DISEÑO Y DIAGNÓSTICO DE SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALESMEDIANTE HUMEDALES (WETLANDS)

Armando Rivas Hernández, Antonio Ramírez González, Juventino Balderas Castrejón yJuan Gabriel García Maldonado

Instituto Mexicano de Tecnología del AguaPaseo Cuauhnahuac # 8532 Col. Progreso, Jiutepec, Morelos

CP 62550 Tel-Fax: (73)194366 E-mail: arivas@tlaloc.imta.mx

RESUMEN

Los humedales son una tecnología reciente para el tratamiento de aguas residuales. Eneste estudio se pretende obtener experiencia del funcionamiento de estos sistemas y setienen como objetivos el obtener las eficiencias de tratamiento, global y por proceso dedos sistemas, obtener las listas de especies vegetales, identificar los principalesproblemas de operación y mantenimiento y generar alternativas de solución de estosproblemas.

En estos dos sistemas se realizó la medición de parámetros de campo, la toma demuestras y los análisis microbiológicos y fisicoquímicos. Las eficiencias de remoción decontaminantes fueron en la mayoría de los casos más altas que las citadas en labibliografía, por lo que se concluye que esta tecnología puede encontrar una ampliaaplicación en México.

Se colectaron e identificaron 17 especies vegetales, de las cuales Typha sp resultó serla especie dominante.

En las dos plantas de tratamiento los problemas de operación y mantenimiento másrelevantes, para los cuales se propusieron alternativas de solución, fueron: falta decontrol en la distribución del gasto, el gasto de operación no corresponde al de diseño,se operó el sistema bajo un modelo diferente al de diseño y falta de poda y dedisposición de la vegetación.

INTRODUCCIÓN

En los últimos 10 años el uso de los humedales han tomado importancia en Europa,África y Norteamérica. En Estados Unidos su número incrementó de 150 (Sherwood etal 1992) a más de 1800 en los últimos 7 años. En México actualmente se estima queoperan 20, considerando los de propiedad privada y los operados por los municipios.

Estos sistemas no requieren energía eléctrica ni equipos costosos para sufuncionamiento cuando las condiciones topográficas lo permiten, demandan pocacapacitación para sus operadores y por ser un sistema natural sus costos detratamiento son más bajos que los de cualquier tecnología convencional.

En los humedales la materia orgánica es transformada en gases, agua, biomasabacteriana y vegetal. Los sólidos suspendidos son filtrados por las raíces y por el lecho

de grava y arena, con lo que se obtiene agua tratada apta para diferentes tipos dereúso.

Se diseñan básicamente para el tratamiento de caudales pequeños (comunidadesmenores de 5,000 habitantes o gastos entre 3 y 6 lps por módulo) por lo que puedeaprovecharse esta tecnología para el tratamiento de las aguas residuales generadas enáreas rurales.

No es muy amplia la información que se tiene en el país de la evaluación y elfuncionamiento de los humedales.

En este trabajo se realiza la evaluación de dos de estos sistemas en el que se tienencomo objetivos obtener sus eficiencias de remoción de contaminantes, obtener suslistas de especies vegetales, identificar los principales problemas de operación ymantenimiento y generar alternativas de solución.

MÉTODO

Selección de los sistemas de tratamiento.

Se visitaron 11 sistemas de los cuales se seleccionaron dos tomando como base lossiguientes criterios: ser de interés para el organismo operador, encontrarse enoperación y en buen estado y que el agua residual fuera de tipo municipal o doméstica.Los sistemas seleccionados fueron el de Cementos Apasco, Planta Orizaba enIxtaczoquitlán, Veracruz (aguas residuales de tipo doméstico) a la que en lo sucesivo sele llamará planta Orizaba, y el de San José de Quilehtla, Tlaxcala (aguas residuales detipo municipal) que se nombrará como planta Quilehtla.

Muestreo e identificación de especies.

Las muestras se tomaron, preservaron y analizaron con base en las técnicas descritasen los métodos estandard (Cleseceri, et al.1998), se tomaron en las entradas y salidasde los procesos para evaluar sus eficiencias. Los parámetros de campo fueron: gasto,pH, conductividad, temperatura del agua y oxígeno disuelto. Los parámetros delaboratorio fueron los que se indican en la tabla 2. La frecuencia de muestreo fue decada cuatro horas (seis muestras por día para formar la muestra compuesta) durantecinco días. Se colectaron e identificaron las especies vegetales de ambos sistemas y sedeterminó su densidad con la técnica de cuadrantes (Mueller-Dombois, 1974).

RESULTADOS

Con el objeto de facilitar la presentación, se incluyen los datos del proyecto, descripcióndel sistema, ubicación de los puntos de muestreo, análisis de resultados, listas deespecies, análisis del diseño y problemas de operación y mantenimiento para cada unode los dos sistemas evaluados.

Planta Orizaba

Los datos de proyecto de la planta Orizaba son los siguientes:Población del proyecto 350 personas, aportación 100 l/hab/d, 81.4 l/hab/d, gasto promedio28.5 m3/d, temperatura promedio del mes más frío 17°C, coliformes fecales 10E08NMP/100 ml, DBO5 (considerando 45 g/ hab d = 45/81.43 l/hab d) 550 mg/l. No sepresentan condiciones para el efluente ni en DBO ni en CF.

Descripción del sistema y ubicación de los puntos de muestreo.

La planta de tratamiento está integrada por cuatro procesos: Fosa séptica y dos módulos,cada uno formado por una celda purificadora con plantas enraizadas y flujo libre decaudal, una laguna y una segunda celda purificadora con características idénticas a laanterior. El agua tratada (puntos 5 y 8) es descargada en un estanque con peces. En lafigura 1 se ubican los puntos de muestreo (entradas y salidas de los procesos).

1 Influente (agua cruda), entrada a la fosa séptica2 Entrada a la primer a celda purificadora de los dos módulos

Módulo A3 Salida de la primera celda purificadora y entrada a la laguna.4 Salida de la laguna y entrada a la segunda celda purificadora.5 Efluente del módulo A

Módulo B6 Salida de la primera celda purificadora y entrada a la laguna.7 Salida de la laguna y entrada a la segunda celda purificadora.8 Efluente del módulo B

Figura 1 Ubicación de los puntos de muestreo. Planta Orizaba

Resultados de mediciones de campo.

