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DETERMINACIÓN DE HUEVOS DE HELMINTOS EN LAS OPERACIONES UNITARIAS DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES CHAPULTEPEC

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DETERMINACIÓN DE HUEVOS DE HELMINTOS EN LAS

OPERACIONES UNITARIAS DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE

AGUAS RESIDUALES CHAPULTEPEC

M. en Ing. Ana Elisa Silva Martínez y Dr. Pedro Martínez Pereda Sección de Ingeniería Ambiental, División de Estudios de Posgrado,

Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México Ciudad Universitaria, 04510, México, D.F. Tel (5)622 30 31 y (5)622 30 03

FAX (5)622 30 00, Correo Electrónico anasvega@servidor.unam.mx.

RESUMEN

La planta de tratamiento de aguas residuales Chapultepec, que trata descargas domésticas de la Ciudad de México, es un ejemplo representativo del sistema de lodos activados, por los que fue elegida para cuantificar el contenido de huevos de helminto por proceso y operación unitaria. Se encontró que la eficiencia de remoción de un proceso de sedimentación simple, como es el sedimentador primario es del 43% y, un proceso de sedimentación floculenta, como es el sedimentador, posterior al tanque de aireación de lodos activados, la eficiencia es del 100% en forma continua y uniforme. Para alcanzar, con sólo la sedimentación simple, remover el 100% de los huevos de helminto, el diseño debe incorporar una menor tasa de sobreflujo. vs en el sedimentador primario, la cual no

debe rebasar 30 m/d. Además, se aprovechó la información como ejemplo del cálculo de balance de masas en un sistema con recirculación.

INTRODUCCIÓN

La demanda de agua, siempre en aumento, aunada a los grandes volúmenes de agua residual que la actividad humana genera (tanto de tipo municipal como industrial), y la escasez de agua de primer uso, hacen inevitable el reuso de las mismas, principalmente en la agricultura y recarga de acuíferos, asociándose a ello aspectos sociales, económicos, políticos, ambientales y de salud de gran relevancia (Sala, 1991). En zonas urbanas es muy frecuente el uso de aguas residuales tratadas para riego de áreas verdes y en zonas recreativas, o para algunos propósitos industriales.

Sin embargo, la responsabilidad que implica el reuso de las aguas residuales, requiere que se realice permanentemente la evaluación del deterioro en la calidad del ambiente y los riesgos a la salud pública, así se contribuye a que el agua residual se utilice de manera

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racional y segura en la producción agrícola, en el mantenimiento de las áreas verdes y para los otros propósitos industriales

Estudios epidemiológicos realizados durante las últimas décadas, han permitido comprobar que el empleo de aguas residuales en el riego agrícola, refleja un importante incremento del número de casos de personas infectadas por patógenos de origen entérico, principalmente en las zonas donde estos agentes son endémicos (Cifuentes, et. al 1994; Bower, 1992; Shuval, 1991; OMS, 1989).

La planta de tratamiento de aguas residuales Chapultepec, que trata aguas domésticas de la Ciudad de México, es un ejemplo representativo de las plantas de tratamiento con base en el sistema de lodos activados, por los que fue elegida para cuantificar el contenido de huevos de helminto por proceso y operación unitaria.

Con esta información es posible determinar la eficiencia de remoción en forma independiente, de cada una de las operaciones unitarias, específicamente del sedimentador primario y del sedimentador secundario, además, es posible obtener un interesante balance de masa, debido a que la tasa de degradación es igual a cero. Finalmente, es posible determinar con cuales operaciones unitarias se cumple con la legislación referente a las descargas de aguas residuales con relación al parámetro que evalúa el riesgo de contaminación por parásitos intestinales.

INDICADORES DE CONTAMINACIÓN POR PATÓGENOS

La evaluación del nivel de calidad microbiológica utiliza indicadores de contaminación fecal, que son aquellos microorganismos cuya presencia da clara evidencia que existe contaminación asociada con excretas humanas y de animales de sangre caliente, son organismos que normalmente viven en el tracto intestinal de los huéspedes y sirven como parámetro para evaluar la calidad microbiológica de las aguas residuales. Los análisis principalmente incluyen: coliformes totales, coliformes fecales y estreptococos fecales (OMS, 1989).

