Anexo al proyecto “Prototipo para tratamiento, depuración y reuso de aguas

residuales domésticas, Clave CGPI 20041281

DESARROLLO TÉCNICO DE LA

INVESTIGACIÓN

I RESUMEN

RESUMEN

La población rural y urbano-marginada por su ubicación geográfica, por la lejanía de las cabeceras municipales, por falta de gestores en saneamiento y por usos y costumbres pero sobre todo por la dispersión de las viviendas, no cuentan con un manejo adecuado de aguas residuales. Los residuos líquidos son tirados en traspatio o al arroyo de la calle, provocando olores y escenarios desagradables que repercuten en la contaminación ambiental del sitio. Desgraciadamente estas condiciones se agravan, ya la población susceptible se ve afectada en la salud. A fin de eliminar esta problemática, se evaluó un prototipo para tratamiento, depuración y reuso de aguas residuales (PROTRADER) en un área urbano-marginada de El Salto P.N., Dgo. Consiste en un tratamiento anaerobio de aguas negras con un tiempo de retención hidráulico de 30 días. Las aguas grises son vertidas en un sedimentador. Los efluentes de ambos se mezclan en un tanque de igualación, y son descargados a un filtro donde se lleva a cabo la depuración. Sobre el filtro se sembraron flores y hortalizas para aprovechar la calidad nutricional del efluente depurado. En el extremo final del filtro se recupera el efluente depurado. Para evaluar el prototipo se analizó el comportamiento del reactor anaerobio (RAN), el filtro aerobio (FA) y la calidad sanitaria (CS) del agua depurada. Los resultados en el RAN mostraron que el pH se mantiene en 7.6 con una temperatura promedio de 20°C, que se considera baja, debido a que la etapa de experimentación fue durante el invierno-primavera. Hubo una disminución de nitrógeno orgánico (Norg) de 254 a 125 mg/L y nitrógeno amoniacal (N-NH3) de 201 a 112 mg/L y no hubo presencia de N-NO3 . Los coliformes fecales (CF) disminuyeron de 1.6x 109 a 2.6 x 105 NMP/100 mL (εr = 99.98%), lo que demuestra que las condiciones anaerobias afectan a las CF. La ausencia de N-NO3 muestra que el proceso anaerobio se desarrollo adecuadamente. Respecto al filtro, el pH se mantiene en 7.6, lo que indica que el material filtrante no interfiere en reacciones químicas con el efluente tratado. La conductividad eléctrica se mantiene a 2 a 1.8 mmhos/cm, cuyo valor no interfiere en el desarrollo de los cultivos. El Norg se reduce de 125 a 9.9 mg/L (εr = 92%); el N-NH3 alcanza una disminución de 112 a 9.2 mg/L (εr = 91.8%). Los NO3

- aparecen a los 5.0 m de longitud del filtro en 11 mg/L y disminuye a 3.0 mg/L a la salida del filtro. Esta concentración es muy baja para obtener buenos rendimientos para los cultivos. Respecto a los PO4-3, presentó alta remoción, disminuyendo de 88 mg/L a 3 mg/L (εr = 96.7%), esto se debe principalmente a que las arenas tienen afinidad por estos iones. En cuanto a la calidad sanitaria del efluente, los CF alcanzaron una εr = 99.90% y para huevos de helminto εr = 100% a los 5.0 m de longitud del filtro. Estos resultados cumplen con la Norma Oficial Mexicana NOM-003-SEMARNAT-1997, lo que asegura que los efluentes finales pueden reusarse para el riego de forrajes. En cuanto hortalizas se sembraron lotes de 1.0 m2 de acelgas, lechuga y betabel. De flores solo se sembró crisantemo por esqueje. Los resultados preliminares demuestran gran versatilidad, economía y eficiencia del prototipo, ya que eliminó sitios de agua putrescible ambientalmente desagradables que existían antes del estudio. Los usuarios manifiestan interés en este desarrollo tecnológico, ya que les mejora la calidad de vida. Se recomienda el PROTRADER para Programas de Saneamiento Ambiental a las instituciones que les compete la atención de la comunidad rural. Palabras clave: reuso de aguas residuales, depuración, saneamiento rural

II INTRODUCCIÓN

II INTRODUCCIÓN

El agua es un elemento imprescindible en el desarrollo tecnológico, el crecimiento poblacional mundial y los cambios de los estándares de vida que conllevan a la urbanización de la población y la expansión de las actividades agrícolas, industriales y de servicios. Todas estas actividades han propiciado que la cantidad y calidad del agua vaya cada vez más en deterioro, aunada a la mala distribución del agua dulce, que de por si la propia naturaleza ha creado diferentes regiones naturales y económicas en el planeta.

Las más recientes evaluaciones de los especialistas y organizaciones

internacionales vinculadas con el problema del agua, sugieren que para el año 2025, más de las dos terceras partes de la humanidad sufrirá algún estrés por la falta de este líquido. A pesar de los avances tecnológicos en infraestructura hidráulica, actualmente, cerca de 1 200 millones de seres humanos en todo el mundo, no tienen hoy acceso a agua limpia. Por otro lado, las diferentes formas de consumo de agua, está ocasionado la contaminación del vital líquido, repercutiendo en la salud de la población. De acuerdo a Toledo (2000), la contaminación del vital líquido es responsable de la muerte de cerca de 25 millones de seres humanos en todo el mundo, entre ellos unos siete millones de niños. En nuestro país, de acuerdo al Plan Hidráulico Nacional 2001-2006, el agua se considera como un recurso estratégico y de seguridad nacional.

Los problemas en torno a la calidad del agua son crecientes, entre ellos figuran

los vinculados con la salud pública y la pobreza que padecen grandes sectores de la población. Aunada a esta problemática del agua dulce, se presenta colateralmente la disposición inadecuada de las aguas residuales. En países económicamente desarrollados cuentan con políticas de saneamiento eficientes, tal que les permiten una vida digna y productiva, y que por consecuencia, pasa a segundo término los efectos en la salud originada por la contaminación. Caso contrario en los países subdesarrollados, disponen de poca o nula infraestructura de saneamiento y repercute en la transmisión de enfermedades por el consumo de agua de mala calidad (OPS, 1994).