El caudal medido varió de 0.48 lps a 1.6 lps. El promedio del gasto del sistema fue de1.25 lps, el cual es más de tres veces el gasto de diseño (0.33 lps), por lo que la plantase encontró operando por encima de su capacidad de tratamiento. Una razón delincremento del gasto durante el periodo de muestreo fue la presencia de lluvia. Alobtener un promedio por módulo se tiene que por el módulo A pasa un gasto de 0.648lps (56 m3/d) y por el B 0.605 lps (52.7 m3/d), es decir, ligeramente mayor por el móduloA, debido a que el vertedor de distribución de gasto se encuentra ligeramentedesnivelado.

Los resultados de pH, oxígeno disuelto, temperatura y conductividad se presentan en latabla 1. En la figura 2 se presentan las gráficas de pH y oxígeno disuelto.

Tabla 1 Resultados de pH, oxígeno disuelto, temperatura y conductividad de la planta Orizaba.

Punto demuestreo pH

Oxígenodisuelto(mg/l)

Temperatura(°C)

ConductividadEléctrica(dS/m)

P1 6.974 0.8922 23.216 407P2 7.086 0.6682 23.372 399

Módulo AP3 9.092 7.3406 25.114 233P4 9.448 8.5154 25.118 227P5 7.66 2.7596 23.421 341

Módulo BP6 7.984 4.3618 24.704 335P7 8.72 8.3682 24.506 347P8 7.282 2.2246 22.586 325

Figura 2 Resultados de pH y oxígeno disuelto de la planta Orizaba.

6.5

7.5

8.5

9.5

Puntos de muestreo

pH

Módulo A Módulo B

21

6

3 4

7

5

8

0.6

2.6

4.6

6.6

8.6

Puntos de muestreo

O.D

. m

g/l

Módulo A Módulo B

1 2

3

6

4

7

5

8

Los resultados mayores promedio de pH y oxígeno disuelto se encuentran en lospuntos 4 y 7, los que equivalen a las salidas de las lagunas de los dos módulos. Larazón de estos valores se debe a la producción de oxígeno por las algas existentes enlas lagunas. Goldman et al (1974) cita que este efecto se debe a que la velocidad deasimilación de CO2 como fuente de carbono por parte de las algas, para realizar lafotosíntesis, es mayor que la de su producción, dejando libres los iones oxhidrilos, losque al acumularse aumentan el pH. La concentración menor de oxígeno se encuentraen la entrada del sistema, mientras que en los efluentes finales la concentración esmenor de tres mg/l.

La temperatura promedio durante el muestreo fue de 24 °C la cual es favorable para eltratamiento.

Los resultados obtenidos de conductividad eléctrica para los efluentes son menoresde 350 dS/m y por ser menor que 1200 dS/m el agua tratada no restringe su reúso porsalinidad. Se aprecia que los valores del módulo B son más altos que los del A, lo quesignifica que en el módulo B se ha tenido una mayor acumulación de sales.

Resultados de los parámetros de laboratorio y eficiencias de remoción.

Los resultados de los parámetros de laboratorio se presentan en la tabla 2, en la tabla 3sus eficiencias de remoción por sistema y en la tabla 4 el porcentaje de tratamiento porproceso. El análisis de algunos de los parámetros de estas tablas es el siguiente.

La remoción de SST varía entre 12 y 15% (tabla 3) la cual es aparentemente baja yaque la remoción esperada varía entre 70 y 80% para este parámetro (Rivas 1997). Larazón se debe a que se tienen problemas hidráulicos en la segunda celda, en la que porsus márgenes pasa una cantidad de algas proveniente de las lagunas, siendodescargadas en el efluente final incrementando el valor esperado de SST.

La remoción de coliformes fecales esperada es del orden de 99.99%, la obtenida varióde 99.9982 a 99.9990% (tabla 3), lo que indica que la eliminación de patógenos fuebastante buena, lo cual puede deberse a los valores de pH mayores que 9 medidos enlas lagunas.

La eficiencia de tratamiento esperada para la eliminación de nitrógeno amoniacal esde 45 a 65%, la obtenida fue prácticamente del 90% (tabla 3) el cual es también unvalor alto. Una razón probable es que además de las hidrófitas, las algas participan enla remoción de este compuesto, lo que pudo contribuir en el resultado obtenido. Elmismo caso se presenta para la degradación del nitrógeno total, ya que secontemplaba una remoción entre el 65 y 70%, y el valor obtenido fue del 85%.

El fósforo removido varió de 60 a 66%, el valor esperado es de 60 a 80% (tabla 3) porlo cual la eficiencia obtenida se encuentra dentro del rango teórico.

Dos de los parámetros estudiados presentaron una eficiencia negativa, los cloruros y elpotasio, lo cual puede deberse a la acumulación de estos compuestos en las unidades detratamiento durante los años de su operación. En la tabla 2 el valor de cloruros es de16.48 mg/l en el agua cruda (punto 1), de 17.26 mg/l en el punto 5 y 17.68 mg/l en el

punto 8, que son los puntos de salida del sistema. El resultado es que se tiene unincremento de la concentración de cloruros del 4.73% y 7.22% respectivamente. Elpotasio incrementa en un 3.4%.

El porcentaje de remoción de DBO total es prácticamente del 90% (tabla 3) el cual esbastante bueno considerando que se esperaría remover entre un 70 y un 80% demateria orgánica. La dilución que la lluvia provocó es un aspecto que pudo haberinfluido en este valor alto de remoción.

Análisis de la DBO por proceso. Al hacer un análisis del comportamiento de la DBOen cada uno de los procesos de tratamiento se tiene que se obtuvo una remoción del32.7% entre los puntos 1 y 2 (tabla 4).No obstante, es conveniente señalar que la concentración de DBO del agua residualtípica es de 250 mg/l, y el valor obtenido fue de 45.4 mg/l (tabla 2, punto 1), es decir, unagua bastante diluida.

Entre los puntos dos y tres, que corresponden a la primera celda con plantas, se mejorala calidad del agua en un 81.8% (tabla 4). Este es el proceso en el que se realiza lamayor remoción de contaminantes.

