TRATAMIENTO DEL AGUA DE UNA FUENTE SUPERFICIAL CONTAMINADA PARA
USO POTABLE
Petia Mijaylova Nacheva*
Instituto Mexicano de Tecnología del Agua
Ingeniera Civil por el Instituto Superior de Ingeniería Civil de Sofía, 1978. Especialidad en tratamiento de aguas. Doctorado en Ciencias Técnicas del Instituto Superior de Ingeniería Civil de Moscú, 1989. Desde el año 1991 investigadora en el IMTA, Subcoordinación de Tratamiento de Aguas Residuales. Profesora en el Postgrado de Ingeniería Ambiental de la UNAM, Campus Morelos. Investigador Nacional Nivel I. Titular de la Academia de Ingeniería.
Demetrio Montiel Flores
UNAM, Maestría en Ingeniería Ambiental, Campus Morelos
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RESUMEN
Cada vez es más frecuente la necesidad de obtener agua potable de fuentes superficiales de agua que presentan problemas de contaminación. Es el caso de varias poblaciones que tienen como única fuente de agua potable el río Apatlaco. El objetivo de este trabajo fue analizar la calidad del agua de este río y proponer un sistema adecuado para su tratamiento con el fin de lograr la calidad requerida para uso potable. Después de analizar la evolución de la contaminación en el río Apatlaco, se realizaron pruebas de tratabilidad para determinar la capacidad de tratamiento de diferentes procesos de tratamiento. Diferentes coagulantes, floculalantes y sus combinaciones fueron evaluados en pruebas de jarras utilizando un equipo Philips and Bird 7790-400. Los reactivos químicos probados fueron: Al2(SO4)3.18H2O, FeCl3.6 H2O, POLYCAT, PAX-XL19, PAX-XL60S, PAX-16S, FERRIX-3, COP, Optifloc C-1008, C-1288, C-1781, Optifloc A-1638, DC-491 y BUFLOC-565. Una vez seleccionado el mejor reactivo químico, se realizó la evaluación del proceso coagulación-floculación-sedimentación, filtración, adsorción y desinfección a nivel piloto. Ambos coagulantes convencionales, el Al2(SO4)3.18H2O y el FeCl3.6 H2O, permiten obtener una remoción simultánea alta de la turbiedad y de la materia orgánica cuando el agua cruda modelo tenía una Turbiedad<200 UTN, Color<200 UC y una DQO<80 mg/l. La contribución de los polímeros como ayudantes a la coagulación fue mayor en las pruebas con agua cruda con una turbiedad baja o moderada pero con altos valores de color. Con el uso de PAX-XL60S, en dosis 10-15 mg/l, se logró una remoción de color mayor de 99%, siendo la remoción de DQO alrededor de 87% cuando la Turbiedad del agua cruda era menor de 250 UTN. A pesar de que el río Apatlaco está contaminado con materia orgánica, nitrógeno y patógenos, la combinación de los procesos coagulación-floculación, sedimentación, filtración, adsorción con carbón activado y desinfección aseguran un tratamiento efectivo para lograr la calidad establecida en la normativa mexicana para consumo humano. Palabras Claves: Aguas superficiales; fuentes contaminadas; potabilización.
INTRODUCCION
Las descargas incontroladas de aguas residuales han causado la contaminación de muchos fuentes superficiales de agua, provocando problemas en la potabilización de localidades que dependen exclusivamente de estas fuentes. Para el abastecimiento público y urbano en México anualmente se extraen 9.6 km3 de agua, el 34.3% de la cual proviene de fuentes superficiales y el resto es extraído de los acuíferos (CNA, 2003). La contaminación de los cuerpos de agua se ha incrementado en el tiempo,
73% de ellos están actualmente clasificados como contaminados en algún grado con base en los índices de contaminación del agua (GSCA, 2001). De las 205 estaciones de muestreo instaladas para el control de la contaminación en los cuerpos de agua superficiales, el 15% reporta DBO5 mayores de 30 mg/L y el 21% valores entre 6 y 30 mg/L. En el resto de las estaciones se han determinado valores DBO5 menores de 6 mg/L (CNA, 2003).
Según los estudios de los índices de calidad del agua el 60.95% de los ríos de la región Balsas en México están contaminados, entre ellos está el Río Apatlaco. El abastecimiento de agua de varias poblaciones depende del río como una fuente de agua única o alterna. El objetivo de este trabajo fue analizar la calidad del agua del Río Apatlaco y proponer un sistema adecuado para su tratamiento con el fin de lograr la calidad requerida para uso potable.