La presencia de organismos indicadores de contaminación fecal, principalmente las bacterias del grupo coliforme, puede dar una aproximación del efecto de los sistemas de tratamiento de agua residual sobre los agentes patógenos; no obstante, los parásitos de origen entérico son más resistentes a los procesos de desinfección que las bacterias indicadoras de contaminación.

La mayoría de autores coinciden en que los huevos de helmintos, particularmente el género Ascaris spp, son los indicadores más apropiados para estudios de inactivación de parásitos en agua y lodo residual, ya que a diferencia de las bacterias y otros organismos patógenos, como virus y protozoarios, éstas estructuras son capaces de permanecer en estado latente en suelos por períodos prolongados (por lo menos 7 años), bajo condiciones ambientales adversas (temperatura inferior a 10 ºC), pueden conservar su viabilidad durante meses, además de ser resistentes a desinfectantes como el cloro y a

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pH extremos. Aunado a esto, los huevos de Ascaris spp, generalmente se encuentran en altas concentraciones en aguas y lodos residuales (Rhyner, 1995; Mara y Alabaster, 1995; Mehlhorn, 1988).

Las directrices de la Organización Mundial de la Salud y el informe de Engelberg para la aplicación de aguas residuales en el suelo (ver Tabla 1), establecen que solamente las aguas residuales que contienen no más de huevo de helminto por litro, pueden emplearse para la irrigación restringida y no-restringida de cosechas. Aunque se han hecho estudios que indican que estas directrices pueden modificarse aumentando hasta 10 huevos de helmintos/L, sin que se registre riesgo a la salud humana (Ayres et. al., 1992).

TABLA 1. Directrices de Calidad Microbiológica Recomendadas para el Uso de Aguas Residuales en Agriculturaa

Categorí a

Condiciones de reuso Grupo expuesto Nemá-todos intesti-nalesb Coliformes fecales (NMP/100 ml) Tratamientos de agua residual recomendables para la calidad microbiológica A B C Irrigación de vegetales que se consumen crudos. Terrenos deportivos y parques públicos.c Irrigación de cultivos en industria, de cereales, cultivos para forraje, árboles frutalesd y pastizales

Irrigación de cultivos mencionados en la categoría B, cuando no ocurre exposición con los trabajadores agrícolas y el público Trabajador y público consumidor Trabajador Ninguno ≤ 1 ≤ 1 No aplica-ble ≤ 1000 No aplicable No aplicable Laguna de estabilización en serie, o un tratamiento equivalente. Lagunas de estabilización con un período de residencia de 8 a 10 días, u otro tratamiento equivalente para la remoción de coliformes fecales y huevos de helmintos. Se requiere pretratamiento, no menor que la sedimentación primaria. a Deberán modificarse las directrices en función de epidemiología, sociocultura y ambiente local. b Media aritmética del número de huevos/L de los géneros Ascaris, Trichuris y anquilostomas, en

muestras obtenidas durante el período de irrigación

c Son apropiadas normas más restringidas (≤ 200 coliformes fecales por 100 ml) para prados públicos, como el césped de hoteles, donde hay contacto directo con el público.

d En el caso de árboles frutale s, el riego debe cesar dos semanas antes de recolectar la fruta, y no puede recogerse ningún fruto caído al suelo. No debe usarse irrigación por aspersión.

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En México, la legislación que se encarga del cuidado de los cuerpos receptores de agua residuales, estableció en la Norma Oficial Mexicana NOM-001-ECOL-1996, que la calidad de agua aceptable en función del uso recreativo y/o riego de áreas verdes que están en contacto con el público, tiene como límite máximo permisible en términos de contaminación por parásitos, el contenido de huevos de helminto de 1 y 5 huevos por litro para riego restringido y no-restringido, respectivamente (Diario Oficial de la Federación, 1997).

¿QUÉ SON LOS HELMINTOS?

