
tratamiento de sistema de lagunas, por medio de
observaciones e
inspecciones en su funcionamiento.
1.5 HIPÓTESIS
El porcentaje de remoción de materia orgánica en el efluente final del tratamiento
medido como DBO es del 70%, lo cual implica que la descarga cumple con los
límites máximos permisibles (150 mg/L) de la NOM-001-SEMARNAT-1996.
Marco de la investigación Capítulo 2
21 CAPÍTULO II
MARCO DE LA INVESTIGACIÓN
2.1 El agua
Aunque el agua es el elemento más frecuente en la Tierra, únicamente 2.53% del
total es agua dulce y el resto es agua salada. Aproximadamente las dos terceras
partes del agua dulce se encuentran inmovilizadas en glaciares y al abrigo de nieves
perpetuas. Es un recurso de vital importancia para la vida de los seres vivos
(UNESCO-WWAP, 2006).
Los recursos hídricos son renovables (excepto ciertas aguas subterráneas), con
enormes diferencias de disponibilidad y amplias variaciones de precipitación
estacional y anual en diferentes partes del mundo. La precipitación constituye la
principal fuente de agua para todos los usos humanos y ecosistemas.
Capítulo 2
Marco de la investigación 22 Esta precipitación es recogida por las plantas y el suelo, se evapora en la atmósfera
mediante la evapotranspiración y corre hasta el mar a través de los ríos o hasta los
lagos y humedales. El agua de la evapotranspiración mantiene los bosques, las
tierras de pastoreo y de cultivo no irrigadas, así como los ecosistemas. El ser
humano extrae un 8% del total anual de agua dulce renovable y se apropia del 26%
de la evapotranspiración anual y del 54% de las aguas de escorrentía accesibles. El
control que la humanidad ejerce sobre las aguas de escorrentía es ahora global y el
hombre desempeña actualmente un papel importante en el ciclo hidrológico. El
consumo de agua per cápita aumenta (debido a la mejora de los niveles de vida), la
población crece y en consecuencia el porcentaje de agua objeto de apropiación se
eleva. Si se suman las variaciones espaciales y temporales del agua disponible, se
puede decir que la cantidad de agua existente para todos los usos está comenzando
a escasear y ello nos lleva a una crisis del agua (CNA, 2008).
Por otro lado, los recursos de agua dulce se ven reducidos por la contaminación.
2.1.1 Contaminación Ambiental
La contaminación ambiental es uno de los problemas más críticos en el mundo. Esta
se define como la presencia en el ambiente de cualquier agente (físico, químico o
biológico) o bien de una combinación de varios agentes en lugares, formas y
concentraciones tales que sean o puedan ser nocivos para la salud, la seguridad o
para el bienestar de la población; o bien, que puedan ser perjudiciales para la vida
vegetal o animal, o impidan el uso normal de las propiedades y lugares de recreación
y goce de los mismos. La contaminación ambiental es también la incorporación a los
cuerpos receptores de sustancias sólidas, liquidas o gaseosas, o mezclas de ellas;
siempre que alteren desfavorablemente las condiciones naturales del mismo, o que
puedan afectar la salud, la higiene o el bienestar del público (PNUMA, 2010).
Existen diferentes tipos de contaminación, entre ellas se encuentra la contaminación
del agua, que es definida según SEMARNAT (2010), como
la presencia en un
Marco de la investigación Capítulo 2
23 ambiente acuático de uno o más contaminantes o de cualquier combinación de ellos
que cause un desequilibrio. Cuando un cuerpo receptor se contamina, es cuando se
generan las aguas residuales; o bien, puede ser que se esté contaminando a causa
de este descargas de aguas residuales vertidas en el.
2.2 Aguas residuales
2.2.1 Historia de las aguas residuales
La colección de agua de lluvia y drenaje, data desde tiempos antiguos. El
saneamiento de aguas residuales es considerado desde principios del siglo XIX. El
tratamiento sistemático de aguas residuales continuó hasta finales del siglo XIX y
principios del XX. Sin embargo el desarrollo de la teoría microbiana por Koch y
Pasteur en la segunda mitad del siglo XIX marcó el comienzo de una nueva era en
saneamiento (Metcalf y Eddy, 2004).
2.2.2 Concepto de agua residual
La NOM-001-SEMARNAT-1996, define como aguas residuales a todas aquellas
aguas de composición variada provenientes de fuentes municipales, industriales,
comerciales,
de
servicios,
agrícolas,
pecuarios,
domésticos,
incluyendo
fraccionamientos y en general de cualquier otro uso, así como la mezcla de ellas.
En general, las aguas residuales consisten de dos componentes, un efluente líquido
y un constituyente sólido, conocido como lodo. Típicamente existen dos formas
generales de tratar las aguas residuales. Una de ellas consiste en dejar que las
aguas residuales se asienten en el fondo de los estanques, permitiendo que el
material sólido se deposite en el fondo. Después se trata la corriente superior de
residuos con sustancias químicas para reducir el número de contaminantes dañinos
Capítulo 2
Marco de la investigación 24 presentes. El segundo método más común consiste en utilizar la población
bacteriana para degradar la materia orgánica (Reynolds, 2002).
Es importante determinar si los métodos utilizados para la depuración de aguas
residuales son los correctos de tal manera que se procede a la caracterización de
estas.
2.2.3 Características de un agua residual
Es de fundamental importancia conocer las características de un agua residual, para
el análisis y diseño de los sistemas e instalaciones de manejo. Las aguas residuales
se caracterizan por su composición física, química y biológica. La Tabla 1, muestra
las principales características de un agua residual.
Marco de la investigación Capítulo 2
25 Tabla 1.Características físicas, químicas y biológicas típicas de un agua residual y
su procedencia.
Parámetro
Procedencia
Físicos
Color
Aguas
residuales
domésticas
e
industriales
degradación natural de materia orgánica.
Olor
Agua residual
industriales.
Sólidos
Agua de suministro, aguas residuales domesticas e
industriales, erosión del suelo infiltración y conexiones
incontroladas.
Temperatura
Aguas residuales domesticas e industriales
en
descomposición,
residuos
Químicos
Orgánicos
Carbohidratos
Aguas residuales
comerciales
domesticas
e
industriales
y
Grasas animales
Aguas residuales
comerciales
domesticas
e
industriales
y
Aceites y grasas
Comerciales
Pesticidas
Residuos agrícolas
Fenoles
Vertidos industriales
Proteínas
Aguas residuales
comerciales
domésticas,
industriales
y
Contaminantes
prioritarios
Aguas residuales
comerciales
domésticas,
industriales
y
Agentes tenso activos
Aguas residuales
comerciales
domésticas,
industriales
y
Otros
Degradación Natural de materia orgánica
Marco de la investigación Capítulo 2
26 Alcalinidad
Aguas residuales domésticas, agua de suministro,
infiltración de agua subterránea.
Cloruros
Aguas residuales domésticas, infiltración de agua
subterránea.
Metales Pesados
Vertidos Industriales
Nitrógeno
Residuos Agrícolas y aguas residuales Domésticas
pH
Aguas residuales
comerciales
domésticas,
industriales
y
Fosforo
Aguas residuales domésticas,
comerciales; aguas de escorrentía
industriales
y
Contaminantes
prioritarios
Aguas residuales
comerciales.
domésticas,
industriales
y
Azufre
Aguas residuales
comerciales.
domésticas,
industriales
y
Gases
Sulfuro de Hidrógeno
Descomposición de residuos domésticos
Metano
Descomposición de residuos domésticos
Oxígeno
Agua de suministro, infiltración de agua superficial.
Constituyentes
Biológicos
Cursos de agua y plantas de tratamiento.
Animales
Plantas
Cursos de agua y plantas de tratamiento
Protistas
Eubacterias
Agentes residuales domésticas, infiltración de agua
superficial, plantas de tratamiento.
Virus
Aguas residuales domésticas
Fuente: Metcalf y Eddy, 2004.
Marco de la investigación Capítulo 2
27 De manera más simplificada, los constituyentes de mayor importancia en el
tratamiento de aguas residuales, se aprecian en la tabla 2.
Tabla 2. Constituyentes de mayor importancia en un agua residual.
Constituyente
Razón de importancia
Sólidos Suspendidos
Favorecen el desarrollo de lodos y producen
condiciones anaeróbicas, cuando el agua residual sin
es descargada sin tratar, a un ecosistema acuático.
Compuestos
biodegradables
orgánicos Están compuestos principalmente de proteínas,
carbohidratos, y grasas. Estos compuestos son
medidos más comúnmente en términos de DBO
(Demanda Bioquímica de Oxígeno) y DQO (Demanda
Química de Oxígeno). Si el agua es descargada sin
tratar al ecosistema, su estabilización puede agotar
las fuentes de oxígeno natural y desarrollar
condiciones sépticas.
Patógenos
Enfermedades transmisibles pueden ser transmitidas
por organismos patógenos presentes en un agua
residual.
Nutrientes
Ambos nitrógeno y fósforo, junto con carbón son
nutrientes esenciales para crecimiento. Cuando se
descargan a un ecosistema estos ayudan al
crecimiento de vida acuática indeseable. Cuando el
agua es descargada en volúmenes excesivos se
produce contaminación en el agua subterránea.
Contaminantes prioritarios
Son
compuestos
orgánicos
e
inorgánicos
seleccionados conocidos o sospechosos de producir
cáncer, mutación, teratogénesis, y por su aguda y
elevada toxicidad.
Orgánicos refractarios
Estos compuestos orgánicos tienden a resistir
métodos de tratamiento convencionales. Ejemplos
típicos incluye a los surfactantes, fenoles, y
Marco de la investigación Capítulo 2
28 plaguicidas.
Metales pesados
Compuestos
disueltos
Son adheridos al agua por actividades industriales y
comerciales y pueden ser removidos del agua residual
para su reuso.
inorgánicos Son el calcio, sodio, y azufre, que son adicionados al
agua como resultado de una fuente original de agua
residual doméstica y necesariamente tienen que ser
removidos si el agua será para reuso.
Fuente: Metcalf y Eddy, 2004.
2.2.3.1 Características físicas
El contenido total de sólidos es una de las características físicas más importantes de
un agua residual. También se consideran de importancia: la turbiedad, la
conductividad, la temperatura entre otros (Crites, 2001).
El agua residual, contiene una gran variedad de materiales sólidos, se pueden
encontrar desde restos de animales muertos hasta material de tipo coloidal (Metcalf y
Eddy, 2004). Normalmente los sólidos muy grandes o gruesos, son removidos antes
de que la muestra sea analizada o con mediante alguna operación unitaria como el
cribado, antes de empezar con la primer etapa de tratamiento.
En la tabla 3, se pueden observar los diferentes tipos de sólidos encontrados en un
agua residual, a su vez, se encuentra la definición de ellos. Cada uno de los citados
en esta tabla, son los que se analizan para la caracterización física del agua.
Marco de la investigación Capítulo 2
29 Tabla 3. Definiciones de los sólidos encontrados en agua.
Análisis
Descripción
Sólidos totales
Es el residuo después de una muestra que ha sido
evaporada y secada a una temperatura específica (103105°C)
Sólidos totales
Estos sólidos pueden ser volatilizados y quemados
volátiles
Cuando los sólidos totales son incinerados (500±50°C).
Sólidos totales fijos
Es el residuo que permanece después de que los sólidos
totales son incinerados (500±50°C).
Sólidos
totales
suspendidos Porción de los sólidos totales que es retenida en un filtro
con un tamaño de poro específico medido después de
ser secado a 103°C. El filtro usado mas comúnmente
para la determinación de Sólidos Suspendidos Totales
es marca Whatman de fibra de vidrio, con un tamaño de
poro nominal de 1.58 µm.
Sólidos
volátiles
suspendidos Estos sólidos pueden ser volatilizados y quemados
cuando los sólidos suspendidos totales son incinerados
(500±50°C).
Sólidos
fijos
Sólidos
totales
suspendidos Es el residuo que permanece después de que los sólidos
suspendidos totales son incinerados (500±50°C).
disueltos Estos sólidos pasan a través del filtro, y son evaporados
y secados a una temperatura específica. Debe saberse
que cuando es medido como STD está compuesto de
sólidos disueltos y en forma coloidal. Los coloides miden
entre 0.001 y 1 µm.
Marco de la investigación Capítulo 2
30 Sólidos
disueltos Es el residuo que permanece después de que los
volátiles
Sólidos disueltos totales son incinerados (500±50°C).
Sólidos disueltos fijos
El residuo que permanece después de que los sólidos
Disueltos Totales son incinerados (500±50°C).
Sólidos sedimentables
Son aquellos sólidos suspendidos, expresados en
miligramos por litro, que sedimentarán o permanecerán
en suspensión en un periodo de tiempo.
Fuente: Standards Methods (1998).
La turbiedad es un parámetro para indicar la calidad de las aguas naturales y sobre
todo las residuales con relación al material residual en suspensión coloidal. Según
Campos (2002), la temperatura es un factor que influye directamente en la acción de
los microorganismos. En las reacciones químicas, en el desarrollo de la vida acuática
y la idoneidad del agua para un uso en específico, la temperatura juega un papel
importante (Metcalf y Eddy, 2004). La conductividad eléctrica de un agua, es definida
como la habilidad que tiene una solución para conducir la energía eléctrica. La
energía eléctrica es conducida por iones en solución, la conductividad incrementa si
la concentración de iones incrementa (Metcalf y Eddy ,2004).
2.2.3.2 Características Químicas
Dentro de las características químicas más importantes de un agua residual se
encuentran el oxígeno disuelto, el pH, los nutrientes, metales, no metales, el
contenido de materia orgánica e inorgánica.
2.2.3.2.1 Oxígeno Disuelto
El Oxígeno disuelto sirve como indicador del efecto producido por los contaminantes
oxidables, de la aptitud del agua para mantener vivos peces u otros organismos
aerobios, y de la capacidad autodepuradora de un cuerpo receptor. En las aguas
residuales la ausencia de oxígeno genera olores desagradables debido a la
Marco de la investigación Capítulo 2
31 descomposición anaerobia de la materia orgánica; en cambio en aguas de
abastecimiento el exceso provoca corrosión (Jiménez, 2002).