Posteriormente entre los puntos tres y cuatro, es decir en la laguna, se disminuye a lamateria orgánica en un 7%. En la segunda celda de plantas (puntos 4 y 5) la remociónes de tan sólo 0.77%, una remoción muy baja comparada con la de la primera celda.Hasta aquí se analizó el módulo A. Para el módulo B se tiene que entre los puntos 2 y6, que corresponden a la primer celda con hidrófitas se remueve el 85.4% de DBO,valor similar al de la primer celda del módulo A. Entre los puntos 6 y 7 se presenta unvalor negativo de remoción (-17.75%), sin embargo, si se consideran los valores de laDBO de estos dos puntos 4.46 mg/l y 5.25 mg/l (tabla 2) la diferencia es pocosignificativa para fines prácticos. De igual modo, hay una pequeña variación de DBOentre los puntos 7 y 8 con una muy leve remoción de 4%.

Del análisis anterior se puede deducir que la mayor parte del tratamiento se realizahasta la primera celda purificadora, y que las unidades posteriores contribuyen con muypoco en la mejoría de calidad del agua en cuanto a la remoción de la DBO.

Tabla 2 Promedios de los parámetros de laboratorio. Planta Orizaba.

PUNTOS DE MUESTREOPARÁMETROS(mg/l, excepto si se indica otraunidad)

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8

Sólidos Totales 531 508.8 366.6 356.2 433.4 467.8 464.8 435.2

Sólidos Suspendidos Totales 67 60.8 73 73 57 94.6 107 59

Sólidos Suspendidos Volátiles 47.2 38.8 35 40 42 35.2 51.8 32.2

Sólidos Suspendidos Fijos 19.8 22 38 33 15 59.4 56 27

Sólidos Disueltos Totales 464 448.2 293.6 283.2 376.4 373.2 357.8 376.2

Demanda Bioquímica de Oxígeno t 45.4 30.57 5.56 5.17 5.13 4.46 5.25 5.04

Demanda Bioquímica de Oxígeno s 26.15 19.12 3.87 4.06 2.85 4.44 3.74 11.68

Demanda Química de Oxígeno t 127.59 49.93 50.44 49.01 27.12 55.36 44.51 27.76

Demanda Química de Oxígeno s 64.24 31.88 30.23 29.98 20.10 25.57 27.17 25.84

Nitrógeno Amon. N-NH3, KJELDHAL 5.98 2.99 0.23 0.308 0.638 0.612 0.464 0.57

Nitrógeno Orgánico, k 4.09 1.44 1.31 1.03 0.87 1.34 1.54 0.83

Nitrógeno Total, k 10.07 4.43 1.55 1.34 1.51 1.95 2 1.40

Fosfatos Totales P-PO4 1.53 0.72 0.11 0.20 0.52 0.67 0.68 0.59

Ortofosfatos O-PO4 1.25 0.46 0.074 0.11 0.462 0.556 0.548 0.48

Detergentes SAAM 4.28 0.02 0.182 0.156 0.168 0.192 0.136 0.202

Cloruros Cl- 16.48 11.55 15.95 19.48 17.26 16.53 17.18 17.68

Nitratos N-NO3 0.518 0.178 0.11 0.15 0.084 0.342 0.496 0.151

Nitritos N-NO2 0.0164 0.06 0.0068 0.008 0.0062 0.54 0.102 0.0068

Alcalinidad Total CaCO3 235.62 227.01 149.52 147.21 204.54 196.77 201.6 201.8

Bicarbonatos 287.45 256.95 133.73 120.67 249.54 240.06 216.74 245.44

Dureza Ca, CaCo3 184.06 199.88 86.65 86.96 129.58 138.72 155.44 143.82

Dureza Mg, CaCo3 17.37 19.08 8.08 12.02 16.26 11.56 14.24 15.14

Dureza Total, CaCO3 201.65 218.96 94.73 98.98 145.84 150.29 169.68 158.96

Sulfatos 37.09 32.25 13.55 14.47 13.69 20.63 19.69 13.25

Potasio 5.8 3.8 5 5.2 6 5.4 5.8 6

Grasas y aceites 105.45 * * * 24.9 * * 34.55

Coliformes fecales, NMP/100 ml 223E07 630E07 134E03 284E02 111E03 230E04 665E03 622E02

Coliformes totales, NMP/100 ml 166E11 282E10 516E03 800E04 894E04 224E03 243E04 243E03

Tabla 3 Eficiencia global de remoción de contaminantes. Planta Orizaba.

PORCENTAJES DE REMOCIÓNPARÁMETROS

(mg/l, excepto si se indica otra unidad) MÓDULO APunto 5

MÓDULO BPunto 8

Sólidos Totales 18.38 18.04Sólidos SuspendidosTotales 14.92 11.94Sólidos Suspendidos Volátiles 11.01 32.20Sólidos Suspendidos. Fijos 24.4 36.36Sólidos Disueltos Volátiles 18.87 18.92Demanda Bioquímica de Oxígeno t 88.69 88.89Demanda Bioquímica de Oxígeno s 89.10 55.30Demanda Química de Oxígeno t 78.74 78.23Demanda Química de Oxígeno s 68.71 59.77Nitrógeno Amoniacal N-NH3, KJELDHAL 89.33 90.47Nitrógeno Orgánico, k 78.67 79.65Nitrógeno Total, k 85.00 86.09Fosfatos Totales P-PO4 65.79 61.50Ortofosfatos O-PO4 63.04 61.6Detergentes SAAM 96.08 95.28Cloruros Cl- -4.73 -7.22Nitratos N-NO3 83.59 70.42Nitritos N-NO2 62.19 58.53Alcalinidad Total CaCO3 13.19 14.61Bicarbonatos 13.18 14.61Dureza Ca, CaCo3 29.59 21.86Dureza Mg, CaCo3 6.38 12.80Dureza Total, CaCO3 27.67 21.16Sulfatos 63.09 64.26Potasio -3.44 -3.44Grasas y aceites 76.38 67.23Coliformes fecales, NMP/100 ml 99.9982 99.9990Coliformes totales, NMP/100 ml 99.9999 99.9999

Tabla 4 Eficiencia de remoción de contaminantes por proceso. Planta Orizaba.

