DESEMPEÑO DE UN FILTRO BIOLÓGICO COMBINADO E INDICADORESBIOLÓGICOS EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

Clara García Santana y Simón González Martínez

Instituto de IngenieríaUniversidad Nacional Autónoma de México, Ciudad Universitaria.

04510 México, D.F; Tel. (5) 622-3341, Fax (5) 616-2164e-mail. cgsymre@yahoo.com y sgm@pumas.iingen.unam.mx

RESUMEN

Se determinó la eficiencia en la remoción de contaminantes orgánicos en un filtrobiológico combinado a nivel piloto, empacado con piedras de tezontle de 12 mm dediámetro, y la presencia de protozoarios ciliados como indicadores biológicos de lacalidad del agua. Se aplicaron tres cargas orgánicas (3, 7 y 9 gDQO/m2⋅d) de menor amayor durante 30 dias y se tomaron muestras de influente y efluente cada 48 horas. Sedeterminó DQO, NH4, NO3, SST, PO4, DBO5 y el índice saprobio de acuerdo con Pantley Buck.

La mayor remoción de los parámetros evaluados se obtuvo en la segunda cargaorgánica con excepción del NH4 que tuvo una mayor oxidación en la primera debidoprincipalmente, al tiempo de contacto entre el agua y las bacterias nitrificantes y a laconcentración de NH4 en el influente. La máxima producción de NO3 también se obtuvoen la segunda carga, observándose un descenso en la tercera; posiblemente debido ala disminución en la remoción de NH4. Estos resultados coinciden con los índicessaprobios determinados (2.87, 2.8 y 2.8 respectivamente, ubicándose como α-mesosaprobias) lo que nos permite concluir que existe una relación entre loscontaminantes orgánicos y la presencia de protozoarios ciliados.

INTRODUCCIÓN

En las últimas décadas se han desarrollado los procesos biológicos para el tratamientode aguas residuales que emplean película biológica fija en lechos sumergidos. Algunosde éstos cumplen con las funciones de tratamiento biológico y filtración por lo que se lesconoce como filtración combinada (Iwai and kitao, 1994). En este tipo de sistemas ellecho filtrante atrapa los sólidos suspendidos en el agua además de proveer unasuperficie en la que se desarrolla la película biológica, que transforman loscontaminantes orgánicos.

En los sistemas acuáticos existen especies de microorganismos que sólo son capacesde sobrevivir en intervalos muy estrechos de condiciones ambientales; estas especies,su desarrollo y sus características fisiológicas son un reflejo del medio en el que seencuentran y por ello, estos organismos pueden ser utilizados como parámetrosindicadores en la caracterización del medio donde se desarrollan y en la evaluación delos sistemas de tratamiento.

MÉTODO

Para realizar el trabajo experimental se utilizó un filtro biológico (figura 1) construido enla planta de tratamiento de aguas residuales de Ciudad Universitaria por Valdivia Soto(1998). Este filtro consiste de un tuvo de PVC hidráulico de 3 m de largo colocado enposición vertical; tiene un diámetro de 30 cm y un espesor de pared de 6 mm. La basedel filtro lo forma una placa de acero de 6 mm de espesor; la cual soporta el mediofiltrante. Una estructura de ángulo de acero en forma de tripié soporta el filtro.

Se utilizó piedra de tezontle como medio filtrante ya que tiene una gran porosidad,rugosidad, área superficial y es de bajo costo. El tezontle fue tamizado (malla 11.7 mm)para obtener partículas del mismo tamaño. Se empacó el filtro hasta una altura de unmetro (figura 1). Las características del filtro con el tezontle son las siguientes:Superficie expuesta para la fijación de biopelícula: 15.9 m2

Porosidad: 50.2 %Volumen ocupado por el tezontle: 30.9 litrosVolumen disponible para el agua: 30.6 litros

Alimentación deagua residual

Efluente

bomba

Tanque delavado con

agua potable

bomba

Entradade aire

Llave

Punto de muestreo 2

Punto de muestreo 1

Punto demuestreo 3

Salida delodos delavado

Al desagüe

Manguera

de nivel

A Bombaperistáltica

Nivel de agua

A Bomba peristáltica

Tezontle

3 m

10 cm

1 m

Figura 1. Diagrama del sistema de filtración.

