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EVALUACIÓN DE UN PROTOTIPO DE PLANTA DE TRATAMIENTO IN SITU DE AGUASRESIDUALES PARA CASAS HABITACIÓN
Juan Manuel Morgan-Sagastume*, Sebastien Prunier y Adalberto Noyola
Instituto de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México, Apdo.Postal 70-472; 04510,Ciudad Universitaria, Coyoacan, México D.F., México. FAX (5) 616-21-64
*E-mail: [email protected]
RESUMEN
Se llevó a cabo la evaluación de un prototipo de planta de tratamiento para casas habitación. Laplanta de tratamiento consta de un compartimiento receptor de aguas residuales provenientes de unafosa séptica, de dos filtros anóxicos puestos en serie y de una zona empacada aireada con 5compartimientos en serie para la nitrificación del efluente anóxico. Se establece una corriente derecirculación entre el medio aerobio y el anóxico a través de un sistema airlift. La planta detratamiento está diseñada para remover materia orgánica disuelta y en suspensión además denitrógeno con bajos requerimientos energéticos y altas eficacias de tratamiento..Bajo las condiciones específicas de operación de la planta se observó una remoción mayor al 90% enla DQOt, y en los SST y 60% en el nitrógeno total. Para este caso, se estableció un tiempo máximode 6 meses para efectuar la purga de lodos acumulados en la planta. La planta funciona con un solocompresor de diafragma con una potencia de 60 W. La planta de tratamiento presenta característicasque permite una fácil instalación y operación en casas habitación
INTRODUCCIÓN
En los países latinoamericanos existe el grave problema de la disposición de las aguas residualesgeneradas en centros urbanos, industriales y agrícolas. En el caso de las aguas residualesdomésticas, el problema se agrava al no contar parte de la población con drenaje, situación que sepresenta cuando éste tiene un alto costo de construcción por la naturaleza del terreno o cuando laszonas pobladas crecen a una tasa mayor que los servicios de urbanización.Bajo las condiciones sociales y económicas así como las ambientales, el medio latinoamericanoexige que se consideren en el diseño de micro plantas de tratamiento los siguientes rubros:• Que la planta de tratamiento posea dimensiones que permitan su instalación y operación a nivel
unifamiliar y con márgenes de crecimiento en caso de incremento en el gasto domiciliario.• La planta de tratamiento deberá ser económica en su inversión y sobretodo en los recursos
destinados a su operación y mantenimiento.• Que opere con eficacias tales que cumpla con la normatividad vigente.• Que las condiciones de mantenimiento preventivo y correctivo sean mínimas y puedan ser
efectuadas en su mayor parte por los propios usuarios.• Que la planta de tratamiento no provoque molestias al usuario en relación con ruido, proliferación
de insectos y malos olores.• Que cuando se requiera, y con mínima complejidad adicional, pueda producir un agua con calidad
adecuada para reúso
El objetivo del trabajo fue diseñar, construir y operar un prototipo de planta de tratamiento de aguasresiduales para ser aplicada in situ al control de las descargas líquidas de casas habitación y conello obtener y evaluar las principales variables de diseño del prototipo así como tratar de darcumplimiento a las especificaciones generales mencionadas. Se presentan resultados que resuelvengran parte de los problemas encontrados en una investigación anterior (Marquez et al., 1998).
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METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
Diseño conceptual de la planta de tratamiento
El diseño contempla la combinación de dos medios biológicos: el anaerobio y el aerobio. La planta detratamiento consta de 4 regiones de tratamiento, es decir, una zona de entrada de aguas residuales,dos reactores desnitrificantes tipo filtro anaerobio puestos en serie, un filtro aerobio sumergidonitrificante dividido en 5 zonas en serie y un sedimentador secundario. Todas esta zonas sonintegradas en un diseño compacto bajo una geometría cilíndrica que permite condicioneshidrodinámicas adecuadas, ahorro de espacio y estabilidad estructural (Figura 1).