% DE REMOCIÓN POR PROCESOPARÁMETRO

P2 P3 P4 P5* P6 P7 P8**Sólidos Totales 0.284 30.62 0.416 -32.50 12.06 1.187 0Sólidos Suspendidos Totales 18.36 -4.41 -5.76 7.27 -41.76 -9.06 49.35Sólidos Suspendidos Volátiles 20.90 31.03 -33.33 -18.75 21.83 -58.08 44.18Sólidos Suspendidos Fijos 11.76 -86.66 17.85 43.47 -189.3 21.65 55.88Sólidos Disueltos Volátiles -2.767 35.32 1.74 -33.30 19.27 3.602 -13.14Demanda Bioquímica deOxígeno t

32.77 81.81 7.01 0.77 85.41 -17.71 4

Demanda Bioquímica deOxígeno s

27.45 80.50 1.691 30.50 77.28 19.02 -241.6

Demanda Química deOxígeno t

64.93 17.31 15.21 36.01 11.35 11.89 33.52

Demanda Química deOxígeno s 53.58 8.14 3.69 40.00 26.53 -9.73 6.989

Nitrógeno AmoniacalN-H3,KJELDHAL

55.67 92.94 -45.16 -102 80.66 36.47 -48.14

Nitrógeno Orgánico, k 68.75 20.35 13.18 20.56 7.754 7.705 44.59Nitrógeno Total, k 60.903 69.76 3.92 -9.058 57.37 16.58 22.78Fosfatos Totales P-PO4 54.52 86.84 -106.6 -156.9 16.37 -4.185 12.08Ortofosfatos O-PO4 64.82 88.42 -96.00 -336.7 -12.5 4.526 5.172Detergentes SAAM 57.73 90.54 26.19 -8.064 92.11 20.00 -55.35Cloruros Cl- 31.95 -29.55 -24.36 14.06 .32.80 -5.47 -1.15Nitratos N-NO3 50.60 12.68 -3.35 24.32 -239.0 -50.35 69.04Nitritos N-NO2 9.09 -20.0 -45.83 25.71 -1900 -7.5 93.25Alcalinidad Total CaCO3 -1.72 34.27 2.229 -45.96 13.75 -1.96 -4.102Bicarbonatos 7.232 47.95 7.359 -113.3 5.431 12.41 -21.19Dureza Ca, CaCo3 -21.17 52.36 -0.399 -53.62 23.34 -0.784 3.188Dureza Mg, CaCo3 -10.61 54.79 -38.76 -34.23 42.067 5.407 -25.76Dureza Total, CaCO3 -19.84 52.61 -4.079 -51.14 25.22 -0.302 1.059Sulfatos 13.79 59.89 -8.311 6.778 38.81 9.481 30.45Potasio 37.03 -17.64 -5.0 -14.28 -29.41 -9.09 0Grasas y aceites 76.38 67.23Coliformes fecales -182 99.9978 78.8059 -290 99.9634 71.0896 90.6466Coliformes totales 41.5 99.9999 98.564 99.9149 99.9958 92.8632 99.9999

Se analizó la concentración de clorofila "a", en los puntos 4 y 7 (salida de las lagunas).La concentración de clorofila “a” de una laguna facultativa, que es similar a la lagunaexistente en el tren de tratamiento, debe variar entre 500 y 2000 µg/l. Los valoresobtenidos variaron entre 90 y 180 µg/l los que se encuentran por debajo del mínimo de500 µg/l para este tipo de laguna, lo que se debió a que la carga orgánica que recibe esmuy baja, es decir, ante lo limitado de los nutrientes se desarrolla poca población algaly consecuentemente el color es de un verde tenue. Lo anterior afecta la remoción depatógenos, ya que si se desarrollara una mayor población de algas incrementaría el pHy con ello la mortandad de bacterias patógenas.

Lista de especies.

En la tabla 5 se presentan las especies vegetales identificadas en el lecho de plantasacuáticas de Orizaba.

Tabla 5 Lista de especies. Planta Orizaba

NOMBRE COMÚN NOMBRE CIENTÍFICO

PLANTAS EMERGENTES

Tule Typha dominguensis PersTule Thypa latifolia L.Tulillo Scirpus validusCarrizo Phragmites spp (existen varías especies)Junco Juncus eleocharisAlcatraz Zantedeschia aethiopicaGingibre Hedychium coronarium

PLANTAS FLOTANTES

Lentejuelas, lentejilla de agua,chilicastle

Lemna spp.

Lentejilla de agua Wolffia spp.Lirio acuático Eichhornia crassipesNinfa Nymphaea spp,

Durante el tiempo de muestreo la distribución de las especies se encontró del siguientemodo: hacia el cabezal de los lechos de plantas acuáticas se desarrolla el alcatraz(Zantedeschia aethiopica), sin embargo es el tule (Thypa Latifolia L.) la especie quepresenta mayor dominancia (aproximadamente un 98 % del área). Las demás especiesrepresentan un valor cuantitativo poco significante para el tratamiento, incluyendo lasespecies flotantes que sólo se encuentran en pequeños manchones sobre las lagunas.

Evaluación del diseño teórico

En función de que no se obtuvo la memoria de cálculo de la planta de tratamiento deOrizaba se calculó el área con la ecuación de Kadlek (1996) para un sistema de flujosuperficial. Las áreas obtenidas para evaluar el sistema son las siguientes:

Con base en los resultados de laboratorio se tiene que el área actual del sistema (0.164ha) es mucho mayor que el área calculada con los resultados de laboratorio (0.07 ha). Dehecho, de acuerdo con las ecuaciones de diseño de lagunas facultativas, el tratamientopodría realizarse con solamente este proceso, lo que significa que el sistema se encuentrasobredimensionado.

Problemas de operación

El sistema se estaba operando de un modo diferente con respecto al criterio con el quefue diseñado.

El promedio del gasto medido fue de 1.25 lps, el cual es más de tres veces el gasto dediseño.Se está realizando una distribución incorrecta del gasto hacia los módulos por dosrazones: 1) El vertedor que distribuye el caudal se encuentra desnivelado. 2) El tubo de

llegada del agua está ubicado marcadamente hacia la caja del módulo B provocando elpaso de una mayor caudal.

