Saneamiento de aguas residuales en comunidades rurales, (tecnología sustentable, estudio de caso en la comunidad de Morelos, Macuspana, Tabasco).

Ing. Noemí Méndez de los Santos
Ing. Luis Alberto Escobedo Cazan
M. en I. Gaspar López Ocaña.

Resumen

Toda comunidad genera aguas residuales de diferentes fuentes y en muchos casos son descargas no controladas, que van a cuerpos receptores provocando daños a los ecosistemas y a la salud humana por el riesgo de transmisión de enfermedades relacionadas con la calidad del agua. En Tabasco, la mayoría de las comunidades rurales y urbanas que se encuentran en las márgenes de ríos y cuerpos de agua, descargan sus aguas residuales a estos. El poblado Morelos, Macuspana, Tabasco, no es la excepción; pues no cuenta con sistema de alcantarillado y tratamiento de las descargas domiciliarias y tienen como destino final la Laguna Chilapilla. Las comunidades rurales generalmente no cuentan con sistemas adecuados de saneamientos de sus aguas, la limitante clave es la falta de tecnología de bajo costo tanto en inversión, operación y mantenimiento; por ello es necesario adaptar tecnologías viables y económicamente factibles para el tratamiento de las aguas residuales, en muchos casos se han propuesto sistemas de lagunas como alternativas viables para comunidades rurales por el bajo costo de construcción, operación y mantenimiento, sin embargo también es importante evaluar a los sistemas anaerobios híbridos y a los sistemas naturales con vegetación hidrófita.

Como parte inicial del proyecto se realizo la caracterización fisicoquímica y biológica del agua, del mismo modo se realizaron aforos para conocer los gastos actuales de la población, generando los datos de proyecto y evaluación de las alternativas de tratamiento que cumplieran con las necesidades de saneamiento y normatividad ambiental vigente. El poblado Morelos de Macuspana, Tabasco, actualmente cuenta con una población de 650 habitantes generando un gasto medio de aguas residuales de 1.2 L/S, con una concentración promedio de 350 ± 50 mg/L de DBO5, 600 ± 150 mg/L de DQO y los coniformes fecales y totales con valores de 900 a 16900 nmp/100ml. Para el año 2030 se prevé un crecimiento poblacional de 1700 habitantes en la localidad, lo que hace inferencia directa sobre el consumo de agua y generación de agua residual la cual se estima tendrá un gasto promedio de 3.15 L/S, lo que se traduce en un aporte de materia degradable de 35 ton/año de DBO y 60 ton/año de DQO no degradable hacia la Laguna Chilapilla lo que provocará la eutrofización del cuerpo de agua, si se consideran que existen 12 comunidades instaladas a la orilla del cuerpo lagunar.

Las alternativas de tratamiento evaluadas para este tipo de comunidades fueron tres tipos: 1) Laguna anaerobia-facultativa (3500 m2), las cuales fueron diseñadas con tiempo de retención hidráulica (TRH) de 2 días y de 4.5 m de tirante para la anaerobia; 7 días y 2.2 m para la facultativa y para el pulimento un TRH de 7 días con tirante de 1 m. Presentando una eficiencia de remoción total de 95.44 % de DBO. 2) Un sistema anaerobio de tanques Imhoff (1600 m2), el tren fue compuesto por rejilla y desarenador, tanque Imhoff, un filtro anaerobio (con lechos de secado) y un clorador convencional, diseñados con TRH de 7 y 2.5 horas para los sistemas anaerobios acoplados (Tanque Imhoff y Filtro) y 30 minutos para el clorador. La eficiencia alcanzada por este segundo tren de tratamiento fue de 90.8 % de remoción de DBO. Finalmente la alternativa 3) fue un sistema hibrido (1600 m2), compuesto por un reactor anaerobio de flujo ascendente (RAFA), un filtro anaerobio horizontal y un tanque de pulimento de vegetación hidrófita enraizada.

Los TRH fueron de 24 horas, 2.5 horas y 4 horas. Este sistema presenta eficiencias de remoción de DBO de 95.44 %. El costo de construcción de la alternativa más viable que fue la 3 se estima en $1´167,250.00 MN.

