Tratamiento integral de agua residual municipal,su desinfección y

TRATAMIENTO INTEGRAL DE AGUA RESIDUAL MUNICIPAL, SU DESINFECCIÓN Y REUSO EN LA
AGRICULTURA
Luciano Sandoval Yoval *, José Collí Misset
Instituto Mexicano de Tecnología del Agua
Maestría en Ingeniería Ambiental. U.N.A.M. Especialista en Hidráulica IMTA. Responsable del Desarrollo,
Investigación y Operación de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales del IMTA. Líneas de trabajo:
Reuso de agua tratada en la agricultura, tratamiento de aguas residuales de refinerías y petroquímica
secundaría, evaluación de plantas y tratamiento de residuos producto del tratamiento del agua. 25
Artículos técnicos en revistas o congresos. Elaboración de diversos capítulos en 3 libros.
*Paseo Cuauhnáhuac No. 8532, Progreso, Juitepec, Morelos, México
C.P. 62550, Tel 52 (777) 3 29 36 22, Fax 52 (777) 3 29 36 63
Correo electrónico lucsand@tlaloc.imta.mx
RESUMEN
El incremento de la demanda de agua por los pueblos y ciudades localizadas en zonas áridas y
semiáridas, ha hecho que las aguas residuales municipales se conviertan de un desecho a un recurso
valioso para su reuso en la agricultura, en procesos industriales y en servicios al público. Por otro lado, el
uso de las aguas residuales para riego debe permitir el aprovechamiento de los nutrientes contenidos en
las mismas para disminuir los gastos de fertilizantes químicos.
El estudio se basó en establecer un sistema de tratamiento de aguas residuales municipales que permita
regular la cantidad de nutrimentos y que proporciones un agua sin riesgo bacteriológico cuando se reuse
en la agricultura, e identificar la contaminación microbiológica residual y productividad en hortalizas
regadas con diferentes calidades de agua residual bajo condiciones de invernadero.
Para esto, se contó con una planta de tratamiento de aguas residuales municipales, con modificación del
sistema de aireación de continua a intermitente, con la finalidad de controlar la concentración de salida de
los nutrientes, que son importantes en los cultivos. Los resultados indicaron que la aireación continua
genera un efluente rico en nitratos. Con una de 20/160 min, los porcentajes de N-amoniacal y nitratos son
casi iguales en el efluente y con un ciclo de 50/160 min se logra una excelente remoción de nitrógeno.
Para la parte bacteriológica se contó con una laguna de maduración con mamparas, con un arreglo de
50/50 en área de algas y Lemna Gibia. Así, se lograron en el efluente menos de 240 coliformes fecales
NMP/100 ml, lo cual cumple con la NOM-003-SEMARNAT-1996.
Para el cultivo de hortalizas (lechuga, rábano, cebolla y cilantro), se estudiaron las siguientes calidades
de agua: de pozo con y sin fertilizante, efluente de tratamiento secundario con y sin desinfección química,
efluente de tratamiento terciario con desinfección biológica y residual cruda. Los resultados mostraron
presencia de E. coli en el agua de enjuague de las hortaliza cuando fueron regadas con agua cruda y del
sedimentador secundario sin desinfección. Los frutos de lechuga, rábano y cebolla son seguros
bacteriológicamente (no existe presencia de E. coli). La productividad es afectada por la concentración y
estado del nitrógeno, el cual debe estar disponible en forma de nitratos. Sin embargo, la productividad es
equivalente entre el agua de pozo y las de un tratamiento secundario con o sin desinfección.
Palabras claves: Agua residual, Desinfección natural, Reuso, Agricultura, Hortalizas
INTRODUCCIÓN
La presión que ejerce la demanda de agua para consumo humano de pueblos y ciudades, principalmente
de zonas áridas y semiáridas, sobre las fuentes de agua superficiales y subterráneas que
tradicionalmente han sido utilizas para riego de cultivos con requerimientos de agua de calidad no
potable, han hecho que las aguas residuales municipales se conviertan de un desecho a un recurso
valioso para su uso en la agricultura, procesos industriales y en servicios al publico como riego de
jardines, llenado de lagos, canales recreativos y fuentes de ornato.