El sistema no incluye pretratamiento.

No se cuenta con una unidad de medición de caudal.

Problemas de mantenimiento

Falta de extracción de las natas flotantes generadas en la fosa séptica las que pudieranproducir malos olores.

Falta de limpieza del tubo de distribución en los cabezales.

Falta de poda y disposición del material podado.

Planta Quilehtla

Los datos de proyecto de la planta Quilehtla son los siguientes: población del proyecto5,0000 personas, aportación 104 l/hb, gasto diario 320 m3/d, temperatura promedio delmes más frío 13°C, coliformes fecales 10E10 NMP/100 ml, contribución de DBO5*(considerando 45 g/ hab d = 45/104 l/hab d) 433 mg/l . No se presentan condiciones parael efluente ni en DBO ni en CF.

Descripción del sistema y ubicación de los puntos de muestreo.

El agua cruda pasa por un pretratamiento compuesto por rejillas (de limpieza manual),pasa a una estructura que funciona como desarenador, de aquí al cárcamo de bombeo elcual envía el agua hasta una unidad con rejillas, las que funcionan como pretratamientohacia el biodigestor (figura 3). Del biodigestor se generan dos líneas de tratamiento:

1) El sobrenadante es distribuido en partes más o menos iguales a las tres celdasubicadas en paralelo, las que tienen como especie dominante al tule (Thypa sp). Elmodelo hidráulico de estas celdas es de flujo subsuperficial con su variante de flujohorizontal. Finalmente los efluentes de las tres celdas se unen en una sola cajacolectora para pasar por un filtro de arena, el que está ubicado dentro de unestanque que contiene lirio acuático para complementar el tratamiento. El efluentefinal es descargado al un arroyo.

2) Los lodos pasan por dos celdas tratadoras de lodos instaladas en paralelo. Estasceldas fueron diseñadas para funcionar con flujo subsuperficial tipo vertical.

Por último, el efluente es descargado al arroyo.

En la figura 3 se muestra la ubicación de los puntos de muestreo.

1 Influente.2 Agua proveniente de pretratamiento por rejillas, “desarenador”, y bombeo.3 Agua proveniente del biodigestor.4 Celda purificadora 1.

5 Celda purificadora 2.6 Celda purificadora 3.7 Efluente de las celdas 1,2 y 3.8 Lodos del biodigestor. Celdas de lodos.9 Efluente de las celdas de lodos.

Figura 3 Tren de tratamiento y ubicación de los puntos de muestreo. Planta de Quilehtla, Tlax.

Resultados de mediciones de campo.

El gasto promedio medido fue de 2.26 lps. Los gastos más pequeños se presentaronprincipalmente por taponamiento de la bomba con basuras. El gasto medio de diseñoes de 3.7 lps y un máximo de 5.8 lps, por lo que el sistema operó durante el muestreocon gasto menor.

En la tabla 6 se presentan los resultados de pH, oxígeno disuelto, temperatura yconductividad de la planta Quilehtla, en la figura 4 las gráficas de pH y oxígenodisuelto.

Tabla 6 Resultados de pH, oxígeno disuelto, temperatura y conductividad de la planta Quilehtla.

Punto demuestreo pH

Oxígenodisuelto(mg/l)

Temperatura(°C)

ConductividadEléctrica(dS/m)

P1 7.3 2.31 17.822 692P2 6.624 0.942 17.692 639P3 6.266 1.288 17.34 736P4 7.304 1.574 18.524 755P5 7.13 1.392 16.08 896P6 7.048 1.82 16.048 774P7 7.218 2.376 16.444 735P8 6.424 1.212 17.21 759P9 7.066 2.048 16.64 822

Figura 4 Resultados de pH y oxígeno disuelto de la planta Quilehtla.

De manera general el pH se encuentra en valor cercano al neutro. Los valores másbajos se presentan en la salida del biodigestor, prácticamente un logaritmo menor, locual es normal por la formación de ácidos grasos que ahí se generan (punto demuestreo 3 de la figura 4). En los puntos 5 y

La temperatura promedio medida fue de 17 °C . La conductividad eléctrica esperadaen las celdas de tratamiento es de aproximadamente 400 dS/m. La obtenida es mayordesde el agua cruda con un valor promedio mínimo de 692 dS/m. El valor de esteparámetro es alto desde el agua cruda y aumenta en los efluentes del sistema. La razóndel incremento está relacionada con la acumulación de sales que durante la operaciónse va obteniendo.

Desde el punto de vista de su reúso el agua tratada puede aprovecharse en riegoagrícola por ser menor de 1200 dS/m, es decir, no restringe su uso por salinidad, sin

0.5

1

1.5

2

2.5

Puntos de muestreo

O.D

. mg/

l

Celda I Celda II

Celda III C. lodos

1

2 3

4

5

6

8

7

9

6

6.5

7

7.5

Puntos de muestreo

pH

Celda I Celda II

Celda III C. lodos

1

2

3

45

68

9

7

embargo, la presencia de sales puede afectar el desarrollo de las plantas ya que puedeacumularse en la zona de las raíces, las plantas gastan más energía en tratar deresolver el problema de ajuste osmótico en sus tejidos para obtener el agua querequiere y consecuentemente queda menos energía disponible para su desarrollo(Metcalf & Eddy, 1979).

La concentración de oxígeno más baja se encuentra en el punto dos (0.942 mg/l)). Enlos efluentes (puntos 7 y 9) se obtuvo una concentración similar a la existente en elagua cruda. Tabla 6

Resultados de los parámetros de laboratorio y eficiencias de remoción.

En la tabla 7 se presentan los resultados promedio obtenidos de los diferentescontaminantes en la Planta Orizaba, en la tabla 8 sus eficiencias de remoción porsistema y en la tabla 9 el porcentaje de tratamiento por proceso.

El valor de DBOtotal obtenido fue de 423 mg/l (tabla 7). La eficiencia de remoción de laDBO fue de 96.48 % para las celdas purificadoras (punto 7) y de 94.22 % para lasceldas de lodos (tabla 8). Wood (1995) refiere un valor esperado de remoción demateria orgánica del 70 %, Rivas (1997) menciona una remoción entre 70 y 80 %, laremoción obtenida fue mayor a los valores esperados.

