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Tlamati Sabiduría, Volumen 7 Número Especial 2 (2016)

4° Encuentro de Jóvenes Investigadores – CONACYT 11° Coloquio de Jóvenes Talentos en la Investigación

Acapulco, Guerrero 21, 21 y 23 de septiembre 2016 Memorias

Monitoreo de la calidad del agua residual cruda y tratada de una planta de

tratamiento de aguas residuales en Chiapas.

Kassandra Navarrete Zagal (Becaria)

Unidad Académica de Ciencias Ambientales de la UAGro

Programa de Verano Delfín

[email protected]

Área en la que participa: II Biología y Química

Dr. Cristina Blanco González (Asesor)

PTC Ing. En Tecnología Ambiental

De la Universidad Politecnica de Chiapas

[email protected]

Resumen

Para el manejo y correcta gestión de una planta tratadora de aguas residuales (PTAR) es necesario muestrear periódicamente la calidad del agua cruda y tratada, los principales parámetros a ser evaluados son: Demanda Química de Oxigeno (DQO), Demanda Bioquímica de Oxigeno (DBO), Solidos (Totales, Suspendidos, Sedimentables, Volátiles y no Volátiles) y Nutrientes (Fosfatos y Nitratos). Durante el mes de Julio del 2016 se realizó la toma de muestras de la calidad del agua residual cruda y tratada en una PTAR en Tuxtla Gutiérrez, Chiapas con el objetivo de comprobar que el agua tratada de esta sea apta para ser desechada correctamente en cuerpos de agua naturales sin verse afectado el medio ambiente.

Palabras Clave: Calidad del agua, PTAR, Análisis

Introducción

La molécula de agua está compuesta por un átomo de oxígeno y dos de hidrogeno; la forma

en la que están arreglados estos elementos forman un dipolo que le da una serie de características

únicas. Es la única sustancia que se presenta en los tres estados en la naturaleza, puede disolver


Acapulco, Guerrero 21, 22 y 23 de septiembre 2016

una gran cantidad de sustancias incluyendo los gases, así también puede acarrear microorganismos,

sustancias sólidas no solubles y líquidos miscibles con ella. La calidad del agua se definirá de

acuerdo con el contenido de sustancias que presente y de acuerdo con el uso específico que se le

vaya a dar a esta.

Una vez que el agua ha sido utilizada, sus características originales se alteran y por tanto se

genera agua residual, que es inadecuada para otros usos y es un peligro potencial para ecosistemas

acuáticos y para la salud pública. Para conocer con mayor precisión las sustancias que están

contenidas en este desecho es necesario llevar a cabo muestreos representativos y determinaciones

analíticas para así determinar la calidad del agua residual. La calidad de esta se caracteriza en

función de los agentes físicos, químicos y biológicos que contiene, los agentes físicos más

importantes a considerar son los sólidos suspendido, el calor y la radiactividad. Entre los agentes

químicos se tienen el pH, las sustancias consumidores de oxígeno, las sustancias tóxicas, los

nutrientes, grasas y aceites. La mayoría de los procesos microbiológicos se llevan a cabo en un

intervalo de 6.5 a 8.5 unidades de pH, fuera de esos límites, el desarrollo de la vida se ve afectado.

Las sustancias consumidoras de oxígeno se miden mediante métodos indirectos como la Demanda

Bioquímica de Oxígeno (DBO) y la Demanda Química de Oxígeno (DQO).

Los nutrientes (Nitrógeno y Fósforo) son importantes porque su presencia en exceso es la

causa de los brotes de malezas acuáticas y, cuando están en forma sostenida, provocan la

eutroficación de los cuerpos de agua. Por otra parte, los nitratos y nitritos pueden resultar tóxicos

para los peces y para los niños pequeños.

Cabe mencionar que las descargas municipales o domesticas sin tratamiento alguno, en

cuerpos receptores, son la causa principal de la contaminación por patógenos de aguas superficiales

y subterráneas.

