TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE CASAS HABITACIÓN:EVALUACIÓN IN SITU DE UN TREN DE TRATAMIENTO

Jérôme Laugier, Juan Manuel Morgan y Adalberto Noyola*

Instituto de Ingeniería, Bioprocesos ambientales, Universidad Nacional Autónoma deMéxico, Apdo.Postal 70-472; 04510, Ciudad Universitaria, Coyoacan, México D.F.,

México. FAX 5616-27-98E-Mails:jlaugier@caramail.com,jmms@pumas.iingen.unam.mx,

*noyola@pumas.iingen.unam.mx

RESUMEN

Se presenta la evaluación de un tren de tratamiento de aguas residuales para casashabitación, consistente en una fosa séptica convencional, de una microplanta y de unfiltro lecho de raíces como postratamiento.La microplanta esta constituida por una zona de recepción del agua residual, dezonas anaerobias y aerobias puestas en serie, así como de una zona desedimentación secundaria.El tren de tratamiento se instaló en una casa habitación para su evaluación in situ.Bajo las condiciones de descarga de aguas residuales de la casa habitación durante5 meses, se observó una remoción en la DQO total, en los SST y en el nitrógeno totalde 92.5%, 88.7% y 88.7% respectivamente.La instalación funciona con un solo compresor de diafragma con una potencia de 60W. La planta presenta características que permiten una fácil instalación y operaciónen casas habitación.

INTRODUCCIÓN

Una de las alternativas que coadyuva a la solución del problema del manejo,tratamiento y disposición final de las aguas residuales domésticas es el tratamientoin situ de ellas, lo cual evita la incorporación de caudales al drenaje municipal,produce agua tratada que puede infiltrarse o reusarse en actividades domésticas,además de apoyar el desarrollo de una cultura del agua más evolucionada enMéxico.En este sentido se diseñó, construyó y arrancó un sistema de tratamiento de aguasresiduales domésticas (Figura 1) que por sus características de diseño cuenta conlas siguientes ventajas:

• La configuración del tren de tratamiento es sencillo que acopla sistemas detratamiento de fácil mantenimiento.

• El sistema de tratamiento puede ser incorporado el paisaje en un jardín que lohace pasar desaparecido.

• No provoca problemas de malos olores, ruido ni vectores.• Se produce agua con la suficiente calidad para ser reusada en actividades

domésticas (previa desinfección) no de primer uso.

El objetivo de este trabajo fue la evaluación de la operación del tren de tratamientobajo condiciones reales de operación.

Entradaagua

residual

FOSASÉPTICA

MICROPLANTA FILTRO LECHO DE RAÍCESCISTERNA DE

ALMACENAMIENTO DE AGUA

Salidaagua

tratada

(1) (2) (3) (4)

Figura 1. Tren de tratamiento con sus diferentes elementos.

DESCRIPCION DEL TREN DE TRATAMIENTO

Fosa séptica

Esta unidad consiste en un tanque de polietileno de alta densidad con 1 m3 devolumen. En este equipo se retiene un 40% de los sólidos suspendidos ysedimentables contenidos en el agua residual permitiendo su hidrólisis ydegradación. En esta unidad se llegan a alcanzar remociones de DBO5 del orden de30 a 40% (Task force, 1992).

Microplanta

El diseño de este sistema de tratamiento se encuentra protegido por la solicitud depatente # 98 8985 IMPI.El sistema consta básicamente de tres zonas: una zona céntrica para la recepcióndel agua residual, dos zonas anaerobias empacadas con anillos de plástico y seiszonas aerobias empacadas también con anillos de plástico, zonas puestas en serie.Se establece una corriente de recirculación de agua entre la última zona aerobia y laprimera anaerobia a través de un sistema airlift, con el objeto de desnitrificar. Launidad incorpora una zona de clarificación secundaria del agua tratada (Morgan-Sagastume et al., 1998).En la Figura 2 se muestra un esquema del reactor con sus compartimientos. Eldiseño de este equipo se basa en los resultados descritos por Morgan-Sagastume

et al., (1994). El único equipo eléctrico utilizado en esta planta y en todo el tren detratamiento es un compresor de diafragma de 60 W que maneja 70 L de aire porminuto.

Figura 2. Vista de la microplanta de tratamiento biológico con sus diferentescompartimientos. Patente # 98 8985 IMPI.