En el caso de la población, en nuestro país existen localidades de 1 a 499

habitantes, que en su mayoría no cuentan con servicios de saneamiento para el manejo de las aguas residuales domésticas (INEGI; 2000). Para el estado de Durango, hay 5 962 localidades de este rango, donde viven un total de 268 251 habitantes. Generalmente, esta población por su ubicación geográfica, por la lejanía de las cabeceras municipales, por falta de gestión en saneamiento, pero sobre todo por la dispersión de las viviendas, difícilmente pueden contar con un sistema de recolección de las aguas residuales. Sin embargo, aún con la falta de este recurso de saneamiento, toda vivienda tiene agua para sus diferentes actividades, que en ocasiones también es de baja calidad y cantidad. Aún cuando el volumen disponible de agua es muy bajo siempre hay generación de aguas residuales, compuesta básicamente por dos tipos de desechos; las aguas negras producto del arrastre de excretas en los sanitarios y las

aguas grises como consecuencia de la higiene de las personas y producto del lavado de ropa y utensilios de la cocina.

Una forma de descargar los desechos líquidos ha sido a través de la fosa

séptica, que técnicamente son ineficientes en el tratamiento biológico del agua residual, ya que tiene un tiempo de residencia hidráulico de 24 a 48 horas (López Alegría, 2002), por lo prácticamente funciona como un bypass, para luego ser infiltrada el agua al subsuelo con alto contenido de materia orgánica y bacterias que causan enfermedades en el humano. Otro problema que tienen las fosas sépticas es que cuando se llenan es necesario vaciarlas, y como no existe este servicio en la mayoría de las localidades, entonces son descargadas a los arroyos o a las barrancas propiciando contaminación ambiental del entorno. A falta de éstas, es común que la gente opte por lo más sencillo y fácil de eliminar las aguas residuales domésticas, tirándolas en el traspatio de la vivienda o al arrollo de la calle, propiciando sitios de proliferación de fauna nociva, olores y aspectos desagradables y por ende contribuyendo a la contaminación del entorno.

Con este panorama, es importante considerar una nueva manera de enfrentar los

problemas originados por el mal manejo de las aguas residuales. Esto obliga a tomar decisiones de planificación y manejo, tanto en grandes ciudades como en pequeñas regiones marginadas, de manera que exista un uso y disposición eficiente del recurso. De ahí la necesidad de innovar o desarrollar procesos tecnológicos adecuados a las condiciones socioeconómicas regionales que permitan, a través de un análisis y control ambiental adecuado, que la mayor cantidad de las aguas residuales se traten aplicando principios de operaciones y procesos unitarios de bioingeniería (Reynolds, 1982) y hacer un uso sustentable de ella.

2.1 Antecedentes

En el pasado, la evacuación de las aguas residuales se realizaba en la mayoría de las ciudades por el método más sencillo posible, que era tirarlas a la calle o en traspatio sin tener en cuenta las condiciones desagradables que se producían en el lugar de la descarga. La irrigación practicada en la antigua Atenas, fue probablemente el primer método de evacuación de aguas residuales; sin embargo, surgieron problemas cuando se evacuaron los residuos domésticos a las alcantarillas pluviales, ya que con ello se excedía frecuentemente la capacidad de autopurificación de la corriente de agua en la que vertían. En consecuencia, se construyeron alcantarillas separadas y se inició así el tratamiento de las aguas residuales. La evacuación del fango surgió como problema al aplicar métodos de tratamiento para mayores caudales, que dieron lugar a la producción de grandes volúmenes de lodos (Moeller, 1992).

El principal objetivo del tratamiento de aguas residuales es coagular y remover

los sólidos coloidales no sedimentables y estabilizar la materia orgánica, a través de un tratamiento secundario, previo de las descargas a cuerpos receptores. Para el agua

residual doméstica, es reducir el contenido de materia orgánica y en algunos casos los nutrientes tales como Nitrógeno (N) y Fósforo (P) así como el contenido de bacterias productoras de enfermedades. En otros, la remoción de trazas de compuestos orgánicos, que pueden ser tóxicos, es también objetivo importante en el tratamiento. Para las aguas residuales tratadas y reusadas en la agricultura, el objetivo es remover los nutrientes los cuales son capaces de estimular el crecimiento de plantas acuáticas en los cuerpos receptores (Metcalf y Eddy, 1991).

La remoción de la materia carbonácea, medida como Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO5), la coagulación de los sólidos coloidales no sedimentables y la estabilización de la materia orgánica se realiza biológicamente empleando una gran variedad de microorganismos, principalmente bacterias. Los microorganismos son usados para convertir la materia orgánica de origen coloidal y disuelta en varios gases y tejido celular (lodos activados). Debido al peso específico que tienen las células o lodos pueden ser removidos del líquido mediante sedimentación por gravedad. Es importante notar que si el lodo producido por la oxidación de la materia orgánica no es removido del sistema de tratamiento es incompleto, debido a que el lodo por su origen orgánico se medirá como DBO5 en el efluente final, entonces se requerirá un tratamiento para la conversión de la materia orgánica por bacterias anaerobias, teniendo como productos finales metano (CH4), dióxido de carbono (CO2) y varios subproductos como el N-NH3 (Crites y Tchobanoglous, 2000).

Uno de los conceptos básicos para el diseño de los sistemas de tratamiento biológico o para la selección del tipo de proceso es el conocimiento de la actividad bioquímica de los microorganismos involucrados en dicho tratamiento. Los principales a considerar son:

1. Conocer los requerimientos nutricionales de los microorganismos más comunes

encontrados en las aguas residuales. 2. Conocer la naturaleza del metabolismo microbiano basado en los requerimientos

de oxígeno molecular si es aerobio. 3. Conocer la naturaleza del metabolismo microbiano basado en la ausencia de

oxígeno molecular si es anaerobio.

