Universidad del Valle/Instituto Cinara Márquez, J. F. et al 185
CONTROL DE MALOS OLORES EN UN SISTEMA INTEGRAL DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES PARA CASAS HABITACION
Márquez, J. F.,* Morgan, J. M.** y Noyola, A.***
Coordinación de Bioprocesos Ambientales, Instituto de Ingeniería, UNAM, Apdo. Postal 70-472; 04510. Ciudad Universitaria, Coyoacán, DF, México. FAX: 56162798.
e-mail: *[email protected], **[email protected], ***[email protected]
RESUMEN
Se presenta la operación de un sistema de Biofiltración de gases para el control de olores instalado en un sistema integral de tratamiento para aguas residuales domésticas. Este consta de una fosa séptica, una planta anóxica-aerobia, un filtro de lecho de raíces (o wetland) y una cisterna en donde se adiciona hipoclorito para la desinfección. La unidad de biofiltración fue operada bajo condiciones convencionales (sin agitación del medio y con adición de agua) y bajo condiciones de agitación del medio filtrante. El biofiltro se empacó con composta (10 l) y fue operado bajo variaciones de concentración del H2S proveniente de la fosa séptica entre 16 y 155 ppmv, con un flujo de gas de 1,68 m3/h (carga
superficial de 23.7 m3/m2/h, carga másica promedio de 12.8 g H
2S/m3/h). Se monitoreó la concentración de SO42-, el
contenido de humedad, pH, alcalinidad y caída de presión en el medio filtrante, así como el contenido de humedad en el gas. La agitación del medio permitió un mejor control del biofiltro. La acumulación de SO42- en el medio ocasionó una
disminución en la tasa de remoción de H2S. Se demuestra un control eficaz de los olores bajo determinadas condiciones. PALABRAS CLAVES
Aguas residuales domésticas, biofiltro, composta, olores, H2S, tratamiento in situ.
INTRODUCCION
Las plantas de tratamiento de aguas residuales son herramientas tecnológicas muy importantes para coadyuvar en la preservación del medio ambiente, en el reúso del agua y al control de enfermedades, particularmente las gastrointestinales, por lo que favorecer su instalación debe ser un elemento prioritario como parte de acciones de saneamiento básico en la población. Sin embargo, uno de los principales problemas asociados con las plantas de tratamiento de aguas residuales y que en algunos casos ha sido determinante para clausurar o evitar su instalación, es la generación de malos olores. La fuente de malos olores está asociada con la generación y tratamiento de residuos sólidos como el lodo biológico o químico así como con el manejo del agua residual misma y con la degradación de la materia orgánica dentro de la planta de tratamiento.
En este trabajo se reporta la experiencia de operación de un tren de tratamiento de aguas residuales para casas habitación, en donde se utiliza una microplanta (anóxica-aerobia) en conjunto con un sistema natural construido (filtro lecho de raíces o wetland). Este tren de tratamiento fue diseñado para tratar el agua residual de una casa habitación con 4 personas (1 a 1.5 m3/d). Al tren de tratamiento original se le adicionó un sistema de control de olores con base en un prototipo de biofiltro de composta en el cual fue posible la agitación del medio filtrante. La efectividad operativa del biofiltro fue monitoreada con base en la remoción de H2S, compuesto que contribuye en gran medida a la generación de malos olores.
METODOS
Se instaló un sistema integral de tratamiento de agua residual doméstica en una casa habitación (4 personas). Este sistema consta de una fosa séptica, una microplanta, un lecho de raíces (wetland) y una unidad de almacenaje de agua tratada donde también se efectúa su desinfección con hipoclorito. Debido a la emisión de malos olores en la fosa séptica y la microplanta, se incorporó un sistema de control de olores basado en un biofiltro de composta. La operación del tren de tratamiento de agua fue de 7 meses continuos. La operación del biofiltro fue de 4 meses y se compuso de una fase de operación convencional (2 meses) y otra con agitación del medio filtrante (2 meses). Por operación
Universidad del Valle/Instituto Cinara Márquez, J. F. et al 186 convencional se entiende que al medio filtrante solamente se le adiciona agua para el control de humedad del mismo.