2.2.3.2.2 pH
El pH es la concentración de los iones hidrógenos y es un parámetro importante en la
calidad del agua. La definición matemática del pH es el logaritmo negativo de la
concentración de iones hidrógeno El agua pura a 25 °C tiene un pH de 7. El valor de
este parámetro a temperaturas superiores a 25°C es menor a 7 y viceversa (Fair,
2005).
La evaluación del pH se emplea para dar seguimiento a un proceso (neutralización,
biológico anaerobio, corrosión), o bien, para controlar las condiciones de operación
(precipitación, floculación, sistemas biológicos anaerobios, desinfección) ya que la
velocidad de las reacciones dependen de el. El valor de pH para un agua residual
doméstica es ligeramente alcalino por la presencia de bicarbonatos, carbonatos y
metales alcalinos (Jiménez, 2002).
2.2.3.2.3 Nutrientes
Los elementos como el nitrógeno y el fósforo son esenciales para el crecimiento de
microorganismos, plantas y animales y son mejor conocidos como nutrientes o
bioestimulantes (Metcalf y Eddy, 2004). El nitrógeno y el fósforo son los nutrientes
más importantes en el crecimiento de un alga (Serpa y Calderón, 2006). Su
abundancia o escasez conducen a favorecer o limitar el crecimiento de plantas
acuáticas por lo que ambos son clave para acelerar el proceso natural de
eutrofización aunque, por lo general es el fósforo quien resulta el factor limitante.
Normalmente estos compuestos son removidos eficientemente durante los procesos
biológicos (Jiménez, 2002).
Marco de la investigación Capítulo 2
32 2.2.3.2.4 Contenido de materia orgánica
Según Metcalf y Eddy (2001), la cantidad de materia orgánica contenida en un agua
residual media, es del 75% como sólidos suspendidos y de estos el 40% pertenecen
a los sólidos fijos. Estos sólidos son derivados del reino animal y plantae, y de las
actividades humanas en la síntesis de compuestos orgánicos.
Los compuestos orgánicos están constituidos por seis elementos esenciales:
carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre; los últimos tres en
cantidades trazas. Los principales grupos de sustancias orgánicas encontradas en un
agua son las proteínas (40 a 60 %), los carbohidratos (25-50%), y las grasas (812%). La urea es un constituyente de la orina, y es otro compuesto de importancia en
las aguas residuales. Junto con las proteínas, los carbohidratos y las grasas, la urea
puede contener compuestos sintéticos de estructura compleja, que no pueden ser
removidos por tratamientos biológicos; tal es el caso de los surfactantes, los
compuestos orgánicos prioritarios, compuestos orgánicos volátiles y plaguicidas
utilizados en agricultura (Metcalf y Eddy, 2001: 2004).
Las proteínas son polímeros formados por aminoácidos. Las proteínas pueden ser
clasificadas en cinco categorías: 1) Proteínas estructurales: glicoproteínas, colágeno,
y keratina; 2) Proteínas catalíticas: enzimas; 3) De transporte: hemoglobina; 4)
Regulatorias: hormonas (insulina) y 5) De protección: anticuerpos (Shuler et al,
2002). Las proteínas son de importancia debido a que son el principal constituyente
de los organismos del reino animal (Metcalf y Eddy, 2004).
Los carbohidratos juegan un rol importante en los compuestos estructurales y de
almacenamiento de las células. Algunos carbohidratos más comunes son el azúcar,
almidón, celulosa y fibra de madera, todos estos encontrados en un agua residual.
Los carbohidratos, como su nombre lo indica, contienen carbono, hidrógeno, y
oxígeno (Metcalf y Eddy, 2004). Estos compuestos son sintetizados por fotosíntesis.
Los gases como el Dióxido de Carbono y vapor de agua son convertidos a través de
la fotosíntesis en azúcares en presencia de la luz solar y luego son polimerizados
para producir polisacáridos como la celulosa o el almidón (Shuler et al., 2002).
Capítulo 2
Marco de la investigación 33 Las grasas y aceites, son el tercer y el mayor componente de los productos
alimenticios. El término grasa es comúnmente usado para nombrar a los aceites, a
las ceras, y otros compuestos relacionados encontrados en un agua residual. Las
grasas y aceites están compuestos por alcohol y glicerol con algunos ácidos grasos.
Los glicéridos de los ácidos grasos son líquidos a temperaturas ordinarias y son
llamados aceites, y aquellos que son sólidos son denominados grasas. Ambos están
compuestos químicamente de carbón, hidrógeno y oxígeno (Metcalf y Eddy, 2001).
2.2.4 Fuentes de un agua residual
Hay cuatro fuentes fundamentales de agua residual: domésticas o urbanas,
industriales, escorrentías de uso agrícola y pluviales (Ramalho, 1998).
Las aguas domésticas: Son las que provienen de áreas residenciales de distritos
comerciales y de instituciones y lugares de recreación Las aguas industriales, son
aquellas que no se consideran dentro de las domésticas (Metcalf y Eddy, 2004).
Aquellas aguas que arrastran fertilizantes (fosfatos) y pesticidas son clasificadas
como escorrentías de uso agrícola y son las que causan en mayor parte los
problemas de eutrofización. Las aguas pluviales en zonas urbanizadas también
pueden tener unos efectos contaminantes significativos (Ramalho, 1998).
De acuerdo al tipo de fuente de agua residual que se trate, se proponen varios
tratamientos, para la eliminación de los contaminantes.
Marco de la investigación Capítulo 2
34 2.3 Tratamientos de aguas residuales
Los procesos para el tratamiento de aguas residuales se basan en la eliminación de
los contaminantes hasta alcanzar los valores máximos permisibles de acuerdo a las
normas y estándares nacionales o internacionales.
El término tratamiento es un conjunto de operaciones y procesos físicos, químicos y
biológicos a que se someten las aguas residuales para la remoción de contaminantes
seleccionados y el cumplimiento de parámetros de vertimiento o reuso; evitando
afectar patrones higiénicos, estéticos, económicos y ambientales (CNA, 2008).
Existen diversos tipos de tratamiento entre ellos los fisicoquímicos y los biológicos,
que a su vez se jerarquizan en niveles.
2.3.1 Niveles de tratamiento
De acuerdo a la fuente de generación del agua residual y fundamentalmente de los
límites de vertido para el efluente, es decir la descarga final, es el grado de
tratamiento requerido. De esta forma los tratamientos se clasifican en procesos
primarios, secundarios, terciarios y/o avanzados, inclusive existe uno de tipo
preliminar.
En la tabla 4, se presenta una clasificación de los niveles de tratamiento, ejemplos de
ellos y su definición.
Tabla 4. Niveles de tratamientos de aguas residuales.
Tratamiento
Ejemplos
Primario
Cribado o desbrozo
Sedimentación
Marco de la investigación Capítulo 2
35 Flotación
Separación de aceites
Homogeneización
Neutralización
Secundario
Lodos activados
Aireación
prolongada
(procesos
de
oxidación total)
Estabilización por contacto
Otras
modificaciones
convencional
de
del
lodos
sistema
activos:
aireación por fases, mezcla completa,
aireación
descendente,
alta
carga,
aireación con oxígeno puro.
Lagunaje con aireación
Filtros biológicos (percoladores)
Discos biológicos
Tratamientos anaerobios: procesos de
contacto, filtros (sumergidos)
Terciario o “avanzado”
Microtamizado
Filtración (Lecho de arena)
Precipitación y coagulación
Adsorción (Carbón activado)
Marco de la investigación Capítulo 2
36 Intercambio iónico
Ósmosis inversa
Electrodiálisis
Cloración y ozonización
Procesos de reducción de nutrientes
Otros
2.3.1.1 Pretratamiento y tratamiento primario
Un
pretratamiento
implica
la
reducción
de
sólidos
en
suspensión
o
el
acondicionamiento de las aguas residuales para su descarga en algún cuerpo
receptor, o para pasar a algún otro tratamiento. Además se emplea para la
eliminación de materiales flotantes. El cribado o desbrozo, es un tipo de tratamiento
primario utilizado para la eliminación de sólidos en suspensión de tamaños variados;
se utilizan rejillas para realizar esta reducción de material sólido, estas se pueden
limpiar manualmente o mecánicamente.
Otro proceso utilizado como tratamiento primario es la sedimentación, que tiene el
mismo objetivo que el cribado, pero el fundamento de este proceso a diferencia del
cribado es la diferencia de peso específico entre las partículas sólidas y el líquido
donde se encuentran, donde al final éstas partículas sólidas terminan en el depósito
de las materias en suspensión.
La sedimentación es uno de las operaciones unitarias más ampliamente utilizadas en
el tratamiento de aguas residuales (Metcalf y Eddy, 2001).
2.3.1.2 Tratamientos Secundarios
Tratamiento de aguas residuales, precedido de pretratamiento, tratamiento primario y
seguido de una desinfección, complementándose con un proceso para el manejo y
Marco de la investigación Capítulo 2
37 tratamiento de los lodos. Puede ser anaerobio o aerobio, en cuyo caso, se distinguen
los sistemas de medio fijo (filtros biológicos y biodiscos) de aquellos denominados de
medio suspendido (lodos activados en sus diversas variantes y lagunas de
estabilización (SEMARNAT, 2010).
2.3.1.3 Tratamientos Terciarios
Su necesidad surge de requerimientos más estrictos para las descargas o el reuso
de las aguas residuales. Un tratamiento terciario se define como uno de tipo
avanzado aplicado para la remoción de uno o varios contaminantes en particular,
después de que se han aplicado previamente el pretratamiento y los tratamientos
primario y secundario (INE, 2010).
Entre los principales tratamientos de este tipo se citan: ultrafiltración, microcribas,
nitrificación biológica, nitrificación-desnitrificación biológica, desnitrificación biológica
por etapas separadas, remoción de fósforo, cloración al punto de quiebre,
intercambio iónico, ósmosis inversa, electrodiálisis, adsorción con carbón, lodos
activados con adición de carbón activado en polvo, oxidación química, precipitación
química y volatilización.
2.3.2 Tratamientos fisicoquímicos y biológicos.
En virtud de la diversidad de contaminantes que se pueden presentar en las aguas
residuales, el número de procesos existentes es también muy amplio, no obstante
estos procesos se pueden agrupar de acuerdo al tipo de fenómeno o principio en el
cual basan su operación. De esta manera los tratamientos se pueden agrupar en dos
grandes grupos: 1) Fisicoquímicos y 2) Biológicos.
Siendo los tratamientos fisicoquímicos aquellos que consisten en la adición de
reactivos para separar el contaminante o que hacen uso de alguna operación unitaria
básica. Por otro lado, los tratamientos biológicos son definidos como aquellos en el
cual la depuración de agua se basa en la intervención de microorganismos. Estos
Marco de la investigación Capítulo 2
38 últimos pueden ser de tipo anaerobio o aerobio, y ambos están incluidos en la
expresión de tratamiento secundario.
Entre los más importantes tipos de tratamiento biológico se encuentran las lagunas
de estabilización, ya que son consideradas como de uso muy generalizado debido a
que su desarrollo y aplicación son sencillos (Jiménez, 2002; Vikram, 2006).
2.3.2.1 Lagunas de estabilización
Propiamente definida, una laguna de estabilización se refiere a estanques naturales
o artificiales, normalmente construidos en tierra, donde se llevan a cabo procesos de
depuración de contaminantes que se realizan en forma lenta y con eficiencias medias
del 75 al 85% (SEMARNAT, 2010).
Las lagunas que son diseñadas, consideran como factores determinantes para su
buen funcionamiento los siguientes criterios: a) tiempo de retención; b) profundidad
de la laguna, de acuerdo al tipo de laguna c) carga hidráulica, expresada como DBO
a 5 días y a 20°C; d) temperatura de la laguna, y e) disposición del terreno, ya que
ocupan grandes extensiones (Fair y Geyer, 2002).
Estos criterios antes mencionados hacen que se mejore el proceso de depuración
que se lleva cabo en las lagunas.
El proceso de depuración de las lagunas ocurre por la oxidación de la materia
orgánica debido a las bacterias y al suministro de oxígeno que aportan las algas,
este proceso se efectúa de manera simbiótica, ya que las bacterias tienen la
propiedad de degradar la materia orgánica compleja y producir bióxido de carbono, el
cual sirve de fuente de carbono para las algas. El oxígeno producido por las algas
puede no ser suficiente para el proceso de degradación por lo que, en ocasiones, se
colocan aireadores superficiales.
Marco de la investigación Capítulo 2
39 De acuerdo al suministro de oxígeno que se aporta a cada una de las lagunas es que
se hace una clasificación de las mismas.
2.3.2.1.1 Tipos de lagunas
Dependiendo del propósito del tratamiento, del tipo de actividad biológica que en
ellas se realiza, y del contenido de oxigeno las lagunas se pueden clasificar en
lagunas anaerobias, lagunas facultativas y lagunas aeróbicas (Yañez, 1993).
Las de tipo aeróbico son las que cuentan con grandes cantidades de oxígeno
disuelto, las facultativas cuentan con oxígeno disuelto en la parte superior y a
diferencia de estas últimas las anaeróbicas no cuentan con oxígeno disuelto.
Cabe mencionar que los procesos anaeróbicos no se llevan a cabo en su totalidad, si
no que se toma el nombre de anaeróbico o anaerobio porque la mayor parte de la
laguna trabaja bajo estas condiciones. Sin embargo, todas las lagunas tienen
contacto con la atmósfera y se llevan a cabo procesos aeróbicos. Las lagunas
aerobias difieren de las aireadas, debido a que estas últimas requieren de
un
suministro artificial de aire (Yañez, 1993).
Otra clasificación de las lagunas es tomando en cuenta sus condiciones de descarga
y según este punto se clasifican en: lagunas de descarga continua, lagunas de
retención completa y lagunas de regulación y descarga controlada. De acuerdo con
la función específica pueden clasificarse en: Lagunas para la reducción de
compuestos orgánicos, Lagunas para la reducción de organismos patógenos y
Lagunas para criterios múltiples de calidad del efluente (Yánez, 1993).
Por tanto, las lagunas de estabilización son recomendables para lugares con
condiciones climatológicas adecuadas, en climas cálidos o semicálidos, en áreas de
bajo costo de terreno y de fácil excavación (ya que ocupan grandes extensiones),
cuando la carga orgánica tiene grandes variaciones y donde hay presupuesto
limitado (Jiménez, 2002). Estos requerimientos aunados al relativo bajo nivel de
mantenimiento y operación, su fácil diseño y construcción (Shuval et al., 1988), su
Marco de la investigación Capítulo 2
40 costo beneficio y su simplicidad (Vikram et.al., 2006; Egocheaga y Moscoso, 2004),
las hacen aptas para pequeñas poblaciones (de algunos miles de habitantes).