Los helmintos son una agrupación no taxonómica, que se refiere al conjunto de parásitos obligatorios del tracto intestinal (y de órganos relacionados) del hombre y otros vertebrados pertenecen al grupo de los nemátodos. En los seres humanos las helmintiasis intestinales representan colectivamente las infecciones parasitarias más predominantes. En los países en desarrollo, donde habita cerca del 75% de la población global, entre la tercera parte y la mitad de los residentes son portadores de uno o más parásitos intestinales (Genta, 1996). Los helmintos intestinales son diseminados por la contaminación del medio ambiente con excretas de los huéspedes infectados, éstas presentan las etapas infectivas o resistentes de los parásitos, ya sea en forma de huevos o larvas, que necesitan estar en contacto con el agua o suelo húmedo para su desarrollo posterior, pudiendo llegar a infectar a un nuevo huésped por diferentes vías (Mehlhorn, et al, 1988).

Comúnmente la literatura reporta las siguientes especies de huevos de helmintos en aguas residuales: Ascaris lumbricoides, Trichuris trichiura, Toxocara sp. y Enterobius vermicularis, cuya transmisión es por la ingestión de los huevos; Strongiloides stercoralis en etapa larvaria penetra por la piel y los huevos de uncinarias liberan una larva que penetra por la piel. Los céstodos (solitarias) son adquiridos a través de la ingestión de huevos o carne infectada (Genta, 1996).

Debido a que los helmintos no se reproducen fuera del huésped, los riesgos potenciales de transmisión en el ser humano se determinan, en gran parte, por la resistencia de las etapas infectivas a los factores ambientales, así como por el tiempo que puedan persistir viables en ambientes extraintestinales. Su transmisión se fomenta al verter las aguas residuales crudas a un medio ambiente favorable (suelo y cuerpos acuíferos) para su diseminación (Booth, M. & Bundy, D.A.P, 1995). El problema principal con los helmintos es el incremento gradual del número de gusanos en el huésped, debido a la continua ingestión de huevos, dado que los helmintos no se reproducen fuera de su huésped y no incrementan su número fuera de éste; es decir, un huevo fecundo ingerido produce un adulto sin multiplicación intermedia (a excepción de Strongyloides); aunado a que la respuesta inmune del huésped es deficiente o ausente. (Booth, M. & Bundy, D.A.P, 1995). Esta característica favorece su uso como indicador, ya que en una muestra, la cantidad de helmintos no varía con el tiempo.

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REMOCIÓN DE HUEVOS REGISTRADA EN SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

Las plantas de tratamiento de aguas residuales, mediante sistemas de tratamiento secundario y avanzado, pueden generar efluentes de alta calidad, con características fisicoquímicas y microbiológicas aceptables para su descarga a cuerpos receptores con un mínimo impacto ambiental, y que cumplan a su vez, con la calidad sanitaria exigible para riego sin restricciones.

El tratamiento primario tiene limitaciones en la remoción de huevos de helminto debido a que la densidad de los mismos no es suficientemente grande. La tasa de sedimentación en agua residual cruda depende fundamentalmente de la turbulencia del sistema y de su gravedad específica, misma que varía, dependiendo de la especie, entre 1.1 y 1.29 (Salas, 1991). En el caso de Chapultepec se realizaron mediciones precisas que se reportan en los resultados. En el caso de tratamientos secundarios, los principales mecanismos de remoción de patógenos en general, son la sedimentación floculenta, gracias a que la eficiencia aumenta por la adsorción a los grandes flóculos biológicos. En el tratamiento de lodos activados, el porcentaje de remoción de huevos de helmintos, varía en cada etapa del tren de tratamiento. Shuval, et al. (1986), estimó que los huevos de helmintos sedimentarían a una tasa de 60 a 90 cm/h (2 a 3 pies por hora) en condiciones estáticas; por ejemplo, un sedimentador primario con 2.5 h de tiempo de retención y carga superficial de 32 m3/m2·d, puede remover 67-75% huevos de Ascaris spp., 91.8-100% huevos de Trichuris spp. y 81-96% huevos de uncinarias.

Stott y Lee (1993) reportaron que una planta de lodos activados (incluyendo sedimentación primaria, tanque de aireación, sedimentación secundaria y desinfección) puede remover entre 81.5 y 100% huevos de helmintos.

