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EVALUACIÓN DE LAS INFILTRACIONES AL SISTEMA DE DRENAJE MEDIANTE ANÁLISIS
COMPARATIVO DE LA CONCENTRACIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUA RESIDUAL.
CASO DE ESTUDIO EN TEPIC, MÉXICO
Gabriela ESPINOSA GUTIÉRREZ
1
*, Paula MAREIKE EVERS
1
, Ralf OTTERPOHL
1
,
Juan Carlos PAREDES LIMAS
2
, Rosa María ZAMBRANO CÁRDENAS
2
y
Liborio GONZÁLEZ TORRES
2
1
Institute of Wastewater Management and Water Protection, Hamburg University of Technology, Eißendorfer
Straße 42 (M) 21073, Hamburgo, Alemania
2
Área de Ciencias Básicas e Ingenierías, Universidad Autónoma de Nayarit, Ciudad de la Cultura “Amado
Nervo”, Tepic, Nayarit, México, C.P. 63155
* Autor de correspondencia: gabriela.espinosa@tuhh.de
(Recibido diciembre 2013; aceptado septiembre 2014)
Palabras clave: red de alcantarillado, lluvia, dilución, nitrógeno, fósforo, muestreo, gestión de agua residual
RESUMEN
La infltración de agua pluvial o agua subterránea al sistema de drenaje urbano es
un fenómeno que puede afectar negativamente la capacidad conductiva de la red de
drenaje por el aumento de volumen que genera. También puede propiciar cambios en
la composición química del agua residual que ésta transporta por la dilución de sus
componentes en un mayor volumen de agua. Las consecuencias en caso extremo tie-
nen costos técnicos y económicos que incluyen por ejemplo el desbordamiento de las
tuberías y problemas en la operación de las plantas de tratamiento. También es posible
un incremento en la emisión de contaminantes sin tratamiento previo hacia el ambiente.
La infltración de agua al sistema de drenaje se determina convencionalmente mediante
mediciones del Fujo total en las tuberías que son comparadas con la cantidad de agua
residual generada. La diferencia entre estos dos valores es igual al volumen total de
agua de infltración. Sin embargo, esta estrategia se vuelve impracticable cuando se
desconoce la cantidad real de agua residual generada por falta de medidores de consu-
mo o de medidores de Fujo en las descargas, tal como en la ciudad de Tepic, Nayarit
(México). El presente estudio evalúa la infltración en las tuberías del drenaje doméstico
de la ciudad de Tepic en temporada de lluvia mediante una estrategia alternativa basada
en la comparación de las concentraciones teóricas y reales de nitrógeno y fósforo en
muestras de agua residual. Los resultados obtenidos indican que existe una dilución
signifcativa de los contaminantes causada potencialmente por infltraciones al drenaje.
El factor de dilución del agua residual calculado en este estudio para diferentes puntos
y días de muestreo Fuctúa entre 30 y 500 % siendo los valores en su mayoría mayores
al 50 %. Estos valores representan un problema potencial para la red sanitaria y para
la efciencia del tratamiento del agua residual en la ciudad que requiere medidas pre
-
ventivas o correctivas en el sistema.
Key words: urban drainage system, rain, dilution, nitrogen, phosphorus, sampling, wastewater management
Rev. Int. Contam. Ambie. 31 (1) 89-98, 2015
G. Espinosa Gutiérrez
et al.
90
ABSTRACT
The infltration oF rain or groundwater into the sewer systems can negatively aFFect
the hydraulic capacity of the sewer network as a consequence of the increment of the
total volume of water. Furthermore, the composition of the wastewater in the pipelines
may also be affected due to the dilution of its components in a larger volume. These
effects may lead to important technical problems with an inherent economic cost. For
instance, the over±ow oF the drain lines, operational problems at the wastewater treat
-
ment facilities, and an increase of pollutant emissions to the environment due to the lack
oF treatment. The evaluation oF sewer infltrations is a key Factor in order to counteract
these potential problems by means of preventive or corrective measures. Convention-
ally, the infltration is assessed as the diFFerence between the total ±ow oF generated
wastewater and the actual water ±ow in the pipelines. This strategy is not Feasible
when there are not ±ow measurement devices at the consumption or at the discharge
points. This is the case in the city of Tepic, Nayarit in Mexico. In the present study,
an alternative approach was used to evaluate the infltrations into the domestic sewer
in the city of Tepic during the rainy season. This approach is based on a comparative
analysis of theoretical and measured nitrogen and phosphorus content in wastewater
samples From the sewer. Evidence oF high infltration into the sewer was Found. The
dilution factor calculated for the wastewater at different locations and sampling days
ranges From 30
to 500 %, indicating a potential problem For the sewer network and
For the eFfciency in the wastewater treatment.