En la tabla 5, se encuentran algunos tipos de lagunas, las cargas recomendadas, y
los tiempos de retención sugeridos según Metcalf y Eddy, (1991).
Tabla 5. Clasificación de las lagunas.
Clasificación
Cargas recomendadas
Tiempo de retención
(kg DBO/ha.)
Días
Anaerobia
224 a 560
20 a 50
Facultativa
56 a 560
5 a 30
Aerobia maduración
≤17
5 a 20
Modificada: Metcalf y Eddy (1991).
2.3.2.1.1.1 Lagunas anaerobias
Fundamentalmente lo que caracteriza a una laguna anaerobia es su nivel de oxigeno
casi nulo, donde las bacterias anaerobias (actúan sin presencia de oxígeno) pueden
tener las condiciones adecuadas para su acción. Son utilizadas cuando un agua
residual contiene elevada carga orgánica y alto contenido de sólidos.
El proceso por el cual las bacterias anaerobias descomponen la materia orgánica, se
conoce como digestión anaerobia y consta de varias etapas. La primera de ellas es
la de hidrólisis y fermentación ácida, donde los microorganismos formadores de
ácidos atacan a las substancias orgánicas y las transforman en ácidos orgánicos,
dióxido de carbono y alcoholes. Las bacterias responsables de esta etapa
pertenecen a diferentes grupos y pueden ser anaerobias, facultativas o estrictas
(Peña, 2002).
Capítulo 2
Marco de la investigación 41 Seguidamente se lleva a cabo la homoacetogénesis; en la cual los productos de
fermentación producidos anteriormente son convertidos en acetato, hidrógeno y
dióxido de carbono por un grupo de bacterias denominadas "bacterias acetogénicas"
productoras obligatorias de hidrógeno (Señer, 2005).
Finalmente la metanogénesis es realizada por un grupo de bacterias metanogénicas
que son anaerobias estrictas. Estas bacterias oxidan los bicarbonatos y el acetato en
metano y carbonatos. Este grupo de bacterias son sensibles a variaciones de carga,
pH y temperatura. Durante la biodegradación, el 90% de las materias orgánicas se
transforman en biogás. Este proceso depende mucho de la temperatura del agua y
del ambiente (Peña, 2002).
En la figura 1, se observa el proceso general de la digestión anaerobia.
Figura 1. Etapas del proceso de digestión anaerobia. Fuente: Señer, 2005.
Como lo afirma Yañez (1993) las lagunas anaeróbicas pueden ser usadas como una
primera etapa en el tratamiento de aguas residuales domésticas e industriales y
presentan una serie de factores positivos y negativos que tiene que ser considerados
antes de su uso.
Las ventajas y desventajas de las lagunas anaerobias se presentan en la tabla 6.
Capítulo 2
Marco de la investigación 42 Tabla 6. Ventajas y desventajas de las lagunas anaerobias.
Lagunas anaerobias
Ventajas
Bajo costo
Simplicidad
Ausencia de aparatos que consumen energía
Trata altas cargas orgánicas ( 220 a 560 kd DBO/ha.d)
Tiempo de residencia corto
Trabajan en climas cálidos
Desventajas
Sensible a factores ambientales ( temperatura, pH, carga)
Presentan un aspecto poco agradable y estético
Malos olores
Rápida acumulación de sólidos
Limpieza de lodos frecuentes
Algunas investigaciones han determinado que las tasas de mortalidad bacteriana son
más reducidas en estas lagunas en comparación con otras opciones, lo cual las hace
poco atractivas cuando el criterio de calidad del efluente es la concentración de
bacterias (Stewart, 2005).
Marco de la investigación Capítulo 2
43 Según el Centro de Consulta del Agua (1994), una laguna anaerobia puede tener
una profundidad de 2 a 5 metros y recibir cargas orgánicas tan altas (usualmente>
100 g DBO/m3 día, equivalente a > 3000 kg/ha día para una profundidad de 3 m).
Un buen diseño de una laguna anaerobia, deberá asegurar la remoción del alrededor
del 60% de la DBO a 20°C y un máximo de 75% a 25°C (Metcalf y Eddy, 2004).
2.3.2.1.1.2 Lagunas facultativas
El término facultativo se refiere al hecho de que coexisten sistemas aerobios y
sistemas anaerobios debido a las condiciones naturales del tanque. Son aquellas en
las cuales la parte superior permanece aerobia mientras que en la inferior no hay
oxígeno disuelto (Escalante-Estrada, et. al., 1995). Los estanques facultativos son los
más comunes. Reciben aguas residuales que no han recibido ningún tratamiento
primario, aunque puede suceder lo contrario cuando son sistemas combinados.
La degradación de la materia orgánica en lagunas facultativas tiene lugar
fundamentalmente por la actividad metabólica de bacterias heterótrofas facultativas
que pueden desarrollarse tanto en presencia como en ausencia de oxigeno disuelto,
(Soto, 2002).
El comensalismo o simbiosis que existe entre algas y bacterias, es el mecanismo
característico de estas lagunas. Este efecto sucede en el estrato superior de la
laguna. Las algas llevan a cabo la fotosíntesis, en la cual se produce oxígeno, mismo
que se aprovecha por las bacterias heterotróficas para descomponer la materia
orgánica y a su vez producir compuestos inorgánicos insolubles y dióxido de
carbono; en donde este último compuesto es tomado por las plantas para realizar la
fotosíntesis y empezar el ciclo (OPS,2005).
El sistema carbonatado está sujeto a cambios físicos durante el día, y aunque los
cambios de alcalinidad no son grandes, ocurren transformaciones de la misma tales
como variaciones de bicarbonatos a carbonatos e hidróxidos.
Capítulo 2
Marco de la investigación 44 Durante el día, cuando las algas están llevando a cabo la fotosíntesis, produciendo
oxígeno, el nivel de éste se incrementa gradualmente, hasta llegar a un punto
máximo al atardecer; pero durante la noche cuando el proceso de la fotosíntesis
está detenido, y con ello se detiene la producción de oxígeno, el nivel de oxígeno
disuelto en la laguna va disminuyendo ya que los procesos donde se requiere el
oxígeno no están detenidos. Como resultado, la posición de la oxipausa (la
profundidad a la cual la concentración de oxígeno disuelto es cero), va
disminuyendo, llegando a un punto mínimo al amanecer (Crites, 2001; Soto, 2002).
En el pico de la actividad algal, los iones carbonato y bicarbonato reaccionan para
proveer más bióxido de carbono a las algas, produciendo un exceso de iones
hidroxilo con lo cual el pH se eleva por arriba de 9, aumentando la tasa de mortalidad
de las bacterias fecales (Yañez, 1993).
Cabe mencionar, que en el fondo del estanque se establece la sección anaerobia. Si
dicha capa no genera una cantidad exagerada de biogás, que altere el
funcionamiento de la laguna, puede permanecer indefinidamente ahí (hasta 10 ó 15
años) con un desazolve de 5 a 10 años (Jiménez, 2002).
Sin embargo, si la cantidad generada de biogás, arrastra parte de los lodos hacia la
superficie, produciéndose con esto partes donde no penetre la luz del sol. Es
entonces, que es necesario eliminar estos desechos sólidos, para evitar que la falta
de luz afecte a las algas, y con ello se afecte la simbiosis existente entre algas y
bacterias (Soto, 2002; Yañez, 1993).
La temperatura es uno de los factores de mayor importancia en el funcionamiento de
las lagunas de estabilización. De acuerdo a la ley modificada de Van't HotT-Arrhenius
la constante cinética de degradación del sustrato es una función de la temperatura en
su rango de 5 a 35°C (Crites, 2001).
Se ha demostrado que el crecimiento de algas es máximo en un ámbito de
temperatura de 25 a 30 °C. Temperaturas más altas disminuyen el crecimiento y para
temperaturas sobre los 35°C se ha observado que la actividad de algas se inhibe
Capítulo 2
Marco de la investigación 45 totalmente (Fair y Geyer, 2005). En ausencia de un mezclado inducido por el viento,
la población algal tiende a estratificarse en una capa angosta de 20 cm de espesor,
durante las horas del día. Esta capa concentrada de algas se mueve hacia arriba o
hacia abajo de los primeros 50 cm superficiales como respuesta a los cambios de la
intensidad de la luz incidente y origina grandes fluctuaciones en la calidad del
efluente (DBO y sólidos suspendidos) si la estructura de salida está dentro de esta
zona (Centro de Consulta del Agua, 2009). Estas condiciones de baja mezcla pueden
originar una estratificación térmica en la laguna
En esta condición las masas de agua se estratifican o dividen, debido a diferentes
densidades, en función de la temperatura. La profundidad a la cual la tasa de cambio
de la temperatura con la profundidad es máxima, se denomina termoclina; el cambio
de la temperatura es de más de 1°C por metro. En lagunas facultativas con 1.5 m,
esto implica una variación de 1.5°C entre la superficie y el fondo para que ocurra la
estratificación térmica.
En lagunas facultativas, el estado crítico de estratificación térmica es alcanzado
cuando la oxipausa alcanza la termoclina. Esta condición favorece la presencia de
cortocircuitos. El conocimiento de la estratificación termal para cada paso particular
es importante, tanto para diseñar la adecuada ubicación de las estructuras de
entrada y salida de la laguna así como también para buscar la forma de evitar la
estratificación (Fong et al., 2007).
Por lo antes mencionado, la ubicación de una laguna facultativa como unidad de
tratamiento en un sistema de lagunas puede ser: como laguna única, como laguna
primaria o como unidad secundaria después de lagunas anaerobias (Metcalf y Eddy,
2004).
La profundidad del estanque es sumamente importante, ya que si es menor de 1 m
empieza a proliferar la vegetación que hace que promueva la presencia de
mosquitos, en cambio si es mayor de 1.5 m el estanque se vuelve esencialmente
anaerobio; por tanto la laguna facultativa puede tener una profundidad entre 1 y 1.5
metros, porque tiene menos carga, lo que permite una mayor penetración de la luz
Marco de la investigación Capítulo 2
46 (Duran, 1988). Según Jiménez (2002), se recomienda una profundidad de 1.8 m,
pero puede ser mayor cuando el influente contenga exceso de sólidos
sedimentables.
Por último, estas lagunas se diseñan para remoción de DBO considerando una carga
superficial relativamente baja (100-400 Kg.DBO/ ha día) para permitir el desarrollo
saludable de una población de algas, así como el oxígeno generado por éstas para la
remoción de DBO por las bacterias (Fong et al., 2007).
De acuerdo al Centro de Consulta del Agua (2009), las algas de las lagunas
facultativas presentan un color verde oscuro, aunque ocasionalmente pueden
presentar un color rojo o rosa (especialmente cuando la laguna está ligeramente
sobrecargada) debido a la presencia de bacterias anaerobias púrpuras que oxidan
los sulfuros fotosintéticamente. La concentración de algas en una laguna facultativa
saludable, depende de la carga y temperatura, siendo usual el rango de 500-2000 J/g
de clorofila por litro.
2.3.2.1.1.3 Laguna de maduración
Los estanques de maduración se usan como una segunda etapa de los facultativos.
Su principal función es la destrucción de los microorganismos patógenos. Las
bacterias fecales y los virus son eliminados rápidamente ya que el medio ambiente
aeróbico predominante en la laguna es demasiado hostil para éstos (Ferrer, 2003).
Los quistes y los huevecillos de parásito también se eliminan en esta laguna, ya que
éstos tienen una densidad relativa de aproximadamente 1.1, y como el tiempo de
retención es relativamente largo, se hace posible que éstos se depositen en el fondo
de la laguna donde eventualmente mueren (García, 2006).
Con el diseño adecuado estos estanques pueden tener un 99.99% de eliminación de
coliformes fecales; por tanto, puede esperarse en estos estanques efluentes con
Marco de la investigación Capítulo 2
47 menos de 5000 coliformes fecales por 100 ml comparado con 5,000,000 de
coliformes fecales por 100 ml en las plantas de tratamiento (Duran, 1988).
Un aspecto negativo de las lagunas de maduración es que la degradación de la
materia orgánica es baja por lo que se usa para recibir efluentes de otro sistema de
tratamiento. Su principal aplicación es como unidad final de un sistema laguna. Estos
estanques son totalmente aerobios y pueden mantener esta característica aunque su
profundidad sea cercana a los 3 metros (Ferrer, 2003).
2.3.2.1.1.4 Sistemas combinados
Los sistemas lagunares integrados forman un tratamiento económico y seguro que
los sistemas convencionales y se diseñan de igual forma que los sistemas
individuales (Ferrer, 2003).
Las diferentes combinaciones que se pueden tener son variadas ya que dependen
de las características del agua a tratar, de las exigencias del efluente y de la
disponibilidad del terreno. Para un agua residual de tipo doméstica, los sistemas que
se han propuesto son los siguientes:
1) Facultativa + Aerobia
2) Facultativa + Facultativa + Aerobia
3) Anaerobia + Facultativa + Aerobia
4) Anaerobia + Facultativa + Maduración
5) Facultativa + Facultativa + Maduración
Normalmente a la integración de dos o tres lagunas se le conoce como “trenes”.
Para realizar la evaluación de cada uno de los tratamientos que se proponen existen
diversos parámetros que ayudan a caracterizar un agua residual y que son de gran
utilidad para conocer el grado de eficiencia de un tratamiento.
Capítulo 2
Marco de la investigación 48 2.4 Principales parámetros para caracterizar aguas residuales
La demanda química de oxigeno, la demanda bioquímica de oxígeno, la
concentración de nitrógeno son algunos de los parámetros importantes para
caracterizar un agua residual y se mencionan a continuación en este apartado.
2.4.1 Métodos de evaluación para la demanda de oxígeno
Los compuestos orgánicos como parámetro de calidad se clasifican, en general
dentro de dos categorías: biodegradables y no biodegradables. De igual forma las
técnicas se clasifican en dos grupos: las que evalúan en conjunto, atendiendo
características comunes y las que efectúan su diferenciación. Las primeras se
refieren a los compuestos que demandan oxígeno (DBO, DQO), compuestos con
ligaduras orgánicas (COT), y grupos de compuestos (fenoles) por mencionar
algunas. Las segundas, emplean técnicas de separación e identificación como lo es
la cromatografía con espectrofotómetro de masas. (Jiménez, 2002).