Sistema de tratamiento de agua
El sistema de tratamiento de agua residual doméstica se integró con cuatro unidades (Figura 1): Fosa séptica. En esta fase se retienen los sólidos sedimentables contenidos en el agua residual para su almacenamiento y parcial digestión. Esta zona es responsable en gran parte de contribuir a la formación de olores en el sistema de tratamiento. La fosa séptica fue construida en un tanque comercial prefabricado de plástico con capacidad de almacenamiento de 1 m3.
IN FLU EN TE
FO SA
SEP TIC A W ETLA N D
M IC R O
P LAN TA A LM ACEN AM IEN TO AIR E
O LO RES
P1: Influente a la Fosa Séptica P2: Influente a M icroplanta P3: Influente a W etland P4: Efluente total
P1 P2 P3 P4 BIO FILTR O IN FLU EN TE EFLU EN TE H IP O C LO RITO IN FLU EN TE FO SA
SEP TIC A W ETLA N D
M IC R O
P LAN TA A LM ACEN AM IEN TO AIR E
O LO RES
P1: Influente a la Fosa Séptica P2: Influente a M icroplanta P3: Influente a W etland P4: Efluente total
P1 P2 P3 P4
BIO FILTR O
IN FLU EN TE EFLU EN TE
H IP O C LO RITO
Figura 1. Esquema del tren de tratamiento de agua residual con el control de olores
Microplanta. Este sistema fue diseñado en el Instituto de Ingeniería de la UNAM (US Patent 6,210,578). El prototipo posee un volumen neto total de 1016 l con una capacidad de tratamiento de 1 a 1.5 m3/d (de 5 a 10 personas). La planta de tratamiento está calculada para el manejo de agua residual doméstica con concentraciones típicas de DQO, DBO5 y SST de 500, 220 y 220 mg/l respectivamente. El oxígeno se suministró por medio de un compresor de diafragma marca HAGEN-100 de 60 W. Se efectúa una recirculación de agua tratada entre la zona anóxica y aerobia mediante un sistema tipo “airlift” accionado con aire del mismo compresor.
Filtro de lecho de raíces. El efluente de la microplanta ingresa a un filtro de lecho de raíces, el cual está empacado con grava con un diámetro de 1.9 cm. Esta unidad posee una altura total de 1.3 m, una longitud de 3.9 m y 2.0 m de ancho (volumen útil de 5.22 m3). Cuenta con 3 mamparas a lo largo del tanque para minimizar los cortos circuitos hidráulicos. Se sembraron un total de 50 plantas de los géneros Thypha y Phragmites.
Tanque de almacenamiento. El agua tratada fue desinfectada con pastillas de cloro (0.3 a 0.5 mg/l como cloro residual en el efluente). De esta unidad final, los habitantes de la casa habitación han dispuesto del agua para su reúso en riego de cultivos ornamentales. En la Tabla 1 se muestran algunas características de cada unidad.
Universidad del Valle/Instituto Cinara Márquez, J. F. et al 187 Tabla 1. Algunas características del sistema de tratamiento de agua
Características séptica Fosa Microplanta Wetland almacenamiento Tanque de
Altura tanque, m 1.4 1.4 1.3 1.4
Altura nivel agua, m 1.1 1.1 0.6 1.0
TRH de diseño, d 1.0 1.0 1.5 1.0
FEV, adimensional N.a. N.a. 0.55 N.a.
Volumen del tanque, m3 1.0 1.0 10.4 1.0
Volumen de grava, m3 N.a. N.a 5.2 N.a.