METODOLOGÍA
Con base en datos obtenidos de la estación Temixco, Estado de Morelos, localizada en el margen derecho del Río Apatlaco, se analizó la evolución de la contaminación del río desde el año 1975, así como se determinaron los promedios y la variación de 15 parámetros de calidad en los últimos años. Para corroborar la información y complementar los datos se realizaron seis muestreos del agua en el río, cerca de la estación Temixco.
Posteriormente se realizó el estudio de tratabilidad del agua mediante coagulación-floculación, sedimentación, filtración y desinfección. Diferentes coagulantes, floculalantes y sus combinaciones fueron evaluados en pruebas de jarras utilizando un equipo Philips and Bird 7790-400. Los reactivos químicos probados fueron: Al2(SO4)3.18H2O, FeCl3.6 H2O, POLYCAT, PAX-XL19, PAX-XL60S, PAX-16S, FERRIX-3, COP, Optifloc C-1008, Optifloc C-1288, Optifloc C-1781, Optifloc A-1638, DC-491 y BUFLOC-565. Sus características se presentan en la Tabla 1. La mezcla rápida se llevó a cabo a 300 rpm durante 15 segundos y la mezcla lenta a 20 rpm durante 20 min, seguido por 30 min de sedimentación. Como criterios de comparación se usaron las remociones de Turbiedad, Color y DQO.
Tabla 1: Reactivos químicos usados en las pruebas en jarras
Reactivo químico Función Composición
Sulfato de aluminio Coagulante Al2(SO4)3·18H2O Cloruro férrico Coagulante FeCl3·6H2O
POLYCAT Coagulante Policloruro de aluminio
PAX-XL19 Coagulante Polihidroxicloruro de aluminio
PAX-XL60S Coagulante Policloruro silicato de aluminio
PAX-16S Coagulante Policloruro de aluminio
Ferrix-3 Coagulante Basado en Fe3+
COP Coagulante Sulfato ferroso granular
C-1008 Coagulante/Floculante PoliDADMAC (cloruro de polidialil-dimetil amonio) de medio peso molecular
C-1288 Floculante Poliacrilamida catiónica de alto peso molecular C-1781 Floculante Poliacrilamida catiónica de alto peso molecular A-1638 Floculante Poliacrilamida aniónica de alto peso molecular
DC-491 Floculante Polímero catiónico cuaternario, emulsión
Una vez seleccionado el mejor reactivo químico y su dosis, se procedió a la evaluación del proceso coagulación-floculación-sedimentación a nivel piloto con un caudal de 3 l/min (Figura 1a) bajo condiciones de variación de la calidad del agua cruda. El efluente de este proceso fue sometido a filtración (Figura 1b). En el modulo de filtración, integrado por tres columnas de filtración de flujo descendiente, se probaron tres tipos de empaque, cuyas características se presentan en la Tabla 2. El soporte de gravilla en cada caso fue de 0.10 m con un tamaño efectivo del grano de 4.8 mm. Se operó con una tasa de filtración entre 7.6 y 22.9 m3.m-2.h-1 y con una tasa de retrolavado de 41.6-70 m3.m-2.h-1, logrando así una expansión del lecho de 15-25%. La columna de agua se mantuvo en 1.05 m.
Tabla 2: Características de los lechos estudiados en el proceso de filtración
Columna Material Profundidad del
lecho, m Tamaño efectivo, mm Coeficiente. de uniformidad
1 Antracita 0.60 – 1.0 0.80 - 2.0 1.3 -1.80
2 Arena 0.50 – 1.0 0.4 – 0.80 1.2– 1.60
3 Arena
Antracita 0.15 – 0.30 0.30 - 0.75 0.4 – 0.8 0.8 – 2.0 1.2 – 1.6 1.3 – 1.8
La adsorción con carbón activado fue evaluada en corridas seleccionadas. El módulo de adsorción, constituido de cuatro columnas, también de flujo descendiente, se operó con una tasa de 7.6-22.9 m3.m -2.h-1. Como empaque se utilizó carbón activado granular mineral marca CLARIMEX, CAGR 8x30, cuyas características son: pH de 5-7, actividad relativa de melazas de 97%, número de yodo de 600 mg I2/g, actividad azul de metileno de 25 g/100g, solubles en agua de 2%, densidad aparente de 0.37-0.4 g/mL, granulometría 8x30 (Mallas EUA). La columna de agua se mantuvo en 1.30 m.
La desinfección se realizó utilizando hipoclorito de sodio. Después de determinar las condiciones de operación y estabilizar los procesos unitarios se realizó la evaluación de diferentes trenes y se seleccionó la mejor alternativa de tratamiento. Los análisis de los parámetros de calidad se realizaron de acuerdo al
Standard Methodsfor Examination of Water and Wastewater, 1998.