Crites (1994), cita que la carga de DBO debe ser menor que 0.2 kg/ha.d, el valorobtenido fue de 0.1 kg/m2.d, el cual por ser menor que el recomendado no colmatará elsistema en un futuro próximo.

De igual modo, el mismo autor refiere que la carga de sólidos suspendidos nodebiera exceder de 0.08 Kg/m2.d para evitar taponamientos. La carga obtenida fue de0.0739 kg/m2.d. Con respecto a este parámetro el riesgo de taponamientos es bastantealto, sin embargo no se observaron problemas de colmatación durante la toma demuestras. Los sólidos totales obtenidos, de 1131 mg/l en el agua cruda (punto 1) sonmayores que la concentración típica del agua residual, que varía entre 700 y 800 mg/l.La eficiencia de remoción de sólidos suspendidos, la cual varió entre 84 y 87 %(tabla8), fue mayor a la esperada ( 70 % de acuerdo con Wood, 1995).

La DQOtotal obtenida es casi tres veces mayor que el de la DBO, lo que indica que elagua residual tiene un componente bastante grande de compuestos no orgánicos, losque son generados en alguna industria, de echo el agua residual incluye componentesde granjas porcícolas y de industria textil. La eficiencia de remoción de DQO esperadavaría entre 70 y 80 % (Rivas, 1997), la obtenida varió entre 86 y 92 %, por lo cual elsistema está removiendo de manera eficiente este contaminante.

La remoción de nitrógeno amoniacal en las celdas purificadoras fue de 29.35% la cuales considerablemente menor a la esperada que varía entre 45 y 65%.Es probable que se tenga un déficit de tiempo de retención y de oxigenación pararealizar la nitrificación en estas celdas, sin embargo la remoción de las celdas de lodoses del 85 %, la cual es bastante buena, aunque si se desea remover un porcentajemayor de este contaminante se tendría que construir una celda adicional para

incrementar el tiempo de retención, o bien, construir un sistema de flujo superficial parapulir el agua tratada.

El nitrógeno total obtenido para los efluentes finales (puntos 7 y 8) fue de 33.61 y13.09 mg/l, respectivamente, los cuales de acuerdo con la NOM-001 ECOL-96,cumplen con los límites máximos establecidos para los usos en riego agrícola yurbano, los cuales son de 40 mg/l como promedio mensual y 60 mg/l como promediodiario.

Algunas de las eficiencias son negativas, lo cual puede tener diferentes razones: En elcaso de los cloruros se tiene una eficiencia positiva, aunque pequeña (5.84) en lasceldas purificadoras, sin embargo en las celdas de lodos la eficiencia es negativa (-21.8%), lo que puede deberse a su acumulación en las celdas de lodos. El mismo caso sepresenta para el fósforo total en donde las eficiencias fueron negativas (tabla 8), convalores de - 57 % y - 66%, lo que indica que este nutriente se ha estado acumulando enel sistema. Con respecto a nitritos y nitratos la eficiencia es aparentemente negativa,ya que el incremento de estos compuestos es el resultado normal de la nitrificación-denitrificación.

La remoción de coliformes fecales es del 99.9124% en las celdas purificadoras y99.7400% en las celdas de lodos(tabla 8). La remoción esperada es del 99.9 %, la queprácticamente se obtuvo en las celdas purificadoras, no así en las celdas de lodos endonde la eficiencia obtenida fue ligeramente menor. De acuerdo con las normasactualmente vigentes el agua tratada en el sistema de Quilehtla, por no tener unacantidad menor de 1000 NMP /100 ml, no es apta para los siguientes usos: NOM -003,ECOL 1997, para reúso urbano y NOM -001, ECOL 1996, para reúso agrícola,acuícola, servicios, descarga a aguas y bienes nacionales o a suelos. En la tabla 8 seobserva que los coliformes fecales en ninguno de los casos el valor es menor de 1000para los efluentes del sistema.

Tabla 7 Promedios de los parámetros de laboratorio. Planta de Quilehtla

PUNTOS DE MUESTREOSPARÁMETROSP1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9

Demanda Bioquímica de Oxígeno t 422.8 * 399.6 13.84 20.096 19.09 14.85 376.6 24.43Demanda Bioquímica de Oxígeno s 380.4 * 309.4 12.14 16.39 17.79 59.99 277.22 22.28Demanda Química de Oxígeno t 1254.53 * 956.75 82.58 135.43 105.33 96.62 1431.93 518.81Demanda Química de Oxígeno s 453.32 * 446.68 19.54 19.23 25.55 16.85 458.89 56.16Sólidos Totales 1131.4 1197.8 1135 917 1155.4 990 933.4 1361.8 1135Sólidos Susp. Totales 328 428 284 33 29 40 42 484 50Sólidos Susp. Volátiles 156 248 164 16 10 17 20 212 23Sólidos Susp. Fijos 172 160 120 17 19 23 22 272 27Sólidos Disueltos totales 803.4 789.8 85.1 884 1126.4 950 376.6 877.8 1085Nitrógeno Amoniacal -NH3, KJELDHAL 41.116 8.23 48.19 29.75 43.92 42.64 29.04 47.04 5.87Nitrógeno Orgánico, k 21.63 25.54 13.85 9.05 5.26 5.58 4.56 14.3 7.14Nitrógeno Total, k 62.75 66.71 62.05 33.80 49.19 48.23 33.61 62.16 13.02Nitratos N-NO3 0.52 * 0.29 1.23 0.45 0.79 2.14 0.34 4.17Nitritos N-NO2 0.0068 0.004 0.0054 0.064 0.0206 0.012 0.1266 0.0132 0.293Fosfatos Totales P-PO4 9.22 * 12.82 16.44 16.49 17.03 14.55 13.27 15.37Ortofosfatos O-PO4 7.31 * 11.85 15.78 15.88 16.15 13.44 12.39 14.34Detergentes SAAM 12.53 14.40 32.69 0.82 1.64 9.84 0.70 16.85 2.18Cloruros Cl 68.62 68.02 54.10 64.50 71.97 61.21 64.61 64.50 83.62Alcalinidad Total CaCO3 303.072 290.99 361.74 446.39 400.9 398.24 285.05 372.83 396.85Bicarbonatos 355.018 441.33 594.59 482.71 485.85 363.85 459.85 484.16 *Dureza Ca, CaCo 3 82 97 99 94 86.1 85 103 140 155Dureza Mg, CaCo 3 108 110 140 159 213.9 148 137 204 191Dureza Total, CaCO3 190 207 239 253 300 233 240 1166 326Sulfatos 22.18 10.79 12.70 26.78 31.62 15.96 26.22 17.46 270.86Potasio 24 22.4 25.6 24.4 28.6 25 22.4 22.6 24Grasas y aceites 173.81 123.13 82.5 86.37 133.77 60.98 192.31 78.47Coliformes fecales 225E08 * 177E07 208E07 295E05 266E04 181E04 208E7 341E5Coliformes totales 662E09 * 517E08 209E05 460E05 246E06 626E03 223E08 555E05NOTA. Los promedios son de los cinco días del muestreo* Punto no muestreado