Respecto a los requerimientos nutricionales necesarios para el crecimiento continuo de los microorganismos, es importante considerar que el sistema cuente con:

1. Una fuente de energía. 2. Una fuente de carbono para la síntesis de tejido celular nuevo. 3. Elementos inorgánicos (nutrientes) tales como nitrógeno, fósforo, azufre,

potasio, calcio y magnesio. 4. Nutrientes orgánicos para la síntesis del tejido celular. Las fuentes de carbón y energía son referidas como sustratos; las más comunes

para los microorganismos son materia orgánica y el bióxido de carbono como fuente de carbono y de radiación solar y compuestos que se puedan reducir u oxidar como fuente de energía, así como nutrientes, que son limitantes para la síntesis microbiana del tejido

ición)(descompos NH orgánico N 3⎯→⎯

ción)(nitrifica NO NO O NH -3

BAN-2

BAN23 ⎯⎯ →⎯⎯⎯→⎯+

celular y su crecimiento como son Azufre (S), Fósforo (P), Potasio (K), Magnesio (Mg), Calcio (Ca), Sodio (Na) y Cloruros (Cl-). Otros de menor importancia incluyen al Zinc (Zn), Manganeso (Mn) y Molibdeno (Mo).

2.2 Procesos de tratamiento de aguas residuales. En cuanto al tipo de procesos para tratamiento de aguas residuales existen tres tipos: aerobio, anóxico y anaerobio. Los procesos individuales se subdividen a cultivo en suspensión o cultivo en película adherida o combinaciones de ellos mismos (Reynolds, 1982). 2.2.1Procesos aerobios:

En los procesos aerobios las bacterias heterótrofas oxidan alrededor de un tercio de la materia orgánica coloidal y disuelta a productos finales estables (CO2 y H2O) y transforman los dos tercios restantes en células nuevas microbianas susceptibles de eliminarse de las aguas residuales por sedimentación.

En condiciones aeróbicas ininterrumpidas, las bacterias autótrofas nitrificantes

convierten entonces el nitrógeno de los compuestos orgánicos en NO3- de acuerdo con

las ecuaciones 1 y 2 simplificadas: Ec. (1) Ec. (2)

No se producen más cambios en los NO3

- a menos que el proceso se torne anóxico. En estas condiciones las bacterias heterótrofas desnitrificantes transforman los NO3

- en nitrógeno gaseoso, de acuerdo con la ecuación 3. Ec. (3)

2.2.2 Procesos anaerobios

En cuanto a procesos anaerobios, dos grupos de bacterias heterótrofas intervienen: las bacterias formadoras de ácidos y las bacterias formadoras de metano en un proceso de licuefacción/gasificación en dos etapas; convierten más del 90% de la materia orgánica presente primero en intermediarios (productos finales parcialmente estabilizados que incluyen ácidos orgánicos y alcoholes) y después en metano y dióxido de carbono gaseoso, de acuerdo a las ecuaciones 4 y 5. Ec. (4) Ec. (5)

icación)(desnitrif N NO NO 2BHD-

2BHD-

3 ⎯⎯→⎯⎯⎯→⎯

OH SH CO riosintermedia orgánica Materia 222BFA +++⎯⎯→⎯

CO CH orgánicos Ácidos 24BFM +⎯⎯ →⎯

A diferencia de lo que ocurría con la fase acidogénica, hay pocos microorganismos capaces de desarrollar la actividad metanogénica, su metabolismo es más lento y además, son mucho más sensibles a distintas condiciones ambientales (Brock, 1978).

Las bacterias metanogénicas son anaerobias estrictas, es decir, mueren en

presencia de oxígeno disuelto, son también muy sensibles al pH. Puesto que en la segunda fase de la digestión anaerobia se están produciendo ácidos, si no existe en el medio un número adecuado de bacterias metanogénicas que transformen estos productos, como consecuencia se acumulan y disminuyen el pH. Se estima que para valores de pH inferiores a 6.8 la actividad metanogénica comienza a presentar problemas, y que por debajo de pH 6.2 se detiene completamente (Middlebrooks y col., 1982). Cuando esto ocurre se liberan no sólo ácidos orgánicos que pueden tener olores desagradables, sino otros compuestos como H2S, mercaptanos o escatol, que son los responsables principales de los olores que indican funcionamientos deficientes en los procesos anaerobios.

Teniendo en cuenta la secuencia de etapas por las que tiene lugar la digestión anaerobia, es necesario ajustar las condiciones operativas de los reactores para que se produzca la estabilización de la materia orgánica hasta los productos finales CH4 y CO2. En primer lugar, si las etapas operan con tiempos de retención muy pequeños, sólo las fases hidrolíticas y acidogénica tienen tiempo para desarrollarse, pero no la de formación de metano, que es más lenta, y por tanto, se producirán olores y se obtendrá una eliminación muy baja de la materia orgánica.

Cuando los procesos se realizan en estanques abiertos, como una laguna

anaerobia, si la carga es escasa y el tiempo de retención elevado, comienzan a desarrollarse algas en la superficie, y el oxígeno producido da lugar a la muerte de las bacterias metanogénicas, dando como resultado el desarrollo de olores desagradables y desestabilización en el sistema (Arceivala, 1981).

Otro factor que influye en el comportamiento anaerobio es la temperatura. Las bacterias metanogénicas crecen mejor cuanto mayor es la temperatura, con un intervalo óptimo de crecimiento entre 30-35ºC. Por tanto, en una laguna anaerobia presenta una actividad muy superior durante el verano, lo que puede comprobarse fácilmente observando la cantidad de burbujas que aparecen en superficie en las distintas épocas del año. Dos ventajas importantes de los procesos anaerobios respecto a los aerobios, es que generan energía útil en forma de metano y la producción de lodos es de sólo el 5% de la que tiene lugar en los procesos aerobios para transformar la misma cantidad de materia orgánica. Esto representa una ventaja en el tratamiento de residuos muy concentrados, en donde el manejo de grandes volúmenes de lodos seria un problema (Glynn, 2000).