INTRODUCCIÓN
Los sistemas de drenaje en las ciudades pueden
ser de dos tipos: mixtos o separados. Los sistemas
mixtos recolectan el agua residual y el agua de lluvia
en la misma red de tuberías. El sistema separado está
compuesto por redes de tuberías para cada tipo de
agua (red sanitaria y red pluvial) y no están interco-
nectados (CONAGUA 2009). En ambos sistemas de
drenaje existe la posibilidad de exfltración del agua
residual hacia el suelo y la posibilidad de infltración
de agua de diFerentes Fuentes hacia el drenaje.
La exfltración tiene lugar cuando las tuberías
del drenaje están dañadas y cuando su capacidad hi
-
dráulica es rebasada. En estos casos el agua residual
se exfltra hacia el suelo (Read y Vickridge 1997) lo
cual representa un riesgo potencial de contaminación
tanto para el suelo como para el agua subterránea
(Hua 2007).
La infltración puede tener diversos orígenes.
En el caso de los drenajes mixtos, las infltracio
-
nes provienen de agua subterránea, de fugas de
agua potable y de descargas ilegales al drenaje. El
agua de lluvia en los sistemas mixtos está consi-
derada dentro de la planeación y por ende, no es
considerada como infltración. En el caso de los
drenajes separados, la entrada de agua de lluvia a
la red sanitaria se considera como una infltración
y se suma a los ±ujos mencionados anteriormente
(Hennerkes 2006).
El trabajo de Hennerkes (2006) indica que el agua
se puede infltrar a las tuberías por rupturas y grietas.
La edad y condición de las tuberías son factores que
tienen una in±uencia importante en la infltración:
a mayor edad, mayor probabilidad de existencia de
grietas. Además el agua también puede infltrarse a
través de conexiones no herméticas, conexiones con
el drenaje pluvial y pozos de inspección mal cerrados
o abandonados. Las infltraciones son más críticas
especialmente en temporada de lluvia. La experiencia
muestra que después de una lluvia intensa, el agua
puede elevar el nivel del manto Freático e infltrar las
tuberías del drenaje hasta por un periodo de 20 días
(Fischer 1991). Asimismo en sistemas como el de Te-
pic, los techos de la casas pueden estar directamente
conectados al drenaje sanitario lo cual representa un
a±uente adicional directo.
Debido al aumento en el volumen total de agua,
las infltraciones al drenaje aFectan la cantidad y
composición química del agua residual que las tube-
rías transportan y que debe ser tratada por medio de
las plantas de tratamiento de agua residual (PTAR).
Los eFectos negativos de las infltraciones al drenaje
tienen costos técnicos y económicos. Estos costos
se derivan, por mencionar algunos casos, de la
necesidad de incrementar el tamaño de los tanques
de regulación, de inundaciones o desbordamiento
de las tuberías de drenaje o de problemas en la
operación de las PTAR (Renner 1996, Decker 1998,
Ernst 2003). También es posible una mayor emisión
EVALUACIÓN DE LAS INFILTRACIONES AL DRENAJE DE LA CIUDAD DE TEPIC
91
de contaminantes sin tratamiento previo hacia el
ambiente (Espinosa y Otterpohl 2014).
Al comparar los efectos negativos de la exFltra
-
ción y de la inFltración, se observa que ambos fenó
-
menos son nocivos para la economía y el ambiente.
Sin embargo, la inFltración impacta en la operación
y en la eFciencia de los sistemas de drenaje, así como
en las PTAR de una forma mucho más evidente que
la exFltración (Ellis 2001 y 2010).