Tabla 8 Eficiencia global de remoción de contaminantes. Planta Quilehtla

PORCENTAJES DE REMOCIÓNPARÁMETROSCELDAS

P7CELDAS DE LODOS

P9Sólidos Totales 17.50 -0.31Sólidos Susp. Totales 87.19 84.75Sólidos Susp. Volátiles 87.17 85.25Sólidos Susp. Fijos 87.20 84.30Sólidos Disueltos Volátiles -10.95 -35.05Demanda Bioquímica de Oxígeno t 96.48 94.21Demanda Bioquímica de Oxígeno s 96.90 94.14Demanda Química de Oxígeno t 92.29 85.92Demanda Química de Oxígeno s 96.28 87.61Nitrógeno Amoniacal N-NH3, KJELDHAL 29.35 85.71Nitrógeno Orgánico, k 78.91 66.96Nitrógeno Total, k 46.43 79.25Fosfatos Totales P-PO4 -57.89 -66.74Ortofosfatos O-PO4 -83.73 -95.98Detergentes SAAM 94.39 82.53Cloruros Cl- 5.84 -21.85Nitratos N-NO3 -307.22 -693.91Nitritos N-NO2 -1761.76 -4208.82Alcalinidad Total CaCO3 1.65 -30.94Bicarbonatos -28.12 100Dureza Ca, CaCo3 -25.60 -89.02Dureza Mg, CaCo3 -26.85 -76.85Dureza Total, CaCO3 -26.31 -28.10Sulfatos -44.63 -122.45Potasio 6.66 0Grasas y aceites 64.91 54.85Coliformes fecales 99.9124 99.7400Coliformes totales 99.9968 99.9978

Tabla 9 Eficiencia de remoción de contaminantes por proceso. Planta Quilehtla

% DE REMOCIÓN POR PROCESOPARÁMETRO

P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9Sólidos Totales -5.86 5.24 19.20 -1.79 12.77 17.76 -13.69 19.59Sólidos Susp. Totales -20.61 35.04 87.17 92.23 85.52 86.18 -11.96 94.27Sólidos Susp. Volátiles -56.52 50.00 87.50 90.27 85.41 83.33 15.97 89.66Sólidos Susp. Fijos 6.25 11.11 88.12 86.62 83.12 85.00 -51.11 95.95Sólidos Disueltos Volátiles 1.69 -7.74 -3.87 -32.36 -11.63 -4.74 -11.14 -19.04Demanda Bioquímica de Oxígeno t 0 17.23 96.03 95.47 93.71 95.78 13.71 93.98Demanda Bioquímica de Oxígeno s 0 16.13 95.82 95.20 94.77 95.72 31.22 91.31Demanda Química de Oxígeno t 0 34.22 93.35 85.42 88.99 89.90 -131.8 94.05Demanda Química de Oxígeno s 0 1.46 95.65 95.69 94.27 96.22 -1.22 87.76Nitrógeno Amoniacal N-H3,KJELDHAL

-0.131 -17.06 38.27 8.86 11.51 39.72 -16.25 87.73

Nitrógeno Orgánico, k 80.07 -249.5 77.29 69.37 73.19 74.44 -332.5 59.49Nitrógeno Total, k 78.73 -365.0 45.52 20.72 22.26 45.83 -365.9 78.09Fosfatos Totales P-PO4 0 -37.50 -24.29 -24.72 -28.75 -10.05 -37.96 -15.83Ortofosfatos O-PO4 0 -64.68 -30.96 -31.82 -34.05 -11.56 -74.82 -12.09Detergentes SAAM -6.48 -17.58 97.96 89.15 71.90 97.57 -18.42 92.38Cloruros Cl- -4.23 19.67 -19.22 -33.03 -13.13 -19.42 4.23 -23.44Nitratos N-NO3 0 4.58 -120.1 -115.3 -183.6 -833.6 -19.26 -1506Nitritos N-NO2 26.47 -8 -1085 -429.6 -196.2 -2614 20 -7725Alcalinidad Total CaCO3 3.98 -24.31 -6.81 -10.60 -10.08 1.008 -28.12 -6.44Bicarbonatos 3.98 -24.31 -5.27 -24.19 -10.08 4.01 -16.85 -16.70Dureza Ca, CaCo 3 -17.56 -3.44 -17.77 4.33 5.55 -18.88 -60.91 -20.71Dureza Mg, CaCo 3 -34.21 0 -55.88 -50.88 -31.37 -34.31 -80.39 -3.804Dureza Total, CaCO3 1.42 3.86 -17.08 -50.75 -27.13 -20.60 -95.16 14.35Sulfatos 62.88 -42.19 -13.00 -221.2 29.36 -156.1 8.204 -518.1Potasio -1.66 -4.918 4.68 -11.71 2.343 7.031 5.737 13.04Grasas y aceites 29.15 33.08 29.85 -8.6 50.47 -56.18 59.19Coliformes fecales * 92.2599 96.6641 97.7862 99.7652 98.8683 95.2732 94.5Coliformes totales 89.9832 99.9107 99.4935 98.3175 99.9758 99.2402 99.9679

* Punto no muestreado

Se realizó el análisis de los huevos de helmintos, de tal manera que en los procesoscomprendidos por las celdas purificadoras el porcentaje de remoción fue del 100 %, noasí en el efluente de las celdas de lodos en donde se removió el 91.2 %.