a) Zona de entrada de aguas residuales. En esta zona se retienen los sólidos sedimentablescontenidos en el agua residual para su almacenamiento y digestión. Esta zona recibe la descarga deagua residual proveniente de una fosa séptica convencional que se recomienda instalar en el tren detratamiento. En ella se lleva a cabo la separación de grasas y aceites, la sedimentación de sólidos yla degradación parcial de la materia orgánica. Además, posee la función de homogeneizar el aguaresidual previo a su ingreso a los compartimientos tipo filtro anaerobio.
b) Zona desnitrificante tipo filtro anaerobio. Una vez que el agua residual atraviesa la zona de entradade aguas residuales, ingresa a la zona desnitrificante constituida por dos reactores tipo filtroanaerobio puestos en serie en donde se removerá en un 60 a 70 % el contenido de material orgánicodel agua residual; el empaque utilizado son anillos de plástico.
c) Filtro sumergido nitrificante. Después de la zona desnitrificante, el agua ingresa a una cámaraaireada empacada con anillos de plástico. Esta zona empacada está dividida en 5 secciones puestasen serie .(Figura 1) que permiten la circulación del agua alternando flujos ascendentes ydescendentes con una tendencia a condiciones de flujo pistón. La aireación se proporciona por mediode un compresor de diafragma silencioso y de bajo mantenimiento.
d) Zona de sedimentación. En esta zona se eliminan los sólidos suspendidos provenientes de la zonaaerobia nitrificante, previo a la salida del agua tratada.
e) Recirculación de agua. Se establece una corriente de recirculación de agua entre el sedimentadory el primer filtro anaerobio con el objeto de suministrar nitrógeno oxidado a la zona desnitrificante y derecircular biomasa con fines de digerirla. La recirculación de agua se lleva a cabo por medio de unsistema “airlift” accionado por el mismo compresor de aire.Adicionalmente, la planta posee tubos localizados para facilitar la purga de los lodos acumuladosmediante succión.
Materiales
El prototipo posee un volumen neto total de 1016 L con una capacidad de tratamiento de 1 a 2m3/d(de 5 a 10 personas). La planta de tratamiento está calculada para el manejo de agua residualdoméstica con concentraciones típicas de DQO, DBO5 y SST de 500, 220 y 220 mg/Lrespectivamente.La planta de tratamiento fue fabricada en fibra de vidrio y acoplada en un tinaco de polietileno de altadensidad de 1100 L para proporcionar firmeza a su estructura.. En el compartimiento correspondientea la entrada de agua residual se introdujo una malla gruesa de material plástico con el objeto deretener sólidos gruesos. El empaque utilizado en el filtro sumergido aerobio y en los filtros anaerobiosfue el constituido por anillos de plástico con una relación área volumen del orden de 100 m2/m3.Para recircular el agua tratada entre las zonas desnitrificante y nitrificante se utilizó un tubo de PVCde 1” de diámetro. Tanto para airear la planta como para accionar el “airlift” se utilizó un compresor dediafragma de 60 W de potencia.
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FIGURA 4
Zonas aerobiasnitrificantes
Zonas anaerobiasdesnitrificantes
Entrada deagua residual
Recirculaciónde agua
Salida de aguatratada
Tubos parapurga delodos
Zonas aerobiasnitrificantes
Tubos parapurga delodos
Figura 1 Vista del prototipo
Método
La planta de tratamiento fue instalada en la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de CiudadUniversitaria de la UNAM, en donde, bajo condiciones controladas de operación, fue posibledeterminar lo siguiente:
• La remoción de materia orgánica bajo condiciones de flujo constante y variable
• La remoción de nitrógeno bajo condiciones de flujo constante y variable
• La operación del sistema de recirculación de agua entre los compartimientos aerobios yanaerobios
• La operación del sistema de aireación
• La producción de lodo
• La remoción de materia orgánica y nitrógeno con la presencia de detergente
Con el objeto de controlar y dar seguimiento a la operación de la planta de tratamiento se efectuaronrutinariamente los siguientes análisis fisicoquímicos: demanda química de oxígeno total (DQOt),demanda química de oxígeno soluble (DQOs), sólidos suspendidos totales (SST), sólidossuspendidos volátiles (SSV), sólidos suspendidos fijos (SSF), nitrógeno total Kjeldahl (N-NTK),nitrógeno amoniacal (N-NH4
+), nitratos (N-NO3-), nitritos (N-NO2
-), oxígeno disuelto, alcalinidad y pH.Los análisis fisicoquímicos rutinarios fueron realizados de acuerdo con los métodos estándar (APHA,AWWA, WPCF, 1989).