Los dos procesos anaerobios de cultivo en suspensión más comúnmente

empleados para el tratamiento de agua residual son el proceso de digestión anaerobia y

el proceso anaerobio de contacto. Sus principales aplicaciones han sido, y siguen siendo en la actualidad, la estabilización de los lodos a concentrados producidos durante el tratamiento aerobio del agua residual y de ciertos residuos industriales. Sin embargo, se ha demostrado recientemente, que los residuos orgánicos diluidos pueden ser tratados anaeróbicamente (Metcalf y Eddy, 1994).

Actualmente se utilizan dos tipos de digestores, de baja y alta carga. En el primero, generalmente no se calienta ni se mezcla el contenido del reactor y los tiempos de retención varía de 30 a 60 días. En el proceso de alta carga, el contenido se calienta y se mezcla completamente y los tiempos de retención son de 15 días ó menos.

Después de la estabilización de la materia orgánica en un tratamiento secundario, la siguiente paso operativo es la eliminación de los sólidos suspendidos, que se puede realizar a través de clarificadores o sistemas de filtración. La elección dependerá de los fines que se les dará al efluente. De acuerdo a Winkler, 1981 y Crites y Tchobanoglous, 2000, después de un proceso anaerobio es deseable la estabilización aerobia, a fin de que el efluente final pueda ser reusado sin restricciones. La filtración es un sistema de tratamiento físico y biológico que se ha empleado desde hace muchos años en el manejo de las aguas residuales (depuración). 2.3 Depuración de aguas tratadas

2.3.1 Filtración

La filtración es el paso de un líquido a través de una matriz sólida o lecho estacionario de medio granular para remover partículas en suspensión. Los filtros son unidades de tratamiento físico y biológico que se han utilizado desde hace muchos años en el manejo de aguas residuales. Entre los filtros empleados en el manejo de aguas residuales se cuenta con: 1) filtros percoladores tradicionales y de tasa alta, 2) filtros de tasa alta con medio granular y poroso.

La mayoría de estas unidades de tratamiento cuentan con los siguientes elementos básicos: 1) un contenedor aislado, donde se confina el medio filtrante; 2) un sistema de drenaje para evacuar el líquido tratado; 3) el medio filtrante; 4) un sistema para alimentación y distribución del líquido a tratar sobre el medio filtrante y 5) un medio de soporte.

Filtros intermitentes. En estos filtros las variables del proceso que afectan la remoción de DBO5, SST, grasas y aceites, turbiedad, nitrógeno, bacterias y virus se relacionan con el tamaño del medio filtrante, la tasa de aplicación hidráulica y la tasa de aplicación de sólidos y de materia orgánica por dosis. Poco tiempo después de que un filtro entra en funcionamiento, aparece una delgada película bacterial en las capas superiores sobre los granos del medio filtrante; esta película es muy importante dentro del funcionamiento normal del filtro, ya que mediante absorción retiene microorganismos y materia coloidal soluble y particulada presentes en agua residual sedimentada. El material retenido se descompone y oxida durante el intervalo de tiempo entre aplicaciones de líquido.

La materia orgánica soluble se asimila casi de manera instantánea, mientras que el material coloidal se solubiliza enzimáticamente. El material soluble atraviesa entonces la membrana celular y de esta forma se convierte en productos finales de degradación. Cuando el líquido fluye formando una película delgada, la oxidación de la materia orgánica carbonácea ocurre en la parte superior del lecho del filtro. Simultáneamente, el amonio se convierte en nitrato (nitrificación) y, en las pequeñas zonas anóxicas del filtro los nitratos se convertirán en nitrógeno gaseoso (desnitrificación). El flujo en forma de una delgada película es de vital importancia en caso de requerir la eliminación de virus, ya que se ha demostrado (Crites y Tchobanoglous, 2000).

Un componente necesario en el desarrollo de un plan conceptual es la selección de un apropiado nivel de pretratamiento antes de la descarga al filtro. Los filtros construidos han sido usados para proporcionar todos los niveles de tratamiento de aguas residuales, incluyendo primario, secundario y terciario o de pulimento. Ellos pueden, por lo tanto, ser usados como componentes del proceso en un programa de tratamiento de aguas residuales o podrían proveer todo el tratamiento desde el inicio hasta el final, dependiendo de la aplicación necesaria.

2.4 OBJETIVOS Objetivo General Validar el desarrollo tecnológico de un prototipo para tratamiento, depuración y reuso de aguas residuales domésticas que genera la población rural que no cuenta con drenaje. Objetivos Específicos 1. |Evaluar la eficiencia del tratamiento biológico en un reactor anaerobio las aguas

negras. 2. Evaluar la eficiencia de transformación de compuestos inorgánicos presentes en los

efluentes del tratamiento anaerobio a través de un filtro aerobio. 3. Determinar la calidad sanitaria de los efluentes tratados y depurados y reutilizarlos

en el cultivo de flores y hortalizas, de acuerdo a los parámetros que marcan las Normas Oficiales Mexicanas.

Hipótesis La aguas residuales domésticas tratadas a través de procesos combinados anaerobios-aerobios, producen efluentes que se pueden reusar para cultivos de flores y hortalizas.

III METODOS EXPERIMENTALES

METODOS ESXPERIMENTALES

3.1 Sitio de proyecto

El municipio de Pueblo Nuevo se localiza al Sureste del estado de Durango (Figura 1). Limita al norte con el municipio de Durango; al sur con los estados de Nayarit; al oriente con el municipio del Mezquital y al Poniente con San Dimas y el estado de Sinaloa. Su cabecera municipal se encuentra en las coordenadas 23º 47' de latitud norte y 105º 22' de longitud oeste, a una altura de 2,560 msnm.