Diámetro, m 1.3 1.2 N.a. 1.3
N.a.: no aplica TRH: tiempo de residencia hidráulica FEV: fracción de espacio vacío
Sistema de control de olores
La unidad de biofiltración de gases, construida con lámina galvanizada, estuvo integrada por dos columnas; una de ellas se utilizó como testigo a la cual no se le introdujo flujo de gas ni se le agitó el medio filtrante, solamente se le adicionó agua. La otra columna fue operada inicialmente siguiendo un criterio convencional y posteriormente con agitación del medio. Las dos columnas de biofiltración (Figura 2) se fijaron a una estructura metálica que permitió la agitación del medio filtrante a través del movimiento giratorio de la misma accionado manualmente (solamente aplicado a la columna de biofiltración, no al testigo). La agitación se efectuó cada dos días durante 10 minutos. El flujo de gas (1,68 m3/h), proveniente de la fosa séptica y de la microplanta, se condujo al biofiltro por medio de un pequeño compresor de aire (marca GAS-T, modelo DOA-P104). El flujo de aire fue medido con un rotámetro calibrado marca Cole Parmer (0 a 100 l/min.).
Cada columna de biofiltración posee una altura de 0.6 m, con 0.3 m de diámetro. La altura de empaque del medio filtrante fue de 0.15 m. La composta utilizada como medio filtrante fue producida en la planta de composta de Ciudad Universitaria con base en estiércol de caballo con hojas y ramas de eucalipto, pasto, fresno y liquidambar. En la Tabla 2 se presentan algunas características de operación del sistema de control de olores al momento de su arranque.
Tabla 2. Características del sistema de control de olores
EN CARACTERISTICA VALOR
Contenido de humedad inicial en medio, % 51
Alcalinidad inicial en medio, mg CaCO3 /g composta 11
pH inicial del medio, unidad 8.30
Medio filtrante
(composta) Tamaño de partícula promedio, mm 1.06
Sentido del flujo Ascendente
Altura de cama, m 0.15
Diámetro de columna, m 0.30
Velocidad de flujo, m/h 2.16
Tiempo de retención en cama vacía, s 23.4
Carga superficial, m3/m2/h 23.7
Carga másica, g H2S/m3/h 12.8
Concentración promedio de contaminante en influente, mg H2S/ L 0.08
Adición de agua al medio filtrante, ml cada 2 días 161
Columna
Flujo alimentado de gas, m3/h 1.63
Técnicas analíticas
Cada dos días se realizaba el muestreo en el sistema de tratamiento de agua de la casa habitación. Se efectuó la toma de muestras en el biofiltro tanto en la fase gas como en el medio filtrante; mientras que para el tren de tratamiento del agua residual se definieron los siguientes puntos: P1, la
Universidad del Valle/Instituto Cinara Márquez, J. F. et al 188 entrada general al sistema o entrada a la fosa séptica; el punto P2, como la salida de la fosa séptica; el punto P3, salida de la planta paquete y el punto P4 como la salida del sistema de lecho de raíces o total del sistema (Figura 1).
Al tren de tratamiento de agua se le determinaron los parámetros de demanda química de oxígeno total y soluble (DQOt y DQOs, respectivamente), sólidos suspendidos totales (SST), sólidos suspendidos volátiles (SSV), sólidos suspendidos fijos (SSF) y pH según los Métodos Estándar (APHA, 1995). Para la determinación del oxígeno disuelto y de la temperatura se utilizó un oxímetro digital con electrodo de membrana marca YSI, modelo 58. En la Tabla 3 se resumen los parámetros evaluados para el control del biofiltro.
Olores de la
Fosa séptica Influente
Efluente Testigo Filtro Rotámetro Manómetro Trampa Trampa Bomba peristáltica Toma de muestra de olores Medidor H2S 0.6 m 0.15 m 0.3 m Medio filtrante (composta) Detalle de Biofiltro Malla de metal Desviación Válvula Olores de la
Fosa séptica Influente
Efluente Testigo Filtro Rotámetro Manómetro Trampa Trampa Bomba peristáltica Toma de muestra de olores Medidor H2S 0.6 m 0.15 m 0.3 m Medio filtrante (composta) Detalle de Biofiltro Malla de metal Desviación Válvula
Figura 2. Esquema del sistema de control de olores Tabla 3. Parámetros en el control de olores
PARÁMETRO EN REFERENCIA DESCRIPCION
Concentración de H2S
Gas influente y efluente
EIT Gas Detection Systems, U.S.A.