Flujos aplicados y simulación de la descarga de aguas residuales de una casa habitación
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La planta de tratamiento fue operada con distintos caudales de agua residual y de recirculación deagua entre las zonas aerobia y anóxica.Las fechas y los caudales se especifican en la Tabla 3.1.
TABLA 1 FLUJOS DE AGUA RESIDUAL Y DE RECIRCULACIÓN UTILIZADAS A LO LARGO DE LAEXPERIMENTACIÓN
Fechas de inicio Flujo de agua residual(m3/d)
Recirculación de agua(m3/d)
21/04/97 1 205/05/97 2 406/06/97 8 215/07/97 1 205/08/97 5 222/08/97 1 223/09/97 2 431/10/97 Simulación 206/03/98 al 22/04/98 1 (con detergentes) 2
El flujo de simulación que se utilizó en la etapa experimental correspondiente se presenta en laFigura 2.
0
1
2
3
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24Horas del dia
Fluj
o (m
3/d)
Figura 2 Simulación de la descarga de aguas residuales de una casa habitación aplicada durante laexperimentación (Flujo promedio diario 1.3 m3/d).
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RESULTADOS
Eficacia de remoción de DQOt y SST.
En las Figuras 3 y 4 se presentan las variaciones de la DQOtotal, y SST respectivamente en funciónde la variación de caudales efectuados durante la experimentación.
0
100
200
300
400
500
600
700
0 20 40 60 80 100 120 140
datos
mg/
l
DQO(t) 1
DQO(t) 2
DQO(t) 3
flujo: 1m3 /d
Air-lift: 2m 3 /d
flujo: 2m3/d
Air-lift: 4m 3 /d
flujo: 8m3 /dAir-lift: 2m 3 /d
flujo: 1m3/dAir-lift: 2m 3/d
flujo: 5m3/dAir-lift: 2m 3/d
flujo: 1m3/dAir-lift: 2m 3 /d
flujo: 2m3 /d
Air-lift: 4m 3 /d
05 /05/97 06/06/97 15/07/97 05/08/97 22/08/97 23/09/97 31/10/97
flujo: simulaciónAir-lift: 2m 3 /d
22/04/98
flujo: 1m3 /dAir-lift: 2m 3 /ddetergentes
06/03/98 21/04/97
Figura 2. Variación de DQOt bajo distintas condiciones de operación en la entrada de aguas residual(1), en la salida de filtro anaerobio desnitrificante (2) y en la salida de la planta de tratamiento (3).
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0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 20 40 60 80 100 120 140
datos
mg/
l SST (1)
SST (2)
SST (3)
flujo: 1m 3 /dAir-lift: 2m3/d
flujo: 2m3 /dAir-lift: 4m3 /d
flujo: 8m3 /dAir-lift: 2m3 /d
flujo: 1m 3 /dAir-lift: 2m3/d
flujo: 5m 3/dAir-lift: 2m3 /d
flujo: 1m3 /dAir-lift: 2m3 /d
flujo: 2m 3/dAir-lift: 4m3/d
21/04/97 05 /05/97 06/06/97 15/07/97 05/08/97 22/08/97 23/09/97 31/10/97 06/03/98
flujo: simulaciónAir-lift: 2m3/d
flujo: 1m 3/dAir-lift: 2m3 /ddetergentes
22/04/98
Figura 3. Variación de SST bajo distintas condiciones de operación en la entrada de aguas residual(1), en la salida de filtro anaerobio desnitrificante (2) y en la salida de la planta de tratamiento (3).