Bénédittis y Bertrand-Krajewski (2005) hicieron
una investigación sobre las diferentes metodologías
para la medición de la inFltración. El principio bási
-
co mencionado en el estudio para la medición de la
inFltración está explicado en la ecuación (1). El ±ujo
total de agua en las tuberías (
Q
T
) es comparado con el
±ujo de agua residual generada (
Q
WW
). La diferencia
entre estos dos valores es igual a la inFltración (
Q
INF
):
Q
INF
= Q
T
– Q
WW
(1)
Se distingue básicamente entre dos categorías de
métodos para la evaluación de la inFltración: (1) los
métodos basados en mediciones de caudal y (2) los
métodos químicos basados en mediciones de con-
centración de contaminantes. Para una descripción
detallada de los métodos así como de sus ventajas
y desventajas, se puede consultar a Bénédittis y
Bertrand-Krajewski (2005) o a LUBW (2007).
Para apreciar la magnitud de la inFltración en un
sistema de drenaje,
ésta debe ponerse en un contexto
apropiado. Con este Fn se utilizan comúnmente los
términos fracción de inFltración (²I) y exceso de agua
por inFltración (EI) (Renner 2006). Estos términos
pueden ser deFnidos con las ecuaciones (2) y (3).
Donde
Q
i
es igual al volumen de agua de inFltración
y
Q
ar
es igual al volumen de agua residual:
FI
=
× 100%
Q
i
Q
ar
+ Q
i
(2)
EI
=
× 100%
Q
i
Q
ar
(3)
De acuerdo con un estudio realizado en 2009 por
la Asociación Alemana de Agua y Agua Residual
(DWA, por sus siglas en alemán) a 41 691 km de
tuberías de drenaje de Alemania, la ²I en temporada
de sequías equivale a 25 % o menos en el 80 % de las
tuberías evaluadas. El 20 % restante de las tuberías,
tiene una ²I equivalente al 25-50 % del total del agua
canalizada (Berger y ²alk 2011). Esto último equivale
a un EI de 33-100%.
El volumen de inFltración en las diferentes es
-
taciones del año puede variar entre el verano y el
invierno en una proporción de hasta 1:10 (Brombach
2002). Por lo regular la inFltración es mucho mayor
en temporada de lluvia o después de un deshielo
que en el periodo seco. En la normatividad y en la
literatura internacional revisada, no se encontró un
consenso sobre la cantidad de inFltración máxima
permitida en los drenajes. Lo anterior probablemente
debido a que los efectos de la inFltración varían según
el tipo de drenaje y las características especíFcas del
agua residual que éste transporta. En el caso de Ale-
mania, la legislación obliga a la compañía operadora
del sistema de alcantarillado a reducir la inFltración
cuando la ²I sobrepasa el 50 % con el Fn de evitar
una dilución excesiva del agua residual.
En México, las inFltraciones al drenaje no están
reguladas claramente. Las evaluaciones o planeacio-
nes convencionales no realizan mediciones de inFl
-
tración en condiciones reales de operación, sino que
las inFltraciones se excluyen por considerarse que
el sistema debe ser hermético (CONAGUA 2009).
Sin embargo, las inFltraciones están consideradas de
manera indirecta dentro de los factores de seguridad
para la construcción de las tuberías y de las PTAR.
Los objetivos de este estudio fueron determinar si
existen indicios de inFltración o de dilución del agua
residual en el drenaje sanitario de la ciudad de Tepic
Nayarit (México) durante la temporada de lluvia y
estimar las proporciones de esta dilución. El sistema
de drenaje en la ciudad es de tipo separado por lo
que en teoría, el drenaje sanitario no debería verse
afectado signiFcativamente por la lluvia.
MATERIALES Y MÉTODOS
La evaluación de la inFltración con métodos de
medición de caudal no se puede practicar cuando se
desconoce la cantidad real de agua residual generada
por falta de medidores de consumo, como en el caso
de la ciudad de Tepic. Por lo anterior se llevó a cabo
una estrategia alternativa basada en las concentra-
ciones teóricas y reales de ciertos contaminantes en
muestras de agua residual. Se midió la concentración
de nitrógeno Kjeldahl, nitritos y nitratos, así como la
concentración de fósforo total en muestras de agua
residual de las tuberías. Los resultados de las medi-
ciones se compararon con la concentración esperada
en agua residual doméstica sin diluir para obtener el
rango de inFltración probable en la ubicación.