Introducción

En el estado de Tabasco, la mayoría de las comunidades y municipios que se encuentran a las márgenes de ríos y cuerpos de agua, utilizan estos para descargar sus aguas residuales contaminándolos (SAPAET, 2006). En el caso particular de la comunidad de Morelos, Macuspana, Tabasco no existe un tratamiento de aguas residuales, por ello fue necesario analizar las alternativas de tratamiento que pueden ser aplicadas a las características del sitio, tomando en cuenta los gastos actuales y de diseño, las características del agua residual y el sitio mas factible para la construcción de la planta. Actualmente la población esta presentando su crecimiento hacia el sur y sureste ya que esta limitada geográficamente al norte, noreste y noroeste por la laguna Chilapilla.

Los beneficios que se obtendrán al implementar un sistema de tratamiento para estas aguas residuales generadas en el poblado Morelos, Macuspana, Tabasco, es el de tratar las aguas residuales del poblado, protegiendo la salud de los ecosistemas, disminuyendo la contaminación y los malos olores producidos por la descomposición de la materia orgánica presente en el agua residual de la tubería conectada en las casas de los pobladores y que descargan de manera directa las aguas residuales a la laguna Chilapilla. Por ello, se realizó la evaluación de tratamientos biológicos como son Lagunas anaerobias facultativas, Un sistema anaerobio de tanques Imhoff y un sistema híbrido realizando la caracterización del agua residual y volúmenes de aguas residuales; para realizar el diseño de tratamiento en función de la eficiencia de los trenes de tratamiento, disponibilidad de terreno y factibilidad de la obra.

Entre los diversos tratamientos de las aguas residuales existen Procesos y Operaciones Unitarias. Las operaciones unitarias dependen esencialmente de las propiedades físicas del agua, como tamaño de la partícula, peso específico, temperatura, etc. Los ejemplos más comunes son: cribado, sedimentación, filtración, etc. Los procesos químicos dependen de las propiedades químicas del agua, utilizando sustancias o reactivos agregados. Algunos ejemplos de estos pueden ser: La coagulación floculación, Intercambio iónico y la neutralización. Los procesos biológicos que dependen de la reacción de la carga orgánica y biomasa.

Estos procesos biológicos pueden ser aerobios como Filtros Percoladores, Biofiltros y Lodos Activados, también anaerobios y facultativos como las Lagunas de Estabilización y Reactores Anaerobios (CONAGUA, 2007). Las tecnologías de los países en desarrollo como México y América Latina, carecen de recursos suficientes para la operación, por lo que deben de buscar opciones más apropiadas como sistemas naturales para el tratamiento de aguas residuales que utilizan fuentes de energías renovables (Metcalf & Eddy, 1996; Crites et al., 2000; CONAGUA, 2007). Entre las tecnologías naturales para el tratamiento de las aguas residuales, se tienen dos grandes grupos: los sistemas de aplicación sobre el terreno por un lado y por el otro los sistemas que utilizan plantas acuáticas flotantes y enrraizados como los pantanos construidos o artificiales (Reed, 1989; Serrano, 1997; Romero Rojas, 1999). Los sistemas convencionales se han utilizado y desarrollado en países industrializados con el objetivo de prevenir la contaminación de los cuerpos de agua y los sistemas naturales en países en vías de desarrollo, donde además es necesario reutilizar el agua en riego agrícola, para proteger el recurso (Williams et al., 1995; Metcalf & Eddy, 1996).

La mayoría de las plantas de tratamiento en México no funcionan como fueron diseñadas o simplemente se encuentran fuera de servicio, debido a aspectos como: 1) Factores de índole técnico entre los que destaca la excesiva mecanización, instrumentación y automatización; 2) Factores económicos y financieros; 3) Factores institucionales y 4) Factores socioculturales (Romero et al,. 1996). El tipo de tratamiento de lagunas anaerobias facultativas puede resultar bastante económico y adecuado para localidades donde se busquen los procesos baratos o no muy costosos y no haya suficiente personal calificado para operar las plantas de tratamiento más sofisticadas. Cuando se cuenta con grandes áreas de terreno poco costoso y no se tiene personal entrenado, puede ser muy factible la construcción de este tipo de tratamientos, que proporcionan un tratamiento biológico bastante eficiente. En este tipo de unidades se puede recibir aguas residuales municipales, arrastre producido por precipitaciones, descargas industriales, tanto agropecuarias como de otro tipo, aunque es preferible que sólo llegue a ellas un solo tipo de agua residual (Serrano, 1997; CONAGUA, 2007).