Como es posible observar en las Figuras 2 y 3, las eficacias de remoción de DQOt, para el flujo dediseño correspondiente a 1 m3/d, se encuentran por arriba del 90%. Se experimentó con el doble delflujo de diseño manteniendo constante la tasa de recirculación de 1:2, donde se observó una eficaciade remoción promedio del 80%.En el siguiente experimento, la planta fue sometida a una carga hidráulica alta correspondiente a 8veces la carga hidráulica de diseño, obteniéndose con ello un promedio de eliminación de DQOt de65% y con disminuciones en la eficacia de remoción de DQOt hasta 40%. El porcentaje deeliminación de SST, independientemente de la condición de flujo utilizada, a excepción de la de 8m3/d, fue superior al 90%. En la Figura 3, es posible observar un incremento exponencial en laconcentración de sólidos en el efluente (2) correspondiente a la salida de la zona desnitrificante. Estose explica por la acumulación de sólidos en el compartimento al cabo de 6 meses de operación. Laplanta fue purgada en ese momento (dato 90 en la Figura 3) reflejado ésto en el decremento repentinode la concentración de SST en la salida de la zona desnitrificante.El comportamiento de la planta de tratamiento con el flujo de simulación de agua correspondiente auna casa habitación fue similar al comportamiento presentado con el flujo de diseño, lo que implicaque la planta de tratamiento tiene la capacidad de absorber las variaciones bruscas en el caudal ycarga orgánica, requisito indispensable para la aplicación de la planta en una casa habitación.En la fase final de la experimentación, se evaluó la respuesta de la planta sobre la remoción de DQOten presencia de altas concentraciones de detergentes. Para ello se utilizó una cantidad de detergenteequivalente al doble de la utilizada por una lavadora doméstica de ropa. Bajo estas condiciones, laremoción de DQOt no fue sensiblemente afectada.
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La zona de filtros anaerobios se caracterizó por una constante expulsión de sólidos a razón de10±10kg SST por semana como promedio, los cuales ingresan a la zonas aerobia. Por otro lado, alconsiderar un balance de SST sobre un sistema que abarca toda la planta de tratamiento sinconsiderar la degradación y generación de lodo dentro del sistema sino únicamente su acumulación,se encuentra que la planta de tratamiento acumula 1.35±1.09 kg SST por semana.La planta de tratamiento fue purgada en la semana 38, tanto en la parte aerobia como en laanaerobia, encontrándose 4.5 kg de SST en la totalidad de la planta como materia en suspensión ysedimentada.Es claro que la planta de tratamiento, además de depurar el agua residual, digiere parcialmente ellodo producido en y adicionado a la planta de tratamiento. La digestión del lodo se lleva a cabofundamentalmente en los primeros compartimientos de la zona aerobia. Si a lo largo de 38 semanas,teóricamente se acumularon 70 kg de SST y al purgar la planta de tratamiento se encuentran 4.5 kgde SST (2 kg de SST en la zona aerobia y 2.5 kg en la anaerobia) significa una capacidad dereducción de lodo suspendido del 94%.A continuación se muestra en la Tabla 2 la caracterización parcial del lodo sedimentado en distintaspartes de la planta de tratamiento.
TABLA 2 CARACTERIZACIÓN PARCIAL DEL LODO SEDIMENTADO EN DISTINTAS PARTES DELA PLANTA DE TRATAMIENTO
Lugar SSV (%) SSF (%) Vel. máx de sedimentación(m/h)
IVL (ml/g SST)
Zona de recepción 65 35 5.4 38.2Zona anaerobia 60 40 6.0 30.6Zona aerobia 80 20 2.5 96.13Sedimentador 78 22 3.4 68.3
Con la información de la Tabla 2 es posible determinar el volumen de lodo extraído. Al término de 38semanas de operación (9.5 meses) se extrajeron 76.5 litros de lodo sedimentado en la zonaanaerobia y 192.2 litros de lodo sedimentado en la sección aerobia, que dan un total de 268.7 litros.En la Figura 4 se observa la biomasa adherida al empaque en la zona aerobia.