Se escogieron tres puntos diferentes para obte-
ner muestras de agua residual representativas de la
G. Espinosa Gutiérrez
et al.
92
ciudad. De acuerdo a la información del Instituto
Nacional de Estadística y Geografía (INEGI) sobre
las regiones socioeconómicas de la ciudad, más del
90 % de la población vive en
áreas geoestadísticas
básicas (
AGEB) clasifcadas dentro de los estratos
socioeconómicos 6 o 7 (en una escala del 1 al 7).
Los estratos socioeconómicos no son una medida
directa de la pobreza. Sin embargo, los estratos
altos están comúnmente relacionados con el acceso
a agua entubada y con el servicio de drenaje, así
como con niveles más altos de educación y actividad
económica (INEGI 2014). Asimismo los consumos
de agua potable y la generación de agua residual son
mayores en las clases socioeconómicas medias y
altas (CONAGUA 2007). Por las razones anteriores
se decidió ubicar los tres puntos de análisis en zonas
aptas para tomar muestras de agua residual de hogares
de los estratos socioeconómicos mencionados. Los
puntos de muestreo fueron:
P1 Ubicado en la colonia Los Estadios
P2 Ubicado en el fraccionamiento Las Brisas
P3 Ubicado en el fraccionamiento Aves del Paraíso
La ubicación de los puntos de muestreo y la edad
estimada de las tuberías de drenaje en cada zona se
muestran en la
fgura 1
. En promedio, las tuberías
de toda la ciudad tienen una edad de 40 años (H.
XXXVIII Ayuntamiento de Tepic 2009). El punto
de muestreo P1 se consideró como prioritario dado
que su ubicación permitiría colectar muestras re-
presentativas de un mayor número de AGEB, que
a su vez estaban relacionadas a una población más
numerosa.
El muestreo se llevó a cabo de acuerdo con los
lineamientos que marca la norma ofcial Mexicana
NMX-AA-003-1980 (SCFI 1980) durante los meses de
julio y septiembre de 2011. Los horarios de muestreo
fueron acordados con el Sistema de Agua Potable y
Alcantarillado de Tepic (SIAPA Tepic), en los que se
tomaron en cuenta los horarios de gasto pico y de bajo
consumo. Dichos horarios fueron los siguientes: 6 h
(bajo), 9 h (pico), 12 h (bajo), 15 h (pico), 18 h (bajo),
21 h (pico). Dadas las condiciones de inseguridad en
la ciudad en esos meses, se decidió no tomar muestras
por las noches, por lo que no fue posible cumplir con el
requisito de 24 h de muestreo. Se asumió que el mues-
treo de las 6 h representaría el Fujo durante la noche.
Estas condiciones de muestreo son consideradas suf
-
cientes para cumplir con el objetivo de investigación.
Se hicieron cinco muestreos al P1, tres muestreos al P2
y dos muestreos al P3, con lo que se obtuvo un total de
diez muestras compuestas de agua residual.
Se midió el caudal de agua en el lugar de muestreo
para cada muestra simple en el respectivo horario con
el propósito de generar las muestras compuestas. Los
puntos de muestreo P1 y P2 son de tipo caída libre,
por lo que el caudal en esas ubicaciones se midió con
métodos manuales simples de llenado en recipiente
aforado con anotación del tiempo de llenado. El punto
de muestreo P3 es un pozo de inspección donde no
fue posible medir el caudal. Para la generación de
muestras compuestas se utilizó la altura del nivel
de agua al momento de muestreo como indicador
del caudal. Además se determinó para cada muestra
simple la temperatura, el pH, los sólidos disueltos
totales (SDT), el oxígeno disuelto (OD) y la conduc-
tividad. Estas mediciones se llevaron a cabo con un
medidor multiparámetro tipo HI 9828 de la marca
Hanna Instruments, calibrado de acuerdo con las
instrucciones del fabricante.
Se analizaron los siguientes parámetros en las
muestras compuestas:
(a) Nitrógeno total Kjeldahl (TKN). De acuerdo con
la norma mexicana NMX-AA-026-SCFI-2010
(SCFI 2010), método macro.