Cuando se utilizan aguas residuales municipales, el problema por lo general es más de índole
microbiológico que químico. Los brotes epidémicos que afectan a agricultores, a los animales y público
en general, han estado siempre asociados a la utilización de agua residual sin tratar o al riego con
efluentes de agua residual sin desinfectar. Los riesgos sanitarios guardan relación directa con el grado de
contacto personal con el agua, así como la calidad del agua y la fiabilidad del tratamiento. Así por
ejemplo, la normatividad mexicana exige un grado mayor de tratamiento cuando se desean regar
parques, áreas de recreo y hortalizas que cuando se requiere regar cultivos de cereales y forrajes. Por
otro lado, el uso de las aguas residuales para riego de plantas debe permitir el aprovechamiento de los
nutrientes contenidos en las mismas para disminuir los gastos en el consumo de fertilizantes químicos.
La normatividad para el reuso de aguas residuales en México está basada en las normas oficiales de
carácter obligatorio conocidas como NOM-001-ECOL-1996 y la NOM-003-ECOL-1996 (Tablas 1 y 2).
Tabla 1 NOM-001-ECOL-1996. Para reuso en la agricultura.
Irrigación
Coliformes fecales (NMP/100 ml) Huevos de helmintos/L
Restringida
1000m-2000d
≤5
No restringida
240m – 2000d
≤1
Nota: m = Promedio geométrico mensual; d = Promedio geométrico diario
Tabla 2 NOM-003-ECOL-1996. Para Servicios al público.
Tipo de servicio al público
Coliformes fecales (NMP/100 ml) Huevos de helmintos/L
Con coctacto indirecto u 1000
≤5
1
ocasional
2
Con contacto directo
240
≤1
Nota: 1 = Riego de jardines y camellones en autopista; camellones en avenida; fuentes de ornato, campos de golf, abastecimiento
de hidrantes de sistemas contra incendio, lagos artificiales no recreativos, barreras hidráulicas de seguridad y panteones. 2 = El
llenado de lagos y canales artificiales recreativos con paseos en lancha, remo canotaje y esquí; fuentes de ornato, lavado de
vehículos, riego de parques y jardines.
OBJETIVOS
Establecer un sistema de tratamiento de aguas residuales municipales que permita regular la cantidad de
nutrimentos y que proporciones un agua sin riesgo bacteriológico cuando se reuse en la agricultura.
Identificar la contaminación microbiológica residual en cultivos de hortalizas regadas con diferentes
calidades de agua residual bajo condiciones de invernadero, además, del impacto en su productividad.
METODOLOGÍA
Aprovechamiento de nutrientes de aguas residuales
Como parte inicial de una investigación o proyecto, en el cual se pretenda hacer un reuso de agua
residual municipal en al agricultura, es necesario contar con una planta de tratamiento, la cual provea del
agua, materia prima para realizar el estudio. Por lo que para tal efecto, se construyó un sistema de
aireación extendida en el IMTA (Diagrama 1) a la que se le modificó el sistema de operación de aireación
continua a intermitente, con la finalidad de poder controlar la concentración de salida de los nutrientes,
los cuales a su vez son de importancia en los cultivos.
La aireación intermitente favorece las condiciones para la transformación de nitrógeno orgánico y
amoniacal contenido en las aguas residuales a nitratos en condiciones aireadas, mediante una biomasa
de microorganismos nitrificantes para posteriormente en condiciones anóxicas o de ausencias de oxígeno
disuelto favorecer su transformación a nitrógeno gas por medio de microorganismos desnitrificantes y por
consecuencia su eliminación del agua residual al incorporarlo a la atmósfera.
Para lograr este primer objetivo se realizaron 15 escenarios en el reactor biológico durante dos años, que
consistía en un ciclo de tres horas, donde se varió el tiempo de aireación de 20 a 180 minutos y la no
aireación de 160 a 0 minutos.
EFLUENTE
TANQUE DE
CONTACTO
DE CLORO
TANQUE DE
REGULACION
CAJA REPARTIDORA
DEL INFLUENTE
TANQUES DE
AEREACION
SEDIMENTADOR SECUNDARIO
PRETRATAMIENTO Y
CARCAMO DE BOMBEO
Diagrama 1 Planta de tratamiento de aireación extendida del IMTA
Remoción de microorganismos patógenos de aguas residuales
Un segundo objetivo fue el de obtener un sistema biológico que proporcionará un agua libre de
patógenos, así, mediante el empleo de una laguna se estudiaron diferentes escenarios utilizando como
sistema de desinfección las algas, ésta se optimizó con mamparas para mejorar su eficiencia hidráulica y
se complemento con macrófitas flotantes como un medio de tratamiento natural para eliminar materia
orgánica generada por las algas en lugar de un tratamiento fisicoquímico (Diagrama 2 ).