Figura 1. Localización de El Salto, P.N. Dgo.

3.2 Descripción del prototipo

El prototipo (se anexan diagramas) consiste en la separación de aguas grises y aguas negras. Las aguas grises, son conducidas a un desnatador, donde se elimina en forma manual el exceso de grasas, jabones y detergentes. Posteriormente pasan a un tanque sedimentador. Por otro lado, las aguas negras son conducidas a un reactor anaerobio de dos compartimientos, diseñado y construido con en función del tiempo de retención hidráulico, tomando en cuenta las recomendaciones de Crites y Tchobanoglous (2000), a fin de que el efluente resultante sea bajo en contenido de microorganismos patógenos.

Los dos efluentes, del sedimentador y del reactor anaerobio se mezclan en un

tanque de igualación para posteriormente ser conducidos a un filtro intermitente de

arena donde se realiza un tratamiento terciario, desarrollándose el proceso de nitrificación. El filtro es un estanque con una profundidad de 0.60 m y 1.0 m de ancho y 10 m de longitud, con una pendiente de 1%. Es impermeabilizado con geomembrana (plástico calibre 720) y empacado con materiales filtrantes de la región. En este caso, la primera capa es de 20 cm de arena cribada, una segunda capa de 20 a 25 cm de grava y finalmente una capa superficial de 15 a 20 cm de arena cribada. En esta capa se lleva a cabo el cultivo de ornamentales y hortalizas por el método de hidroponia o lo que sería propiamente una fitoremediación. En el extremo del filtro se construye un tanque recolector del efluente depurado, el que puede ser empleado para otros usos dentro de la vivienda.

3.3 Sitios de muestreo

A fin de evaluar el prototipo se instalaron 5 sitios de muestreo. El número 1 se estableció a la entrada del reactor anaerobio; el 2 se ubica después de la mezcla de los dos efluentes del reactor y del sedimentador, justo donde descargan en el filtro; el 3, 4 y 5 a los 0, 5 y 10 m de longitud del filtro, respectivamente. El sistema de depuración forma un arreglo semejante a un humedal tipo subsuperficial (Crites y Tchobanoglous, 2000).

3.4 Muestreo

Las muestras se tomaron cada 15 días en los diferentes sitios de muestreo, utilizando un bomba de vacío marca CADET, modelo N° 7530-40 y un matraz Kitazato de 2 L, esterilizado empleando conexiones de tubería latex de 1/8 de diámetro, iniciando el muestreo a partir del punto menos contaminado al de mayor contaminación, que corresponde a la salida del filtro y a la entrada del reactor anaerobio, respectivamente. Las muestras fueron tomadas en recipientes de plástico de 1 L, lavados y desinfectados para los análisis fisicoquímicos y se preservaron con la adición de 1.0 mL de H2SO4 concentrado.

Para los análisis microbiológicos se emplearon frascos de vidrio de 250 mL, esterilizados. Todas las muestras fueron transportadas en hielera, preservadas con hielo a 4 °C. Para huevos de helminto, se emplearon recipientes de plástico de 4 L lavados y desinfectados. El tiempo de traslado y llegada al laboratorio para su almacenamiento fue de aproximadamente 2 horas, a partir del cual se realizó la prueba de coliformes fecales. 3.5 Parámetros a evaluar

Los análisis fisicoquímicos y microbiológicos se resumen en la Tabla 1, con base

al APHA-AWWA-WEF (1995); las pruebas de pH, temperatura y conductividad eléctrica se realizaron en el sitio de muestreo. Las microbiológicas se realizaron el mismo día. La prueba de huevos de helminto después de 48 horas de almacenamiento a 4°C.

Tabla 1. Parámetros aplicados para la evaluación del trabajo.

Estudio Parámetro Método Degradabilidad de la materia orgánica

pH Nitrógeno amoniacal (N-NH3) Nitrógeno Orgánico Total (Norg) Nitrógeno de nitratos (N-NO3

-)

Temperatura

Electrométricos Titulación Método kjeldhal Aniones por HPLC Termómetro de vidrio

Calidad sanitaria Coliformes fecales (CF) Huevos de helminto (HH) Sólidos

NMP de tubos múltiples NOM-001-ECOL-1996 Gravimétricos

Calidad de reuso Fosfatos (PO43-)

Conductividad eléctrica Sólidos Potasio (K) Sodio (Na)

Cloruro estannoso Electrométricos Gravimétricos Absorción atómica Absorción atómica

3.6 Diseño del reactor anaerobio

El diseño se basó en las características de un reactor de baja velocidad, el cual funciona con un tiempo de digestión de 30 días de retención hidráulico. Consta de dos cámaras tomando en cuenta las recomendaciones de Crites y Tchobanoglous (2000), a fin de que el efluente resultante sea bajo en contenido de microorganismos patógenos y no susceptibles a la putrefacción. Para dimensionarlo considera un punto importante:

1. Partiendo de que las aguas negras no se mezclan con las aguas grises, el cálculo

del volumen del tanque anaerobio se base en: que la excreta humana involucra 83 g de heces fecales y 970 g/persona de orina (densidad (ρ) es igual a 1.005 a 1.03 g/L). Estas cantidades incrementan aproximadamente en 1.0 L/hab-día. De acuerdo a Ehlers y Steel, 1965, una vez disueltos y diluidos en el agua residual, alcanza una concentración de 800 mg/L de sólidos, compuestos de 300 mg/L en suspensión y 500 mg/L en solución. Del total de los sólidos, el 50 % son orgánicos y degradables.

2. El mezclado parcial en el reactor se logra considerando la carga hidráulica durante la descarga de las aguas residuales, a través de la tubería de PVC de 4”, que se realiza a 50 cm del fondo. El mezclado se produce cada vez que se descarga el agua negra en la primera cámara, donde se lleva a cabo la digestión de la materia orgánica. Una vez que se llena la primera cámara el efluente pasa a la siguiente cámara hasta salir por una tubería de PVC de 4” colocada también a 50 cm del fondo con una diferencia de altura de 5 cm respecto de la descarga. Bajo estas condiciones de entrada y salida, se asegura que no haya cortos circuitos o disturbios en el proceso anaerobio por entrada de aire.