Lista de especies.

En la tabla 10 se presentan las 14 especies vegetales identificadas en el lecho de plantasacuáticas de Quilehtla. La especie dominante es Typha sp en las celdas purificadoras yArundo donax en las celdas de lodos.

Tabla 10 Lista de especies. Planta Quilehtla

NO FAMILIA GENERO Y ESPECIE1 Araceae Zantedeshia aethiopica (l. ,Spreng)2 Alismaceae Sagittaria Sagittifolia L.3 Umbelliferae Hydrocotyle Umbellata4 Cannaceae Canna L.5 Amaryllidaceae Hymenocallis Sp.6 Araceae Philodendron Sp.7 Cyperaceae Scirpus Californicus (Mey, Stead)8 Phytolaccaceae Phytolacca Icosandra L.9 Typhaceae Thypa Latifolia L.

10 Typhaceae Typha Dominguensis Pers11 Cyperaceae Cyperus Senmiochraceus BuecK12 Cyperaceae Cyperus Odoratus L.13 Gramineae Bromus Carrnatus Hoock14 Gramineae Arundo Dorax L.

Evaluación del diseño teórico

El área real del sistema es de 0.75 h, el área calculada con datos obtenidos en campo esde 0.3 ha y el área calculada con datos del proyecto es de 0.40 ha. De acuerdo con loanterior se tiene que el área real es mayor que las calculadas con los datos del proyecto ycon los resultados obtenidos en campo, es decir, fue sobredimensionada poco menos queel doble, por lo cual funcionará de manera eficiente durante los próximos años, aúncuando incremente la generación de agua residual. Para el cálculo del área con los datosde campo se realizó con la ecuación de Kadleck (1996).

Problemas del diseño físico

No se cuenta con unidades de medición de caudal entre los procesos. Se cuenta con unmedidor digital en el cárcamo de bombeo.

Imposibilidad de tomar muestras en las salidas de las celdas de lodos. El aguaproveniente de las celas de lodos llegan mezcladas a una sola caja receptora, por lo queno pueden analizarse por separado

Deficiente distribución del gasto dentro de las celas. Los tubos recolectores del agua enla caja de distribución se encuentran desnivelados, enviando más agua a una celdas quea otras.

El desarenador no se diseño como tal, aunque contribuye para la remoción de sólidospesados. por lo que una cantidad de arenas y otros sólidos pesados llegan al cárcamo debombeo donde generan problemas de obstrucción de las bombas

Problemas de la operación y mantenimiento.

El caudal observado no siempre coincidió con el indicado en el medidor de gasto.

Poda ineficiente de la vegetación. La vegetación al descomponerse reincorpora losnutrientes a la celda, incrementando la carga orgánica, disminuyendo la eficiencia deremoción de contaminantes.

Áreas sin vegetación dentro de una de las celdas. Las plantas transfieren el oxígeno a losmicroorganismos existentes en las superficies del lecho. Sin plantas no se transfiere eloxígeno y disminuye la eficiencia de remoción de contaminantes.

CONCLUSIONES

Las eficiencias de remoción de contaminantes (DBO, DQO, patógenos, etc.) de los dossistemas estudiados fueron en su mayoría más altos que los referidos en la literatura, porlas mejores condiciones ambientales que se tienen en el país, por lo que se puedeconcluir que el uso de los humedales en México representan una importante alternativapara el tratamiento de las aguas residuales .

Las especies dominantes en ambos sistemas fueron el tule (Typha sp) y Arundodonax (similar al carrizo). Sin embargo se pueden investigar y utilizar otras especiesvegetales, dependiendo de sus tasas de transferencia de oxígeno.

Ambos sistemas presentaron problemas en el diseño físico. En Quilehtla el desarenadorfue mal diseñado y es necesario recircular el agua tratada en las celdas de lodos medianteun equipo de bombeo. En Orizaba no existe pretratamiento y la planta fuesobredimensionada. En ambas plantas no se cuenta con estructuras de derivación (by-pass) ni con unidades de medición de gasto. La instalación de estos procesos puedenfacilitar la operación e incrementar las eficiencias de tratamiento.

Los problemas de operación y mantenimiento más relevantes de los dos sistemasfueron inexistencia o deficiencias en la poda y disposición de la vegetación, así comofallas en la distribución del gasto. Una poda y disposición de la vegetación, con unaprogramación de 4 a 6 veces por año así como una eficiente distribución del caudalpermitirán mejorar la calidad del agua tratada.

La carga orgánica que reciben ambas plantas se encuentran por debajo de la cargaorgánica recomendada para estos sistemas, lo que beneficia sus eficiencias detratamiento.

Los humedales requieren de 5 a 8 días de tiempo de retención para realizar la remociónde contaminantes.

Validez de resultados. Los resultados obtenidos son válidos para las condiciones deoperación encontradas durante las mediciones y tomas de muestras de campo. La

variación de caudal, modo de operación del sistema, concentración de contaminantes yestación del año pueden variar los resultados obtenidos.

AGRADECIMIENTOS

Se agradece a la Dra. Gabriela Mantilla Morales, al Ing. Fernando Pozo Román y a laQ.F.B. Maricarmen Espinoza Bourdet por su apoyo para la realización de losmuestreos.

Al Dr. Firdahus Jhabvala, Director del Centro de Estudios de Investigación del SuresteA. C., por su autorización y apoyo para realizar la toma de muestras en la planta deQuilehtla.

Al Ing. Flavio Oriza, Coordinador del Medio Ambiente de Cementos Apasco, por suapoyo en la toma de muestras de la Planta Orizaba y al Ing. Claudio Sánchez Jiménezy sus alumnos del Instituto Tecnológico de Orizaba por su apoyo en el muestreo de estaplanta.

REFERENCIAS

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Kadlec, R. H., & Knight, R. L. (1996). Treatment Wetlands. Lewis Publishers. BocaRatón. 896 pp.

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