Figura 4 Fotografía que muestra la biomasa desarrollada sobre el empaque correspondiente a lazona aerobia de la planta de tratamiento.
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Remoción de nitrógeno
En la Figura 5 y 6 se presenta la variación de N-NH4+ y de N-NOx- en la entrada y salidas de la zona
anaerobia y de la planta, respectivamente.
0
10
20
30
40
50
60
70
0 20 40 60 80 100 120 140 160
datos
mg/
l
NH4 (1)
NH4 (2)
NH4 (3)
flujo: 1m3/d
Air-lift: 2m 3 /d
flujo: 2m3/dAir-lift: 4m 3/d
flujo: 8m3 /dAir-lift: 2m 3 /d
flujo: 1m3 /d
Air-lift: 2m 3/dflujo: 5m3/dAir-lift: 2m 3/d
flujo: 1m3 /dAir-lift: 2m 3 /d
flujo: 2m3 /dAir-lift: 4m 3/d
21/04/97 05 /05/97 06/06/97 15/07/97 05/08/97 22/08/97 23/09/97 31/10/97 06/03/98
flujo: simulaciónAir-lift: 2m 3 /d
22/04/98
flujo: 1m3/dAir-lift: 2m 3/ddetergentes
Figura 5. Variación de NH4+ bajo distintas condiciones de operación en la entrada de aguas residual
(1), en la salida de filtro anaerobio desnitrificante (2) y en la salida de la planta de tratamiento (3).
La eliminación de nitrógeno se lleva a cabo a través de la interacción entre las zonas aerobia yanaerobia de la planta de tratamiento, efectuada por la recirculación de agua. La tasa de recirculaciónde diseño es de 1:2 por lo que corresponde a un flujo de 2 m3/d.Para el flujo de diseño (1 m3/d) se presentan remociones de N-NH4
+ cercanas al 100%, inclusive paraun flujo de 2 m3/d. Sin embargo, y como es de esperarse, la capacidad de nitrificación decae almanejar flujos tan altos como 8 m3/d. Para el flujo de diseño, en el agua tratada se obtienenconcentraciones de N-NH4 + menores a 5 mg/L y una concentración de nitrógeno oxidado (N-NO3
- +N-NO2
-) menor a 20 mg/L. La concentración de oxígeno disuelto en las cámaras aerobias osciló entre2 y 4 mg/L. La remoción global de nitrógeno total en la planta se encuentra entre 60 y 70%. Un mayorflujo de recirculación incrementaría en principio estos valores, pero también incorporaría más oxígenodisuelto a las zonas anóxicas, lo cual afectaría la desnitrificación. La tasa de recirculación de aguafue fijada considerando los resultados obtenidos por Morgan-Sagastume et al., (1994).
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Una concentración de oxígeno disuelto alto en las cámaras aerobias favorece tanto la remoción demateria orgánica como la nitrificación pero no así la desnitrificación que se lleva a cabo en elcompartimiento anaerobio (que en realidad mantiene condiciones anóxicas) debido a la conexiónexistente entre ambos. Por ello, es conveniente no saturar de oxígeno la cámara aerobia. Se observóque una concentración de oxígeno disuelto entre 4.0 y 4.5 mg/L favorece tanto la oxidación demateria orgánica como la nitrificación y la desnitrificación en la planta de tratamiento.
NOx
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50
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70
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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160
Datos
mg
/L NOx (1)
NOx (2)
NOx (3)
flujo: 8m 3/d
Air-lift: 2m 3/d
flujo: 1m3/d
Air-lift: 2m 3/d
flujo: 5m 3/d
Air-lift: 2m 3/d
flujo: 2m 3/d
Air-lift: 4m 3/d
06/06/97 15/07/97 05/08/97 22/08/97 23/09/97 31/10/97 06/03/98
flujo: simulación
Air-lift: 2m 3/d
flujo: 1m 3/d
Air-lift: 2m 3/ddetergentes
22/04/98
flujo: 1m3/d
Air-lift: 2m 3/d
Figura 6 Variación de nitrógeno oxidado en el influente a la planta de tratamiento (1), en la salida dela zona anaerobia (2) y en la salida de la planta (3)
Operación sin aireación
Al suspender el aire proporcionado por el compresor, se evita la oxigenación de zona aerobiatransformándose ésta en una zona anóxica y luego anaerobia; además cesa de operar larecirculación de agua. Durante tres meses se trabajó la planta de tratamiento sin la acción delcompresor en donde el proceso de tratamiento fue transformado en zona de recepción de agua, en unfiltro anaerobio con 7 zonas puestas en serie (2 que ya contenía, mas las 5 aerobias que setransforman en anaerobias) y en un sedimentador secundario.Las eficacias de remoción de contaminantes promedio se muestran en la Tabla 3. La planta estuvooperando con el flujo de diseño (1 m3/d) sin la recirculación de agua.