3. Debido al bajo volumen de lodos que se producen durante la digestión, estos son

arrastrados por la espuma que se forma y los obligan a subir a la superficie hasta

que escapa el gas y vuelven a sedimentarse. Esta continua flotación y subsecuente sedimentación de los sólidos los arrastra con la corriente hasta la salida, lo que en un momento dado, asegura que la limpieza o retiro de los lodos se prolongue en el tiempo. De acuerdo a Ehlers y Steel (1965), este comportamiento del proceso facilita que no haya limpieza en periodos cortos y sugiere que la inspección se haga cada cuatro años.

IV RESULTADOS

RESULTADOS Los resultados se describen en función de las etapas de evaluación que se

plantearon en el proyecto, tomando en cuenta las bases de cálculo para el reactor anaerobio, además de a) degradabilidad de la materia orgánica por proceso anaerobio; b) calidad sanitaria del sistema y c) calidad del efluente para cultivo de biomasa y reuso en riego para forraje. 4.1 Consideraciones para el diseño Cálculo del volumen de agua negra a tratar, para esta situación en particular: Datos:

a) Número de usuarios = 4 personas b) Volumen de arrastre del sanitario = 6 litros. c) Número promedio de veces que se utiliza el sanitario por persona = 4

veces/día.

Q = No. habitantes x N° de descargas/hab-día x Volumen por descarga Q = 4 habitantes x 4 descargas/hab-día x 6 L/descarga Q = 96 L/día ∼ 100 L/día ∼ 0.1m3 /día

El volumen del reactor se obtiene con la ecuación 1:

V = Q * θ Ec. (1)

Donde: V = Volumen del reactor, m3 Q = Caudal (m3/día) θ = Tiempo de retención hidráulico en días (30 días)

Entonces:

V = (0.1 m3/día)(30 días) V = 3 m3 = 3000 L

Con el volumen requerido, obtenemos las dimensiones de acuerdo a la ecuación

2: V = l x a x h Ec. (2)

Donde: V = volumen del reactor (m3) l = largo (m) a = ancho (m) h = profundidad (m).

Considerando una profundidad de operación de 1.55 m y una relación ancho/largo de 1:2, entonces las dimensiones del tanque serán:

a = 1.0 m l = 2.0 m

con lo que obtenemos un volumen de aproximadamente 3000 L.

Debido a que es necesario considerar 20% de volumen libre para la formación de la espuma generada durante el proceso y que el reactor es de dos cámaras, las dimensiones finales del reactor fueron:

h = 1.84 m l = 2. 25 m a = 1. 05 m.

Por otro lado, como en el planteamiento del estudio no se consideró evaluar la

producción de gas, el reactor no contempló estructuras de captura y almacenamiento del metano (CH4), solo una salida o venteo de los gases que se emiten a la atmósfera por medio de una tubería de PVC de 2” que sobresale 1.0 m por arriba del techo más alto de la vivienda.

El prototipo se construyó con apoyo de la SEDESOL, quien proporcionó los

materiales y mano de obra, a través de un curso que se impartió en El Salto P.N. El proceso de construcción se muestra en anexo de fotografías.

4.2 Análisis de los resultados

En la tabla 2 se resumen los valores de los parámetros que se obtuvieron durante 6 meses de estudio. Tabla 2. Resultados promedio de los parámetros fisicoquímicos de aguas crudas, tratadas y depuradas.

Sitio de muestreo pH T

(°C) CE

(mmhos/cm) SDT

(mg/L)

N-NH3 (mg/L)

Nitrógeno Orgánico (mg/L)

NO3-

mg/L PO4

-3 (mg/L)

Er 7.55 19 3 2036 201 254 0 -

Sr 7.6 21 2 1890 112 125 0 -

0 m 7.6 21 2 1890 112 125 0 88

5 m 7.5 20 1.8 1921 55.3 32 11 32

10m 7.6 20 1.8 1807 9.2 9.9 3 3 Er= Entrada al reactor anaerobio; Sr= salida del reactor anaerobio; longitud del filtro 0, 5 y 10 m; - no se midió

4.2.1) Tratamiento anaerobio Durante el tratamiento anaerobio de la materia orgánica el pH fue uno de los

indicadores más importantes para evaluar, el cual se mantuvo en promedio en 7.6, teniendo un comportamiento de acuerdo a los parámetros que establecen un proceso estable de anaerobiosis (Middlebrooks y col., 1982).

El Norg disminuyó de 254 a 125 mg/L con una eficiencia (εr ) de 52%. Respecto al

N-NH3, disminuyó de 201 a 112 mg/L, dando una εr = 44%. Esta degradación de la materia orgánica se considera lenta, con lo que se demuestra que el proceso anaerobio puede ser afectado por la temperatura (Crites y Tchobanoglous, 2000). Sin embargo, aún bajo estas condiciones si se lleva a cabo la degradación, toda vez que más de dos tercios de registro de datos se llevo a cabo bajo condiciones invernales severas. En cuanto a la conductividad eléctrica (CE), varía de 3 mmhos/cm a la entrada y 2 mmhos/cm a la salida. Este valor es importante para la siguiente etapa de depuración, ya que puede, en un momento dado, tener un efecto sobre los cultivos.

En cuanto a CF, de acuerdo a la tabla 3, hay una disminución de 1.6 x 109 a 2.6 x

105 NMP/100mL, lo da una eficiencia de remoción de 99.98%. En cuanto a HH la eficiencia es de 75%, lo que pone de manifiesto que el proceso anaerobio tiene un efecto sobre los CF, los que son aerobios (Crites y Tchobanoglous, 2000). 4.2.2) Depuración del efluente tratado

Una vez que es descargado el efluente anaerobio al filtro aerobio, el pH prácticamente se mantiene estable en 7.6 (figura 1), lo que nos puede indicar que no existen reacciones químicas de los compuestos disueltos en el efluente con el material filtrante.