(b) Nitritos y nitratos. Se analizaron juntos de
acuerdo con la norma mexicana NMX-AA-079-
SCFI-2001 (SCFI 2001b), método de reducción
con Cadmio cuperizado.
(c) Fósforo total (Ptot). De acuerdo con la norma mexi-
cana NMX-AA-029-SCFI-2001 (SCFI 2001a),
método del ácido vanadomolibdofosfórico.
Debido al marco de tiempo disponible para la
ejecución del proyecto y a que el P1 se consideró
TEPIC
N
México
TEPIC
900
1000
P1
20-70 años
Polígono ciudad
AGEB
Puntos de muestreo
Área de influencia
Curva de nivel 1000m
Curva de nivel 900m
P2
20 años
P3
20 años
Fig. 1.
Ubicación de los puntos de muestreo y edades estimadas
de las tuberías en la ciudad de Tepic (adaptación de ima-
gen obtenida del sitio de cartografía estadística urbana
del INEGI en internet: www.inegi.org.mx)
EVALUACIÓN DE LAS INFILTRACIONES AL DRENAJE DE LA CIUDAD DE TEPIC
93
prioritario, se decidió hacer las mediciones de TKN y
de Ptot de las muestras compuestas del P1 por tripli-
cado, mientras que las mediciones de los puntos P2 y
P3 se hicieron por duplicado. Para la determinación
de los nitritos y nitratos se analizaron por duplicado
tres de las muestras compuestas del punto P1.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Los resultados de las mediciones
in situ
de tempe-
ratura, pH, SDT, OD y conductividad se encuentran
en el
cuadro I
. Se observa que los parámetros de
pH, SDT y conductividad están dentro de los rangos
típicos de aguas residuales mencionados en las re-
ferencias del
cuadro I
. La temperatura promedio de
las muestras fue de 26 a 28 ºC y se considera como
un valor normal para Tepic, dado que la temperatura
ambiente en los meses de muestreo oscilaba alrededor
de los 26 ºC (INEGI 2012). Adicionalmente los pro-
cesos domésticos y productivos tienden a agregar
fujos de agua caliente al drenaje. El OD presentó
valores promedio entre 0.5 y 1.35 mg/L.
Los resultados presentados en este estudio se
enfocan en la medición de nitrógeno y fósforo, así
como en las mediciones de fujo. Los resultados de
las mediciones de TKN para cada muestra compuesta
y lugar de muestreo se encuentran en la
fgura 2
.
Los resultados de las mediciones de Ptot para cada
muestra compuesta se encuentran en la
fgura 3
.
En ambas Fguras se observa el valor obtenido para
cada repetición de los análisis a las muestras com-
puestas según el punto de muestreo (P1, P2 y P3).
Adicionalmente se encuentran indicados para cada
grupo de valores: el valor mínimo y máximo, el valor
promedio, la desviación estándar y la mediana.
En la
fgura 2
se aprecia que las concentraciones
de TKN obtenidas en los puntos de muestreo P1 y
P2 son en promedio mayores que las del punto de
muestreo P3. Dado que el punto de muestreo P3 se
trata de un fraccionamiento de clase socioeconómica
alta, se considera que existe un mayor consumo de
agua potable (CONAGUA 2007) y por lo tanto una
dilución mayor de los contaminantes. Sin embargo,
en el marco de esta investigación no fue posible
medir el fujo en este punto de muestreo ni conocer
la cantidad exacta de habitantes conectados a esta
tubería para comprobar esa posible explicación. Una
explicación alternativa sería una mayor inFltración
a esas tuberías.
Asimismo se observa en la
Figura 2
que las
concentraciones de TKN obtenidas para el punto P2
muestran una mayor variabilidad. La explicación
encontrada después de consultar al presidente de la
colonia, es que durante los primeros días de mues-
treo cuando se obtuvieron las concentraciones más
altas, la colonia no recibió reabastecimiento de agua
potable del SIAPA Tepic. Los habitantes dependieron
CUADRO I.
RESULTADOS DE LAS MEDICIONES IN SITU DE LAS MUESTRAS DE AGUA RESIDUAL
Parámetro
Resultados por punto de muestreo
Rango de referencia
P1
P2
P3
Temperatura (ºC)
26.66 ±
2%
25.59 ± 2%
28.25
± 1%
Varía según la región geográFca
pH
7.83 ±
5%
7.30 ± 2%
7.34
± 3%
6 –
9
1
Sólidos disueltos totales (mg/L)
435.80 ± 26%
328.00 ± 22%
382.88
± 25%
270 –
860
1
Oxígeno disuelto (mg/L)
1.05 ± 45%
0.51 ± 21%
1.35 ± 13%
S.R.