LAGUNA DE MADURACION
CAJA REPARTIDORA
DEL INFLUENTE
TANQUE DE
REGULACION
TANQUE DE
AIREACION
SEDIMENTADOR SECUNDARIO
PRETRATAMIENTO
Diagrama 2 Planta de tratamiento de aireación extendida con laguna de estabilización para realizar
desinfección natural
Como primera etapa se procedió a vaciar la laguna para instalar las mamparas, las cuales están
constituidas por una malla cerrada al 80% de polietileno. Así, la laguna consta de 17 carriles con una
separación de 2 m, sin embargo, la última celda es de 4 m por fines hidráulicos. Además, éstas se
ubicaron a un 70% con respecto al ancho de la laguna y con un bordo libre de 8.5 cm (Figura 1). Con la
finalidad de poder conocer que arreglo de algas y Lemna proporciona la mejor eficiencia en la remoción
de coliformes fecales y materia orgánica, se propusieron cuatro escenarios de investigación; laguna de
maduración con algas, laguna con mamparas y tapetes alternados de algas y Lemna, laguna con
mamparas y cubierta con 50% de algas y 50% de Lemna y finalmente laguna con mamparas y cubierta
con 50% de algas y 50% de Lemna.
15.5 m
S alida
38 m
E ntrada
70%
Reuso del agua residual tratada en el cultivo
de hortalizas
Para poder desarrollar el cultivo de hortalizas
fue necesario construir un invernadero tipo túnel
con estructura y arcos de PTR calibre 14 y
cubierta de plástico con estabilizador de rayos
UV, cortinas enrollables y malla antivirus, con
dimensiones exteriores de 19x7x2.50 m. El
interior del invernadero cuenta con doce camas
de 1 metro de ancho por 5 de largo y de 1 de
altura, distribuidas en lotes de cuatro. Cada una
de ellas fue rellenada con 30 cm de tierra de tipo
alvisol virgen. La temperatura del invernadero se
regula por medio de un sistema de cinco
recirculadores de aire controlados por medio de
un encendido/apagado de acuerdo al valor fijado
de temperatura.
Figura 1 Configuración de la laguna con
mampara
El objetivo en el cultivo de hortalizas es conocer la influencia que tiene la calidad del agua en la
productividad y en la calidad bacteriológica del fruto, es por eso que se planteo probar seis diferentes
calidad de agua, las cuales son: de pozo con y sin fertilizante, efluente de tratamiento secundario con y
sin desinfección química, efluente de tratamiento terciario con desinfección biológica y agua residual
cruda.
Para el abastecimiento de las diferentes calidades de agua, se utilizaron seis tanques con una capacidad
de 1000 litros cada uno. Cada tanque alimenta a dos camas mediante tuberías de PVC hidráulico. Al pie
de cada cama, la tubería se bifurca para regar cada uno de los surcos. Este arreglo permitió realizar el
experimento por duplicado.
El riego inicial se realizará cada tercer día por espacio de 10 minutos, lo que equivale a un volumen de 25
litros y por tanto a una lámina de agua de 0.78 cm. Este procedimiento se realizará hasta que las semillas
germinen, una ves obtenido esto, el riego será de acuerdo a como se desarrolle el cultivo.
Con la finalidad de poder aprovechar las instalaciones y condiciones de clima que ofrece el invernadero
se decidió realizar un estudio que permite el cultivo de cuatro hortalizas al mismo tiempo (Diagrama 3).
Análisis de control
Análisis de calidad de suelo: Antes de iniciar la siembra se realizará un análisis de tierra con el objetivo
de establecer si es necesario una fertilización, así como los químicos ha emplear y sus cantidades.
Análisis bacteriológicos: Estos se realizaran mediante la identificación de coliformes totales y
Escherichia coli utilizando la tecnología del sustrato cromogénico específico (procedimiento CATMPB602). Una vez preparadas las camas de cultivo se tomaran muestras de tierra para establecer una posible
contaminación bacteriológica, y por lo tanto, si es necesario realizar una desinfección previa al periodo de
cultivo. Durante el periodo de cultivo se realizaran al menos tres muestreos de los seis tipos de agua
empleados, para posteriormente establecer su impacto bacteriológico en los frutos.