El agua residual utilizada proviene de Ciudad Universitaria y de la colonia Copilco elAlto. El agua se introdujo por la parte superior del filtro formando un flujo descendenteque pasa a través del lecho filtrante. La operación fue continua, solamentesuspendiendo la alimentación de agua para el retrolavado

El retrolavado se realizó cada 48 horas y consistió en la aplicación de un chorro deagua y aire a alta presión desde el fondo del filtro, después de suspender laalimentación de agua residual.

Se aplicaron tres cargas orgánicas medidas como DQO, iniciando con la menor; lascargas fueron de 3, 7, y 9 gDQO/m2·d. Para mantener constante la carga se regulaba elcaudal del influente según la variación de la DQO. Las cargas orgánicas representantiempos de retención hidraúlica (TRH) de 20, 40 y 50 minutos, respectivamente.

Toma de muestras

Las muestras de agua para su análisis fueron tomadas del influente (punto de muestreo1) y del efluente (punto de muestreo 2), a través de bombas peristálticas quemuestrearon continuamente para formar muestras compuestas de 48 horas.

Para la cuantificación de sólidos producidos en el sistema se tomaron muestras de 10litros del total de agua que se obtenía con cada lavado (punto de muestreo 3). De estamanera fue posible cuantificar la biomasa producida cada 48 horas.

También del agua de retrolavado se tomaron las muestras para la identificación ycuantificación de los protozoarios ciliados (punto de muestreo 3).

Análisis fisicoquímicos

Se tomaron registros diarios in situ de temperatura, pH y de oxígeno disuelto. Ladeterminación de DQO, NO3 y NH4 se realizó por medio de fotometría; la DBO5

utilizando un Oxitop ISI-6. Todos ellos de acuerdo con los Métodos Estándar (APHA,1994).

Los SST se cuantificaron en influente y efluente del filtro y en cada retrolavado. Elmétodo fue por diferencia de pesos, según los Métodos Estándar, y utilizando papelmillipore de 0.45 µm para ambos casos.

Análisis biológicos

Para cada carga orgánica se determinaron las especies de protozoarios ciliadosindicadores de acuerdo con la clave ilustrada de Curds y Cockburn (1970), suabundancia relativa y el Índice Saprobio, de acuerdo con la escala propuesta por Pantley Buck (1955).

RESULTADOS

Análisis fisicoquímicos

En la tabla 1 se muestran los valores promedio de los parámetros analizados durantelas tres cargas orgánicas, así como su porcentaje de remoción.

Tabla 1. Valores promedio de los resultados obtenidos durante las tres cargas orgánicas

CARGA ORGÁNICA (gDQO/m2 ⋅⋅ d)

3 7 9Parámetro

IN EF % REM IN EF % REM IN EF % REMDQOt (mg/l) 291 43 85 215 40 81 212 33 85DBO (mg/l) 86 11 87 80 10 88 84 12 86SST (mg/l) 127 36 72 23 4 83 151 29 81NH4 (mg/l) 33 4 88 43 8 81 45 10 78NO3 (mg/l) 0.4 6 - 0.6 35 - 0.5 34 -Temp. (°C) 10 - 12 10 - 15 12 – 16pH 6.0 – 6.5 6.0 – 6.2 7.0 – 7.5OD (mg/l) 4 - 7 4 - 6 4 – 6

IN = influente, EF = efluente, %REM = % remoción.

El mayor porcentaje de remoción de los parámetros evaluados se obtuvo en la segundacarga orgánica, con excepción del NH4 que tuvo una mayor oxidación en la primeraobservándose una disminución al incrementar la carga orgánica. De acuerdo conalgunos informes de trabajos realizados con sistemas similares (Rogalla et al, 1990), sepuede obtener una oxidación casi completa de NH4 con tiempos de retención hidráulica(TRH) de una hora, si sus concentraciones en el influente son inferiores de 20 mg/l. Eneste trabajo se utilizaron TRH de 20, 40 y 50 minutos con concentraciones de amoniode 33, 40 y 43 mg/l para cada una de las tres cargas orgánicas, respectivamente. Porotra parte, Chen y Cheng (1994) reportan una inhibición de bacterias nitrificantes poraltas concentraciones de amonio en el influente. Sin embargo, en este trabajo laremoción de amonio estuvo afectada, principalmente, por el tiempo de contacto entre elagua y las bacterias nitrificantes, y en menor grado por la concentración de NH4 en elinfluente.