En el estado de Tabasco de acuerdo con un reporte oficial de SAPAET (2006), existen 93 plantas de tratamiento de aguas residuales municipales, 33 se encuentran fuera de operación, y otras 26 registran diversas fallas (Tabla 1). Se indica que la gran mayoría de las plantas en operación descargan las aguas tratadas en ríos y arroyos, sin que se dé ningún rehúso del líquido. En el caso de las plantas que operan con fallas, la mayoría requiere obras de rehabilitación, 8 plantas operan con una eficiencia de tratamiento de 50%, porque no hubo una evaluación al diseño, supervisión de las obras y fiscalización a los recursos ejercidos en las mismas. Sin embargo se ha observado que para comunidades rurales y descentralizadas se han aplicado tecnologías de tratamiento como Lagunas de Oxidación, Pantanos artificiales y sistemas anaerobios de primera y segunda generación (Imhoff y RAFA) (SAPAET, 2006).

El sistema de alcantarillado del poblado Morelos, Macuspana, Tabasco, presenta un sistema incompleto, pues solo esta construido el colector principal A, por lo que la mayoría de las viviendas descargan las aguas residuales de manera directa a la Laguna Chilapilla. Para el poblado Morelos, Macuspana, Tabasco SAPAET y el H. Ayuntamiento contemplan la construcción de la planta de tratamiento de aguas residuales al sureste de la localidad, en un terreno que se encuentra a 2 km sobre el costado derecho de la carretera Morelos – Macuspana.

Materiales y métodos

Para evaluar las fuentes de contaminación dentro de la comunidad de Morelos, se procedió a la inspección del sistema de alcantarillado y descargas relevantes (taller mecánico, carnicería, rastro, escuela y centro de salud). Del mismo modo se identificó el sitio de los aforos del agua residual, la toma de muestras de aguas residuales fue en la descarga del Colector Principal, denominando a este punto como la descarga A (Norte). El segundo punto de muestreo sobre el colector hacia el sur denominándola B, sin embargo se identificó que aproximadamente sólo 20 % de las viviendas están conectadas al alcantarillado que descarga a la Laguna, el resto están descargando directamente al cuerpo de agua.

Los muestreos se realizaron en base a las normas técnicas (SCFI) y con los criterios de la Norma Oficial Mexicana NOM-001-SEMARNAT-1996, que establece los límites máximos permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales en aguas y bienes nacionales. El muestreo de las aguas residuales se realizó en el mes de abril, a continuación se presenta el programa de muestreo realizado en una semana, el cual se realizó durante las 2 semanas.

La medición del Gasto del área de estudio, se realizó en los puntos de descarga A y B. Esta medición se realizó en base al criterio de sección velocidad, es decir, Q =A V. La caracterización fisicoquímica de las aguas residuales fue realizada por los procedimientos analíticos señalados por la Normatividad Oficial Mexicana. Los parámetros como pH y temperatura fueron tomados en campo, en cuanto a los parámetros restantes se realizaron en Laboratorio.

Las estimaciones de los gastos actuales y de proyecto de la ciudad, se evaluaron con cálculos de generación de aguas residuales por lo métodos de CONAGUA (2007), considerando para el gasto máximo instantáneo el coeficiente de Harmon de 3.64 y un coeficiente de seguridad de 1.5; para los gastos futuros se calculó la población de proyecto utilizando métodos de proyección de población Aritmético e INEGI, con datos estadísticos del INEGI (2000-2007). Con respecto a la carga orgánica expresada como DBO5 fueron determinadas con un factor de carga equivalente a 56 gr/hab/día y una aportación de 160 l/hab/día. El análisis de la precipitación, evaporación y temperatura ambiental, se realizó con el análisis de datos proporcionados por la CONAGUA de la estación metereológica de la ciudad de Macuspana, la cual contiene datos históricos desde 1993 a 2005 para la temperatura y evaporación. Con los datos obtenidos del agua residual a tratar, el sitio propuesto para la construcción de la planta, la población y los gastos de proyecto, se procedió a desarrollar el diseño de los trenes de tratamientos de aguas residuales propuestos que son la Lagunas, Humedales artificiales y reactores anaerobios de flujo ascendente conforme a los criterios de CONAGUA.

Resultados

Para la localidad de Morelos se estimó el gasto teórico actual de aguas residuales con una dotación de 200 l/hab/día (datos de operación en pozo), para una población de 1,700 habitantes, los gastos estimados fueron: Qmed= 3.15 l/s, Qmin= 1.57 l/s, Qmax inst= 11.46 l/s y Qmax ext = 17.19 l/s. Los aforos determinados teóricamente no concuerdan con los del área de estudio debido a que no todas las viviendas están conectadas al alcantarillado y además existen pérdidas por filtraciones y evaporación del agua residual; los resultados fueron Qmed= 0.7 l/s, Qmin= 0.4 l/s y Qmax inst= 1.2 l/s (Figura 1).