Sensor y transmisor electroquímico Humedad Relativa Gas influente y
efluente
Detector de humedad Digi-Sense, Cole Palmer Instruments, U.S.A.
Medición electrónica con sensor
Temperatura Gas influente y efluente
Detector de humedad DigiSense, Cole Palmer Instruments, U.S.A.
Medición electrónica con sensor
SO42- Medio filtrante Merk Spectroquant Método fotométrico, con
lectura a 515 nm.
Humedad Medio filtrante Parent y Caron (1993) Secado de 1 g de muestra a 103°C por 48 h
Caída de presión Medio filtrante Manómetro diferencial Medición en la diferencia de altura entre los meniscos del líquido (agua)
pH Medio filtrante Hendershot et al. (1993) 1 g composta seca en 100 ml de agua desionizada con agitación durante 5 min Alcalinidad Medio filtrante Hendershot et al. (1993) 1 g composta seca en 100 ml
de agua desionizada con agitación durante 5 min
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RESULTADOS Y DISCUSION
La planta de tratamiento de aguas residuales estuvo operando durante 3 meses antes de arrancar el sistema de control de olores. Durante este tiempo se permitió la estabilización del sistema de tratamiento así como la generación de H2S en la fosa séptica. Al cabo de estos 3 meses de operación ya era indispensable el control de olores, pues hubo molestias a los habitantes de la casa.
Tren de tratamiento de agua
La concentración de DQOt y DQOs en el influente al sistema fue en promedio de 1103 mg/l y 569 mg/l, respectivamente; mientras que la eficiencia de remoción total fue del 89 y 81 % al alcanzar concentraciones de salida de 124 mg/l y 107 mg/l, respectivamente. El agua residual que estuvo tratando el sistema tuvo una concentración por arriba de lo que generalmente presenta un agua residual catalogada como doméstica. En la Figura 3 se observa el comportamiento para la DQOt y DQOs del tren de tratamiento de agua. En la Tabla 4 se presentan los datos que fueron obtenidos durante la operación del sistema de tratamiento de agua residual doméstica.
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 0 25 50 75 100 125 150 175 200 días DQO s mg / L P1 P2 P3 P4 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 0 25 50 75 100 125 150 175 200 días DQO t m g DQO / L P1 P2 P3 P4
Figura 3. Comportamiento de la DQOt y DQOs en el sistema de tratamiento de agua Tabla 4. Valores promedio de la operación del tren de tratamiento de agua
Parámetro P1 * σ P2 * σ % REM en FS P3 * σ % REM en MP P4 * σ % REM en FLR REM TOTAL DQOt, mg/l 11 03 41 4 81 6 26 8 26 24 8 12 6 70 12 4 45 50 89 DQOs, mg/l 56 9 183 578 202 Prod 186 91 68 107 44 42 81 SST, mg/l 56 2 14 2 13 8 31 75 69 40 50 26 10 62 95 SSV, mg/l 46 4 12 3 11 2 25 76 55 36 51 15 9 73 97 SSF, mg/l 98 54 26 23 73 14 8 46 11 6 21 87
pH 7.4 N.a 7.2 N.a N.a. 7.5 N.a
. N.a. 7.9 N.a N.a. N.a.
Temp; °C 18. 3 3.0 19. 4 2.6 N.a. 19. 3 2.7 N.a. 16. 9 3.3 N.a. N.a.
OD, mg/l 1.1 0.7 0.3 0.3 N.a. 1.1 0.5 N.a. 1.1 0.8 N.a. N.a.