Los agentes microbiológicos representan uno de los mayores problemas para la salud

pública en México, ya que las enfermedades gastrointestinales ocupan un lugar importante en las

causas de mortandad en el país. Para controlar la incidencia de las enfermedades

gastrointestinales hay que eliminarlos del agua para consumo humano, y reducir su presencia en

usos recreativos y en el agua para riego de vegetales que se consumen crudos.

Materiales

Ácido Sulfúrico (H2SO4)

Tlamati Sabiduría Volumen 7 Número Especial 2 (2016)

El ácido sulfúrico es un compuesto químico extremadamente corrosivo cuya fórmula es H2SO4. Es

el compuesto químico que más se produce en el mundo, por eso se utiliza como uno de los tantos

medidores de la capacidad industrial de los países.

Agua bruta/cruda

El agua bruta o agua cruda es el nombre que recibe el agua que no ha recibido ningún tratamiento, y

que generalmente se encuentra en fuentes y reservas naturales de aguas superficiales y

subterráneas. También se llama así toda agua que entra en las plantas de tratamiento.

Metodología

Para preparar reactivos de amonio

R-1:

§ 25 g de citrato sódico tribásico. 2H2O

§ 1 g de nitroprusiato sódico

§ 2 g EDTA disódico. 2H2O

§ Completar hasta 100 mL con agua destilada

Disolver en 70 mL de agua, calentando. EDTA disódico, se puede cambiar por trisodico

R-2

§ 8 mL de fenol líquido

§ 2.75 g de Hidróxido de sodio (NaOH)


Disolver la sosa en 50 mL de agua y enfriar. Añadir el fenol lentamente. Llevar a volumen.

R-3

§ 50 mL de hipoclorito, 7% Cl2

§ 4 g NaOH


Disolver la sosa en 30 mL de agua y enfriar. Llevar a volumen.

Preparación de H2SO4

§ Añadir 500 mL de H2SO4 concentrado a 125 mL de agua destilada

§ Enfriar a temperatura ambiente



§ Mantener el frasco bien tapado para evitar absorción de humedad atmosférica

Preparación de cloruro de sodio (NaCl)

§ Pesar 300 g de NaCl

§ Disolver y aforar a 1 L de agua destilada

Preparación reactivos fosfatos

R1.- Colorante § 4.3 g de Amonio heptamolibdato decahidratado

§ 0.12 g de Antimonio potasio tartrato

§ 27 ml de Ácido sulfúrico concentrado

§ 250 ml de agua Estable 6 meses en nevera, 2 meses a temperatura ambiente.

R2.- Reductor § 25 g de Ácido ascórbico

§ 2.5 ml de Ácido fórmico

§ 250 ml agua

Estable 1 mes a temperatura ambiente

Protocolo

Obtención de muestra compuesta:

Se obtuvo mezclando muestras simples en volumen proporcional al gasto o flujo de

descarga medido en el sitio y momento del muestreo. El intervalo entre la toma de cada muestra

simple para integrar la muestra compuesta fue suficiente para determinar la variación de los

contaminantes del Agua Residual, teniendo en cuenta que las muestras compuestas se deben tomar

de manera que cubran las variaciones de descarga por 24 horas.

Preservación de las muestras:

Para preservar la muestra durante el transporte, se agregó un baño de hielo y conservó en

refrigeración a una temperatura de 4°C. Las muestras simples se juntaron de manera representativa

para crear una muestra compuesta, preservando esta con ácido clorhídrico disminuyendo su pH a

2, para poder realizar así los análisis respectivos en los días siguientes.


Determinación de Nitratos

Para la determinación de Nitratos en el agua cruda, se agregó una muestra de 0, 1, 2, 4, 7 y

10 mL al tubo de reacción, para posteriormente colocar los tubos de reacción en una gradilla, se

agregaron los tubos en un baño de agua fría y se añadieron 2,0 mL de disolución de cloruro de

sodio a cada tubo, se mescló y añadió 10 mL de disolución de ácido sulfúrico, continuo

mezclándose y se dejó enfriar a temperatura ambiente, pasado aproximadamente 5 minutos, se

colocó la gradilla en el baño de agua fría y se añadió por ultimo 0,5 mL de reactivo de brucina. Se

homogenizo cada tubo para ser colocado en un baño de agua en ebullición por 20 minutos y

nuevamente se sumergieron en agua fría. A temperatura ambiente se leyeron los patrones y las

muestras contra el testigo de reactivo a 410 nm en el espectrofotómetro.