V
V VI VI
Camas de cultivo
Vista de planta
4.8 m
0.8 m
Tipo de agua
I. Pozo
II. Pozo + fertilizante
III. Efluente secundario
c/desinfección
IV. Efluente terciario
V. Efluente secundario
s/desinfección
VI. Agua cruda
III III IV IV
Vista transversal
0.3 m
0.4 m
Tierra de cultivo
I
I
II
II
Código de arreglo de cultivos
1. Cebolla 2. Rábano 3. Lechuga 4. Cilantro
1
2
3
1m
4
0.4 m
Diagrama 3 Distribución de hortalizas en las camas de cultivo
Las muestras de hortalizas se colectaran al menos dos días antes de la fecha establecida para su
cosecha, con la finalidad de poder repetir algún análisis que proporcione algún resultado que muestre
una desviación de lo esperado y que pueda ser significativo para el desarrollo de la investigación. La
colecta de frutos se realizará aleatoriamente, de tal forma que proporcione 500g de muestra, cantidad
suficiente para realizar el análisis.
Para el análisis del agua de enjuague se pesan 150 g de la hortaliza y se enjuaga con agua estéril, la
–1
cual se recoge en una vaso de precipitado también estéril. Con esta agua se realizan diluciones de 10
-4
a 10 para su análisis y además se realiza otro sin dilución. Para el fruto, se licúan 20 g de éste por
espacio de 2 minutos, esto en un vaso previamente esterilizado. El producto se retira y se enjuaga y
–1
-3
diluye en 180 ml de agua estéril. Se realizan diluciones de 10 a 10 para su análisis y otra sin dilución
Análisis de calidad de agua: Estos se realizaran mediante la identificación de nitrógeno, fósforo,
demanda química y bioquímica de oxígeno, los cuales representan los nutrientes que requieren los
cultivos. Durante el periodo de cultivo se realizaran al menos tres muestreos de los seis tipos de agua
empleados, para posteriormente establecer su impacto en la productividad de los frutos.
RESULTADOS
Aprovechamiento de nutrientes de aguas residuales
Los resultados obtenidos indicaron que durante el escenario de aireación continua (en ciclos 180
minutos), la remoción del nitrógeno total fue menor al 15%, sin embargo, más del 97% del N-amoniacal
fue transformado a nitratos. En el escenario de 20 minutos de aireación y 160 de no aireación, la
eficiencia de remoción de nitrógeno total fue del 30%, con una conversión del 45% de N-amoniacal a
nitratos y finalmente para una remoción del 90% del nitrógeno total era necesario una aireación de 50
minutos y una no aireación de 130 minutos.
En este sistema de aireación intermitente, la remoción biológica del fósforo fue menor al 30% y en
algunos escenarios incluso hubo un aumento de la concentración en el efluente del sedimentador
secundario. Esto mostró que en este tipo de sistemas de aireación intermitente donde la purga de lodos
se realiza en el sedimentador, el fósforo era intermitentemente absorbido y liberado durante las
condiciones anóxicas y aerobias dentro del reactor sin permitir que los microorganismos almacenaran
todo el fósforo soluble para así ser eliminado durante la purga del sedimentador.
De esta forma se obtiene: 1) mediante aireación continua un efluente con alto contenido de nitratos que
no ejercen una demanda adicional de oxígeno al cuerpo al que se descargan. 2) Utilizando una aireación
intermitente 20/160, un efluente con porcentajes casi iguales de N-amoniacal y nitratos. 3) Una excelente
remoción de nitrógeno total con un ciclo intermitente de 50/160. El ahorro de energía eléctrica en los dos
escenarios anteriores fue del 90 y 70 % con respecto al que se da en la operación continua.
Remoción de microorganismos patógenos de aguas residuales
Los resultados obtenidos muestran que la laguna de maduración con un tiempo de residencia hidráulico
(TRH) de 23 días y sin mamparas (E1), cumplió con la normatividad de < 1000 coliformes fecales
NMP/100ml en el 75% de las muestras analizadas (riego no restringido y riego de áreas verdes sin
contacto directo al público). Cuando se colocaron las mamparas en la laguna y se evaluaron los
escenarios 2 y 3, este límite se alcanzó en 5 días de TRH y en 13 días se logró el límite de < 240
coliformes fecales para riego de áreas verdes y llenados de lagos, donde el público entra en contacto
directo con el agua residual tratada. El E4 presentó problemas operativos (Tabla 3).
Tabla 3 Calidad del efluente en los cuatro escenarios
ESCENARIO
C. Fecales
NMP/100 ml
E1
Con algas
600
E2
Con camas alternas de algas y Lemna 51
E3
Con 50% de algas y 50% de Lemna
71
E4
Con 50% de Lemna y 50% de algas
% de Remoción
de C Fecales
94.00 – 99.95
99.98 – 99.99
99.84 – 99.99
DBO
mg/L
9
2
3
DQO
mg/L
58
21
14
17
Reuso del agua residual tratada en el cultivo de hortalizas
Es importante aclarar que las hortalizas en estudio generalmente se consumen crudas y de acuerdo a los
resultados es conveniente realizar un buen lavado y por consiguiente una desinfección de las mismas,
debido a que existe presencia de la bacteria E. coli en el agua de enjuague, principalmente cuando
fueron regadas con agua sin desinfección. Sin embargo, los frutos en si, son seguros
bacteriológicamente, ya que no existe presencia de E. coli, a excepción del cilantro que presentó una
concentración de 54 NMP/100 ml de E. coli, al ser regado con agua residual cruda (Tabla 4).