En la tabla 3 se muestran las características promedios del agua residual de los puntos de muestreo A y B. Las temperaturas del agua y ambiental obtenidas durante los monitoreos se presentaron un promedio de 27 y 29 ºC, en este sentido la temperatura del agua residual presenta características idóneas para el crecimiento de los microorganismos mesófilos que son los más usuales en los consorcios bacterianos de degradación del agua residual (Noyola et al., 2000).

Los valores de pH oscilan entre 7.1 y 7.4, lo que nos indica que el tratamiento que se le puede dar a esta agua residual puede ser un tratamiento biológico. Los valores de SST presentan un promedio de 260 mg/l, con este parámetro podemos estimar la cantidad de materia suspendida a sedimentar, mientras que los SSV que están en el rango de 117 a 235 mg/l nos muestran indirectamente la cantidad de biomasa en el agua residual (Crites et al., 2000). Los valores de la DQO están en el rango de 458 a 665 mg/l; en cuanto a la DBO se encontraron en valores de 225.8 a 343.9 mg/l. En cuanto a nutrientes rebasan los límites establecidos en la Normatividad Oficial y los metales pesados no se encontraron presentes en las aguas residuales.

El agua del municipio en general puede considerarse por su concentración como un agua de características débil a media establecidas por Metcalf (1996). Analizando los flujos másicos que sólo esta comunidad genera de SST, DBO y DQO y que descargan a la laguna, podemos estimar que el aporte promedio de sólidos al cuerpo lagunar es 6.02 ton/año, por carga orgánica de DBO es de 7.37 ton/año y 12.62 ton/año de DQO.

La relación DBO/DQO, nos muestra la biodegradabilidad de las aguas residuales (Crites et al., 2000), y se clasifican aguas toxicas aquellas que presentan una relación menor a 0.3, las aguas con valores mayores de 0.3 y menores a 0.5 son clasificadas como aguas muy difíciles de degradar. Finalmente las aguas residuales con valores superiores a 0.5 son aguas que si pueden degradarse fácilmente con métodos biológicos convencionales y naturales.

El análisis de biodegradabilidad de las aguas (Figura 2), presenta que la mayor parte, el agua esta dentro de los parámetros de aguas de fácil degradación. Esto nos indica que es factible realizar el tratamiento de las aguas mediante procesos biológicos como son naturales aerobios o anaerobios (Noyola, 2000; Romero, 1996 y 1999).

Los diseños de sistemas de tratamiento de aguas residuales planteados para la localidad de Morelos, son considerados como sistemas de tratamiento convencionales anaerobios y naturales, a continuación presentamos las operaciones y procesos unitarios que conformaron los trenes.

El área para la construcción de la planta es de 2500 m2, por lo que las 3 alternativas están dentro del área contemplada, siendo la que ocupa menos área la alternativa 2 y 3 con 1600 m2, la alternativa de las lagunas requieren un área de 3500 m2. La eficiencia de remoción de DBO de las alternativas evaluadas es la siguiente: el sistema de lagunas y el reactor RAFA alcanzan una eficiencia de remoción de 95.44%, y el de menor eficiencia es el sistema acoplado de tanque Imhoff-filtro anaerobio con 90.8%, en ese sentido los tratamientos más viables en cuanto a eficiencia son la Laguna Anaerobia–Facultativa–Maduración y el reactor RAFA, ya que a pesar de que no se necesitará del suministro de reactivos para ayudar al tratamiento de las aguas residuales presentan buenos resultados en su diseño.

La diferencia en estos sistemas radica principalmente en el área a ocupar en su instalación lo que hace más factible de utilizar a un sistema RAFA. Por razones de construcción, mano de obra y operación, es recomendada generalmente los sistemas de Lagunas, ya que en construcción solo se requieren los bordos perimetrales mientras que los reactores anaerobios requieren de mayor aplicación tecnológica; la mano de obra para la operación de ambas alternativas es mucho mas barata ya que no es especializada pues el personal solo realizara supervisones y tomara muestras para corroborar el buen funcionamiento de la planta.