2.4.1.1 Demanda bioquímica de oxígeno (DBO)
La demanda bioquímica de oxígeno es una medida de la cantidad de oxígeno que
requieren los microorganismos para degradar la materia orgánica biodegradable en
el agua en 5 días a 20°C (Jiménez, 2002).La demanda de oxígeno de las aguas
residuales es resultado de tres tipos de materiales los cuales son la fuente: a)
materiales orgánicos carbónicos, utilizables como fuente de alimentación por
organismos aeróbicos; b) nitrógeno oxidable, derivado de la presencia de nitritos,
amoniaco, y en general compuestos orgánicos nitrogenados que sirven como
alimentación para bacterias específicas (Nitrosomas y Nitrobacter); c) compuestos
químicos reductores (ion ferroso , sulfitos, sulfuros, que se oxidan por oxígeno
disuelto).
Marco de la investigación Capítulo 2
49 Casi toda la demanda de oxígeno de debe a materiales orgánicos carbónicos en las
aguas residuales y se determinan mediante ensayos de DBO (Ramalho, 1998).
2.4.1.2 Demanda química de oxígeno (DQO)
Este parámetro corresponde al volumen de oxígeno requerido para oxidar la fracción
orgánica de una muestra susceptible de oxidación al dicromato o permanganato, en
medio ácido (Ramalho, 1998).
Otra definición para el término Demanda Química de Oxígeno según Jiménez (2002)
es una medida de la concentración de sustancias que en agua pueden ser atacadas
por un oxidante fuerte (K2Cr2O7), en altas temperaturas (350°C). Es una técnica
mucho más rápida que la DBO.
El método del dicromato se utiliza ampliamente para establecer la contaminación en
materia orgánica de aguas residuales. El ensayo se lleva a cabo calentando en
condiciones de reflujo total una muestra de volumen determinado con un exceso
conocido de dicromato de potasio (Kr2Cr2O7),
en presencia de ácido sulfúrico
(H2SO4) durante un periodo de dos horas. La materia orgánica en la muestra se
oxida, como resultado se consume el dicromato de color amarillo que se reemplaza
por el ión crómico color verdoso Véase la figura 2 donde aparece la reacción del
consumo de dicromato. Como catalizador se añade sulfato de plata (Ag2SO4)
(Ramalho, 1998).
Cr2O7-2 + 14 H+ + 6e
2Cr+3 + 7H2O
Figura 2. Reacción de oxidación del dicromato de potasio en medio ácido
Marco de la investigación Capítulo 2
50 La medición se lleva a cabo por la valoración del dicromato restante o por
determinación colorimétrico del ion cromo producido.
La presencia del catalizador sulfato de plata se requiere para la oxidación de ácidos
y alcoholes de cadena recta.
2.4.2 Concentración de nitrógeno
La oxidación del material nitrogenado contribuye a la demanda de oxígeno, si la
incubación se leva a cabo en un largo periodo de tiempo para el caso de la DBO. Se
considera a la nitrificación como aquella oxidación de la materia carbónica. La
nitrificación se lleva a cabo mediante dos etapas:
a) EL ión amonio NH4+ se oxida a nitrito en presencia de microorganismo
Nitrosomas de acuerdo a la ecuación 1.
2 NH 4+ + 3O 2 → 2 NO 2 + 2H 2 O + 4H +
−
Ecuación 1. Oxidación del ion amonio en la primera etapa de nitrificación.
b) Los nitritos se oxidan a nitratos en presencia de microorganismos como la
Nitrobacter. Véase ecuación 2.
−
2NO 2 + O 2 → 2NO3
Ecuación 2.
nitrificación.
Oxidación de nitritos a
−
nitratos en la segunda etapa de
Marco de la investigación Capítulo 2
51 2.5 Impactos de las descargas de aguas residuales
Las descargas de aguas residuales sin tratamiento a receptores de agua, son un
punto importante a considerar para la protección de los cuerpos en los cuales se
depositan. Generalmente los cuerpos receptores, son ecosistemas en estado de
equilibrio. El ecosistema debe ser considerado como una unidad funcional
que
provee servicios ambientales (Constanza et al., 1997,1998) que incluyen bienes, por
ejemplo: peces, crustáceos, etc.; funciones: hábitats y nichos ecológicos, así como
servicios: autodepuración de la corriente por diversos mecanismos desde dilución,
asimilación por procesos orgánicos, químicos, fotólisis, (Gómez, et al., 2001).
Algunos servicios ambientales como la pesca, tienen un valor en el mercado por
producto, mientras que otros son valorados por el costo ambiental causado.
Figura 3. Extracciones y volúmenes anuales de aguas residuales, y efectos al
público e industriales (CNA, 2001).
Capítulo 2
Marco de la investigación 52 El deterioro de un ecosistema acuático provocado por los contaminantes señalados
como típicos de las aguas residuales domésticas, aunque se ha determinado por
parámetro, puede resumirse como se indica en la tabla 7; donde además se señala
el impacto ecológico o económico a considerar en un análisis de costo – beneficio de
proyectos de saneamiento
Capítulo 2
Marco de la investigación 53 Tabla 7. Principales impactos de las aguas residuales municipales sobre el
ecosistema acuático.
Capítulo 2
Fuente: Darner, (2004).
Marco de la investigación 54 Capítulo 2
Marco de la investigación 55 2.6 Legalidad
Este parte contempla las leyes federales, que contienen información relevante
relacionada con las Normas Oficiales Mexicanas cuyo objetivo es proponer, diseñar y
aprobar la normatividad ambiental para el aprovechamiento sustentable su
conservación y restauración (SEMARNAT,2010). Las más importantes en materia de
agua se describen a continuación:
NOM-001-SEMARNAT-1996.- Establece los límites máximos permisibles de
contaminantes de descargas de aguas residuales en aguas y bienes propiedad de la
nación.
NOM-002-SEMARNAT-1996.- Establece los límites máximos permisibles de
contaminantes de descargas a los sistemas de alcantarillado urbano o municipal.
NOM-003-SEMARNAT-1997.- Establece los límites máximos de contaminantes de
de descargas tratadas que se reusen en servicios al público. Ley de Aguas Nacionales.- Establece una serie de artículos con los cuales se
reforman, adicionan y derogan diversas disposiciones en relación con las aguas
nacionales.
Capítulo 3
Materiales y Método 56 CAPITULO III
III. MATERIALES Y MÉTODO
3.1 Localización de la zona de estudio
La planta de tratamiento de aguas residuales de la colonia Marte R. Gómez y
Tobarito fue construida por el Organismo Operador Municipal de Agua Potable,
Alcantarillado y Saneamiento de Cajeme (OOMAPASC) en un terreno propiedad del
Instituto Tecnológico de Sonora (ITSON). Se encuentra ubicada en la región del Valle
de Yaqui en la calle 850, entre la 10 y la 8 con coordenadas al norte 27º21´47.13´´ y
al Oeste 109º55´04.43´´, aproximadamente a 2 kilómetros del poblado perteneciente
a la comisaría de Marte R. Gómez. Ver figura 4.
Capítulo 3
Materiales y Método 57 Figura 4. Localización dela zona de estudio. PTAR-Marte R. Gómez Tobarito.
Planta de tratamiento de la Colonia Marte R. Gómez.
Figura 5. Descarga del emisor.
3.1.1 Descripción del sistema
La planta de tratamiento está constituída por un cárcamo que permite captar el
caudal requerido y derivarlo por medio de un sistema de bombeo hacia la laguna
anaerobia.
El influente que es vertido hacia la laguna anaerobia se retiene 0.8 días, el efluente
sale por medio de tres salidas las que derivan y reparten el caudal por gravedad a
nuevas tres entradas de la laguna facultativa la cual cuenta con un tiempo de
Capítulo 3
Materiales y Método 58 residencia de 12.28 días. Se sigue el mismo diseño para ingresar a la laguna de
maduración, después de 15 días de retención, se descarga a un dren agrícola.
Los procesos que se realizan en las lagunas son: sedimentación; digestión anaerobia
de lodos; estabilización aerobia de la materia orgánica con consumo de CO2;
fotosíntesis con formación de algas, producción de oxígeno y consumo de CO2, y
remoción de bacterias y parásitos.
3.2 Materiales
Para llevar a cabo los procedimientos de caracterización de las aguas residuales, se
utiliza una gran cantidad de materiales los cuales se mencionan en cada una de las
normas elegidas para la caracterización de las aguas residuales.
Tabla 8. Parámetros considerados para la caracterización y la norma a la que aplica.
Parámetro
Norma
Sólidos sedimentables
NMX-AA-004
Sólidos en agua
NMX-AA-034
DBO
NMX-AA-028
Coliformes fecales
NMX-AA-042
Grasas y aceites
NMX-AA-005
pH
NMX-AA-008
Capítulo 3
Materiales y Método 59 DQO
NMX-AA-030
Metales pesados
NMX-AA-051
Para la elaboración del plan de acciones, los materiales utilizados fueron
herramientas de oficina y la observación por parte del investigador.
3.2.1 Equipo
El equipo requerido para continuar con el procedimiento marcado en las normas,
también está contenido en éstas.
3.3 Pruebas de infiltración
Para las pruebas de infiltración se establecieron 8 puntos de observación, los cuales
se presentan en la figura 6. Estas pruebas se realizaron en dos periodos. El primer
periodo comprendió desde el 27 de febrero al 02 de abril del 2009; y un segundo
periodo del 23 de febrero al 15 de abril del 2010.
El procedimiento fue aplicado para las lagunas que no tenían recubrimientos: laguna
facultativa y laguna de maduración.
4 5 3 Sur 6 Norte 2 7 8 1 Figura 6. Puntos de observación para pruebas de infiltración
Capítulo 3
Materiales y Método 60 3.3.1 Cálculos para pruebas de infiltración
El balance de movimiento de agua, se hizo a través del fundamento del ciclo
hidrológico de agua, considerando en este caso solo la evaporación y la
precipitación.
La ecuación del balance para la infiltración se define de la siguiente manera:
I =
((Hlo − Hlf ) − Ev − P )
Δt
Ivol = I ∗ A
Ecuación 3
Ecuación 4
Donde:
I: Es la infiltración en unidades de longitud/unidades de tiempo (cm/s).
Hlo: Es la columna de agua al inicio de la prueba de infiltración en unidades de
longitud, (cm).
Hlf: Es la columna de agua al final de la prueba de infiltración en unidades de
longitud, (cm).
EV: Es la evaporación acumulada en el tiempo que duro la prueba de infiltración dado
en unidades de longitud (cm o mm), obtenido de la estación meteorológica del Centro
Internacional de Mejoramiento del Maíz y Trigo (CIANO-CIMMYT).
P: Es la precipitación pluvial acumulada en el tiempo que duro la prueba de
infiltración dado en unidades de longitud (cm o mm), obtenido de la estación
meteorológica del CIANO-CIMMYT.
At: Es el tiempo que duro la prueba de infiltración, en unidades de tiempo (horas,
segundos).
Capítulo 3
Materiales y Método 61 Ivol= Es la infiltración en unidades de volumen por unidad de tiempo (l/s).
A= Es el área de la laguna donde se llevó a cabo la infiltración (cm2).
3.4 Muestreo
El método de muestreo se llevó cabo considerando la Norma Mexicana NMX-AA3
Aguas residuales - Muestreo, publicada en el Diario Oficial de la Federación el 25 de
marzo de 1980. Para la toma de muestras se evitó el muestreo en días lluviosos
debido a las interferencias que se producen por la dilución de las muestras y el
acceso al lugar de muestreo.
Se establecieron cuatro puntos de muestreo para la recolección del agua, de los
cuales el primer punto de muestreo es el influente de la laguna anaerobia; el punto
número dos, es el efluente de la esta misma laguna; el punto tres, es el efluente de la
laguna aerobia y el punto número cuatro, el efluente de la laguna de maduración y/o
también llamado descarga final. Ver figura 7.
Capítulo 3
Materiales y Método 62 Figura 7. Localización de los puntos de muestreo de la PTAR. Marte R. Gómez y
Tobarito.1) Influente, entrada a la primer etapa del tratamiento; 2) Efluente 1, salida
del tratamiento anaerobio; 3) Efluente 2, salida de la segunda etapa del tren lagunar;
y 4) Efluente 3 o descarga final.
1.- Influente de la laguna anaerobia: representa el punto número 1.
• Toma de muestra en el influente, la recolección de la muestra se efectuó a la
salida del ducto (Figura 8), en el cual fluye el agua residual sin tratar que entra
a la laguna anaerobia.
Figura 8. Toma de muestra en la entrada del agua residual a la laguna anaerobia.
Capítulo 3
Materiales y Método 63 2.- Efluente de la laguna anaerobia, representa el punto 2. Toma de muestra en el
efluente de la laguna anaerobia, ésta se realizó a la salida-entrada de la laguna
facultativa (Ver figura 9).
Figura 9. Toma de muestra en la salida de la laguna anaerobia.
3 - Efluente de la laguna facultativa, representa el punto 3. Toma de muestra en el
efluente de la laguna facultativa, esta se realizó a la salida-entrada de la laguna de
facultativa (Ver figura 10).
Figura 10. Toma de muestra en el efluente de laguna facultativa.
Capítulo 3
Materiales y Método 64 4.-Efluente de la laguna de maduración, representa el punto 4. Recolección del agua
en el efluente de la laguna de maduración. También se le conoce como descarga
final, véase la figura 11.
Figura 11. Toma de muestra en el influente de laguna de maduración.
A cada muestra se le determinarán los siguientes parámetros: Temperatura,
conductividad eléctrica, el pH, y grasas y aceites, sólidos en todas sus formas.
Además del análisis microbiológico por conteo en plana para cuantificación de
coliformes fecales.
3.4.1 Frecuencia de muestreo
El experimento comprendió dos etapas, la primera etapa fue del mes del Junio del
2009 a diciembre del mismo año (P1); y el segundo periodo empezó en Mayo y
terminó en julio del 2010 (P2). Se realizó un muestreo simple, dos días por semana,
entre las seis y ocho horas del día.