Determinación de nitrógeno amoniacal

En 10 mL de muestra filtrada se añadieron 0,2 mL de reactivo R-1, 0,2 mL de reactivo R-2

y 0,2 mL de reactivo R-3, se homogenizo y espero 10 minutos para posteriormente medir su

absorbancia a 630 nm en el espectrofotómetro.

Determinación de fosforo total

Para determinar el fosforo total en el agua residual, se tomaron 50 mL de esta sin filtrar,

agregándole 1 g de Peroxodisulfato potásico y 1 mL de H2SO4 1:1. Esta muestra se digirió durante

2 horas a 150°C, se diluyó y ajusto su pH con sosa. Posteriormente se filtró la muestra resultante y

de ella se tomó 5 mL, añadimos 0,4 mL de reactivo 1 y 0,4 mL de reactivo 2, por último se tomó

la absorbancia a 880 nm.

Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO)

Durante el procedimiento para realizar la determinación de DBO en agua residual se

necesitan los siguientes reactivos:

-Disolución de fosfatos: se disuelven 8,493 g de monohidrógeno fosfato de sodio (Na2HPO4·2H2O) y 2,785 g de dihidrógeno fosfato de potasio (KH2PO4) en 1 l de agua destilada.

- Disolución de sulfato de magnesio de concentración 20 g/l.

- Disolución de cloruro de calcio de concentración 25 g/l.

- Disolución de cloruro férrico de concentración 1,5 g/l.

- Disolución de cloruro de amonio de concentración 2 g/l.

- Hidróxido sódico o de litio.



Generalmente la DBO esperada se encuentra entre un 50 - 60% de la DQO de la muestra analizada.

El volumen de la muestra a tomar dependio del valor de la DBO esperado, en este caso fue con un

valor de 0-800, teniendo un volumen de 97 mL y 0-2000 con su respectivo volumen de 43,5 mL.

Previamente a la toma del volumen de la muestra se comprobó que el pH se encontrara dentro del

intervalo de 7-9, que es el adecuado para que se desarrollen los microorganismos. A continuación

se añadieron las sales para proporcionar nutrientes a los microorganismos. La proporción en la que

se añadieron fue la siguiente:

- Sulfato de magnesio: 0,1 ml

- Cloruro cálcico: 0,1 ml

- Cloruro amónico: 0,1 ml

- Cloruro férrico; 0,1 ml

- Fosfatos: 0.1 ml

Siempre se debe tener en cuenta que durante el proceso de degradación de la materia orgánica

también se produce CO2-. Con objeto de que éste no afecte en el valor de la DBO, se colocó en los

tapones de goma NaOH, de 3 a 4 lentejas.

Una vez sembrado y añadidos los nutrientes a las muestras, se colocaron los tapones de goma y los

cabezales de las botellas, se activaron las muestras tal y como lo indica el manual del DBOmetro

utilizado, para posteriormente ser introducidas en este y mantenerse a temperatura constante e igual

a 20°C.

Demanda Química de Oxígeno (DQO)

Método a reflujo cerrado/ método espectrofotométrico

Se preparó disolución de digestión de alta concentración, para esta se pesó

aproximadamente y con precisión 10,216 g de dicromato de potasio, previamente secado a 103°C

por 2 horas y se añadió a 500 mL de agua; se adicionaron 167 mL de ácido sulfúrico concentrado

y aproximadamente 33,3 g de sulfato mercúrico, se disolvió y dejo enfriar a temperatura ambiente,

aforando a 1 L con agua.