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TABLA 3 RESULTADOS PUNTUALES DE OPERACIÓN DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO SINAIREACIÓN.
1 2 % rem de 1 a 2 3 % rem de 2a 3
% rem de1 a 3
PH 7.37 7.40 - 7.49 - -Alcalinidad (mgCaCO3/L) 264 652 - 360 - -DQOt (mgO2/L) 441 364 17 230 37 48DQOs (mgO2/L) 243 179 26 121 32 50SST (mg/L) 148 124 16 24 81 84SSV (mg/L) 133 111 16 22 80 83SSF (mg/L) 15 13 13 2 84 86N-NTK (mg/L) 55 30 45 27 10 51N-NH4
+ (mg/L) 18 21 -16 21 0 -16N-NO3
- (mg/L) <2 <2 0 <3 - -N-NO2
- mg/L) <1 <0.5 50 <0.5 - -NOTA: 1: agua residual influente, 2: efluente de los primeros dos compartimientos de la zonaanaerobia, 3: efluente de la planta de tratamiento, % rem: porcentaje de remoción, -:sin dato.
Al comparar los resultados de una operación netamente anaerobia con la operación de la planta detratamiento del diseño original es apreciable la ventaja de mantener la aireación en el sistema. Sinembargo, si por alguna razón llegara a fallar el compresor y su compostura o reemplazo tardara algúntiempo, es posible esperar un comportamiento similar al reflejado en la Tabla 3. La planta, bajo estacircunstancia, no dejaría de operar en ningún momento aunque lo haría con una eficacia menor.
Comparación con otras plantas de tratamiento para casas habitación
Los antecedentes conocidos sobre el estado de la técnica en materia de tratamiento de aguasresiduales especialmente aplicados para casas habitación se refieren a sistemas que involucran ensu tren de proceso fosas sépticas con sistemas aireados, en la gran mayoría de tipo lodo activado yzonas empacadas aireadas orientados a la eliminación de materia orgánica básicamente.La planta en cuestión, a diferencia de las plantas de tratamiento que comúnmente se encuentran enel mercado, combina una zona de digestión anaerobia de alta tasa por medio de 2 cámaras de filtrosanaerobios seguida de una zona aerobia conformada por más de dos compartimientos en serie quepermiten la extensión de la aireación para llevar a cabo la nitrificación. A su vez, la recirculacióninterna permite la desnitrificación. Los compartimientos de la planta de tratamiento están diseñadosde tal forma que permiten una adecuada distribución del agua a través del tren de tratamientodisminuyendo considerablemente las zonas muertas dentro de los tanques de tratamiento. Todos loscompartimientos están integrados en un diseño compacto que demanda bajo espacio para suubicación y facilita su operación y mantenimiento.Se han identificado algunas plantas de tratamiento paquete que se ofertan en el mercado mexicano.En la Tabla 4 se presentan las características de estas plantas de tratamiento y se compara con laplanta de tratamiento desarrollada y evaluada en este trabajo. La información concerniente a estasplantas de tratamiento fue extraída de sus catálogos comerciales.En la Tabla 4 es posible observar que la gran mayoría de las plantas de tratamiento cuenta con unazona de recepción de agua residual cruda dentro de lo que se considera la planta de tratamiento ensi, bajo el marco de un diseño compacto en el cual en un sólo tanque se involucran las distintasfases del tratamiento. En este sentido, las plantas correspondientes a los números 3, 5 y 10 en laTabla 4 especifican un tanque receptor de agua residual o fosas sépticas convencionales como unaunidad extra a lo que es en si la planta paquete de tratamiento de aguas, lo cual es también unaespecificación de la planta aquí descrita (planta 13).