Capítulo 3
Materiales y Método 65 3.5 Conservación y transporte de muestras
Las muestras se conservaron en una hielera a temperatura de 4ºC (Fig.12), y fueron
transportadas al laboratorio de Ecodesarrollo del Instituto Tecnológico de Sonora,
donde se realizaron los análisis mencionados anteriormente en un tiempo no mayor
de 5 horas, una vez recolectadas las muestras. Para el caso de los análisis
microbiológicos se transportaron en frascos de vidrio previamente esterilizados.
Figura 12. Conservación y transportación de las muestras.
3.6 Tratamiento estadístico de los datos
De los resultados obtenidos de la caracterización de las muestras de agua residual
de la planta de tratamiento se obtuvieron valores promedios, desviaciones estándar,
coeficientes de variación y valores máximos y mínimos.
Los análisis estadísticos se llevaron a cabo con el software Statgraphics versión 4.
Capítulo 3
Materiales y Método 66 3.7 Plan de acciones
Se tomaron notas de cada una de las actividades realizadas, considerando desde la
construcción de las lagunas hasta el cuidado que hay que tener para análisis de
muestra.
Se elaboró una lista de recomendaciones para evitar atrasos en el arranque de un
sistema de tratamiento de tipo lagunar. Este plan de acciones, disminuirá los riesgos
de un mal funcionamiento y contribuirá en el recurso tiempo si se llegará a presentar
algún otro problema.
Capítulo 4
67 Resultados y Discusión
CAPITULO IV
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
4.1 Pruebas de Infiltración
Para el arranque de la planta de tratamiento
se dispuso realizar una serie de
actividades, entre las más importantes fueron las pruebas de infiltración, con el fin de
conocer el volumen de agua que se filtra al subsuelo. Estas pruebas procedieron solo
para las lagunas sin recubrimiento.
Tabla 9. Resultado de la prueba de infiltración para la laguna facultativa y de
maduración.
Parámetro
Lagunas
Periódo 1/2009*
Infiltración
Periódo 2/2010**
Volumen infiltrado
3
cm/día
cm/s
Facultativa
3.48
4.03x10
-5
Maduración
0,79
9.24x10
-6
Infiltración
Volumen
infiltrado
3
cm /s
l/s
cm /s
l/s
cm/día
cm/s
5450
5.45
1.69
1.96x10
-5
1520
1.52
0.036
4.24x10
-7
2650
2.65
69
0.069
Periodo 1: * 27 de Febrero a 13 Marzo del 2009. ** 18 Marzo a 02 de Abril del 2009. Periodo 2: 23 de Febrero a 28 Marzo del
2010. ** 10 de Abril a 15 de Abril del 2010. Valores promedios.
Capítulo 4
Resultados y Discusión
68 El resultado del volumen infiltrado (l/s) se observa en la tabla 9, que es menor para
la laguna de maduración, este efecto presentado en ambos casos, se podría atribuir
a la mala preparación del terreno, es decir, hubo descuido en la homogenización de
la mezcla arcilla-cal. Los porcentajes de infiltración en comparación al
flujo
volumétrico (18.9 l/s) en el primer periódo, corresponde en un 30.12% y 8.4 % para la
laguna facultativa y de maduración respectivamente. Con este valor se da la pauta
para el arranque del sistema de la planta de tratamiento de aguas residuales.
El efecto observado en el segundo periodo de evaluación, tuvo
una reducción
considerable en comparación con el primer periodo, con valores de 14.64% para la
laguna facultativa y 0.38 % para la de maduración. Esta reducción en los valores de
infiltración para ambas lagunas, según Brooks et al., (1997), puede ser a causa de la
saturación de los poros del suelo, y del aire contenido en los poros que aumenta la
capacidad de infiltración del mismo, definiendo a la capacidad de infiltración como la
tasa máxima con la cual el agua puede penetrar la superficie del suelo. Se debe
reconocer que los sólidos en suspensión y biomasa, formaron con el tiempo una
capa de lodos que ayudó en gran medida a reducir el volumen de agua infiltrada al
subsuelo (Sanhueza et al., 1995). Esta reducción protegerá el acuífero de posibles
contaminaciones (Ramalho, 1998).
Capítulo 4
Resultados y Discusión
69 4.2 Caracterización de la carga orgánica
Dentro de los parámetros mas importantes para evaluar la cantidad de carga
orgánica presente en un agua residual se encuentran sólidos totales, Suspendidos
,sólidos suspendidos volátiles, Demanda Química de Oxígeno (DQO), Demanda
Bioquímica de Oxígeno (DBO5) entre otros.
4.2.1 Sólidos suspendidos totales
En la figura 13 se presenta la relación entre los sólidos suspendidos totales (SST)
del influente y el efluente del sistema lagunar de la PTAR-Tobarito del primer
periodo, la cual nos indica que existe remoción de sólidos en forma de suspensión
del 78.5%, no coincidiendo con lo citado por Muga (2008), donde señala que la
eficiencia de los procesos lagunares en cuanto a remoción de SST son del 90-95%.
La concentración promedio de sólidos en el influente fue de 435.18 mg/L y en el
efluente de 93.52 mg/L, valores que se asemejan a lo obtenido por Vikram et al.,
(2006), donde en el efluente obtuvo entre 50 y 60 mg/L de SST, y una remoción del
65%. Se observa que la curva del efluente es mucho más estable en comparación
con la del influente, debido a que el sistema está diseñado para descargar las
concentraciones presentadas en la figura 13. La
curva del influente muestra el
comportamiento de la recepción del agua residual, y su variación es una conducta
natural que es causada por las diferentes actividades realizadas en la comunidad
durante esos días de muestreo.
Los puntos máximos que sobresalen en la línea de los SST para el influente ( ver
figura 13) se le atribuyen a los cuatro paros de operación que sufrió la planta
tratadora en su periódo de arranque. Sanhueza et al., (1995), comentan, que es de
suma importancia que el sistema esté trabajando sin impedimento
alguno, para
poder evaluar en menor tiempo la eficiencia y el diseño del sistema. Sin embargo, el
arranque del sistema de la PTAR-Tobarito, no ha seguido esta regla estipulada por
Sanhueza et al., (1995), debido a factores ajenos a esta investigación.
Capítulo 4
Resultados y Discusión
70 Figura 13. Comportamiento de los sólidos suspendidos totales en el influente y
efluente del sistema lagunar de la planta de tratamiento de la colonia Tobarito.
Periodo Junio-Diciembre 2009.
Figura 14. Comportamiento de los sólidos suspendidos totales en el influente y
efluente del sistema lagunar de la planta de tratamiento de la colonia Tobarito.
Periodo Mayo-Julio 2010.
Capítulo 4
Resultados y Discusión
71 El comportamiento que se presenta en la figura 14 para los SST en el periodo 2010,
es opuesta a la estudiada en el periodo 2009, debido a que las cifras del influente
son menores que las examinadas para el efluente, esta situación según CEPIS,
(1999), ocurre con mucha frecuencia, debido a que las plantas de lagunas de
estabilización existentes trabajan sobrecargadas, generando efluentes de baja
calidad sanitaria para su uso en el riego agrícola. Otra posible explicación, es el
arrastre y dilución del sedimento formado en el tiempo que la planta estuvo en paro
técnico por cuestiones de remodelación; el tiempo aproximado fue de 4 meses. Otra
explicación es la proliferación de plantas acuáticas.
La remoción de SST por laguna arroja valores de 63.4% de remoción para la laguna
anaerobia, lo que se confirma lo citado por Jiménez (2002), donde estipula que la
mayor parte de la remoción de sólidos se lleva a cabo en la laguna anaerobia puesto
que han sido diseñadas para realizar esa función. Ver Figura 15.
En ausencia de la influencia del viento sobre el mezclado para la laguna facultativa y
de maduración la población algal tiende a estratificarse en capas, algunas de 20 cm
de espesor durante las horas de luz del día. Las algas concentradas este espesor se
mueven hacia arriba y hacia abajo en respuesta a los cambios de intensidad de luz y
causan fluctuaciones en la calidad final, en términos de DBO y SS, cuando se
extraen muestras de algunas de estas zonas, hecho que también comenta Mara et
al., (1992).Se identificó la presencia de algas en las lagunas debidas a su coloración
verde intensa. Ver figura 27.
Capítulo 4
Resultados y Discusión
72 Figura 15. Porcentajes de degradación de sólidos suspendidos totales del sistema
lagunar PTAR-Tobarito. 1-2) Proceso Anaerobio; 2-3) Facultativo y; 3-4) De
maduración. Periodo Junio-Diciembre 2009
Capítulo 4
Resultados y Discusión
73 4.2.2 Sólidos suspendidos volátiles
El porcentaje de remoción para SSV fue de 62.01% como valor promedio, y no se
encontraron valores negativos de remoción. La carga de sólidos en el influente es de
142. 83 mg/l y en el efluente de 47.12 mg/l durante el primer periodo (P1).
Figura 16. Comportamiento de los sólidos suspendidos volátiles en el influente y
efluente del sistema lagunar de la planta de tratamiento de la colonia Tobarito.
Periodo Junio-Diciembre 2009.
Los sólidos suspendidos volátiles presentan el mismo comportamiento (Ver figura
16) que los sólidos suspendidos totales en el primer periodo (Ver figura 13). Estos
dos parámetros se midieron a lo largo de los dos periodos experimentales para
cuantificar y mantener un control de la concentración de biomasa en el sistema. Sin
embargo, se considera la adición de biomasa por la proliferación de microalgas,
según Sánchez (2010), en su investigación “Identificación de microalgas en aguas
residuales de la PTAR de la localidad de Tobarito, Marte R. Gómez”, la cantidad de
biomasa sumada a la que entra del influente es de un promedio de 75 mg/l; se
estimó 50 mg/l en la laguna facultativa y 25 mg/l en la laguna de maduración.
Capítulo 4
Resultados y Discusión
74 Posteriormente del proceso de aclimatación, es decir a partir de cuando las lagunas
se llenaron, ya se habían estimado los valores del influente para el primer mes, razón
por la cual, los datos para el efluente inician a partir del día treinta. De igual forma se
deduce el tiempo de llenado de las lagunas que es de un mes aproximadamente
(28.08 días) con el flujo volumétrico dispuesto en el diseño.
La suma real de los tiempos de residencia de cada una de las lagunas que
componen el sistema coincide con el tiempo de llenado, confirmando el buen diseño
en cuanto a tiempos de residencia de la planta tratadora.
Figura 17. Comportamiento de los sólidos suspendidos volátiles en el influente y
efluente del sistema lagunar de la planta de tratamiento de la colonia Tobarito.
Periodo Mayo-Julio 2010.
La dinámica mostrada en la figura 17 para sólidos suspendidos volátiles, es
equivalente a la observada en la figura 14 para SST, ambas del mismo periodo. La
situación presente en este periodo como se mencionó anteriormente, se discute a
razón del tiempo en el que las lagunas estuvieron siendo remodeladas, hasta llegar
al grado de cero actividad, donde se acumularon grandes cantidades de sedimento
Capítulo 4
Resultados y Discusión
75 que después al inicio de operación, esta cantidad de biomasa, se considere
arrastrada hacia el efluente haciendo que la cantidad de sólidos, tanto SSV como
SST se vea incrementada.
Figura 18. Porcentajes de degradación del sistema lagunar PTAR-Tobarito para
SSV. 1-2) Proceso Anaerobio; 2-3) Facultativo y; 3-4) De maduración. Periodo
Junio-Diciembre 2009.
El porcentaje removido por laguna anaerobia fue del 50.6%, lo que coincide con
Jiménez (2002), sobre los porcentajes de remoción en un proceso anaerobio
utilizado como laguna. Se manejó la caracterización con temperaturas de 18°C a
31°C, como valor mínimo y máximo respectivamente y como promedio 23°C para el
periodo 2009. En la siguiente parte del proceso (Laguna Facultativa a Laguna de
Maduración), existe una remoción negativa del 51.6%. Como en cualquier proceso
biológico, la actividad microbiana de la laguna se ve afectada por una serie de
factores entre los cuales se destacan el pH y la temperatura. La velocidad de las
reacciones bioquímicas es función de la temperatura, por lo que la reducción en este
parámetro ambiental se refleja en una menor capacidad de procesamiento de la
laguna. Si bien en las lagunas existe una importante inercia térmica y cierto
Capítulo 4
Resultados y Discusión
76 aislamiento, las variaciones estacionales de la temperatura afectan significativamente
la actividad de los microorganismos (Muga, 2008), de acuerdo a que si hubo un
cambio de estación es decir, tuvimos un periodo de 6 meses con tres estaciones del
año diferentes, y esto explica la remoción de tipo negativa, aunada a la proliferación
de algas. Se manejó para la laguna facultativa temperaturas mínimas de 15°C y
máximas de 30°C, lo que demuestra el crecimiento o la proliferación en exceso de
algas, ya que según Crites, (2001), el crecimiento de algas es máximo en un ámbito
de temperatura de 25 a 30 °C, coincidiendo con los valores obtenidos por Sánchez,
(2010). La presencia de microalgas en las lagunas según Álvarez et al., (2002), no
ayuda a obtener eficientes porcentajes de remoción ya que éstas se suman a la
cantidad de materia orgánica como SSV y por ende a los SST, no favoreciendo a la
remoción.
Otro factor que afecta la actividad de las lagunas es el pH, existiendo un rango
óptimo de funcionamiento entre 6.6 y 7.4, siendo el pH promedio alcanzado para la
laguna facultativa de 7. Este parámetro también depende de las condiciones del con
las que se recibe el efluente proveniente de la laguna anaerobia, ya que depende
mucho de la presencia de compuestos nitrogenados.
4.2.3 Sólidos totales
Los sólidos totales (ST), son el conjunto total de sólidos medidos en agua. Los ST
son menores en el efluente que en el influente siguiendo la lógica del tratamiento de
aguas residuales. De acuerdo a los escenarios que se presentan en la degradación
de matera orgánica, la propia degradación de compuestos promueve el aumento de
los sólidos totales, efecto no observado en la figura 19, hecho que coincide con
Scavo et al., (2005), con valores de remoción de 78.3%, muy por arriba de lo
encontrado en esta investigación (24.5%).