Las aguas del efluente secundario sin desinfección y cruda, fueron las que presentaron la mayor
concentración de nutrientes, son ideales para el cultivo de rábano y cebolla. Además, compiten en
productividad con un agua de tipo I. En relación a la lechuga y el cilantro, se observó que si se cuenta
con agua de mejor calidad, se puede mejorar su productividad, como es el caso del agua que provienen
del sedimentador secundario con desinfección química y de igual manera que en las hortalizas
anteriores, en un segundo nivel, las aguas de tipo I, V y VI proporcionan un buen rendimiento.
Es importante puntualizar que la disposición de nitrógeno debe ser en forma de nitratos y finalmente que
el agua residual tratada pude sustituir al agua de pozo y así disminuir su demanda sin afectar la
productividad de las hortalizas en estudio, como se puede observar en la tabla 5.
Tabla 4 Resultados bacteriológicos de las hortalizas
ENJUAGUE
LICUADO
MUESTRA E. coli (NMP/100 ml) E. coli (NMP/100 ml) E. coli (NMP/100 ml) E. coli (NMP/100 ml)
Rábano
Cilantro
Rábano
Cilantro
I
0
0
0
0
II
0
0
0
0
III
0
5
0
0
IV
0
0
0
0
V
10
50
0
0
VI
10 210
2 650
0
54
Lechuga
Cebolla
Lechuga
Cebolla
I
0
42
0
0
II
2
0
0
0
III
0
345
0
0
IV
9
956
0
0
V
10
1 670
0
0
VI
9
1 730
0
0
Tabla 5 Productividad en Ton/Ha
Tipo de agua Rábano Tipo de agua
VI
55,91
I
V
54,53
III
II
49,66
II
I
49,41
VI
IV
45,63
IV
III
39,00
V
Cilantro Tipo de agua Lechuga Tipo de agua
40,59
V
9,26
V
39,50
III
8,89
I
37,81
VI
7,67
III
35,06
IV
6,40
VI
32,81
II
6,34
II
31,69
I
5,16
IV
Cebolla
47,81
47,25
46,31
44,75
35,03
29,77
CONCLUSIONES
1.- Mediante una aireación continua se obtiene un efluentes rico en nitratos.
2.- Una aireación 20/160 min, presenta porcentajes casi iguales de N-amoniacal y nitratos en el efluente.
3.- Con un ciclo de 50/160 min se logra una excelente remoción de nitrógeno total.
4.- Con un arreglo de 50/50 min en área de algas y Lemna Gibia y el uso de mamparas en la laguna, en
un tiempo de residencia hidráulico de13 días se logró un límite menor a 240 coliformes fecales NMP/100
ml, que cumple con la NOM-003-SEMARNAT-1996 para riego de áreas verdes y llenados de lagos,
donde el público entra en contacto directo con el agua residual tratada.
5.- Existe presencia de la bacteria E. coli en el agua de enjuague de las hortaliza, principalmente en
aquellas que fueron regadas con agua cruda o del sedimentador secundario sin desinfección.
6.- Los frutos de la lechuga, el rábano y la cebolla son seguros bacteriológicamente, ya que no existe
presencia de E. coli, aun en aquellas regadas con agua residual cruda o tratada sin desinfección.
7.- La productividad de las hortalizas en estudio es afectada por la concentración y estado de los
nutrientes, en especial la del nitrógeno, el cual debe estar en forma de nitratos.
8.- La productividad de hortaliza es equivalente entre las aguas de pozo y las proveniente de un
tratamiento secundario con o sin desinfección.
9.- El agua residual tratada pude sustituir al agua de pozo en el cultivo de hortalizas y así disminuir su
demanda sin afectar su productividad.
Agradecimientos
Personal del IMTA: Hortencia Ruíz, Elda Flores, Silvia Salas, Carmelo Alvear, María de los Angeles
Farfán y Beatriz Peña, por su colaboración y ayuda en la realización de los análisis.
Personal del INIFAP: Juan de Dios Bustamante y José Avila, por su colaboración en la parte agronómica.
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