6.5

7

7.5

8

0 2 4 6 8 10

Longitud (m)

pH

Figura 1. Comportamiento del pH en el filtro depurador En cuanto a la transformación de los compuestos nitrogenados, el Norg se reduce

de 125 a 9.9 mg/L con εr = 92% (figura 2); el N-NH3 se reduce de 112 a 9.2 mg/L, (figura 3) con una εr = 92%.

020406080

100120140

0 2 4 6 8 10Longitud (m)

Nor

g (m

g/L)

Figura 2. Comportamiento del nitrógeno orgánico en el filtro depurador.

112

55.3

0

20

40

60

80

100

120

0 2 4 6 8 10

Longitud (m)

N-N

H3

(mg/

L)

Figura 3. Comportamiento del nitrógeno amoniacal en el filtro depurador.

Es importante considerar que parte del N-NH3 se transforma en N-NO3, a través

del proceso de nitrificación, ya que el filtro es aerobio, produciendo una concentración máxima de 11.0 mg/L de NO3

– a una distancia de 5.0 m del sito de descarga (figura 4).

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6 8 10

Longitud (m)

N-N

O3 (

mg/

L)

Figura 4. Transformación del N-NH3 en N-NO3 en el filtro depurador

Respecto de los fosfatos (PO4)-3, el sistema presentó una eficiencia de remoción del 96.6 %, disminuyendo de 88 a 3 mg/L. Este valor es muy significativo en cuanto a su remoción (Figura 5), ya que comparados con proceso convencionales de tratamiento como el proceso de lodos activados y filtros percoladores, éstos solo alcanzan una eficiencia de remoción de 40 a 60% (Winkler, 1981). Una justificación del nivel de remoción es que las arenas son altamente absorbentes de estos iones.

0

20

40

60

80

100

0 2 4 6 8 10

Longitud (m)

Fosf

atos

(mg/

L)

Figura 5. Comportamiento del os PO4 -3 en el proceso de depuración

De acuerdo al comportamiento de la conductividad eléctrica, que es una medida de la concentración de iones de sales, la concentración varía de 3 mmhos/cm a la entrada a 1.3 mmhos/cm en la salida del filtro (figura 6). Este valor cumple con los criterios agronómicos para desarrollar varios cultivos. Cuando el valor rebasa los 4.0 mmhos/cm, es cuando existen problemas fisiológicos en los cultivos, ya que no permiten la asimilación de los nutrientes (Carty y Patton, 1995).

1.7

1.8

1.9

2

2.1

0 2 4 6 8 10

Longitud (m)

Con

duct

vida

d el

éctri

ca (m

mho

s/cm

)

Figura 6. Comportamiento de la conductividad eléctrica en la depuración.

4.2.3) Calidad sanitaria del efluente depurado. Los resultados de la calidad sanitaria se resumen en la tabla 3

Tabla 3. Resultados promedio de parámetros microbiológicos en el PROTRADER. Sitio de

muestreo Coliformes

fecales (NMP/100 mL)

Eficiencia de

remoción (εr)

Huevos de helminto (N° HH/L)

Eficiencia de

remoción (εr)

Er 1.6 x 109 3 Sr 2.6 x 105 99.98 1 75

0m 2.6 x 105 1 5 m 9.3 x 104 <1 10 m 260

99.9 <1

100

Er= Entrada al reactor anaerobio; Sr= salida del reactor anaerobio; longitud del filtro 0, 5 y 10 m

Respecto a la disminución de los coliformes fecales, se logró una eficiencia de

remoción del 99.90% durante el proceso de depuración en el prototipo, disminuyendo de 2.6 x 105 a 260 NMP/100 mL (Figura 6). Este valor cumple con los criterios establecidos por la NOM-003-SEMARNAT-1997, por lo que no existen riesgos sanitarios para reutilizar el efluente para cultivo de productos comestibles o para el riego de forraje; sobre todo que la técnica para los cultivos de flores y hortalizas es por hidroponia.

1.00E+02

5.01E+04

1.00E+05

1.50E+05

2.00E+05

2.50E+05

0 2 4 6 8 10

Longitud (m)

Col

iform

es fe

cale

s (N

MP/

100

mL)

Respecto a huevos de helmintos (HH) se logró la remoción de 100 % disminuyendo hasta <1 HH/L a los 5 m de longitud del filtro. Este valor cumple con los criterios de agua para reuso agrícola establecido por la NOM-003-SEMARNAT-1997 y nos permite predecir que no habrá problemas en los cultivos.

Finalmente, el K y Na se va a realizar dentro de los dos siguientes meses cuando los cultivos estén en pleno de desarrollo fenológico. Las plantas sembradas son crisantemo por esqueje y acelga, lechuga y betabel por semilla. Se determinará el rendimiento en peso fresco y seco.

V CONCLUSIONES

CONCLUSIONES

De acuerdo a los resultados obtenidos durante la evaluación del prototipo para tratamiento, depuración y reuso de aguas residuales a nivel domestico (PROTRADER), se concluye lo siguiente:

• La innovación tecnológica desarrollada a través del prototipo logró remover los contaminantes provenientes del agua residual doméstica, obteniendo un efluente con la calidad requerida por las Normas Oficiales Mexicanas (NOM-001-ECOL-1996 y NOM-003-SEMARNAT-1997).

• En las zonas rurales es importante realizar proyectos que mejoren la calidad de vida de sus habitantes y así como difundir los resultados a través de modelos que obtengan beneficios mostrados físicamente para los usuarios para que le den importancia a los recursos y su conservación. Tal es el caso de este PROTRADER.

• Los parámetros que se midieron para determinar la degradabilidad de la materia orgánica y por la eficiencia alcanzada, aseguran que el proceso anaerobio se apegó a las condiciones teóricas, como lo mencionan Crites y Tchobanoglous, 2000; Gaudy y Gaudy, 1988; Metcalf y Eddy, 1991 y Winkler, 1981.