Figura 1: Módulos experimentales para el estudio de la tratabilidad del agua del Río Apatlaco.
RESULTADOS
En la Figura 2 se ilustra la variación de algunos de los parámetros de calidad del agua determinados en la estación Temixco del Río Apatlaco desde el año 1995. Como se puede observar, la contaminación por patógenos es muy alta, los Coliformes Fecales en los últimos cinco años fueron entre 5x103 y 3x105 NMP/100 ml. Los años de mayor contaminación fueron entre 1991 y 1995, hasta 2x107 NMP/100 ml, después de lo cual los valores disminuyeron gradualmente. Los mayores valores de Turbiedad y Color se presentan en los meses del período de lluvias (junio, julio, agosto y septiembre) y alcanzan valores de 140 UTN y 40 UC Pt-Co respectivamente. La Turbiedad y Color promedios en los últimos cinco años han sido de 25 UTN y de 23 UC Pt-Co respectivamente. Ambos parámetros deben ser reducidos para un uso potable del agua del Río Apatlaco, hasta 5 UNT y 20 UC en escala Pt-Co (según la norma Mexicana NOM-127-SSA1-1994 referente a agua para uso y consumo humano).
El contenido de materia orgánica y de nitrógeno amoniacal en el Río Apatlaco está por encima de los valores típicos para ríos, lo cual indica la presencia de contaminación de origen antropogénico. El valor promedio de la DBO5 y de la DQO para los últimos 25 años es de 12 y 40 mg/l respectivamente, presentándose la tendencia de incremento y siendo los valores promedio para los últimos 5 años de 15 mg/l de DBO5 y de 57 mg/l de DQO. Aguas superficiales de este tipo se consideran de una mala calidad, no adecuada para utilizarlas como fuente de agua potable, a pesar de que estos parámetros no se consideran en la NOM-127-SSA1-1994.
El nitrógeno amoniacal sí está normado con un límite máximo permisible de 0.5 mg/l, su valor promedio en el agua del río es de 1 mg/l, presentándose valores pico de 3-4 mg/l en los períodos de estiaje. Sustancias Activas al Azúl de Metileno (SAAM) es otro parámetro considerado en la NOM-127-SSA1-1994; su límite máximo permisible es de 0.5 mg/l, cuando el promedio en el Río Apatlaco fue determinado de 1.45 mg/l. A partir del año 1992 la contaminación por SAAM ha venido disminuyendo, siendo el promedio de los últimos cinco años de 0.9 mg/l. Las mayores concentraciones de SAAM se han determinado en los períodos de estiaje, hasta 1.8 mg/l en los últimos años. Los sulfatos, cloruros, fluoruros, calcio, manganeso, sodio, nitratos, dureza, fierro, sólidos disueltos totales no representan problemas para la potabilización del agua del Río Apatlaco ya que están por debajo de los límites establecidos en la norma NOM-127-SSA1-1994. En los muestreos realizados no se detectaron problemas con estos parámetros, ni con la presencia de metales pesados y compuestos tóxicos, tales como cianuros, hidrocarburos aromáticos y pesticidas. En el período 06/08/2002 hasta el 05/09/2002, la Turbedad presentó valores desde 20 hasta 221 UTN, el Color desde 60 hasta 1287 UC, la DQO desde 24 hasta 160 mg/L.
En las Tablas 3, 4 y 5 se presenta un resumen de los resultados obtenidos en as pruebas en jarras. Se determinó que ambos coagulantes convencionales, el Al2(SO4)3.18H2O y el FeCl3.6 H2O, permiten obtener una remoción simultánea alta de la turbiedad y de la materia orgánica cuando el agua cruda modelo tenía una Turbiedad<200 UTN, Color<200 UC y una DQO<80 mg/l. El Cloruro Férrico mostró una efectividad mayor en los casos de agua cruda con mayor contaminación. La adición de polímeros como ayudantes a la coagulación no aumentó sustancialmente la remoción del color y de la DQO.
La contribución de los polímeros como ayudantes a la coagulación fue mayor en las pruebas con agua cruda con una turbiedad baja o moderada pero con altos valores de color. En estos casos la aplicación de polímeros incrementó la remoción de Color y DQO en un 1-2%. Con el uso de PAX-XL60S, en dosis 10-15 mg/l, se logró una remoción de color mayor de 99%, siendo la remoción de DQO alrededor de 87% cuando la Turbiedad del agua cruda era menor de 250 UTN. Para obtener el mismo resultado con PAX-XL19, PAX-16S y FERRIX-3 se necesitaron mayores dosis de estos coagulantes. Cuando el agua cruda tenía Turbiedades altas, mayores de 250 UTN, se necesitaban mayores dosis tanto de PAX-XL60S, como de PAX-XL19, PAX-16S y FERRIX-3 para poder obtener una remoción del color suficiente y lograr el cumplimiento de la norma NOM-127-SSA1-1994 con respecto a color. Con los coagulantes COP y POLYCAT se obtuvieron eficiencias bajas de reducción de color (10-30%).
