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Introducción
El agua residual es un efluente líquido al cual se le ha alterado su composición inicial debido al impacto ambiental que representa, su estudio ha venido de la mano con el tratamiento de la misma.
La alteración se debe al crecimiento poblacional y a la mala planificación territorial, lo que causa problemas como la contaminación de los recursos debido al mal manejo de los residuos sólidos y líquidos (Torres, 2012). El tratamiento del agua residual va desde tratamientos anaerobios como aerobios, tal es el caso de los lodos activados.
Algunos estudios acerca de lodos activados se han realizado por Vilaseca (2001) obteniendo resultados de funcionamiento en plantas de tratamiento de aguas residuales en España a través de la observación microscópica de lodos activados. Resultados similares obtuvieron Torres et al., (2011) en estudios de lodos activados en Colombia, donde se demostró que este tipo de tratamiento logra buenas eficiencias de reducción de DBO, DQO y SST superiores a 80 %, lo cual indica que ante la utilización de este tipo de tratamiento, es recomendable que se realicen análisis sobre los lodos para garantizar su estado.
Actualmente en Costa Rica debido al reglamento para la Evaluación y Clasificación de la calidad de Cuerpos de Agua Superficiales (MINAE 2007a) y al Reglamento de Vertido y Reúso de Aguas Residuales (MINAE, 2007b) es de carácter obligatorio realizar análisis de calidad sobre los efluentes líquidos provenientes de las PTAR que se depositan en los ríos. Sin embargo, existen pocos estudios en Costa Rica sobre los lodos activados de las PTAR aerobias, por lo que se establece como objetivo de este estudio, caracterizar los lodos activados a través de la aplicación del índice y la metodología creada por Rodriguez et al. (2008) para el Estudio y Biomonitoreo de los Lodos Activados, asimismo el correcto funcionamiento de dos Plantas de Tratamiento Aerobio de Aguas Residuales en San José, Costa Rica para establecer la metodología en el país y comenzar a crear una línea base de estudio en caracterización de lodos activados.
Desarrollo
Lugar de estudio
Se analizaron dos plantas de Tratamiento de Aguas Residuales con tratamiento aerobio, pertenecientes a la provincia de San José, Costa Rica. Se tomaron muestras puntuales del efluente según lo establecido en el libro de Métodos Estandarizados para la Examinación de Agua y Agua Residual (Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater) (Eaton & Greenberg, 2017), y de los lodos activados según Rodríguez et al. (2008) para realizar la caracterización de estos.
Muestreo y análisis de los efluentes de las dos PTAR
Se realizaron cuatro muestreos en los efluentes de las PTAR. Se midieron los parámetros obligatorios según el Reglamento de Vertido y Reúso de Aguas Residuales Decreto Ejecutivo Núm. 33601-MINAE-S y coliformes fecales para obtener los niveles de carga orgánica presentes en el efluente.
La toma de muestras para análisis fisicoquímicos y microbiológicos, así como sus respectivos análisis, se realizaron de acuerdo con lo establecido en el libro de Métodos Estandarizados para la Examinación de Agua y Agua Residual (Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater) (Eaton & Greenberg, 2017).
La toma de muestras para los análisis fisicoquímicos se realizó con botellas de plástico de alta densidad previamente lavadas; las muestras para las determinaciones microbiológicas se colocaron en botellas de vidrio estériles. Ambas se mantuvieron en refrigeración durante el transporte y fueron analizadas en el Laboratorio Nacional de Aguas del AyA, donde se realizaron los análisis mostrados en la Tabla 1.