Filtro lecho de raíces

Este sistema del tipo natural construido consiste de un lecho relleno con gravaen la cual se siembran plantas vegetales. El tratamiento del agua residual lorealizan los microorganismos que se desarrollan sobre la superficie de laspiedras porosas de grava, así como en las raíces de las plantas que poseenmicrozonas aerobias. El filtro lecho de raíces es con flujo subsuperficial lo cualgarantiza el control de malos olores, la no proliferación de vectores, evita elcontacto con el agua negra y permite una vista agradable (Zachritz, 1993).Este tipo de sistemas poseen prácticamente un nulo costo de operación ymantenimiento y se obtienen eficacias de remoción de materia orgánica ycoliformes respectivamente por arriba del 95% y del 99% (Badkoubi et al.,1998).En la Figura 3 se muestra un esquema del filtro lecho de raíces utilizado. Lasplantas utilizadas fueron del tipo Phragmites Autralis.

Figura 3. Representación del filtro lecho de raíces.

Cisterna de almacenamiento de agua

Se utilizó un tanque de polietileno de 1000 L del cual se extrajo agua para el riego decultivos.

PRUEBAS DE CAMPO Y LABORATORIO

La evaluación del funcionamiento del tren de tratamiento se llevó a cabo durante 17semanas en las cuales se efectuaron 3 análisis por semana de 4 puntos de muestreomostrados en la Figura 1.Los análisis consistieron en la determinación de la Demanda Química de Oxígenototal y soluble (DQOt y DQOs), Sólidos Suspendidos Totales (SST), Nitratos (N-NO3

-

) y Nitritos (N-NO2-), Nitrógeno Total Kejdahl (N-NTK), Nitrógeno amoniacal (N-NH4

+),Fosfatos totales (P-PO4

-), pH, alcalinidad y O2 disuelto.

2.20 m

0.25 m

Nivel de agua

0.20 m

0.50 m

0.10 m

EntradaDistribución(PVC Ø0.05 m)

SalidaColector

(PVC Ø 0.05 m)

Pozo decontrol

Phragmitecon sistemade raíces

Grava

Pendiente 1.8%Entrada Salida

RESULTADOS

Etapa de arranque

Los efluentes de la casa habitación que suman la descarga de sanitarios, regaderasy cocina se hacen ingresar al tren de tratamiento una vez que éste se encuentre llenocon agua a su nivel de diseño y se hayan hecho las pruebas hidráulicas necesarias.La etapa de arranque implica básicamente el desarrollo de microorganismos sobreel empaque de la microplanta así como la siembra y acrecimiento de las plantas enel filtro lecho de raíces. Esta etapa duró aproximadamente un mes.Con el objeto de favorecer el crecimiento de la biomasa en los lapsos de tiempo enel que no hubo descargas de agua residual se estableció una corriente derecirculación de agua tratada entre la cisterna y la fosa séptica con un flujo de 60L/min.

Remoción de la DQO total y DQO soluble

La Figura 4 muestra el perfil de concentraciones de la DQO(t) en los distintos puntosde muestreo (Figura 1) dentro del tren de tratamiento.En la fosa séptica se obtuvo una eliminación de la DQO(t) del 20%, mientras que enla microplanta fue del 80% y en el filtro lecho de raíces del 32%. La remoción globalde DQO(t) en el tren de tratamiento fue del 90%.Como es posible observar en la Figura 4, se obtiene un agua tratada con una calidadconstante independientemente de las fluctuaciones de concentración y flujo del aguaresidual efluente. La remoción global de DQO(s) fue de 92%.

0

200

400

600

800

1000

1200

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45

Muestras

mg

O2/

LAgua residual

Salida Fosa séptica

Salida Microplanta

Salida Filtro lecho de raíces

Figura 4. Variación de la DQO total en condiciones reales de descarga deagua residual en la entrada de aguas residuales (1), en la entrada delreactor de tratamiento (2), en la entrada del filtro biológico (3) y en lasalida de la cisterna de recepción (4).

Remoción de SST

En la Figura 5 se muestran los perfiles de concentraciones de sólidos suspendidostotales el los distintos puntos de muestreo a través del tren de tratamiento (Figura 1).En la fosa séptica se obtuvo una remoción del 40%, en la microplanta del 84% y en elfiltro lecho de raíces del 27%.El tren de tratamiento efectuó una remoción global del 93% de sólidos suspendidostotales.Al cabo de 17 semanas de operación se acumularon 4.06 Kg de sólidos distribuidoscomo sigue: 1.72 Kg en la fosa séptica, 2.20 Kg en la microplanta y 0.14 Kg en elfiltro lecho de raíces.

Es necesario aclarar que tanto en la microplanta como en el filtro lecho de raíces, lossólidos acumulados contemplan tanto el sólido retenido del agua residual comoaquel generado por la reproducción de los microorganismos. El balance de sólidosarroja una generación de 0.03 Kg/d de sólidos. Con el objeto de no saturar consólidos la microplanta, se recomienda su purga total cada año de operacióncontinua.