1.00E+00 1.00E+01 1.00E+02 1.00E+03 1.00E+04 1.00E+05 1.00E+06 1.00E+07 1.00E+08 E F M A M J J A S O N D Meses Coliformes Fecales (NMP/100ml) 1975 1978 1979 1981 1982 1983 1984 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 0 20 40 60 80 100 120 E F Mr Ab My Jn Jl Ag S O N D Meses Turbi edad (UTN) NOM-127-SSA1-94 1974 1975 1976 1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 E F Mr Ab My Jn Jl Ag S O N D Meses N -A m oniacal (m g/L) NOM-127-SSA1-94 1974 1975 1976 1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999
Figura 2: Variación contenido de Coliformes Fecales, de la Turbiedad y del N-NH3
Tabla 3: Resultados de las pruebas en jarras con agua de diferente calidad utilizando solamente coagulantes Coagulante Mejor dosis, mg/L Turbiedad inicial (UTN) Color inicial (UC) DQO inicial (mg/L)
Rturbiedad, % Rcolor, % RDQO, %
Al2(SO4)3.18H2O 45 56 120 76 99.5 90.3 82.4 Al2(SO4)3.18H2O 50 170 98 103 99.9 82.4 80.5 Al2(SO4)3.18H2O 60 417 477 174 99.6 78.4 75.3 FeCl3.6 H2O 35 74 77 87 99.8 90.6 91.4 FeCl3.6 H2O 40 180 66 110 99.9 91.2 89.6 FeCl3.6 H2O 45 440 305 167 99.5 85.3 83.4 POLYCAT 25 46 48 35 88.0 14.1 10.4 POLYCAT 35 128 76 30 91.3 19.4 16.3 POLYCAT 45 350 250 142 95.1 29.3 21.6 PAX-XL19 15 66 20 10 99.7 98.6 83.1 PAX-XL19 28 115 60 83 99.5 99.1 82.6 PAX-XL19 60 366 230 118 99.5 97.4 80.4 PAX-XL60S 10 115 95 104 99.1 99.5 87.0 PAX-XL60S 15 238 126 156 99.3 99.6 87.1 PAX-XL60S 50 414 290 198 99.7 89.4 81.6 PAX-16S 15 56 121 76 99.3 89.4 82.0 PAX-16S 30 78 130 94 99.4 91.6 81.4 PAX-16S 65 277 260 123 99.7 90.4 83.1 Ferrix-3 25 70 67 54 99.7 90.1 89.4 Ferrix-3 30 125 117 78 99.9 94.3 87.6 Ferrix-3 40 390 307 159 99.9 97.6 88.2 COP 25 43 20 10 78.5 10.5 10.6 COP 30 86 125 89 85.5 13.8 19.4 COP 50 390 243 148 89.4 17.9 20.1
Tabla 4: Resultados de las pruebas en jarras con agua de diferente calidad utilizando combinaciones de coagulantes y floculantes
Coagulante (mejor
dosis en mg/L) Floculante (mejor dosis en mg/L) Turbiedad inicial (UTN) Color inicial (UC) DQO inicial (mg/L) Rturbiedad, % Rcolor, % RDQO% , Al2(SO4)3.18H2O (40) C-1008 (0.15) 70 47 30 99.3 90.6 50.8 Al2(SO4)3.18H2O (45) C-1288 (0.10) 110 180 110 95.4 89.7 80.3 Al2(SO4)3.18H2O (35) A-1638 (0.10) 270 250 180 99.9 90.7 90.1 Al2(SO4)3.18H2O (40) BUFLOC-565 (0.15) 180 90 76 99.9 81.3 80.4 FeCl3.6 H2O (30) C-1008 (0.10) 77 30 18 97.4 90.3 96.2 FeCl3.6 H2O (35) C-1288 (0.10) 120 110 78 99.3 90.1 80.3 FeCl3.6 H2O (30) A-1638 (0.10) 195 204 113 99.9 90.5 90.3 FeCl3.6 H2O (30) BUFLOC-565 (0.15) 240 170 115 99.1 90.4 90.1 PAX-XL19 (10) A-1638 (0.10) 70 50 20 99.5 98.7 87.6 PAX-XL19 (20) BUFLOC-565 (0.10) 124 77 37 99.7 98.9 90.3 PAX-XL19 (20) C-1288 (0.05) 196 107 65 99.8 99.1 89.5 PAX-XL19 (20) A-1638 (0.10) 250 240 118 99.9 98.1 89.3 PAX-XL19 (25) BUFLOC-565 (0.20) 403 298 192 99.9 98.9 92.1
Tabla 5: Resultados de las pruebas en jarras con PAX-XL60S, PAX-16S y Ferrix en combinación con floculantes
Coagulante (mejor