El agua residual será ingresada a la planta por un sistema de bombeo, el cual someterá el agua residual previo al ingreso a la planta a un sistema de rejillas y desarenador donde serán removidas partículas discretas y arenas cada 3 días (0.05 m3), posteriormente ingresará al reactor anaerobio de flujo ascendente (RAFA) donde tendrá un tiempo de retención de 24 hr. En este reactor el agua residual que se quiere tratar entra por la parte inferior del reactor.

El agua residual fluye en sentido ascendente a través de un manto de lodos constituido la acumulación de biosólidos. El tratamiento se produce al entrar en contacto el agua residual y las partículas, es decir, al pasar por la capa de lodo estabilizado, rico en bacterias anaerobias, sufre una degradación (Crites et al., 2000). El reactor anaerobio de flujo ascendente y manto de lodo retiene el lodo por la incorporación de deflectores decantadores y separadores de gases en la parte superior del reactor.

Los lodos son distribuidos uniformemente por el fondo del mismo, los cuales son purgados por la carga hidráulica del sistema hacia un estanque para su estabilización final; el efluente tratado es recogido en canaletas en la parte alta del reactor y el gas, conteniendo como principal componente el CH4, es conducido para su quema o recuperación (Figura 3 y 4).

Después de pasar por el RAFA el agua es sometida a otro proceso de tratamiento biológico de baja tasa. Este sistema es concreto al igual que el reactor y presenta como medio filtrante grava, la ventaja de este sistema es que puede funcionar intermitentemente, sin embargo, el proceso inicia poco tiempo después de que el agua entra en contacto con el medio filtrante, al agregarse una película bacteriana en las capas de contacto con el medio filtrante.

Esta película bacterial mediante la absorción retiene los microorganismos, materia coloidal soluble y particulada que provienen el agua residual sedimentada o después del proceso de digestión, este material retenido es descompuesto y oxidado. La materia orgánica soluble se asimila casi de manera instantánea, mientras que el material coloidal se solubiliza enzimáticamente, el material soluble atraviesa la membrana celular y así se convierten en productos finales de la degradación (Crites et al., 2000).

Debido a la configuración y alimentación del sistema una vez adaptado el sistema la acumulación de sólidos será mayor en las primeras capas de contacto del filtro. Estas unidades si se ven directamente influenciadas por la velocidad del agua y puede arrastrar la biopelicula del medio de soporte (Emerik, et al., 1997, citado en Crites et al., 2000).

Finalmente el agua residual será sometida a un estanque con vegetación hidrófita flotante por la especie E.Crassipes (Jacinto), cuya finalidad es la remoción de nutrientes específicos como nitratos y fosfátos mediante la estructura de sus raíces, pues en ellas se fijan bacterias las cuales biodegradan compuestos orgánicos; filtran, sedimentan, nitrifican y desnitrifican sólidos suspendidos y nitrógeno; absorben por sus raíces metales pesados y componentes orgánicos y provocan el decremento y prelación de organismos patógenos (Folch et al,. 2000; Guodong et al., 2002; Solano, 2004 y Ramos, 2007).

Conclusiones

El volumen actual de descarga de aguas residuales en la localidad Morelos, Macuspana, Tabasco presenta como gasto mínimo de 0.4 l/s, 0.71 l/s como gasto medio y un máximo instantáneo de 1.2 l/s. Los gastos de proyecto para la planta (20 años) son: gasto mínimo 1.57 l/s, 3.15 l/s gasto medio y 17.18 l/s como gasto máximo extraordinario.

La temperatura del agua esta dentro de norma ya que estas temperaturas (27 a 27.9 ºC) no pasan el valor 40 ºC; las grasas y aceites rebasan el límite permisible con 186 y 166 mg/l, siendo el limite permitido de 15 mg/l y el promedio en nuestra descarga es de 176 mg/l; los SST rebasan la norma 260 mg/l y el limite permitido es de 40 mg/l; la DBO rebasa la norma con 284.8 y 300 mg/l y el limite permitido es de 30 mg/l.

La biodegradabilidad se encuentra por momentos en el rango de aguas de difícil degradación, sin embargo la mayor parte del tiempo la descarga presenta una relación DBO/DQO se encuentra mayor a 0.5, lo que permite clasificar al agua residual de la comunidad como biodegradable.

Los sistemas de lagunas de estabilización y el reactor RAFA presentan la mayor eficiencia en la evaluación de procesos con 95.44 % de eficiencia de remoción de DBO. Sin embargo la menor área la ocupan los reactores RAFA con 1600 m2. sin embargo se propone como alternativa más viable para su construcción al reactor RAFA por disponer un área menor y presentar costos de construcción muy similares.