* Ver Figura 1 para su ubicación; N.a. = No aplica; REM = Remoción; FS = fosa séptica; MP.= Microplanta; FLR = Wetland o filtro lecho de raíces; proa = producción.
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Sistema de control de olores
La evolución del comportamiento de los biofiltros se presenta en la Figura 4, donde se muestran los principales parámetros evaluados en este experimento. La humedad del medio filtrante en la fase convencional, a pesar de la adición de agua, observó un decaimiento del 50% hasta un 29%, mientras que en la fase de agitación de cama, la humedad se mantuvo en 44%. En contraste, el testigo permaneció con un contenido de humedad por debajo de lo existente en la columna de biofiltración. Ello se explica por el alto contenido de humedad en el gas (prácticamente al 100%), lo cual permitió, en el caso de la columna de biofiltración, la transferencia de humedad del aire al medio filtrante. Por su parte, la agitación del medio filtrante permitió el mezclado del medio y mejores condiciones de homogeneización lo cual se reflejó en el incremento del contenido de humedad.
La caída de presión no se alteró durante la fase convencional. En la fase de agitación se observa un incremento abrupto, lo cual se explicó por la condensación y acumulación excesiva de agua en la parte inferior del biofiltro debido a la disminución de la temperatura ambiente que se presentó en ese tiempo. Al inicio de la fase de agitación, la temperatura a las 12 a.m. fue de 38°C y al final de esta etapa descendió a 25°C (por las noches se reportan temperaturas por debajo de los 15 °C). Al remover el excedente de agua se restableció la caída de presión a los niveles anteriores. Para ello, fue necesario purgar con frecuencia (cada semana) el agua excedente acumulada en el fondo del biofiltro. Durante el lapso de operación del biofiltro no se observó una acumulación de biomasa y/o azufre elemental tal que llegara a incrementar la caída de presión.
El comportamiento de la alcalinidad del medio durante la fase convencional fue variable y se encuentra en un intervalo entre 3 y 16 mg CaCO3/g composta. En contraste, durante la agitación del medio, la alcalinidad en el biofiltro tuvo un comportamiento más constante. Al cabo de los 7 meses de operación se observó la disminución de la alcalinidad y del pH como resultado de la producción de ácido sulfúrico y su acumulación en el medio, situación también encontrada por Groenestijn y Liu (2002). El comportamiento de los valores de alcalinidad en la fase de operación convencional presenta mayor variación que los valores obtenidos en el biofiltro durante la fase de agitación, debido a que el mezclado del medio provoca mejores condiciones de homogeneidad en el mismo. Al finalizar la operación del biofiltro se midió una acumulación de sulfatos en el medio de 27.3 mgSO42-/g composta seca, lo cual se acerca a la concentración inhibitoria por sulfatos (30 mgSO4 2-/g composta seca) reportada por Wada et al. (1986) en cuanto a la remoción de H2S. En la fase de agitación del medio filtrante se observó un incremento abrupto en la concentración de sulfato acumulado en los primeros días correspondientes a la fase de agitación, lo que se explica por una mejor condición de homogeneidad en el medio, y por lo tanto un muestreo más representativo, lo cual no prevaleció en la fase convencional. Al operar el biofiltro a concentraciones altas de sulfato acumulado en el medio se observó una disminución en la tasa de remoción de H2S.