Se precalentó a 150°C el digestor de DQO, mientras tanto se colocó en distintos tubos de reacción

1,5 mL de disolución A, se tomó cuidadosamente 2,5 mL de muestra previamente homogeneizada

dentro de los tubos, se cerró inmediatamente para evitar que se escapen los vapores, invertimos

suavemente cada tubo varias veces destapando después de cada inversión para liberar la presión.

Colocando después los tubos en el digestor previamente calentado y se dejó reflujar por 2 horas.


Una vez que se retiraron los tubos del digestor, estos se dejaron enfriar a temperatura ambiente,

permitiendo que cualquier precipitado se sedimentara, para después medir la absorbancia en el

espectrofotómetro previamente calibrado.

Determinación de Sólidos Totales

Material necesario - Cápsula de porcelana de 150 ml.

- Estufa de desecación, ventilada.

- Recipiente desecador

- Balanza de precisión.

Para realizar esta determinación se dejó secar la cápsula en estufa a 105ºC, hasta peso

constante (mínimo 2 h), se retiró de la estufa, y se dejó enfriar en el desecador pensándola

posteriormente.

Se vertió en la capsula 100 mL de muestra y se mantuvo en la estufa durante 4 horas. Se retiró la

cápsula de la estufa, se dejó enfriar en el desecador, pesando a continuación. La diferencia entre

los dos pesos representa los sólidos contenidos en el agua evaporada. Se expresaron los sólidos

totales de la muestra en mg/L.

Determinación de solidos suspendidos

Material necesario - Equipo de filtración.

- Matraz Kitasato de 1 litro de capacidad.

- Bomba de vacío.

- Estufa de desecación.

- Filtro de tamaño de poro de 1,2 m m. El filtro debe ser seleccionado en función del tipo de ensayo que se vaya a realizar.

- Cápsula de porcelana.

- Balanza de precisión.

- Recipiente desecador. Durante este análisis, se dejó desecar el filtro y la capsula en estufa a 105°C hasta peso

constante, se sacó de la estufa, continúo enfriándose en el desecador y posteriormente se pesó.

Se acoplo el filtro en el equipo de filtración montándolo en el matraz kitasato, conectándolo a la

bomba de vacío, posteriormente se llenó el embudo con una determinada cantidad de agua

problema y poner en marcha la bomba de vacío, se filtró progresivamente el volumen deseado y se

mantuvo al vacío hasta que el filtro comenzó a secarse.

Se retiró el filtro con cuidado colocándolo sobre la capsula de porcelana y se introduzco en la estufa

a 105°C durante dos horas. Una vez seco y enfriado en el desecador, se pesa la capsula con el filtro,



siendo el peso de la materia en suspensión la diferencia entre este valor y el peso inicial del filtro

seco más capsula vacía. Se expresaron los sólidos suspendidos de la muestra en mg/L.

Determinación de solidos volátiles y no volátiles.

Se introdujo las capsulas en el horno-mufla y se ajustó el programa de calentamiento (550°C

durante 1 hora), así mismo se dejó enfriar el horno y se extrajo las capsulas, completando su

enfriado en el desecador, se impregno los residuos con una cantidad suficiente de carbono amónico,

así mismo se introdujo las capsulas en la estufa ventilada a 105°C durante 1 hora, con esta

operación se elimina totalmente el exceso de agua y amoniaco existente. Se enfrió las capsulas en

el desecador y se pesaron inmediatamente, se expresaron los sólidos suspendidos volátiles y no

volátiles en mg/L, así mismo determinaron la fracción de solidos suspendidos volátiles en la

muestra.

Determinación de los sólidos sediméntales.

Se vertió 1 L de la muestra en el cono Imhoff, a los 45 minutos se sacudió el cono

imprimiéndoles unos giros alternativos en tono a su eje, para facilitar el descenso de las materias

que hubieran podidos quedar retenidas en las paredes, se obtuvo el peso del matraz aforado (Ps).