0

50

100

150

200

250

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45

Muestras

mg

/L

Agua residual

Salida Fosa séptica

Salida Microplanta

Salida Filtro lechode raíces

Figura 5. Variación de los SST en condiciones reales de descarga de aguaresidual en la entrada de aguas residuales (1), en la entrada delreactor de tratamiento (2), en la entrada del filtro biológico (3) y en lasalida de la cisterna de recepción (4).

Remoción del Nitrógeno

La remoción de nitrógeno se lleva a cabo al combinar los procesos biológicos denitrificación y desnitrificación, los cuales están presentes en la microplanta y el filtrolecho de raíces.En la tabla 1 se presentan las eficacias de remoción del nitrógeno determinado.

Tabla 1. Porcentajes de remoción de materia orgánica y nitrógeno.

DQO(t) % N-NTK % N-NH4+ %

Fosa séptica 20 3.5 3.1Microplanta 80 81 94Filtro lecho de raíces 32 42 37Tren de tratamiento Global 90 89 97

El mayor porcentaje de remoción tanto de materia orgánica como de nitrógeno selleva a cabo en la microplanta. La remoción de nitrógeno es importante para mitigar

el desarrollo de algas en el tanque de almacenamiento y en los sanitarios si es quese reusa el agua tratada en la descarga de sanitarios.Para llevar a cabo la nitrificación se requiere mantener un nivel de O2 en la zonaaerobia cercano a los 2 mgO2/L. La eliminación de Nitrógeno total se logra con unarelación de recirculación de 2:1 (2 m3/d) entre las zonas aerobia y anaerobia.

Aspectos Generales

La planta opera con un solo equipo que consiste en un compresor de diafragma de60 W. El costo de operación es aproximadamente de 1.5 $USD al mes por conceptode consumo de energía eléctrica. Cada año es necesario cambiar el diafragma delcompresor con un costo aproximado de 75 $USD. Por otro lado se especifica lapurga anual de la microplanta con un costo de 30 $USD anuales. Esto equivale a uncosto mensual total de 10 $USD mensuales.Para un reúso con contacto humano se recomienda la desinfección del agua tratadacon hipoclorito de sodio (dosis de 2 mg/L).Se necesita un requerimiento de área entre 12 y 17 m2. La profundidad de lasexcavaciones varían de 1.5 m hasta 2.2 m.

CONCLUSIONES

Se muestra un proceso de tratamiento adecuado para casas habitación con bajosrequerimientos de energía, además de no impactar con ruido, malos olores yvectores a los habitantes de la casa.La planta presenta características que permiten una fácil instalación y operación encasas habitación.El funcionamiento del tren de tratamiento es autónomo. El único equipo accionadopor electricidad es el compresor de diafragma que requiere la microplanta. Con ellose obtiene un bajo consumo energético y fácil mantenimiento.En condiciones reales de descarga de las aguas residuales en el tren detratamiento, se obtiene un agua tratada apta para reúso con eficacias por arriba del90% en la eliminación de DQO (total y soluble) y SST.

AGRADECIMIENTOS

Se agradece a ROTOPLAS S.A. de C.V. la donación de la fosa séptica y la cisternapara este proyecto.

REFERENCIAS

Badkoubi, A. Ganjidoust, H. Ghaderi, A. and Rajabi, A. (1998). Performance of asubsurface constructed wetland in Iran. Water Science and Technology, 38, 1, pp345-350.Morgan-Sagastume, J.M. Jiménez, B. and Noyola, A. (1994). Anaerobic-anoxic-aerobic process with recycling and separated biomass for organic carbon andnitrogen removal from wastwater. Environmental Technology, Vol. 15, pp. 233-243.Morgan-Sagastume, J.M. Prunier, S. y Noyola, A. (1998). Evaluación de un prototipode planta de tratamiento in situ de aguas residuales para casas habitación.Memorias del Congreso Inter Americano de Ingenieria Sanitaria, Lima Perú, 2 a 5 denoviembre.Task force, J. (1992). Design of Municipal Wastewater Treatment Plants. Manual ofPractice No. 8. New York, Water Environmental Federation and American Society ofCivil Engineers, pp 11-12.Zachritz, W.-H. (1993). Performance Attributes of Large Scale Submerged SurfaceConstructed Wetlands for Domestic Wastewater Treatement, in : Subsurface FlowConstrucded Wetlands Conference. El Paso, Center for Environmental ResourceManagement of University of Texas at El Paso ed, pp 12-19.