Es importante destacar que el tratamiento de lodos activados no altera la viabilidad de los huevos de helmintos, debido a que las condiciones del medio no son desfavorables, así mismo, los huevos de helmintos que tienden a sedimentar, se acumulan en los lodos residuales, donde pueden permanecer en estado de latencia conservando su viabilidad; y aunque en las aguas tratadas se observe una reducción significativa de estas estructuras parasitarias, los lodos residuales contienen los huevos de helmintos inicialmente presentes en el agua residual cruda (Rhyner, et al 1995).

No debe olvidarse que dicha eficiencia de tratamiento da como resultado la generación de grandes cantidades de biosólidos o lodos residuales como subproducto, que concentran los huevos de helminto removidos del agua, los cuales requieren manejo y tratamiento para su disposición final en forma segura para el ambiente y para la salud (Foess, G.W. & Sieger, R.B.,, 1993).

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METODOLOGÍA

El procedimiento para la determinación de huevos de helminto en las operaciones unitarias de la planta de tratamiento de aguas residuales Chapultepec, consistió en el muestreo en las entradas y salidas, tanto de agua como de lodos, de los sedimentadores, primario y secundario, y del tanque de lodos activados para, posteriormente, realizar la cuantificación del número de huevos por muestra.

Los procedimientos analíticos se llevaron a cabo conforme el anexo 1 de la NOM-001-ECOL/1996. (Diario Oficial de la Federación, 1997), en las instalaciones del laboratorio de Ingeniería Ambiental de la División de Estudios de Posgrado de la Facultad de Ingeniería, UNAM

Tomando en cuenta los caudales de la planta de tratamiento “ Chapultepec“ y sus variaciones horarias y diarias, se realizó la determinación de huevos de helmintos en 5 sitios de muestreo, tomando muestras compuestas 2 veces a la semana durante 4 semanas. Por ello, se realizaron 60 análisis en laboratorio, correspondiendo 40 a muestras de agua y 20 a muestras de lodo.

Los sitios de muestreo seleccionados son (ver figura 1):

• Influente del sedimentador primario (ISP)

• Efluente del sedimentador primario (ESP)

• Purga del sedimentador primario (PSP)

• Recirculación de lodos del sedimentador secundario (RSS)

• Influente del sedimentador secundario (ISS)

• Efluente final. (Efl)

El volumen procesado de muestras de agua fue de 5 litros y en las muestras de lodos fue de 50 ml. Para la identificación de los géneros y especies, se tomaron en cuenta las características morfológicas y de tamaño de las estructuras parasitarias. En este reporte, se presentan sólo los resultados de la identificación y cuantificación de Ascaris sp. (corticado), la relación completa se puede consultar en informe de Silva, et.al (1997). Para la cuantificación de huevos en lodos, se solicitó que los operadores sólo realizaran purgas durante los muestreos, con la finalidad de evitar pérdidas que dieran errores en el balance de masa.

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FIG 1. Sitios de Muestreo para Determinación de Huevos de Helminto. CDE CAR SEP TAE SES TCC Nomenclatura

CDE: Canal desarenador CAR: Cárcamo de agua residual SEP: Sedimentador primario TAE: Tanque de aireación SES: Sedimentador secundario TCC: Tanque de contacto de cloro SER: Sistema de rejillas

VSU: Vertedores sutro

Lodos de purga 1 2 3 1 2 INFLUENTE A tanque de almacenamiento EFLUENT UNIDAD II SRE VSU Recirculación de lodos Lodos de purga I II III IV V VI VII

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SP

RESULTADOS DE LA DETERMINACIÓN DE HUEVOS DE HELMINTOS

Los resultados por sitio y día de muestreo se muestran en la Tabla 3. En ella se observa que la cantidad de huevos de helminto (hh) por litro de agua residuales de tipo doméstico fluctúa entre 2 y 19, con un promedio de 9 hh/l. En el sedimentador primario se obtuvo una eficiencia del 43%, descargando un promedio de 5 hh/l, con un mínimo de 1 y un máximo de 11 hh/l. En el tanque de lodos activados ingresa tanto el efluente del sedimentador primario como la recirculación de lodos del sedimentador secundario. Por ello, el influente al sedimentador secundario se incrementa notablemente, teniendo variaciones de 13 a 43 hh/l, con un promedio de 29. Fue agradable encontrar que a la salida del sedimentador secundario no se determinaron huevos de helminto, no sólo se obtuvo como promedio el 100% de eficiencia, sino que en todos los casos, la cuantificación de huevos de helminto resultó cero.