A los 60 minutos del comienzo medir el volumen decantado en el cono Imhoff y se llenó el matraz

aforado cuidadosamente con el material decantado, cuidadosamente se pesa el matraz (PF). Se vació

y limpio el matraz aforado y se llenó con agua destilada hasta el enrase pesándose nuevamente el

matraz (PA), de esta forma se compenso cualquier posible error que tuviera el matraz aforado en su

volumen.

Formato de Gráficas y Figuras:

Resultados Planta Tratadora de Aguas Residuales (PTAR) en Chiapas

Tabla I. Parámetros determinados en campo para agua cruda y tratada en una PTAR en Chiapas el día 19 de Julio del año 2016

No. Muestra Simple Hora Caudal

(mL/s) pH Temperatura (°C)

Conductividad (µЅ)

Caudal total

mL/s) 1 Entrada 08:25 1811.675 8.0 26.1 1120

6396.296 2 Entrada 10:10 2544.452 7.6 24.9 840 3 Entrada 12:09 1158.37 8.0 23.3 1320 4 Entrada 13:51 881.799 7.8 27.9 710


5 Salida 09:13 1884.033 7.4 27.6 1120

6491.244 6 Salida 10:21 1638.224 7.3 27.0 960 7 Salida 12:23 1690.0088 7.4 27.7 510 8 Salida 14:05 1278.987 7.5 28.0 530

Figura 1. Absorbancia de nitratos en aguas residuales.

Tabla II. Resultados de nitrógeno y fosforo en agua residual.

Parámetro mg/l(exceptocuandoseespecifique)Entrada Salida

DBO5 709.5 27.1Nitrógeno

Amoniacal 33.76 0.525Nitratos 0.865 1.208

FosforoTotal 9.181 8.041Ortofosfatos 3.507 5.348

Figura 2. Determinación de Fosfatos en agua residual.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Abs1 Abs2 Abs3 Concentración

DeterminacióndeNitratos

Entrada Salida



Figura 3. Demanda Bioquímica de Oxígeno en el agua residual de una ptar en Chiapas.

Tabla II. Resultados para determinación de Sólidos Totales (ST) Sólidos Totales Volátiles (STV) y Sólidos Totales No Volátiles (STNV) en agua cruda y tratada de una PTAR en Chiapas, con un volumen de muestra de 50 mL.

No. Muestra Peso 1 (g)

Peso 2 (g)

Peso 3 (g)

ST (mg/L)

STNV (mg/L)

STV (mg/L)

1 Entrada 56.0146 56.0843 56.0590 1394 888 506 2 Salida 48.7517 48.7868 48.7821 702 608 94

Tabla III. Resultados para determinación de Sólidos Suspendidos Totales (SST) Sólidos Suspendidos Volátiles (SSV) Sólidos Suspendidos No Volátiles (SSNV) en agua cruda y tratada

00.20.40.60.81

1.21.41.61.8

EntradaT. EntradaS. SalidaT. SalidaS.

DeterminacióndeFosfatos

Abs1 Abs2 Concentración

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Día1(mg/L) Día2(mg/L) Día3(mg/L) Día4(mg/L) Día5(mg/L)

DemandaBioquímicadeOxígeno5

Entrada Salida


de una PTAR en Chiapas con un volumen de muestra filtrada de 15 mL de agua cruda y 2850 mL de agua tratada.

No. Muestra Peso 1 (g)

Peso 2 (g)

Peso 3 (g)

SST (mg/L)

SSNV (mg/L)

SSV (mg/L)

1 Entrada 46.5416 46.5465 46.5425 326.66 59.94 266.66 2 Salida 58.5344 58.5435 58.5429 3.192 2.982 0.21

Tabla IV. Resultados para Sólidos disueltos en agua cruda y tratada en la PTAR de Chiapas

No. Muestra Sólidos disueltos (mg/L) 1 Entrada 1067.34 2 Salida 95.34

Tabla V. Resultados para determinación de Sólidos Sedimentables en agua cruda de la PTAR de Chiapas con un volumen de muestra de 50 mL.