Capítulo 4
Resultados y Discusión
77 Figura 19. Comportamiento de sólidos totales en el influente y efluente del sistema
lagunar de la planta de tratamiento de la colonia Tobarito. Periodo Junio-Diciembre
2009.
Los sólidos totales en el periodo 2010, (Ver figura 20), se muestran de modo similar a
lo presentado en la figura 20 en el periódo 2009. En la figura 20, aparecen
remociones negativas, con valores del influente que oscilan entre los 600 a 800 mg/l,
con una media de 690.5 mg/l. Los valores para el efluente varían de 650 a 900 mg/L,
teniendo como promedio un concentración de 890.5 mg/L. De esta manera se refleja
que el efluente contiene mayor concentración que el influente, idéntico al caso de
SSV, y SST todos en el segundo periodo. Se toma en cuenta a factores externos
como el CO2 del aire, este gas, sirve para la proliferación de algas, es decir, además
del influente tenemos la reproducción y la producción constante de nuevas células
que incrementa la concentración en sólidos.
Capítulo 4
Resultados y Discusión
78 Figura 20. Comportamiento de sólidos totales en el influente y efluente del sistema
lagunar de la planta de tratamiento de la colonia Tobarito. Periodo Mayo-Julio 2010.
4.2.4 Sólidos disueltos volátiles
Observando la figura 21 que pertenece al comportamiento de los sólidos disueltos
volátiles del primer periodo, se aprecia que la concentración del efluente, se
encuentra por debajo en la mayoría de los puntos, siendo la media para este punto
de 217.8 mg/L, lo que indica que existe una cantidad de sólidos considerables que
están siendo disueltos en la última laguna, en este caso la de maduración. Solo se
asegura un 5.64% de remoción de sólidos. La remoción en el segundo periodo fue
mayor en un 7.5% (13.14), arrojando en el efluente 146.49 mg/l.
Haciendo una comparación de los influentes de ambos periodos, se obtuvo una
media de 229.7±49.1 para el periodo de muestreo 2009 y para el periodo 2010 un
promedio de 168.6± 32.0. Se puede asegurar con un 95 por ciento de confianza una
diferencia significativa entre las medias, es decir que el periodo 1 y el 2, son
totalmente diferentes, aun sabiendo que las condiciones de operación para ambos
periodos fueron las mismas. Se realizó esta comparación para verificar si la planta de
tratamiento ha mejorado en cuanto a remoción de SDV.
Capítulo 4
Resultados y Discusión
79 Se encontró una remoción del 10.06% en la laguna anaerobia, un valor negativo de
17.6% para la facultativa y un 10.85 % para la de maduración.
Figura 21. Comportamiento de los sólidos disueltos volátiles en el influente y efluente
del sistema lagunar de la planta de tratamiento de la colonia Tobarito. Periodo JunioDiciembre 2009.
Figura 22. Comportamiento de los sólidos disueltos volátiles en el influente y efluente
del sistema lagunar de la planta de tratamiento de la colonia Tobarito. Periodo MayoJulio 2010.
Capítulo 4
Resultados y Discusión
80 4.2.5 Demanda química de oxígeno (DQO)
La DQO es una medida aproximada del contenido de materia orgánica biodegradable
y no biodegradable de una muestra de agua. En condiciones naturales, dicha materia
orgánica puede ser biodegradada lentamente (oxidada) hasta CO2 y H2O mediante
un proceso que puede tardar desde unas pocas semanas hasta unos cuantos cientos
de años, dependiendo del tipo de materia orgánica presente y de las condiciones de
la oxidación. En las pruebas de DQO se acelera artificialmente la biodegradación que
realizan los microorganismos, mediante un proceso de oxidación forzada, utilizando
oxidantes químicos y métodos debidamente estandarizados, que tienen por objeto
garantizar la reproducibilidad y comparación de las mediciones (APHA 1992).
Figura 23. Comportamiento de la demanda química de oxígeno en el influente y
efluente del sistema lagunar de la planta de tratamiento de la colonia Tobarito.
Periodo Junio-Diciembre 2009. Capítulo 4
Resultados y Discusión
81 Los resultados para la demanda química de oxígeno demuestran que el influente es
generalmente mayor en todos los casos, comparándolos con los del efluente (Ver
figura 23). Debido a que la reacción que se lleva a cabo para la degradación es de
primer orden, el valor de DQO del efluente está directamente relacionado con el valor
de entrada, de ahí que las curvas se asemejen en el rango de los 60 a 90 días.
Durante este lapso de tiempo, se presentan los meses con mayor incidencia solar, lo
que provoca que exista un mayor crecimiento de algas y microalgas, factor
importante que favorece el incremento de los Sólidos Disueltos Volátiles, y por ende
el decremento de la DQO.
El porcentaje de remoción promedio de DQO fue del 27.6%, un valor bajo de
remoción, en comparación con el de sólidos y haciendo otra comparación con el
porcentaje de remoción del periodo 2, este fue mucho mejor. Justamente la cifra
promedio de remoción para el primer periodo es de 136.79 mg/l y está dentro del
límite máximo permisible existente en la Ley de Aguas Federales, que establece un
valor de 320 mg/l para uso de riego agrícola. El porcentaje de remoción para el
periodo 2010 fue del 8.5% valor aproximadamente tres veces más pequeño que lo
obtenido en el primer periodo. Estos porcentajes citados anteriormente no superan lo
reportado por Conte et al., (2001) y Kao et al., (2001), quienes encontraron
porcentajes de remoción de 50 a 70 %. De igual forma tampoco coinciden con los
valores encontrados por Bertha et al., (1990).
Capítulo 4
Resultados y Discusión
82 Figura 24. Comportamiento de la demanda química de oxígeno en el influente y
efluente del sistema lagunar de la planta de tratamiento de la colonia Tobarito.
Periodo Mayo-Julio 2010.
De acuerdo con Korkusuz et al., (2004), las concentraciones de los nutrimentos y de
la carga orgánica en el influente y el efluente son afectadas por cambios en el
volumen del agua en el sistema, debido a los efectos de la precipitación pluvial, de la
evaporación y de la evapotranspiración; ver figura 24.
La disminución en la concentración de DQO presentada en diferentes puntos de las
figuras 24 y 25 para el efluente probablemente se debe al metabolismo de los macro
y microorganismos heterótrofos aerobios y anaerobios, utilizando los compuestos
orgánicos del agua para la producción de biomasa, aunque en el sistema también se
generan reacciones químicas principalmente de oxido-reducción (Kadlec et al.,
2000).
Capítulo 4
Resultados y Discusión
83 La carga de DQO de las aguas residuales provenientes de la colonia Tobarito, las
condiciones de operación y el tipo de sustrato, favorecen la difusión y convección de
oxígeno (Vymazal, 2002).
4.2.6 Demanda bioquímica de oxígeno (DBO)
La demanda bioquímica de oxígeno, es una medida indirecta de la cantidad de
materia orgánica biodegradable en un agua residual, donde la principal función la
llevan a cabo los microorganismos, degradando la materia orgánica, debido a que
hacen uso de esta con el fin de obtener energía para la síntesis del resto de la
materia orgánica en forma de células nuevas, que a su vez aumentan la cantidad de
materia orgánica medible como DQO y/o DBO.
Figura 25. Comportamiento de la remoción de materia orgánica medida como DBO
del influente, y efluente del sistema lagunar de la planta de tratamiento de la colonia
Tobarito. Periodo Mayo-Julio 2010.
Capítulo 4
Resultados y Discusión
84 En la figura 25, se observa claramente como el influente muestra valores por arriba
del efluente, escena adecuada por la eliminación de materia orgánica conforme el
paso de los tratamientos. La remoción de DBO5 fue de 48.44 %, evacuando efluentes
promedio 61.80 +/- 11.50 es un proceso eficiente en relación a lo señalado por la
NOM-001-SEMARNAT-1996 para aguas de descargas, que establece una
concentración de 150 mg/l. El valor promedio para el influente fue de 118.53+/- 8.67
mg/l.
Cabe mencionar que aún cuando la remoción obtenida alcanza a estar dentro de
normatividad, es un valor por debajo del supuesto en el diseño del sistema de
tratamiento, donde se esperaban remociones de 97%. Un porcentaje similar encontró
Chuchón et al., (2008), descargando efluentes de 46.35 mg/l.
Figura 26. Comportamiento de la concentración de materia orgánica medida como
DBO por laguna de la planta de tratamiento. Periodo Mayo-Julio 2010.
Capítulo 4
Resultados y Discusión
85 En la figura 26, estadísticamente los valores calculados para el efluente 2 y 3 no
tienen diferencia significativa, y se asumen varianzas iguales. Obteniendo valores
mínimos iguales en ambos efluentes de 36.47 mg/l como mínimo y valores máximos
de 91.19mg/l. Mismo episodio encontrado para los valores del influente y efluente 1.
Lo que nos indica que no hubo remoción del efluente 2 al 3. Continuando con el
análisis de la figura 26, las líneas que muestran el comportamiento del agua del
influente y efluente 1 están una sobre otra, valores que estadísticamente hablando
no tienen ninguna diferencia significativa y que en cuestiones de remoción son nulas.
Sin embargo se tiene una remoción del 44%, dato que no coincide con la cifra de
diseño (76%).
Así también, se observa que la remoción de la DBO5 de la laguna facultativa
(efluente 1) se mantiene por debajo del parámetro de diseño (76% de remoción de
DBO5), estos valores se deben a que se está operando el sistema con caudales
semicontinuos diferentes a los que se concibieron en el parámetro de diseño. Este
hecho incrementa el periodo de retención de las aguas en las lagunas generando
una mayor propagación de la población algal, interfiriendo a la vez en la
determinación de la DBO5, incrementando el valor calculado. El CEPIS-OPS (2005),
manifiesta que en este proceso, en el que participan bacterias aerobias o
facultativas, se originan compuestos inorgánicos que sirven de nutrientes a las algas,
las cuales a su vez producen más oxígeno que facilita la actividad de las bacterias
aerobias. Existe pues una simbiosis entre bacterias y algas que facilita la
estabilización aerobia de la materia orgánica. El desdoblamiento de la materia
orgánica se lleva a cabo con intervención de enzimas producidas por las bacterias en
sus procesos vitales. Este hallazgo coincide con Von (1996), quien en su
investigación encontró que los sólidos en suspensión de las lagunas facultativas son
en un 60 a 90% de algas, y considera también que 1 mg de algas genera una DBO5
cercana a 0.45 mg/L.
Capítulo 4
Resultados y Discusión
86 Por otro lado Cárdenas et al., (2002), comentan que las lagunas de estabilización
representan una alternativa eficiente en el tratamiento de las aguas residuales. Sin
embargo su principal desventaja es la alta concentración de algas en el efluente;
situación observada en el presente trabajo de investigación.
Figuras 27. Coloración de los diferentes efluentes del sistema de tratamiento.
Por otro lado Rolim, (2000), considera que la cantidad de algas en las lagunas de
estabilización varía entre 40 y 30 mg/l (peso seco) y que la reducción de DBO5 de las
lagunas facultativas es alrededor de 70 a 90%, valores coincidentes con lo indicado
por Von (1996); sin embargo, estos valores son mayores a los resultados hallados en
el presente trabajo concluyendo que aún con este porcentaje de 44% se está
cumpliendo con la normatividad mexicana.
Como se observa en la figura 27, una población saludable de algas le confiere un
color verde oscuro a la columna de agua del efluente de la laguna facultativa, de
igual forma para el último efluente el de maduración.
Capítulo 4
Resultados y Discusión
87 4.2.7 Concentración de nitrógeno total
El nitrógeno es considerado en las aguas residuales como un contaminante, gracias
al efecto que produce. Al igual que el fósforo, el nitrógeno es un nutriente para el
crecimiento de las plantas; de esta manera se asume que la proliferación de plantas
indeseables en un cuerpo acuático es debida a las concentraciones de nitrógeno
presentes en el agua.
Como puede observarse en los resultados de este trabajo, el nitrógeno del influente
(33.40 +/- 17.40 mg/l) es mayor que el del efluente (19.24 +/- 8.36 mg/l). En el agua
residual cruda, por su origen sanitario, el nitrógeno se presentó mayormente como NNH4+, probablemente procedente de la urea humana y de compuestos orgánicos
nitrogenados. Los valores coinciden con lo estudiado por Fortúbel (2005), en su
estudios sobre de niveles de eutrofización.
Figura 28.Comportamiento de la concentración de nitrógeno total del influente, y
efluente del sistema lagunar de la planta de tratamiento de la colonia Tobarito.
Periodo Junio 2010.
Capítulo 4
Resultados y Discusión
88 Los procesos de descomposición y mineralización llevados a cabo por los
microorganismos transforman este nitrógeno a nitritos o nitratos (nitrificación) y
finalmente a N2 (desnitrificación) que es la forma en que las plantas aprovechan el
nitrógeno. Las proporciones de estos procesos dependen en gran medida de la
concentración de oxígeno en el sistema (Lara- Borrego, 1999).
El porcentaje de remoción para la concentración de nitrógeno total fue del 44.12% no
existiendo ningún problema para cumplir con lo estipulado por norma (40 mg/l).
Porcentajes ligeramente mayores (65-70%) a lo encontrado en esta investigación
encontraron Correa y Sierra, (2004), diferentes a Durant, (2002) con remociones de
90 a 100%, solo que utilizando reactores de biomasa suspendida.
De acuerdo con las condiciones que prevalecen en el sistema, se deduce que se
favorecen los procesos de nitrificación, dando como resultado la formación de
nitratos y nitritos por la actividad de bacterias nitrificantes (Nitrosomas y
Nitrobacter).Los resultados sugieren además, que existen zonas donde el oxígeno es
mayor y por ende conducen a la formación de nitritos. La remoción de N-NH4+ del
sistema es alta, probablemente debido al aprovechamiento por las plantas y
microorganismos o por el proceso de nitrificación (incluyendo la formación de
nitritos).
4.3 Parámetros físicos
Algunos de los parámetros físicos que se midieron fueron temperatura, oxígeno
disuelto, y potencial hidrógeno.
4.3.1 Temperatura
La temperatura juega un papel importante dentro del tratamiento de aguas residuales
debido a la intervención en el crecimiento de microorganismos.
Metcalf y Eddy, (2001), afirman que la adición de aguas tibias proveniente de las
actividades realizadas en los hogares origina que el influente de aguas residuales
Capítulo 4
Resultados y Discusión
89 sea siempre mayor que el efluente, fenómenos observado en esta investigación para
los dos periodos.