La mayor proporción de huevos fue encontrada en los lodos de purga del sedimentador primario, con un promedio de 3640 hh/l de lodo. En cambio, la recirculación de lodos del sedimentador secundario tiene un promedio de 175 hh/l de lodo.

Con los resultados promedio es posible realizar un balance de masas, ya que se considera que la cantidad total de huevos de helminto es una constante y no hay pérdidas en el sistema. De este modo, es posible calcular los caudales de purga tanto del sedimentador primario como del secundario. Si el esquema general de la planta se simplifica con el siguiente diagrama de flujo:

El balance de masas podría realizarse para el sedimentador primario SP y para el secundario SS, si se conocieran los gastos en cada punto. Como la instrumentación de la planta de tratamiento Chapultepec no lo permitió, se calcularon los gastos mediante ecuaciones simultáneas con dos incógnitas. Así:

Al primer elemento, SP, se le asigna la ecuación de la continuidad de caudales y otra de conservación de materia: 60 l/s = ESP l/s + PSP l/s (9hh/l * 60 l/s) = (5hh/l * ESP l/s) + (3640hh/l * PSP l/s) 9 hh/l 5 hh/l 29 hh/l 0 hh/l 175 hh/l 175 hh/l 3640 hh/l ISP Lodos Activados ESP SS ISS EFL 60 l/s PSP PSS

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TABLA 3. Resultados de la cuantificación de huevos de

Helminto (ascaris sp. (corticado), por litro de muestra

Fecha Influente al sedimentador primario ISP Efluente del sedimentador primario ESP Influente al sedimentador secundario ISS Efluente Final (postcloración) EFL % remoción sedimentador primario % remoción sedimentador secundario 21-05-97 6 4 0 30.00% 100.00% 23-05-97 2 1 0 54.55% 100.00% 11-06-97 7 3 42 0 61.76% 100.00% 23-06-97 19 11 13 0 43.01% 100.00% 25-06-97 13 6 29 0 51.56% 100.00% 01-07-97 8 5 15 0 34.21% 100.00% 03-07-97 6 4 43 0 41.94% 100.00% 08-07-97 10 7 30 0 28.85% 100.00% PROMEDIO 9 5 29 0 43.23% 100.00% Fecha Lodos Primarios PSP Lodos Secundarios RSS 21-05-97 2780 280 23-05-97 800 180 11-06-97 3760 220 23-06-97 6640 100 25-06-97 5720 220 01-07-97 1660 120 03-07-97 4160 60 08-07-97 3600 220 PROMEDIO 3640 175

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Aplicando ecuaciones simultáneas se obtiene que la purga del sedimentador primario, PSP es de 0.066 l/s y el efluente, ESP es de 59.934 l/s.

El cálculo del balance de masas en el tanque de lodos activados considera que no hay almacenamiento de huevos de helminto, pero que existe una recirculación de lodos del sedimentador secundario. Así, el influente del sedimentador secundario ISS lo constituyen el efluente del sedimentador primario ESP más la recirculación de lodos Rec. Las ecuaciones simultáneas entonces son:

ESP l/s +Rec l/s = ISS l/s

(5hh/l * ESP l/s) + (175hh/l * Rec l/s) = 29hh/l ISS l/s

Como se conoce el valor de ESP, la resolución de las ecuaciones simultáneas establecen que el caudal promedio de la recirculación Rec es de 9.852 l/s y que el caudal de la salida del tanque de lodos activados, que es el influente del sedimentador secundario ISS es de 69.786 l/s.