No. Muestra Peso

matraz aforado

(g)

Peso matraz

con muestra

(g)

Peso matraz

con agua destilada

(g)

Volumen decantado

(mL/L)

Densidad del fango

(Kg/L)

1 Entrada 44.0464 93.9180 93.8236 6.75 1 r = PF – PS / PA –PS

Resultados

Durante la investigación se han obtenido distintos resultados en los análisis, los

cuales se han reportado siempre comparados con la norma correspondiente de límites

permisible para cada uno, así se han logrado medir los parámetros físico-químicos para

la identificación y cuantificación de contaminantes en el agua.

Algunos determinaciones dieron un resultado alto, una de ellas fue la determinación de

DBO, con un promedio de 709.5 mg/L (Véase figura 3.) esto se refiere a la falta de

inhibición de nitrificación en el agua.

Por otra parte tenemos que los resultados de fosfatos obtenidos durante el proceso, se

encontraron dentro del rango marcado en la norma correspondiente que establece los

límites máximos permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales. Sin

dejar atrás los resultados de los demás análisis realizados durante la estancia de verano

de investigación en Chiapas.



Discusión y Conclusiones

Se estima que en América Latina y el Caribe 43% de la población rural no tiene acceso al

abastecimiento de agua con una calidad apropiada para el consumo humano y para usos domésticos

como la higiene personal (Mora, 1996).

Las comunidades rurales se encuentran en permanente riesgo de contraer enfermedades hídricas

porque comúnmente viven sin acceso a agua segura y a servicios de saneamiento. Las poblaciones

que se abastecen directamente de aguas de origen superficial (ríos, lagunas, lagos) se encuentran

aún en mayor riesgo debido a que la fuente de agua está expuesta a la contaminación fecal. Las

razones para ello incluyen la carencia de una apropiada disposición de excretas y factores como la

defecación a campo abierto, las letrinas mal diseñadas y la presencia de animales domésticos y

silvestres que actúan como reservorios de agentes patógenos.

Por ello se realizaron análisis diferentes a una planta de tratamiento de aguas residuales para

monitorear constantemente la calidad del agua en este lugar. Uno de los análisis realizados a las

muestras de agua tomada en la planta de tratamiento seleccionada fue, la determinación de sólidos;

Los sólidos en el agua pueden ser contemplados desde diversos puntos de vista, dependiendo del

uso o del tipo de tratamiento al que un agua va a ser sometida.

Se llaman sólidos totales aquéllos que quedan como residuo después de la evaporación del agua a

105ºC. De estos sólidos, la fracción que quedaría retenida por un filtro de membrana con un tamaño

de poro de 1,2 micras, constituye lo que denominamos sólidos suspendidos y el resto constituye

los sólidos disueltos.

Por tanto tenemos que, la planta de tratamiento monitoreada obtuvo de los análisis realizados un

resultado favorable para la descarga de agua tratada a los cuerpos de agua correspondientes, sin

verse afectado el medio ambiente.

Agradecimientos

Agradezco al programa Delfín por haber hecho posible esta estancia, a la Universidad

AutónomadeGuerreroylaDireccióndeInvestigaciónporelapoyoeconómicoygestiónenlostrámites.

AlaUniversidadPolitécnicadeChiapasporhacerposiblemiestanciaduranteelveranodeinvestigación.

Referencias

§ American Public Health Association (APHA). (1995). Standard Methods for the

Examination of Water and Wastewater, 19th ed. APHA-AWWA-WPCF. Washington, D.C.


§ Análisis de agua - determinación de nitrógeno total kjeldahl en aguas naturales, residuales

y residuales tratadas - método de prueba (cancela a la NMX-AA-026-1980) § Aurazo de Mumaeta, Margarita (2004). Manual para análisis básicos de calidad del agua.

§ Fundamentos técnicos para el muestreo y análisis de aguas residuales, obtenido de:

http://www.bvsde.paho.org/bvsacd/cd67/fundamentos_tecnicos.pdf

§ Norma oficial Mexicana NOM-001-SEMARNAT-1996, que establece los límites máximos

permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales en aguas y bienes

nacionales.

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