Conductividad (
μS
/cm)
875.07 ± 27%
693.81 ± 21%
711.63
± 29%
700 – 1200
2
S.R.: sin referencia
1
Tchobanoglous
et al
. (2003)
2
Göksel
et al
. (2006)
Punto P1
34
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
Concentración de TKN (mg/L)
Punto P2
Punto P3
1 SD
1 SD
–1 SD
50
%
–1 SD
50
%
1 SD
–1 SD
50
%
±ig. 2.
Resultados de las mediciones de TKN en los puntos de
muestreo. Para cada punto de muestreo se presentan los
resultados de las mediciones efectuadas a las muestras
compuestas incluyendo las repeticiones. Abreviaturas:
TKN - nitrógeno total Kjeldahl, SD - desviación estándar.
G. Espinosa Gutiérrez
et al.
94
únicamente del agua previamente almacenada en
sus tinacos (tanques de agua en los techos de las vi-
viendas) y podría asumirse que los usuarios estaban
consumiendo menos agua para sus actividades diarias
de manera consciente dada la situación. Las últimas
mediciones del punto P2 muestran una concentración
mucho más baja que las primeras mediciones. Una
posible explicación es la reiniciación de actividades
pendientes de aseo y limpieza acumuladas en los
hogares por la falta de abastecimiento de agua, pro-
duciéndose una mayor dilución del nitrógeno debido
al incremento abrupto de uso de agua.
Las mediciones de Ptot de la
fgura 3
, muestran
que las concentraciones más altas fueron obtenidas en
el punto de muestreo P1. Para entender los resultados
es necesario comprender las fuentes de fósforo en el
contexto urbano. De acuerdo con los estudios reali-
zados por la DWA (2008) en aguas residuales crudas
provenientes de áreas residenciales, el 75 % del total
del contenido de fósforo tiene origen en las heces y
la orina y está directamente relacionado con la dieta
alimenticia de la comunidad. El 25 % restante tiene
origen en las aguas grises esto es, en las aguas usadas
para las actividades de limpieza personal y del hogar
lo cual está directamente relacionado con el uso de
productos químicos como los detergentes, jabones,
champús, cosméticos, etc. En el Reino Unido, la dieta
alimenticia sólo contribuye con un 40 % de la carga
total de fósforo en el contexto residencial y el restante
60 % proviene de productos químicos (Comber
et
al.
2013). Las actividades comerciales, industriales
y de servicios en las áreas de uso mixto alteran la
composición del agua residual doméstica ya que se
hace un uso más intensivo de productos químicos.
Por ejemplo, las lavanderías públicas o industriales
emiten aguas residuales con una concentración más
elevada de fósforo con respecto a las del agua resi-
dual doméstica debido a que el fósforo es uno de los
constituyentes principales de muchos productos de
limpieza (Patterson 2001, APHA 2005, Russel 2006).
A pesar de ser un área principalmente residencial,
el punto de muestreo P1, cuenta también con activi-
dades de comercio y servicios (restaurantes, pana-
derías, tiendas, ofcinas, etc.), así como con algunas
actividades a pequeña escala de la industria ligera
como lecherías, pollerías, tintorerías, lavanderías y
reparación de autos entre otras. Los otros puntos de
muestreo presentan únicamente uso residencial. Las
altas concentraciones medidas de Ptot en el punto de
muestreo P1 podrían tener su origen en actividades
no domésticas que hacen uso intensivo de productos
con fósforo.
Los resultados de las tres mediciones de nitritos
y nitratos en el punto de muestreo P1 mostraron
cantidades muy bajas cercanas a cero, tal como es
de esperarse en agua residual doméstica no tratada
(Tchobanoglous
et al.
2003, APHA 2005). Las con-
centraciones promedio medidas en las tres muestras
compuestas fueron 0.07, 0.035 y 0.12 respectiva-
mente.