Tabla 1 Análisis fisicoquímico y métodos de referencia realizados a las muestras recolectadas de aguas residuales
| Análisis | Método de referencia |
|---|---|
| Demanda Química de Oxígeno (DQO)* | 5220 D Reflujo Cerrado, Colorimétrico. SMEWW y 8000 USEPA |
| Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) * | 5210 B. DBO 5-Días. Incubación. SMEWW |
| Sólidos Suspendidos* | 2540 D Sólidos Suspendidos Totales secados a (103-105) °C |
| Grasas y Aceites* | 5520 B. Extracción con Hexano- Gravimétrico SMEWW |
| pH* | 4500-HB. Electrométrico. SMEWW |
| Temperatura* | 2550 Temperatura en Campo. SMEWW |
| Sólidos Sedimentables* | 2540 F Sólidos Sedimentables. Volumétrico. SMEWW |
| SAAM* | 5540 C Surfactantes Aniónicos como MBAS. Colorimétrico. SMEWW |
| Coliformes Fecales** | Técnica de Tubos Múltiples. Serie de 5 Tubos. SMEWW |
Fuente: Elaboración del autor
* Parámetro obligatorio según Reglamento de Vertido y Reúso de Aguas Residuales para vertidos en un cuerpo receptor
** Parámetro no obligatorio según Reglamento de Vertido y Reúso de Aguas Residuales para vertidos en un cuerpo receptor
Muestreo y análisis de los lodos activados de las dos PTAR
La toma de muestras de los lodos activados se realizó con la siguiente metodología establecida por Rodríguez et al. (2008):
-
Se tomaron muestras en los tanques de lodos activados (Figura 1) en recipientes plásticos de 2000 mL, dejando ¼ del recipiente vacío, las muestras se transportaron en refrigeración dentro de hieleras hasta el laboratorio para su respectivo análisis.
-
Una vez que las muestras llegaron al laboratorio se procedió a analizar lodo. Para la caracterización macroscópica se vertió 1000 mL de la muestra en una probeta de 1000 mL y se dejó reposar por 20 minutos (Figura 2).
Seguidamente se mezcló bien la muestra restante en el recipiente de 2000 mL.
Una vez mezclada la muestra se continuó con el análisis de las características microscópicas del lodo colocando dos gotas en un portaobjetos y cubriendo con un cubreobjetos evitando la formación de burbujas.
Posteriormente se observó la muestra al microscopio de luz.
-
Se observó:
Se cuantificó la cantidad de protozoos en la muestra y se identificaron.
-
A cada una de las variables se le otorgó un puntaje para dar un resultado según el índice planteado por Rodríguez et al. (2008) (Tabla 2).
Tabla 2 Puntajes asignados para la caracterización de los lodos activados. Fuente: Rodríguez et al. (2008)
Puntaje Calidad del lodo activado 0-19 Pésimo 20-39 Malo 40-59 Regular 60-79 Bueno 80-100 Óptimo Una vez que se obtuvieron los resultados de la caracterización de los lodos activados a través del índice se compararon con los resultados obtenidos de la calidad del agua del efluente de la PTAR para observar si coinciden los resultados con los obtenidos en el índice
Resultados y discusión
Análisis de los efluentes de las PTAR
Los resultados obtenidos para cada parámetro se presentan en la Tabla 3. Se obtuvieron resultados que cumplen con lo establecido en el reglamento, por lo que se observa que las PTAR realizan el tratamiento del agua de manera exitosa.
Tabla 3 Resultados obtenidos de las muestras de agua residual
| PTAR | Muestreo | DBO mg/L |
DQO mg/L |
Solidos sus- pendidos mg/L |
Grasas y aceites mg/L |
pH | Temperatura °C |
Sólidos sedimentables mL/L |
SAAM Mg/L |
Coliformes fecales NMP/100 mL |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 1 | 28 | 85 | 10 | 4.1 | 7.3 | 31.3 | 0.0 | 0.66 | 13,000,000 |
| 2 | 36 | 61 | 48 | 6.3 | 7.1 | 31.0 | 0.3 | 0.33 | 3,300,000 | |
| 3 | 16 | 68 | 10 | 4.4 | 7.1 | 32.8 | 0.2 | 0.29 | 7,900,000 | |
| 4 | 35 | 118 | 40 | 4.4 | 7.2 | 27.5 | 0.3 | 0.46 | 4,600,000 | |
| 2 | 1 | 53 | 86 | 30 | 5.2 | 7.1 | 29.5 | 0.0 | 0.21 | 230,000 |
| 2 | 13 | 102 | 34 | 4.4 | 6.8 | 33.5 | 0.2 | 0.68 | 230,000 | |