Universidad del Valle/Instituto Cinara Márquez, J. F. et al 191 0 20 40 60 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 días Biofiltro Testigo AGITACION DE MEDIO FASE CONVENCIONAL 0 25 50 75 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 días Influente Efluente
FASE CONVENCIONAL AGITACION DE MEDIO
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 días 2
FASE CONVENCIONAL AGITACION DE MEDIO
3 4 5 6 7 8 9 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 días Un ida d d e pH Biofiltro Testigo AGITACION DE MEDIO FASE CONVENCIONAL 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 días Alc a lini d ad m g Ca CO 3 /g c o m pos ta Biofiltro Testigo FASE CONVENCIONAL AGITACION DE MEDIO 0 5 10 15 20 25 30 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 días 4 2-Biofiltro Testigo AGITACION DE MEDIO FASE CONVENCIONAL
Figura 4. Comportamiento de los parámetros de humedad, caída de presión, pH, alcalinidad y sulfatos en el medio filtrante y de humedad relativa en gas durante la fase convencional y de
agitación del medio, esto último aplicable solamente al biofiltro y no al testigo
En la Figura 5 se muestran las cargas másicas aplicadas con sus correspondientes tasas de remoción. Durante la etapa de agitación disminuyeron las cargas aplicadas al biofiltro, debido a una menor concentración de H2S en el gas extraído. Al comparar las cargas másicas aplicadas que son similares tanto en la fase convencional como en la de agitación del medio es posible observar que las tasas de remoción en la fase de agitación son menores a las encontradas en la fase convencional. En promedio, hubo una disminución en la remoción de H2S de 86 a 71% entre una fase y otra. Ello se explica debido a que en la fase de agitación, el biofiltro ya estuvo trabajando con concentraciones de sulfato cercanas a la concentración inhibitoria mencionada con anterioridad (ver Figura 4). Esto coincide con resultados obtenidos por Morgan-Sagastume et al., (2003). En el presente estudio, la
Universidad del Valle/Instituto Cinara Márquez, J. F. et al 192 agitación del medio no incrementó la capacidad de remoción del biofiltro, aún cuando la humedad del medio fue mejor controlada bajo condiciones de agitación.
0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 Carga aplicada, g H2S / m3 / h Tasa de remoci ón g H2S / m 3 / h Etapa convencional Etapa de agitación 100% d ió 100% de remoción 86% de remoción 71% de remoción
Figura 5. Tasa de remoción para el biofiltro.
CONCLUSIONES
La instalación de un sistema de tratamiento integral permitió el reúso del agua residual generada en una casa habitación y evitó las molestias a los usuarios por malos olores al poner en operación el sistema de biofiltración.
El tren de tratamiento de agua entregó un efluente con calidad para ser reusada en riego. La eficiencia promedio fue del 89 y 81 % para la DQOt y DQOs respectivamente.
El sistema de control de olores, basado en un biofiltro con composta, fue operado bajo el esquema convencional y de agitación del medio. La tasa de remoción del biofiltro se vio afectada por la acumulación de sulfatos en el medio filtrante; bajo las condiciones del experimento, la agitación del medio no contrarrestó el efecto inhibitorio de los sulfatos acumulados.
Los malos olores provenientes de la fosa séptica y de la microplanta fueron reducidos a completa satisfacción de los usuarios del sistema, al no percibir olores.
REFERENCIAS
Groenestijn, J. and Liu, J. (2002). “Removal of Alpha-pinene from Gases Using Biofilters Containing Fungi” Atmospheric Environment. 36, 5501-5508.
Hendershot, E.H.; Lalande, H. and Duquette, M. (1993). “Soil reaction and exchangeable acidity”. Soil Sampling and Methods of analysis, Carter M., Ed. Capítulo 16. pp. 141-145.
Morgan-Sagastume, J.M.; Loyola, A.; Revah, S. and Ergas, S. (2003). “Changes in Physical Structure of a Compost Biofilter Treating H2S” Journal of the Air and Waste Management
Association. En prensa.
Parent, L.E. and Caron, J. (1993). “Physical properties of organic soils. In: Soil Sampling and Methods of analysis”, Carter M., Ed. Canadian Society of Soil Science, Lewis Publishers, Chapter 43. pp. 441-458.
“Standard Methods for the Examination oy Water and Wastewater”. (1995). 19th edn. American Public Health Association/American Water Works Association/Water Enviroment Federation, USA.
Wada, A.; Shoda, M.; Kubota, H.; Kobayashi, T.; Katayama-Fujimura, Y. and Kuraishi, H. (1986). “Characteristics of H2S oxidizing bacteria inhabiting a peat biofilter” J. Ferment Technol.,