La
fgura 4
expone las concentraciones promedio
obtenidas para cada muestra y punto de muestreo
comparadas con el Fujo promedio medido (excepto
para el punto P3 dónde no ±ue posible medir el Fujo).
En los dos diagramas de la
fgura 4
se aprecia clara-
mente que la concentración de TKN aumenta cuando
el Fujo es menor y viceversa. Esto nos indica que
el TKN es diluido e±ectivamente cuando el Fujo de
agua es mayor. El fósforo por su parte no mostró una
tendencia clara de correlación con el Fujo medido.
Se observa incluso que las di±erencias de Fujo en
el punto P2 tuvieron una inFuencia casi nula en las
diferencias de concentración.
En el
cuadro II
se presentan las concentraciones
promedio obtenidas de las muestras compuestas y dos
valores de referencia para agua residual doméstica sin
diluir. Las últimas dos columnas del
cuadro II
mues-
tran la infltración probable calculada en este estudio.
Como concentración de referencia para los cálculos
se tomó la mencionada por Martí
nez
et al.
(2011). Se
consideró esta referencia como la más adecuada por
tratarse de estudios en una ciudad mexicana.
Para el cálculo de la infltración se aplicó la
ecuación (4) donde C1 es igual a la concentración
Punto P1
18
17
16
14
15
12
13
10
11
8
9
6
7
4
5
0
1
2
3
Concentración de TKN (mg/L)
Punto P2
Punto P3
1 SD
1 SD
–1 SD
50%
–1 SD
50%
1 SD
–1 SD
50
%
Fig. 3.
Resultados de las mediciones de Ptot en los puntos de
muestreo. Para cada punto de muestreo se presentan los
resultados de las mediciones efectuadas a las muestras
compuestas incluyendo las repeticiones. Abreviaturas:
Ptot - fósforo total, SD - desviación estándar.
Nota: los análisis de una muestra de Ptot en el punto de
muestreo P1 fueron descartados por mostrar resultados
ilógicos.
EVALUACIÓN DE LAS INFILTRACIONES AL DRENAJE DE LA CIUDAD DE TEPIC
95
de referencia y C2 es la concentración medida en el
punto de muestreo correspondiente:
%
Infiltración
=
()
– 1 × 100 %
C1
C2
(4)
Se asumió que el TKN en aguas residuales domés-
ticas frescas puede considerarse como muy cercano
al nitrógeno total, puesto que el contenido de nitritos
y nitratos en aguas residuales frescas sin tratar es
normalmente cercano a cero. Lo anterior se comprobó
con las mediciones de nitrito y nitrato en el punto P1.
Dado que el fósforo no mostró una relación clara con
las variaciones de fujo, se decidió calcular la inFl
-
tración probable basada en el nitrógeno únicamente.
La inFltración probable se calculó para el punto
P1 en un rango de 59 - 110 %, para el punto P2 en un
rango del 33 - 183 % y para el punto P3 en un rango
de 122 - 501%. Este porcentaje se debe interpretar
como el volumen adicional de agua requerido para
llegar de la concentración de referencia a la concen-
tración medida en este estudio. En otras palabras es
el factor de dilución del agua residual.
Este volumen adicional de agua puede estar com-
puesto de agua de inFltraciones así como de un con
-
sumo de agua potable más alto que en la referencia.
En el caso del punto P3 la proporción correspondiente
a un consumo alto puede ser más signiFcativa que en
los otros puntos de muestreo ya que como se men-
cionó anteriormente, se trata de un fraccionamiento
de clase socioeconómica alta dónde se consume más
agua potable que en los fraccionamientos de clase
media y popular (CONAGUA 2007).
CONCLUSIONES
Los resultados obtenidos de las mediciones de
nitrógeno y fósforo
en drenajes de zonas residenciales
de la ciudad de Tepic permitieron hacer un primer
acercamiento a la estimación del factor de dilución
que el agua residual sufre en las tuberías y una eva-
luación indirecta de la inFltración. Se obtuvieron
Fig. 4.
Concentraciones promedio medidas de TKN y Ptot para
cada muestra compuesta comparadas con el fujo medido
en el punto de muestreo. TKN - nitrógeno total Kjeldahl,
Ptot - fósforo total.