| 3 | 44 | 97 | 38 | 4.4 | 7.1 | 31.0 | 0.3 | 0.53 | 2,300,000 | |
| 4 | 12 | 38 | 8 | 3.5 | 7.4 | 33.0 | 0.3 | 0.3 | 2,300,000 |
Valores máximos permisibles según el Reglamento Costarricense de Vertido y Reúso de Aguas Residuales: DBO: 50mg/L, DQO: 150mg/L, Sólidos Suspendidos: 50mg/L, Grasas y Aceites: 30 mg/L, pH: 5-9, Temperatura: 15 °C-40 °C, Sólidos Sedimentables: 1 mL/L, SAAM: 5 mg/L y Coliformes fecales: < 1000 NMP/100 mL
Fuente: Elaboración del autor
Los resultados de los análisis de los efluentes muestran que las PTAR analizadas tienen un buen funcionamiento, ya que según los valores máximos permisibles para los parámetros obligatorios exigidos por la legislación costarricense vigente, no se incumple en ninguno de los parámetros analizados, sin embargo, los coliformes fecales, los cuales no son un parámetro obligatorio, se salen por mucho del rango permitido, ya que muestran valores que van desde los 3,300,000 NMP/100 mL hasta los 13,000,000 NMP/100 mL para la PTAR 1 y para la PTAR 2 desde los 230,000 hasta los 2,300,000 NMP/100 mL, dichos indicadores muestran la alta contaminación fecal presente que pueden relacionarse incluso con patógenos presentes en el agua (Sivaraja & Nagarajan, 2014). Los valores de pH se encuentran entre 6.8 y 7.4 siendo adecuado para el desarrollo de microorganismos (Morales, 2014).
Análisis de lodos activados
Al lodo activado recolectado en los cuatro muestreos realizados se le observaron las características macroscópicas y microscópicas para obtener el puntaje según el índice. Los resultados se muestran en la Tabla 4.
Tabla 4 Resultados del Índice de lodos activados
| PTAR | Muestreo | Puntaje | Índice |
|---|---|---|---|
| PTAR 1 | 1 | 61 | Bueno |
| 2 | 33 | Malo | |
| 3 | 40 | Regular | |
| 4 | 67 | Bueno | |
| PTAR 2 | 1 | 67 | Bueno |
| 2 | 94 | Óptimo | |
| 3 | 56.5 | Regular | |
| 4 | 90 | Óptimo |
Fuente: Elaboración del autor
En la PTAR 1 se obtuvo un valor de Malo para uno de los muestreos, sin embargo, en los otros se tuvieron resultados de Regular a Bueno en dos ocasiones. En la PTAR 2 se obtuvieron resultados Óptimos en dos ocasiones. Los lodos activados de las PTAR estudiadas son lodos activados que se encuentran en buen estado según lo establecido por Rodríguez et al. (2008).
La Tabla 4 muestra los resultados obtenidos del índice de lodos activados, la PTAR 1 presenta lodos activados que varían su estado, ya que en uno de los muestreos se obtuvo un índice de calidad malo, esto debido a que el lodo tenía muy poco nivel de sedimentación, mal olor, mucho flóculo en suspensión y no se observaron especies de protozoos. Lo anterior indica que este lodo activado no tenía buena aireación en el momento del muestreo, lo cual concuerda con los niveles obtenidos de demanda bioquímica de oxígeno (DBO) (Tabla 3) que aumentan conforme se concentra la materia orgánica, lo cual sucede si no hay una buena aireación (Donia & Bahgat, 2016). De igual manera coincide con los resultados obtenidos por Pellizzaro et al. (2005) donde resalta la importancia de los lodos activados, ya que estos regulan el equilibrio bacteriano de una comunidad, eliminan E. coli, reducen la DBO, la floculación y remueven sólidos suspendidos.
La PTAR 2 mantiene una calidad mejor en su lodo a lo largo de los muestreos (Tabla 4) y se puede observar que el índice establece el lodo activado de esta planta como óptimo, lo cual se ve reflejado en los resultados obtenidos de la calidad del efluente en donde incluso llega a tener valores de coliformes fecales bajos también. Estos resultados coinciden con Alpírez et al. (2017) quienes demostraron que los lodos activados tienen capacidad de remoción de sólidos y DBO de hasta un 70 %, lo que demuestra la importancia de la vigilancia de la calidad de los lodos activados.