• Para el caso de microbiológicos, la eficiencia de remoción de coliformes fecales fue 99.99% y 100% para huevos de helminto, lo que demuestra que esta innovación tecnológica es eficiente y cumple con la hipotesis planteada.

• El tiempo de retención hidráulico de 30 días es el adecuado, porque en con este tiempo se obtiene una degradación anaerobia adecuada dentro del reactor, ya que los niveles de coliformes fecales, huevos de helmintos y la degradación de la materia orgánica que se obtuvo, confirma el planteamiento teórico que se propuso al realizar la investigación.

• En cuanto a la calidad nutricional del efluente en el sistema de depuración en el filtro, existe alta eficiencia de remoción de PO4 y NO3, por lo que el sistema es limitante de estos nutrientes para el cultivo de vegetales, los que pueden ser administrados a través de fuentes orgánicas que existen en estos lugares como el estiércol.

• De acuerdo a los criterios de sanidad para cultivos que marca la NOM-003-

SEMARNAT-1997, el efluente producido permite cultivar cualquier producto comestible, a excepción de tubérculos, hasta no realizar los estudios correspondientes.

• Los materiales filtrantes empleados para el relleno del filtro cumplen eficientemente para los fines que fueron empleados, lo cual es muy promisorio ya que son elementos que existen en prácticamente en todas las localidades rurales y suburbanas, y en caso de hacer su difusión para construirse en comunidades similares, no serán un elemento limitante.

• Los resultados demuestran que se puede dar un valor agregado a las aguas residuales, pero sobre todo que pone en práctica las consideraciones universales del uso eficiente del agua.

• La calidad nutricional del efluente del sistema permite predecir que los cultivos de flores y forrajes, pueden desarrollarse sin efectos de contaminación.

• Este prototipo fue un detonante social en la comunidad donde se realizó la investigación, ya que al término de ella, varias familias solicitaron se les instalara en su vivienda.

RECOMENDACIONES

Tomando en cuenta los resultados y conclusiones, se proponen las siguientes recomendaciones, en el afán de que el prototipo tenga mayor impacto en la comunidad rural o en viviendas de cualquier nivel que no cuenten con drenaje como casas de campo, casas ecológicas o áreas de recreación, albergues, escuelas rurales, clínicas rurales, etc.

Aportar datos más precisos en el diseño de este tipo de plantas, que avalen el funcionamiento del prototipo, por lo que se recomienda la determinación de la Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO5), Demanda Química de Oxígeno (DQO) y/o Carbón Orgánico Total (COT), que son parámetros para validar el diseño.

Realizar estudios de comportamiento social en los usuarios del PROTRADER, ya que este sistema cambia radicalmente la conducta y desenvolvimiento social en la comunidad al sentirse “distinguidos” por contar con un servicio que les permite comodidad y bienestar, aparte de disminuir la frecuencia de asistencia a centros de salud, como lo manifestaron los usuarios. Anteriormente solo contaba con una letrina y no contaba con regadera para baño ni sanitario.

Este PROTRADER, por su versatilidad, puede recomendarse para que se instale en casas de campo, centros recreativos temporales y en áreas de ecoturismo, a fin de evitar la formación de focos de infección y fuentes de contaminación que pongan en riesgo la salud de los turistas.

Que El PROTRADER sea considerado por los tres órdenes de gobierno para proponerlo dentro de los Programas de Saneamiento Ambiental, a fin de implementarlo en las comunidades rurales que no cuentan con sistemas de drenaje.

BIBLIOGRAFIA

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Edición, Editorial Limusa Balderas. 9. Gaudy A.F. and E.T. Gaudy, 1988. Elements of Bioenvironmental Enginnering.

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ANEXOS

Aguas negras

Aguasgrises

Reactor anaerobio

Tanque recolectorde agua tratada

Filtro Depurador

Uso delagua en

la vivienda

Trampa degrasas

Diagrama del PrototipoDiagrama del Prototipo

Recolección Tratamiento Depuración Reuso

Diagrama del filtro depurador

20 cm de arena cribada

20 cm de grava

20 cm de arena cribada

70 cm

100 cm

10 m de longitud

Geomembrana cal 720

Tanque recolector

Capas

CIIDIR DGO/JMVC

Diagrama en planta del prototipo para tratamiento, depuracióny reuso de aguas residuales domésticas, incluyendo el baño.

Puerta de 90 cm de ancho

Trampa de grasas

Reactor anaerobio

tanque sedimentador

|

sanitario

Regadera

Lavabo

Ventana de 40 x 60 de alto

2.0 m

3.0 m

3.0 m

40 cm

40 c

m

Tubo de ventilación

Ciidir dgo/jmvc

Recolección Tratamiento Igualación Depuración Reuso

Filtro depuradorTanqueigualador Tanque

recolector

ARMADO DE LA PARRILLA DE LA LOZA DEL SISTEMA

11 tramos de 3.0 m = 42 m = 3 varillas2 tramos de 2.40 m = 4.80 m =

46.80 m/12 = 4 varillas6 tramos de 3.15 m = 19.30 m/12 = 2 varillas2 tramos de 2.55 m = 5.10

25 cmde separaciónCada varilla

30 cm de separación

75 cm de largo del bastón

75 cm de largo del bastón

2 REGISTROS60 X 60 cm

1.50 m 1.10 m

DIAGRAMA DEL ARMADO DE LA PARRILLA DE LA LOSA.

Ciidir dgo/jmvc

ANEXO FOTOGRAFICO DE LA SECUENCIA DE CONSTRUCCIÓN DEL PROTRADER

Excavación, construcción de muros y colocación de la tapa de los estanques.

Construcción de la caseta e instalación de accesorios.

Instalación del filtro empacado con arena cribada, grava y arena cribada; en el extremo

se construye un tanque para recolectar el exceso de agua depurada.