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Ninguna planta, a excepción de la planta 3, poseen una zona de tratamiento basado en un reactoranaerobio de alta tasa como es el filtro anaerobio. La planta No. 3 denominada BRAIN basa eltratamiento del agua residual únicamente en un tratamiento anaerobio lo cual limita su eficacia deremoción de contaminantes. A diferencia de las demás plantas de tratamiento, la planta de estetrabajo cuenta con 2 zonas en serie basadas en filtros anaerobios que le proporcionan mayorcapacidad en absorber picos orgánicos y limitar la producción de lodos biológicosPor otro lado, también es posible observar que la mayoría de las plantas basan el tratamiento delagua únicamente en procesos aerobios como son el lodo activado, el filtro percolador y el filtrosumergido. A diferencia de estas plantas, la planta paquete materia de este trabajo basa sutratamiento en la combinación de procesos anaerobios y aerobios de alta tasa (2 Filtros anaerobiosasociados con al menos 2 zonas aireadas tipo filtro sumergido) que proporcionan versatilidad para laadaptación de la planta paquete a condiciones fluctuantes en la concentración de materia orgánica,tipo de contaminantes y caudales de agua residual.La recirculación de agua entre la zona aerobia y la anaerobia en la planta paquete de este trabajopermite llevar a cabo la eliminación parcial de nitrógeno del agua por medio de la nitrificación ydesnitrificación. La Planta No. 6 lleva a cabo la nitrificación y desnitrificación pero a través de unsistema completamente mezclado de operación en lote. Las demás plantas de tratamiento noreportan en sus respectivos documentos la capacidad de desnitrificar y sólo algunas nitrifican, lo quesólo implica la oxidación del nitrógeno amoniacal mas no la eliminación del nitrógeno del agua.Las plantas 7 y 12 en la Tabla 4 efectúan la recirculación de agua y lodo sedimentado a la zona derecepción de agua crudas por medio de bombas en el primer caso y de un sistema “airlift” en elsegundo con la intención de almacenar y digerir el lodo.La interacción sustrato microorganismo en una fosa séptica es pobre por lo cual no se logran altosrendimientos en la desnitrificación. A diferencia de estas plantas, la planta paquete de este trabajo,establece una corriente de recirculación de agua, por medio del sistema “airlift”, de la zona aerobia ala anaerobia. En estas condiciones, los reactores anaerobios de alta tasa (2 filtros anaerobios)poseen una excelente interacción sustrato microorganismo, lo cual favorece el proceso dedesnitrificación y eliminación de materia orgánica en suspensión y soluble.Además, si el compresor llegara a fallar, la planta de tratamiento se transforma en un sistemaanaerobio con las eficacias de remoción ya especificadas con anterioridad.