dosis en mg/L) Floculante (mejor dosis en mg/L) Turbiedad inicial (UTN) Color inicial (UC) DQO inicial (mg/L) Rturbiedad, % Rcolor, % RDQO% , PAX-XL60S (10) A-1638 (0.10) 103 90 66 99.9 99.9 90.3 PAX-XL60S (10) C-1288 (0.10) 120 115 76 99.0 89.3 88.4 PAX-XL60S (10) A-1638 (0.10) 378 250 115 99.9 99.8 92.1 PAX-XL60S (15) BUFLOC-565 (0.15) 360 241 107 99.7 99.8 90.3 PAX-16S (15) A-1638 (0.10) 347 176 99 99.9 93.2 89.1 PAX-16S (15) C-1288 (0.10) 80 40 21 97.4 91.3 60.0 Ferrix-3 (20) A-1638 (0.10) 155 52 41 99.6 94.3 90.1 Ferrix-3 (20) BUFLOC-565 (0.15) 370 250 154 99.4 94.9 90.1 Ferrix-3 (25) C-1288 (0.10) 70 50 264 99.1 91.3 87.3
Para la evaluación a nivel piloto del proceso coagulación-sedimentación, fue seleccionado el coagulante PAX-XL60S. Durante la experimentación se abarcaron valores de la Turbiedad hasta 420 UTN, de Color hasta 1,300 UC y de DQO hasta 160 mg/l. Los resultados de la evaluación con respecto a los parámetros Turbiedad, Color, DQO y NTK se presentan en la Figura 3.
Figura 3. Reducción de contaminantes en el tratamiento del agua mediante la aplicación secuencial de coagulación, sedimentación, filtración y desinfección: AC-agua cruda; EC-S - efluente de la coagulación-sedimentación; EF- efluente de la filtración; ED-efluente de la
0 50 100 150 200 250 300 AC EC-S EF ED Punto de muestreo Col o r, U C 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 AC EC-S EF ED Punto de muestreo N TK , m g/l 0 20 40 60 80 100 120 140 160 AC EC-S EF ED Punto de muestreo T u rb ie da d, U T N 0 20 40 60 80 100 120 140 160 AC EC-S EF ED Punto de muestreo D Q O , m g /l
La aplicación de dosis 25-38 mg/l permitió lograr el cumplimiento de la norma usando coagulación, filtración y desinfección en todo el rango de variación de Turbiedad, pero hasta 150 UC de Color y hasta 80 mg/l de DQO. Cuando el agua cruda tenía un mayor contenido de materia orgánica, para cumplir con la norma se necesitaba utilizar el polímero Optifloc A-1638 como ayudante a la coagulación o introducir el proceso de adsorción después de la filtración. En ningún caso se presentaron problemas por presencia de metales u otros compuestos tóxicos, ni por exceso de salinidad o dureza.
El contenido de Coliformes Fecales durante la evaluación en piloto fue entre 2x104 y 9x104 NMP/100ml. La remoción de Coliformes en los procesos de coagulación, sedimentación y filtración no fue mayor de una unidad logarítmica, por lo que el control preciso del proceso de desinfección es sumamente importante para lograr la remoción completa de los patógenos.
CONCLUSIONES
El agua del Río Apatlaco está contaminada prioritariamente por materia orgánica, nitrógeno y patógenos los cuales la hacen difícil de tratar para consumo humano. La combinación de los procesos coagulación-floculación, sedimentación, filtración, adsorción con carbón activado y desinfección aseguran un tratamiento efectivo para lograr la calidad establecida en la normativa mexicana para consumo humano. El coagulante PAX-XL60S fue el mejor reactivo químico que puede ser utilizado sólo o en combinación con Optifloc A-1638 dependiendo del contenido de la materia orgánica en el agua.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
CNA. (2003). Estadísticas del agua en México. Comisión Nacional del Agua (CNA), Primera edición, ISBN 968-817-565-X, México.
GSCA. (2001). Sistema Nacional de Información sobre Calidad del Agua con base en ICA.