En la figura 2 se muestra la remoción de NH4 y su transformación a NO3. Durante laprimera carga la concentración de NH4 en el influente es muy variable, estabilizándoseun poco en la segunda y con pocas fluctuaciones en la tercera. Sin embargo, a pesarde estas variaciones su concentración en el efluente es más constante lo que refleja laeficiencia del sistema para transformarlo a NO3. Estos últimos tienen su mayorproducción en la segunda carga orgánica, observándose un ligero descenso en latercera debido a las fluctuaciones del NH4 en el influente.

En la figura 3 se muestra el comportamiento de la DQOt y su porcentaje de remoción.Las variaciones que se observan en el influente son producto de los cambios que hayen la concentración de contaminantes durante el día por la actividad de la población

tributaria. Estas variaciones son mayores en la primera y tercera cargas, encomparación con la segunda; esto se debió a la dilución de nutrientes en el influente porla época de lluvias. Sin embargo, a pesar de estas variaciones la concentración en elefluente es casi constante en las tres cargas lo que indica una buena eficiencia delsistema. En la segunda y tercera cargas, algunos valores de la DQOt del efluente sonsimilares a los de la DQOs, lo que indica que el sistema es eficiente en la remoción desólidos. No se observa una tendencia en la remoción de DQO y DBO. Según la tabla 1,el porciento de remoción de la DQO es del 85% para la primera y tercera cargas y de

Figura 2. Producción de NO3 y remoción de NH4 en las tres cargas orgánicas.(cada punto de la gráfica fue medido cada 48 horas)

Figura 3. Comportamiento y Porcentaje de remoción de la DQO en las tres cargas orgánicas(cada punto de la gráfica fue medido cada 48 horas)

9 gDQO/m1·l3 gDQO/m1·l

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

Con

cent

raci

ón (

mg/

l)

NH4 INF . N H 4 E F L . NO3 INF . N O 3 E F L .

7 gDQO/m2·d

9 gDQO/m1·dia0

50

100

150

200

250

300

350

400

Co

nce

ntr

aci

ón

(m

g/l)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Rem

oció

n D

QO

t (%

)

INF . EFL . E F L . s e d i m e n t a d o % remoc ión

3 gDQO/m2·d

7 gDQO/m2·d

9 gDQO/m2·d

9 gDQO/m2·d3 gDQO/m2·d

81% para la segunda. La DBO presenta una remoción similar en las tres cargasorgánicas. Esto se confirma en la figura 4 donde se observa que la mayor remoción deSST se encuentra en la segunda carga orgánica, lo que confirma el buenfuncionamiento del sistema como un filtro al atrapar los sólidos suspendidos en el aguaentrante. Simultáneamente a la cuantificación de los SST, se determinaron los sólidossuspendidos volátiles (SSV) y se observó en las dos últimas cargas que todos los SSTdel efluente son volátiles (SSV), ya que todos ellos son producto del desprendimientode la biopelícula. Esto confirma aún más la funcionalidad y eficiencia del sistema comofiltro combinado.

Figura 4. SST producidos en las tres cargas orgánicas(cada punto de la gráfica fue medido cada 48 horas)

En la tabla 2 se observa la producción de biomasa de las tres cargas orgánicas. Labiomasa se incrementa con la carga debido a la mayor disponibilidad de alimento quetienen los microorganismos y que les permite reproducirse con mayor rapidez. Esto seconfirma con el tiempo promedio de duplicación el cual disminuye con la carga, y elnúmero de duplicaciones por día, las cuales se incrementan de 2.9 en la primera hasta18.5 en la tercera carga.

Tabla 2. Biomasa producida en las tres cargas orgánicas

Carga orgánica Biomasaproducida (g/d)

Biomasa entezontle (g)

Tiempo promediode duplicación* (h)

No. duplicacionespor día

3 gDQO/m2·d 0.84 0.29 8.3 2.97 gDQO/m2·d 2.48 0.24 2.3 109 gDQO/m2·d 9.9 0.53 1.3 18.5

* = tiempo que tarda en duplicarse la biomasa y que podría ser el TRC.