Según Morales (2014), el conocimiento de la actividad biológica es esencial para evaluar la degradación de la materia orgánica, esta puede verse disminuida por condiciones que no sean favorables en el sistema (Fall et al., 2006). La medida de la bioactividad del lodo puede evidenciar la presencia de alzas repentinas en la carga orgánica o el ingreso de elementos tóxicos (Chalasaniand & Sun, 2007).
Se cuantificó la cantidad de protozoos encontrados en las muestras de lodos activados. Los resultados se muestran en la Figura 3. La mayor cantidad de protozoos se encontraron en la PTAR 2, que muestra una mejor calidad de lodo activado según el valor obtenido del índice (Tabla 4). En el muestreo 2 de la PTAR 1 no se encontraron especies de protozoos. Lo que coincide con los resultados del índice en el cual dio resultado Malo.
Figura 3 Cantidad de especies de protozoos encontrados en las muestras de lodos activados. Fuente: Elaboración del autor
La Figura 3 muestra la cantidad de especies de protozoos encontrados. Los valores bajos de protozoos en las plantas pueden indicar según Colorado et al. (2012) la existencia de sustancias tóxicas como metales pesados y cianuros, ya que son los más afectados por este tipo de compuestos, sin embargo, esos valores bajos también se pueden deber a errores de operación durante la aireación de los tanques.
Dentro de las especies que se lograron identificar en la PTAR 1 está Paramecium sp., que su presencia puede indicar baja oxigenación, sin embargo, estos organismos también aparecen cuando el lodo se empieza a estabilizar (Santos et al. 2009). Villlaseca (2001) asocia la presencia de especies como Paramecium sp como indicadores de buenos procesos de depuración, lo cual concuerda con los resultados obtenidos.
En la PTAR 2 se identificaron protozoarios ciliados como Vorticella sp. y Opercularia sp., que son considerados indicadores de tiempos de retención media de la planta, pues al formarse colonias de estos microorganismos, se determina que el tiempo de retención media es alto mejorando la calidad del tratamiento (Villaseca, 2001). Otras especies encontradas como los reptantes bacterívoros (Figura 4), son indicadores de efluentes de buena calidad y aguas residuales poco cargadas (Rodríguez et al. 2008), concordando también con Pellizaro et al. (2005) donde exponen resultados altos de rendimiento en sistemas con predominancia de ciliados pedunculados, y relacionando directamente el rendimiento y las buenas condiciones de depuración con las especies dominantes en los lodos activados.
Figura 4 Muestra del análisis microscópico de lodos activados: 1. Flóculos en Suspensión, 2. Ciliado Litostomado, 3. Complejo de Vorticella sp, 4. Reptante Bacterívoro. Fuente de Fotografía: Autor. Fuente de Identificación: Rodriguez et al. (2008)
El Índice de Lodos Activados se ajusta muy bien a los resultados obtenidos del análisis del efluente, y muestra concordancia con lo obtenido en los análisis de agua, es decir, el lodo activado de esas PTAR estudiadas se encuentra en un estado, si bien no óptimo, aceptable para el funcionamiento de la planta, como se pudo observar en los resultados obtenidos de los efluentes que son de calidad aceptable, ya que ninguno de los dos efluentes incumple con la legislación vigente de vertido.
Conclusiones
El objetivo de esta investigación era realizar una caracterización de los lodos activados a través de la utilización de un índice, al realizar dicha metodología se observó que el índice funciona y es aplicable para las plantas de tratamiento de aguas residuales con tratamiento de lodos activados de Costa Rica. Los resultados fueron positivos respecto a los análisis del efluente mostrando la validez del índice, ya que no difieren uno de otro en cuanto a un criterio de calidad.
Las características macroscópicas y microscópicas de los lodos son capaces de dar un criterio de calidad de estos, así también es importante que estos activados mantengan una diversa cantidad de especies de protozoos, ya que estos son los principales organismos encargados del buen funcionamiento de los lodos activados.
El índice de lodos activados se debe realizar como un análisis de rutina, para dar un criterio de calidad más ajustado a la realidad y posibles opciones de mejoras ante la operación de estos.