Figura 29. Comportamiento de la temperatura del influente, efluente 1, 2 y 3 del
sistema lagunar de la planta de tratamiento de la colonia Tobarito. Periodo JunioDiciembre 2009.
En la figura 29, que corresponde al periodo 2009, se obtuvieron temperaturas de
30.6°C, 28.3°C, 24.3°C y 26.5°C del influente, efluente 1, efluente 2 y efluente 3
respectivamente. Así mismo para el periódo 2010 (ver figura 30) en el influente se
obtuvo 27.1°C, para el efluente 1 una media de 21°C, un promedio de 14.6 para el
efluente 2 y para la descarga final una temperatura media de 22.5°C. En los dos
periodos de evaluación se obtuvo un decremento de 4°C a 5°C.
Este hecho se le atribuye a la marcha de las estaciones de año, donde en la etapa
de muestreo del año 2010 se evaluó el mes de Mayo a Julio, meses en los que la
región alcanza temperaturas hasta de 40°C a la sombra. Por otra parte en la figura
Capítulo 4
Resultados y Discusión
90 29, se muestra el comportamiento contrario a la figura 30, donde los meses van de
Junio a Diciembre acercándose la estación más fría.
Según Kwong et al., (1998), asegura que la temperatura en las lagunas disminuye
desde la superficie hasta el fondo, siendo válido para días muy soleados y para
pocos soleados, hechos que se pueden atribuir a esta investigación.
Figura 30. Comportamiento de la temperatura del influente, efluente 1, 2 y 3 del
sistema lagunar de la planta de tratamiento de la colonia Tobarito. Periodo MayoJulio 2010.
Los resultados de temperatura para el segundo periodo (Ver figura 30), coinciden
con Krenkel (1973), que explica como la DBO5 se incrementa al aumentar la
temperatura, ya que los procesos de oxidación de la materia orgánica se aceleran
con la temperatura, hecho revelado por Theriault, (1927) y validado por Duncan,
(2004) para residuales domésticos.
Se observó (Ver figura 29 y 30) que la línea correspondiente a la descarga del agua,
alcanzó un valor medio de temperatura menor (27.11±1.26 para el 2009 y 26.50±1.28
para el periodo 2010) que para la línea que corresponde al ingreso del agua
Capítulo 4
Resultados y Discusión
91 (22.50±1.96 para el periodo 2009 y 30.61±0.81 en el 2010). De tal forma que se
observa que a medida que avanza el tratamiento el agua en la laguna, se enfría, esto
fue observado por otros Jaeger y Villasmil, (2002). Este hecho puede relacionarse
con la evaporación de agua inclusive del viento, como consecuencia hay una
disminución de la temperatura del agua. Se concluye que los dos periodos tienen una
disminución de temperatura similar. Metlcalf y Eddy (2004), aseguran que el
desarrollo de las bacterias degradadores en las lagunas debe oscilar entre los 25 y
30°C para una buena reproducción bacteriana y por ende una degradación de
materia orgánica eficiente.
4.3.2 Oxígeno disuelto
El oxígeno disuelto (DO), es el oxígeno que esta disuelto en el agua. Esto se logra
por difusión del aire del entorno, la aireación del agua que ha caído sobre saltos o
rápidos; y como un producto de desecho de la fotosíntesis. El estudio de las
concentraciones de oxígeno disuelto radica en su importancia para el desarrollo para
la vida acuática.
En cuanto a la distribución de O2, se notó que a medida que avanza el agua en las
lagunas, la concentración de O2 aumenta para los dos periodos: Periodo 2009 se
alcanzó un rango de 0.12 mg/l a 6.12 mg/l y para el periodo 2010 un rango de 0.02 a
6.72 mg/l esto puede deberse al hecho de que el grado de tratamiento avanza,
disminuyendo la cantidad de materia orgánica, y una disminución de la temperatura.
Ver figuras 31 y 32.
Capítulo 4
Resultados y Discusión
92 Figura 31. Comportamiento de la concentración de oxígeno disuelto por laguna de
la PTAR-Tobarito. Periodo Junio-Diciembre 2009.
Figura 32. Comportamiento de la concentración de oxígeno disuelto por laguna d de
la PTAR-Tobarito. Periodo Mayo-Julio 2010.
Capítulo 4
Resultados y Discusión
93 Al principio el oxígeno producido se utilizaba para la degradación aeróbica, a medida
que la materia orgánica disminuye más oxígeno es liberado al agua, hecho que
coincide con Abreu y Carrasquero (2002).
La actividad fotosintética de las algas ocasiona una variación diurna de la
concentración de oxígeno disuelto y los valores de pH. Variables como la velocidad
del viento tienen efectos importantes en el comportamiento de la laguna facultativa
(Ver figura 31-Efluente 2), ya que se genera mezcla del contenido de la laguna. Tal
como lo señalan Mara et al., (1992), un buen grado de mezcla produce una
distribución uniforme de DBO5, oxígeno disuelto, bacterias y algas, y en
consecuencia una mejor estabilización del agua residual. El contenido de oxígeno en
una agua sin estar contamina es de 8 mg/l, cifra a la que se acercan los resultados
obtenidos en la laguna de maduración (ver figura 31-Efluente 3). Los resultados
obtenidos para el efluente 3 en la figura 32, se aproximan aún más al valor teórico
mencionado por Ramalho (1998).
Por otra parte, se observa en ambas figuras 31 y 32, que las mayores
concentraciones de O2, se reportaron en las líneas cerca de la salida del agua
(Periodo 2009: 6.12 mg/l y periodo 2010: 6.72 mg/l. Abreu y Carrasquero, 2002,
reportaron el mismo comportamiento.
4.3.4 Potencial hidrógeno
La determinación del pH en el agua es una medida de la tendencia de su acidez o de
su alcalinidad. Un pH menor de 7.0 indica una tendencia hacia la acidez, mientras
que un valor mayor de 7.0 muestra una tendencia hacia lo alcalino. La mayoría de
las aguas naturales tienen un pH entre 4 y 9, aunque muchas de ellas tienen un pH
ligeramente básico debido a la presencia de carbonatos y bicarbonatos. Un pH muy
ácido o muy alcalino, puede ser indicio de una contaminación.
En la figura 33, el influente en el primer periódo de evaluación reportó un rango de
pH de 7.63 a 7.99 con una media de 7.82±0.05, y el efluente 3 un rango de 8.08 a
8.59 y una media de 8.39±0.09. Para el efluente 2 que corresponde a la laguna
facultativa se encontró un rango de pH de 7.814 a 8.35 con un promedio de
Capítulo 4
Resultados y Discusión
94 7.98±0.128. Mendoza, (2002), encontró que el pH de una laguna facultativa varía en
el día en diferentes capas, prevaleciendo valores de 6.8 a 7.7 y este rango no
coincide con lo presentado en esta investigación.
Figura 33. Comportamiento de pH por efluentes de la PTAR-Tobarito. Periodo JunioDiciembre 2009.
Debido a que el muestreo se realizó en el transcurso de la mañana entre las 7 y 8
horas, se podría decir que los valores de pH son bajos (Ver figura 33) debido a la
presencia de CO2 producido por la respiración bacteriana anaeróbica que se lleva a
cabo por la noche. Se esperaría de igual forma que el pH aumentara en el transcurso
del día cuando las algas están en plena actividad fotosintética, y que durante la
noche el pH volviera a bajar debido a la disminución del consumo de CO2 y por la
producción de CO2 de la respiración bacteriana anaeróbica.
Los valores obtenidos para el influente en la medición de pH del periodo del 2010
(7.36 a 8.08), son similares a las encontradas en el periodo inicial. El rango de pH
para el efluente 1 en el segundo periodo fue de 7.05 a 8.57, así mismo para el
efluente 2 se encontraron valores de 7.87 a 8.63 y finalmente para el efluente 3 un
Capítulo 4
Resultados y Discusión
95 promedio en pH de 9.13±0.08 con un rango de 9.02 a 9.3. En este último caso existe
diferencia significativa entre un periodo y otro.
Figura 34. Comportamiento de pH por efluentes de la PTAR-Tobarito. Periodo MayoJulio 2010.
El comportamiento en ambos periodos fue similar, se inició con un rango de pH en el
influente de 7 a 8. Después de pasar por la etapa anaerobia hubo una acidificación,
donde el pH disminuyó, posteriormente se incrementó el pH en el proceso aerobio de
la laguna facultativa y hubo un ligero incremento en la laguna de maduración. Ver
figura 33 y 34.
4.4 Caracterización de carga microbiana
4.4.1 Coliformes fecales
El control de la calidad microbiológica del agua de consumo y de vertido, requiere
una serie de análisis dirigidos a determinar la presencia de microorganismos
patógenos. Los coliformes fecales son organismos indicadores utilizados en el
tratamiento de aguas residuales para verificar la calidad microbiológica de un agua
por contaminación fecal.
Capítulo 4
Resultados y Discusión
En la figura 35 y 36, se aprecia claramente una gran remoción
96 de los
microorganismos, en este caso Coliformes Fecales, alrededor de 3 órdenes de
magnitud. Los valores mínimos encontrados fueron menores o iguales al límite de
detección (X≤ 3.03 UFC/ml). De acuerdo a la concentración de microorganismos
encontrada en el influente del primer periodo, se afirma que aún teniendo el valor
máximo, la laguna de maduración tiene la capacidad de remover estos patógenos.
Los muestreos hechos para influente del periodo 1 y 2, resultaron valores de 105 y
106 respectivamente, encontrándose ambos valores fuera de lo establecido por la
norma. (Ver figura 35 y 36).
En la figura 35, se observa que de 22 muestreos realizados para efluente, 16 se
encuentran en el orden de 100, mismos que cumplen con lo señalado por la norma
mexicana que establece 1000 UFC/100 ml, esto se verifica con el
99.7 % de
remoción obtenido en el primer periodo y lo mismo sucede para el segundo periodo
con un 99.98%.
Los puntos que sobresalen en la curva para CF en la salida de la planta del P1 (ver
figura 35) están por encima de los valores esperados, ya que se esperaría que estos
estén por debajo del límite de 1000 UFC/100 ml, misma situación se presentó en el
periodo dos, con concentraciones microbianas de 102.
Capítulo 4
Resultados y Discusión
97 Figura 35. Comportamiento microbiológico medido como UFC por mililitro de
coliformes fecales, en el influente y efluente del sistema lagunar de la planta de
tratamiento de la colonia Tobarito. Periodo Junio-Diciembre 2009.
Las concentraciones de CF reportadas por L. Castro-Espinoza et al., (2009), en
ciudad de Obregón Sonora de la planta Sur no corresponden con lo estudiado, pero
si coinciden con lo encontrado por RIVERA-VÁZQUEZ, (2007), no aconteciendo así
para Cifuentes et al., (2000).
En estudios similares, Morillo & Botero (2005), determinan un porcentaje de remoción
para CF del orden del 92.5% con una carga de estas bacterias de 3.4 x 104 NMP/100
ml en los efluentes de la PTAR de la ciudad de Maracaibo. Situación similar a lo
observado en el presente trabajo de investigación. Sin embargo coinciden en el
hecho de que los valores están muy por encima de los establecidos por la norma
mexicana.
En un principio se podría pensar que el exceso de CF podría ser atribuido a que los
métodos implementados para depurar el agua en la planta de tratamiento son
insuficientes; pero no es así y precisamente surge la necesidad de realizar estudios
posteriores, para verificar si la concentración de CF varía durante el día, fenómeno
Capítulo 4
Resultados y Discusión
98 que L. Castro-Espinoza et al., (2009) aseguraron para la planta Sur del mismo
municipio.
Figura 36. Comportamiento microbiológico medido como UFC por mililitro de
coliformes fecales, en el influente y efluente del sistema lagunar de la planta de
tratamiento de la colonia Tobarito. Periodo Mayo-Julio 2010.
En la figura 36, las concentraciones de CF medidas como influente fueron de 105 a
106 , también se observa para el efluente que de 6 muestreos solo 1 está dentro de
normatividad, es decir solo el 16% de las muestras son aceptables con
concentraciones de 100 CF/ml. El 83.4% restante con promedio de 102 CF/ml, es
atribuido al periodo de tiempo en que la planta de tratamiento estuvo detenida. Por
otro lado Botero et al., (2002) comenta en su estudio que a pesar de presentar
niveles de remoción superiores al 99%, el 90% de las mismas no cumplieron con la
normativa establecida por la OMS/OPS, hecho que coincide con lo presentado en
este periodo.
Capítulo 4
Resultados y Discusión
99 4.5 Plan de acciones
El presente plan de acciones que se describe, define los procedimientos y
recomendaciones para la puesta en marcha de una planta de tratamiento
conformada por un sistema lagunar, situada en la colonia Marte R. Gómez
y
Tobarito, municipio de ciudad Obregón, Sonora, el cual forma parte de la región del
Valle del Yaqui. Se considera lo observado en este trabajo de investigación.
Los objetivos de este plan son los siguientes:
1) Dar información al personal técnico de la planta de tratamiento sobre la
construcción arranque y puesta en marcha del sistema.
2) Presentar de una forma precisa las acciones y/o recomendaciones para evitar
errores en el arranque y ayudar a que las unidades del sistema funcionen
adecuadamente.
4.5.1 Recomendaciones previas al arranque
Para la puesta en marcha de la planta es necesario que los trabajos de construcción
y recepción de las obras directamente relacionadas con las unidades de tratamiento estén finalizados. De esta manera se citan algunas de las recomendaciones de
construcción, preparación de las unidades así como también algunas en cuanto a
seguridad:
1) Todas las lagunas, deberán ser construidas de acuerdo a las dimensiones
establecidas en el diseño (largo, ancho, y profundidad).
2) Utilizar para la laguna anaerobia material concreto, además de un liner que
recubra la laguna, así evitar que se agriete y haya infiltración.
3) El suelo de las lagunas sin recubrimiento, en este caso la facultativa y la de
maduración, deberá tener una preparación, se aplicará una mezcla arcilla-cal
con objeto de incrementar su capacidad para soportar esfuerzos.