9 gDQO/m1·dia

0

20

4060

80

100

120140

160

180

200220

240

260

280300

320

340

360

380

400

420

Co

nce

ntr

aci

ón

(m

g/l)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

% R

emoc

ión

INF. E F L . % remoc ión

3 gDQO/m2·d 7 gDQO/m2·d 9 gDQO/m2·d

Análisis biológicos

En total se identificaron 18 especies de protozoarios ciliados; 13 de éstas presentes enla primera carga orgánica, 14 en la segunda y 10 en la tercera (tabla 3). Todas ellas sehan registrado como habitantes típicos de aguas domésticas sin tratar o bajotratamiento biológico, siendo en los filtros percoladores (Kinner y Curds, 1987; Sleigh,1989) y los sistemas de lodos activados (Curds, 1969; Al-Shahwani y Horan, 1991;Slàdececk, 1981; Sleigh, 1989) en donde han sido observadas.

En la tabla 4 se muestran los índices saprobios (SIPB) determinados para las trescargas orgánicas. De acuerdo con los valores de SIPB, los influentes de las tres cargasson de grado polisaprobio; sin embargo, los efluentes se encuentran dentro del rangode las α-mesosaprobias con excepción de la segunda carga que tiene una tendenciahacia el rango de las β-mesosaprobias. Estos resultados fueron confirmados a través dela ecuación propuesta por Slàdececk (1981) para la determinación del índice saprobio(S) en función de la DBO, y concuerdan con los resultados obtenidos en los análisisfisicoquímicos, mostrando que el mayor desempeño del filtro se obtuvo en la segundacarga orgánica (7 gDQO/m2⋅d).

Tabla 3. Protozoarios ciliados encontrados en la fase estable de cadauna de las tres cargas orgánicas

PRESENCIA EN CARGA ORGÁNICA YABUNDACIA RELATIVA*PROTOZOARIO CILIADO

3 gDQO/m2·d 7 gDQO/m2·d 9 gDQO/m2·dAspidisca cicada 3 5 5Aspidisca lynceus 3 5 5Amphileptus sp. - 1 -Colpidium sp. 1 - -Cyclidium sp. 1 - -Chilodonella uncinata - - 1Epistylis plicatilis 5 5 5Glaucoma sp. 1 - -Litonotus fasciola 3 3 3Opercularia curvicaula 3 1 1Oxytricha fallas - 1 -Paramecium aurelia 3 3 5Paramecium caudatum 3 3 5Podophrya fixa 1 1 -Stylonychia putrina - 1 -Trachelophyllum pusillum 3 3 3Tokophrya quadripartita - 1 -Vorticella microstoma 1 1 1Total de especies 13 14 10

* De acuerdo con Pantle y Buck: 1= pocos, 3=algunos y 5 = muy abundantes

Tabla 4. SIPB de las tres cargas orgánicas y su grado de saprobiedad

Carga orgánica SIPB Saprobiedad Características

3 gDQO/m2⋅día 2.87 α-mesosaprobia

7 gDQO/m2⋅día 2.8 α - βmesosaprobia

9 gDQO/m2⋅día 2.8 α-mesosaprobia

Agua fuertemente contaminada; poco OD, apenas

comienza la mineralización, las especies son bacterias y

protistas

CONCLUSIONES

• El análisis de todos los resultados nos permite concluir que el filtro tuvo una mayoreficiencia en la segunda carga orgánica (7 gDQO/m2⋅d), pues existe una mayorremoción de contaminantes en comparación con las otras dos cargas.

• La remoción de NH4 se vio afectada principalmente por el tiempo de contacto entreel agua y las bacteris nitrificantes y en menor grado por la concentración de NH4 enel influente.

• A mayor carga orgánica, mayor producción de biomasa, menor tiempo deduplicación y mayor número de duplicaciones por día.

• Los índices saprobios a través de las especies identificadas muestran que las trescargas orgánicas se encuentran en el rango de las α-mesosaprobias y que sólo lasegunda carga tiene una tendencia hacia la β-mesosaprobiedad es decir, una mejorcalidad de agua.

• Los índices biológicos coinciden con los resultados obtenidos en los análisisfisicoquímicos; aún cuando no se utilicen las mismas escalas de medición.

• Si existe una relación entre los contaminantes orgánicos y la presencia deprotozoarios ciliados, lo que nos permite utilizarlos como indicadores biológicos.

BIBLIOGRAFÍA

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Tesis de maestría, Facultad de Ingeniería, UNAM. 98 pp.