Finalmente, en el sedimentador secundario SS, las ecuaciones para el balance de masas son:

ISS = EFL + Rec + PSS

29 hh/l * ISS l/s = (0 hh/l * EFL l/s) + (175 hh/l * Rec l/s) + (175 hh/l * PSS l/s)

Utilizando los valores calculados para ISS y para Rec, y dado que el número de helmintos en el efluente es cero, el caudal de la purga del sedimentador secundario PSS es de 1.7125 l/s y el caudal del efluente EFL es de 58.2215 l/s.

El balance hidráulico general se estableció como:

ISP = EFL + PSP + PSS 60 = 58.2215 + 0.066 + 1.7125

Por otra parte, es posible aplicar el principio de sedimentación para partículas esféricas, la Ley de Stokes, a los huevos de helminto y calcular el área del sedimentador para que garantizara la completa remoción de huevos.

Con una densidad mínima, ρp de 1.1, un diámetro de partícula de dp 80 micras, medido al

microscopio, la tasa de sobreflujo vs en el sedimentador primario debería ser de

3.54(E-04) m/s, es decir, de 30 m/d. Para el gasto de 60 l/s de la planta Chapultepec, se requeriría un área del sedimentador primario de 170 m2, si el objetivo fuera la remoción del 100% de los huevos de helminto. El área del sedimentador es de 72 m2, lo que explica la eficiencia de remoción de helmintos sea cercana al 40%.

vs =

G( ρp - ρw ) dp2

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CONCLUSIONES

Los huevos de helminto fueron cuantificados en las principales operaciones unitarias de la planta de tratamiento de aguas residuales Chapultepec, de la Ciudad de México, en ellas se encontró que la eficiencia de remoción de un proceso de sedimentación simple, como es el sedimentador primario es del 43% y, un proceso de sedimentación floculenta, como es el sedimentador secundario o clarificador, posterior al tanque de aireación de lodos activados, la eficiencia puede ser del 100% en forma continua y uniforme.

Los resultados indican que el agua tratada mediante un proceso secundario, que cuenta con una sedimentación de tipo floculenta, puede ser usada conforme las normas nacionales y los estándares internacionales, para riego, con respecto al parámetro indicador de parásitos intestinales, que son los huevos de helminto.

La simple sedimentación, analizada mediante el sedimentador primario sólo cumple con el límite máximo de 5 huevos de helminto por litro para riego no restringido, en el 60% de las muestras, es decir, para el riego de cultivos que no serán consumidos crudos, ni estarán en contacto directo con la población.

Para poder cumplir con la sedimentación simple y remover el 100% de los huevos de helminto, el área superficial debería aumentaría a 170 m2, es decir, sólo si el proceso cambia sus criterios actuales de diseño para incorporar una menor tasa de sobreflujo vs

en el sedimentador primario, la cual no debe rebasar 30 m/d.

AGRADECIMIENTOS

Se agradece la colaboración del grupo de Ingenieros Consultores Ambientales (INCAM) y de la Biol. Diana Ortiz por su participación en los trabajos de campo y de laboratorio. Se agradece las facilidades que brindó la Dirección General de Construcción y Operación Hidráulica del Gobierno del Distrito Federal para la realización de este trabajo, así como a los trabajadores de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales Chapultepec, por su apoyo.

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SOBRE LOS AUTORES

La M. en Ing. Ana Elisa Silva Martínez es actualmente profesora de los cursos de “ Operaciones Unitarias en Ingeniería Ambiental”, “Control de la Contaminación del Suelo”, “ Contaminación Ambiental 2” y “ Socioeconomía Ambiental” en la Maestría de Ingeniería Ambiental de la Facultad de Ingeniería de la U.N.A.M. Se puede localizar en el teléfono 56 22 30 31, FAX 56 22 30 00 o al Correo Electrónico anasvega@servidor.unam.mx

El Dr. Pedro Martínez Pereda es el decano de los profesores y co-fundador de la Maestría y Doctorado en Ingeniería Ambiental de la Facultad de Ingeniería, U.N.A.M. Actualmente, imparte los cursos de “ Diseño de Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales” , “Aguas y desperdicios de la industria”, “Contaminación Ambiental 1”, “Seminario de Investigación” y “ Operaciones Unitarias en Ingeniería Ambiental”. Se puede localizar en el teléfono 56 22 30 03 y en el FAX 56 22 30 00.

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