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TABLA 4 COMPARACIÓN DE DISTINTAS TECNOLOGIAS CON LA PLANTA PAQUETE EN CUESTIÓN.No. Nombre Zona de
recepción deaguas crudasdentro delcuerpo de laplanta
FiltroAnaerobio
Zonaaerobia
Sedimen-TaciónSecun-daria
Recirculación deagua entre zonasaerobias yanaerobias dealta tasa (con“airlift”preferentemente)
Nitrificación
Desnitrificación
No. deequiposrotatoriosinvolucrados
%remociónde DQOtotal
Modo deoperación
1 Aeroclere Si No Filtro sumergido Si No Si No 2 >95 Continuo2 AeroPaqC Si No Filtro sumergido Si No No No 2 >95 Continuo3 Brain No Si
(1 zona)ninguna Si No No No ninguno 60-80 Continuo
4 Bioclere Si No Filtro percolador Si No Si No 3 >90 Continuo5 Biocompact No No Lodo activado Si No Si No 4 >95 Continuo6 Cromaglass Si No Lodo activado Si Si (en lotes) Si Si 5 >95 Lote7 FiltaclereP Si No Filtro percolador Si No No No 2 >95 Continuo8 JetBat Si No Lodo activado +
Filtro sumergidoSi No Si No 1 >95 Continuo
9 Nautilus Si No Filtro percolador Si No No No 3 >90 Continuo10 Nayadic No No Lodo activado Si No No No 1 >95 Continuo11 Sewpac Si No Filtro percolador Si No Si No 2 >95 Continuo12 Wpl-HIPAF Si No Filtro sumergido Si No Si No 1 >95 Continuo13 Planta
descrita eneste trabajo
Si Si(2 zonas)
Filtrossumergidos(7 zonas en serieen el arreglopreferido)
Si Si Si Si 1 (En elarreglopreferido)
>95 Continuo
13
Costos
El costo para la construcción de la planta de tratamiento se desglosa en la Tabla 5.
TABLA 5 COSTOS DE INVERSIÓN PARA EL PROTOTIPO DE PLANTA DE TRATAMIENTO.PARÁMETRO COSTO EN USDEstructura de fibra de vidrio 1,000Empaque con anillos de plástico prefabricados (1 m3) 245Compresor de aire 1,110Accesorios 35TOTAL 2,390
Nota: 9 pesos mexicanos/dólar estadounidense (a julio de 1998)
Con el propósito de poseer un marco de referencia, el costo del sistema BRAIN y Bioclere (Tabla 4,renglones 3 y 4) para un flujo de 1 m3/d de casas habitación, poseen un costo de aproximadamente 1,600 y6,200 USD, respectivamente.El costo relacionado con la estructura de fibra de vidrio podría reducirse cuando el número de plantasfabricadas sea mayor (producción en serie).El compresor es el componente con mayor costo, el cual podría reducirse al entablar un arreglo comercialcon el fabricante extranjero (EEUU).Al comparar los costos de inversión y de operación con otros sistemas de tratamiento existentes en elmercado mexicano, es posible afirmar que el prototipo es un equipo de bajo a moderado costo.En cuanto a los costos de operación y mantenimiento hay que considerar la operación continua delcompresor de aire con una potencia de 60 W y la sustitución de los diafragmas cada año (con un costoaproximado de 800 pesos). Adicionalmente se debe incluir un servicio para purga de lodos de fosa sépticade una a dos veces por año.
CONCLUSIONES
♦ La planta de tratamiento paquete descrita es capaz de eliminar materia orgánica medida como DQOt ySST por arriba de 90% de eficacia.
♦ La planta de tratamiento posee una capacidad de remoción de nitrógeno total entre el 60 y 70 %.♦ La planta de tratamiento es capaz, bajo las circunstancias de la experimentación, de soportar
variaciones de caudal hasta de 3 veces el caudal de diseño sin que la eficacia de remoción de materiaorgánica y de nitrógeno se vean afectados sensiblemente.
♦ Se recomienda purgar la planta de tratamiento cada 6 meses de operación continua.♦ La planta de tratamiento desarrollada presenta características que la hacen poseer una buena relación
servicio-costo, comparado con otras plantas de tratamiento en el mercado que entregan una calidad deagua semejante.
REFERENCIAS
APHA, AWWA, WPCF (1989) "Standard Methods for Examination of Water and Wastewater" American Public Health Association, 15th de., New York
Juan Francisco Márquez M, Rosa Ma. Bautista García, Juan Manuel Morgan Sagastume y AdalbertoNoyola Robles (1998) “Puesta en marcha de una planta de tratamiento de aguas residuales para casashabitación” Vector de la Ingeniería Civil, No. 11, marzo. Pp. 26-31.
Morgan Sagastume J.M., Jiménez B. and Noyola A. (1994) "Anaerobic-anoxic-aerobic process withrecycling and separated biomass for organic carbon and nitrogen removal from wastewater" EnvironmentalTechnology, Vol. 15, pp. 233-243.