Capítulo 4
Resultados y Discusión
100 4) La mezcla arcilla-cal que se aplicará a las lagunas en este caso la de tipo
facultativo y de maduración, deberá ser aplicada homogéneamente teniendo
el cuidado necesario para evitar diferencias de infiltración entre una laguna y
otra.
5) Debido a tipo de suelo en el que son construidas las lagunas facultativa y de
maduración, es conveniente colocar rocas en los taludes de los bordos de las
lagunas, con el propósito de evitar que estos bordos se erosionen por acción
del viento.
6) Realizar una buena compactación de los bordos, para asegurar el tránsito de
maquinaria útil para mantenimiento.
7) Asegurar la salida de la descarga final hacia un dren u otro cuerpo receptor
para evitar parar la operación.
8) Colocar barandales en las zonas de peligro (pasarelas) para evitar
accidentes.
9) Trabajar con cubre bocas, guantes y zapato cerrado cuando sea necesario el
contacto con las aguas residuales. Y contar con un botiquín de primeros
auxilios.
10) Eliminar la fauna silvestre ya que es posible un transporte de contaminantes,
un ejemplo los patos.
11) Contar con equipo de bombeo extra, en caso de posibles fallas técnicas.
12) El caudal deberá ser continuo, para obtener los resultados señalados en el
diseño de la planta de tratamiento.
Colocar rejillas que impidan el acceso de los sólidos grandes como trapos pedazos
de madera, plásticos etc.…
Capítulo 4
Resultados y Discusión
101 4.5.2 Recomendaciones en el arranque de las lagunas
El llenado inicial de las lagunas es de vital importancia para asegurar la estabilidad
de los estanques y no erosionar la capa impermeabilizante de arcilla aplicada
previamente para preparación del terreno.
Es necesario colocar estadales para verificar la altura del nivel del agua en las
lagunas, de preferencia 6 a lo largo y 2 a lo ancho. Se recomienda que el llenado de
las lagunas sea simultáneo y con el más alto nivel de altura para saturar los taludes.
Laguna facultativa.- El proceso inicial de llenado de la laguna deberá ser lento
para evitar erosiones en la capa de arcilla ubicada en el fondo de las lagunas y
saturar de manera gradual los taludes perimetrales. En este caso se implementó un
sistema de bombeo desde el canal de riego hasta la laguna facultativa. Se uso agua
de uso agrícola (agua limpia) para las pruebas de llenado hasta alcanzar nivel de 30
cm, y el tiempo para llegar al nivel indicado fue de ocho días.
Laguna de maduración.- La velocidad de llenado es lenta al igual que la
laguna anterior, con el mismo sistema de bombeo. El tiempo de llenado fue ocho
días. Se estima un tiempo de llenado total de 16 días para ambas lagunas, con
precipitaciones nulas y una tasa de evaporación de 0.45 cm/día.
Una vez realizada la operación de llenado de las lagunas se procede a evaluar los
niveles de infiltración; estos se realizan mediante un balance hídrico considerando la
precipitación, la evaporación y la disminución en la columna de agua de las lagunas
ya llenas, para calcular el caudal que se está infiltrando al subsuelo.
Considerando el caudal del influente se hace una comparación entre este y las tasas
de infiltración obtenidas; si esta tasa de infiltración es muy pronunciada la laguna
tenderá a secarse rápidamente, y será conveniente reponer la capa de arcilla o
utilizar algunos otros impermeabilizantes para disminuir este efecto. Se realizan las
pruebas de llenado y cálculos de infiltración nuevamente.
Capítulo 4
Resultados y Discusión
102 Cuando las lagunas hayan alcanzado su régimen continuo se deberá realizar una
inspección visual en los taludes interiores de los estanques, todo esto durante la
puesta en marcha y operación de la planta de tratamiento.
Una vez asegurada la mínima infiltración se dispone a realizar el llenado con el agua
residual municipal, se espera que el sedimento que se forme durante la degradación
de materia orgánica forme una capa que imposibilite aún más la infiltración.
4.5.3 Recomendaciones para verificar el proceso biológico
El proceso biológico es la etapa que brindará al sistema de tratamiento la eficiencia
justa para degradación de materia orgánica.
Teniendo a la laguna anaerobia como primera etapa en el sistema de tratamiento se
recomienda agregar un inóculo esto con el fin de asegurar la adaptación de
microorganismos.
Para las lagunas facultativa y de maduración, la materia orgánica o suspendida
proveniente del efluente de la laguna anaerobia, será metabolizada por bacterias
heterotróficas que consumen el oxígeno producido por las algas fotosintéticas cuya
proliferación está directamente ligada con la temperatura y la radiación solar), las
cuales a su vez captan CO2 liberado por las bacterias, en tanto que el lodo
sedimenta en el fondo, donde se produce su digestión natural. La permanencia de
éste es aproximadamente de dos años.
Estas lagunas normalmente tienen crecimiento excesivo de algas. Muchas de ellas
flotan y forman una nata gruesa que perjudica el normal funcionamiento de la unidad
debido a que interfiere en el paso de la luz solar, otorgándole un color verde lechoso.
Esta nata es empujada por el viento a las orillas, produciendo olores desagradables.
Por lo tanto, deben ser removidas tan frecuentemente como sea necesario.
Por otro lado la carga orgánica señalada en el diseño, deberá estarse verificarse
mediante análisis diarios de materia orgánica y microbiana, en los influentes y
efluentes de las lagunas.
Capítulo 4
Resultados y Discusión
4.5.3.1 Programa de evaluación del proceso biológico
Para verificar la carga orgánica y microbiana de cada laguna se propone un
programa de muestreo que se presenta en la tabla 10.
Tabla 10. Programa de muestreo sugerido para fase de arranque.
Frecuencia
Parámetro
Mínima
Ideal
1 por
1 por día
a) Fisicoquímicos:
Caudal
Influente y
semana
efluentes
pH, temperatura y OD
Influente y
1 por
efluentes
semana
1 por día
DBO, sólidos y DQO
Influente y
1 por
efluentes
mes
1
semana
b) Biológicos
Coliformes Fecales
2 por
mes
1 por semana
103 Capítulo 4
Resultados y Discusión
104 c) Meteorológicos
Temperatura
ambiente,
precipitación,
Diaria
evaporación
4.5.4 Recomendaciones para mantenimiento
Las lagunas de estabilización son las unidades menos problemáticas y de menor
costo en su mantenimiento. Por lo tanto solo se brindan recomendaciones generales
orientadas a la obra civil y son las siguientes:
1) Limpieza de nata y material flotante de las lagunas.
2) Limpieza de material vegetal que crezca en los taludes perimetrales. Esta
vegetación se elimina por corte o aplicación de algún plaguicida.
3) Se medirán los lodos sedimentados sumergiendo una bara blanca para
determinar su nivel, si este es mayor a la mitad del volumen de la laguna se
procede a la remoción del mismo.
4) La remoción del lodo se recomienda que sea ocasional de acuerdo a este tipo
de secuencia lagunar y será de 5 a 10 años.
Conclusiones y recomendaciones 105 Capítulo 5
CAPITULO V
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El objetivo planteado en esta investigación se alcanzó en tiempo y recurso. Se
evaluaron los parámetros establecidos por la NOM-001-SEMARNAT-1996: sólidos
suspendidos totales (SST), sólidos suspendidos volátiles (SSV), sólidos totales (ST),
sólidos disueltos volátiles (SDV), demanda bioquímica de oxígeno (DBO) ,
concentración de oxígeno disuelto (O2), temperatura (T°C), pH y concentración de
nitrógeno (N total) y determinación de coliformes fecales.
Se efectuaron exitosamente pruebas de infiltración para corroborar la correcta
compactación de las lagunas, dando como resultado la pauta para el arranque del
sistema lagunar. Los porcentajes de infiltración en comparación al flujo volumétrico
(18.9 l/s) que ingresaron como influente en el primer periodo, correspondieron en un
30.12% y 8.4 % para la laguna facultativa y de maduración respectivamente. Se
obtuvieron valores más bajos en el segundo periodo de 14.64% para la laguna
facultativa y 0.38 % para la de maduración, con lo que se puede inferir que los lodos
sedimentados del primer período formaron una capa que impide el paso del agua al
subsuelo, así como también a fenómenos naturales como la propia saturación de los
poros del suelo.
El valor experimental promedio para sólidos suspendidos totales fue de 95.32±
24.081 mg/l, con una remoción de carga orgánica del 78.5%. Lo establecido por la
Capítulo 5
Conclusiones y recomendaciones 106 norma mexicana NOM-001-SEMARNAT-1996 es de 150 mg/l para aguas de tipo A
en riego agrícola como promedio mensual. Considerando lo anterior se concluye que
los valores para SST obedecen a la norma, tomando en cuenta el primer periodo. En
el siguiente lapso de muestreo, el efluente alcanzó valores de 137. 184 mg/l como
promedio, aún cuando el valor se acerca al límite de lo marcado por la norma, es
aceptable.
Los sólidos sedimentables para ambos periodos tuvieron concentraciones menores o
iguales a 0.5 mg/l, valores aceptables por la norma, ya que esta fija un LMP de 1
mg/l para aguas del mismo tipo.
El estudio para sólidos suspendidos volátiles indicó una remoción del 62.01% para la
primer fase de muestreo, siendo lo contraria para la segunda fase. Los sólidos totales
(ST) por su parte, se comportan de manera similar a los SSV para el segundo
periodo, siendo la remoción del periodo inicial de 24.5%.
Los sólidos disueltos
volátiles alcanzaron remociones de 5.64% y 13.46% para el periodo 1 y periodo 2
respectivamente. Los SSV, ST y SDV no están dispuestos en la norma.
El límite máximo permisible para contaminantes básicos medido como DQO,
comparado en base la Ley General de Aguas es de 320 mg/l. Siendo el valor del
parámetro evaluado de 177,1 mg/l para el primer periódo, lo que asegura que cumple
con esta ley, no actuando así para el segundo periodo donde el valor promedio del
efluente estuve fue de 431.07 mg/L
La capacidad de remoción de bacterias coliformes de la PTAR “Tobarito” fue del
99.7% y 99.98 % para el primer y segundo periodo respectivamente, evacuando
efluentes con una cantidad en promedio de 4.15 x 101 UFC/ml y 1.4 x 102 UFC/ml
siendo deficiente solo en algunos casos de muestreo, pues se debe alcanzar una
cantidad promedio de <103 UFC/100 ml de CF (agua de clase A-NOM-001SEMARNAT-1996), cabe mencionar que los valores encontrados fueron menores o
iguales al límite de detección (X=≤ 3.03 UFC/ml).
El porcentaje de remoción de la DBO5 de la PTAR fue del 48.44%, evacuando
efluentes con 61.2 mg/l, proceso eficiente en relación a lo estipulado por Norma
Capítulo 5
Conclusiones y recomendaciones 107 NOM-001-SEMARNAT-1996, que establece una concentración máxima de 150 mg/l.
De esta manera, se rechaza la hipótesis de esta investigación, ya que se espera una
remoción del 70%.
Una concentración de 40mg/l, es el límite máximo permisible para concentraciones
de nitrógeno de la norma mencionada anteriormente, de acuerdo a lo analizado se
obtuvieron cifras promedio en el efluente de 32.466 mg/l. Parámetro
admisible
dentro de la normatividad. Los análisis de DBO5 y N2 solo fueron evaluados de Mayo
a Julio del 2010 (P2).
De acuerdo a los resultados generales, la laguna anaerobia es la responsable de la
mayor parte de remoción de carga orgánica, que fue donde se encontraron los
porcentajes más altos en cuanto a SST, SSV, SDV, DQO, incluyendo al nitrógeno.
La laguna facultativa dio mejor resultado en cuanto a DBO5. En los parámetros de
SSV, SDV y Nitrógeno, se encontraron remociones negativas, hecho debido a la
excesiva proliferación de algas.
Efectivamente la laguna de maduración cumple su función teniendo el mayor
porcentaje de remoción de coliformes fecales aún cuando algunos de los muestreos
no cumplan con la normatividad mexicana en cuestión. Los parámetros evaluados en
esta investigación, cumplen con los límites máximos permisibles de la Norma NOM001-SEMARNAT-1996, a excepción de la concentración para coliformes fecales para
algunos días de muestreo.
Se pone de manifiesto que las aguas efluentes de la PTAR “Tobarito” pueden ser
consideradas como agua de tipo A (para riego agrícola) de acuerdo a la Norma
NOM-001-SEMARNAT-1996.
Debido a las fallas técnicas en el sistema de bombeo, se recomienda ampliamente
continuar con los muestreos, ya que aún cuando había paro técnico se continuaba
con la toma de muestra y se realizaban los análisis correspondientes; de tal manera
que se vuelve indispensable una verificación de las eficiencias de las lagunas, así
Capítulo 5
Conclusiones y recomendaciones 108 como también una evaluación en las constantes de degradación a nivel laboratorio
para corroborar el diseño del sistema lagunar de Tobarito.
En cuanto a las diferencias obtenidas en las pruebas de infiltración, se recomienda
tener sumo cuidado en la preparación del suelo, ya que es posible que este descuido
haya contribuido a que la diferencia de infiltración entre las lagunas fuera mayor, y
que por ende ocasiona mayores atrasos en el arranque de la planta de tratamiento.
Las condiciones de diseño para el gasto de alimentación fueron dispuestas para flujo
continuo, pero en realidad el sistema trabaja como si mantuviera un flujo en estado
batch o por lotes, haciendo que los resultados varíen con más significancia. Es por
tal motivo que se aconseja trabajar bajo un régimen continuo; si esto no fuese
posible, se propone evaluar el diseño como flujo batch o flujo tapón, para determinar
nuevamente tiempos de residencia, carga orgánica y eficiencias lagunares.
Referente al tipo de muestreo se aconseja que se realicen muestreos compuestos
con el propósito de conocer la variación en los parámetros analizados durante el
transcurso del día.
Obedecer las recomendaciones establecidas en el plan de acciones propuestas en
este trabajo de investigación será conveniente para evitar retrasos y gastos
innecesarios durante el arranque de una planta de tratamiento situada en la misma
región.
Investigaciones como la presentada en este trabajo ayudan en gran medida a elevar
el conocimiento de los que se preocupen e investigan en temas de cuidado al medio
ambiente, aportando información de punta para contrarrestar los efectos o combatir
en la medida de lo posible el cambio climático.
Si la humanidad tiene la voluntad puede vivir con los medios disponibles.
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