Nota: los análisis a la tercera muestra de Ptot en el
punto de muestreo P1 fueron descartados por mostrar
resultados ilógicos.
30
25
TKN punto P1
Ptot punto P1
Flujopunto P1
20
15
10
5
0
02 34
5
1.50
1.25
1.00
0.75
Flujo (L/s)
Concentración (mg/L)
0.50
0.25
0.00
30
25
TKN punto P2
Ptot punto P2
Flujopunto P2
20
15
10
5
0
12
Muestro del punto P2
Muestro del punto P1
3
4.0
3.5
2.5
3.0
2.0
Flujo (L/s)
Concentración (mg/L)
1.5
0.5
1.0
0.0
CUADRO II.
INFILTRACIÓN PROBABLE OBTENIDA POR COMPARACIÓN CON AGUA RESIDUAL SIN DILUIR
Fuente
Nitrógeno (mg/L)
Fósforo (mg/L)
InFltración probable
a
Martínez
et al.
(2011)
b
40.60 (Ntot)
6.95 (P de PO
4
)
Mínima
ò
Máxima
ò
Tchobanoglous
et al.
(2003)
c
70.00 (Ntot)
16.00 (Ptot)
Promedio punto de muestreo P1
22.46 ± 14%(TKN)
11.16 ± 28%
59%
110%
Promedio punto de muestreo P2
22.41 ± 36%(TKN)
5.72 ± 31%
33%
183%
Promedio punto de muestreo P3
12.50 ± 46%(TKN)
6.30 ± 12%
122%
501%
a
Cálculo basado en la concentración de nitrógeno. Equivale al exceso de agua por inFltración EI. La concentración de
re²erencia es la mencionada por Martínez
et al.
(2011).
b
Datos para el agua residual doméstica en San Luis Potosí, con base en una generación de 154 L por persona por día.
c
Datos para agua residual doméstica en los Estados Unidos de Norteamérica, con base en un fujo de agua residual de 240 L
por persona por día que incluye agua doméstica, comercial e industrial.
Ntot: nitrógeno total, TKN: nitrógeno Kjeldahl, Ptot: ²ós²oro total.
G. Espinosa Gutiérrez
et al.
96
valores teóricos de dilución en temporada de lluvia
del orden del 30 % hasta 500 % dependiendo del
punto y día de muestreo, siendo los valores en su
mayoría más altos que 50 %. Se demostró que existe
una dilución signifcativa del agua residual en los
drenajes a pesar de tratarse de un sistema separado
de tuberías. Durante la trayectoria del agua residual
desde el punto de muestreo hasta su lugar de trata-
miento o vertido, la dilución podría aumentar aún más
dado que las tuberías de la ciudad tienen en su ma-
yoría más de 40 años de antigüedad y su condición
va de regular a mala (H. XXXIX Ayuntamiento de
la ciudad de Tepic 2012), lo cual favorece una alta
infltración.
Una infltración incontrolada y no calculada al
drenaje tiene costos económicos y ambientales que
pueden generarse debido al desbordamiento de las
tuberías por sobrecarga hidráulica o por problemas
en la operación de las PTAR. Estas últimas requieren
de condiciones de concentración de nutrientes para
mantener su equilibrio y efectividad de tratamiento
(Renner 1996, Decker 1998). Dichos problemas po-
drían continuar aún después de la temporada de lluvia
según tarde en recuperarse el equilibrio biológico en
la PTAR. La infltración también puede ocasionar
una emisión mayor de contaminantes hacia el am-
biente ya que al rebasar la capacidad de las PTAR
se aumentan las descargas directas al río (Espinosa
y Otterpohl 2014).
Un aspecto relativamente positivo de la infltra
-
ción es que las concentraciones de contaminantes en
las descargas son menores al llegar al río. Por consi-
guiente la alteración del equilibrio químico y biológi-
co de éste podría ser menor en el corto plazo. Sin em
-
bargo la cantidad total de contaminantes vertidos al
río permanece inalterada o bien podría aumentar
al no recibir tratamiento previo en una PTAR.
Para hacer una evaluación más detallada con la
misma estrategia usada en esta investigación sería
necesario conocer la composición típica sin diluir
del agua residual doméstica en la ciudad y realizar
mediciones nuevamente en temporada de lluvia y
en temporada seca. De esta manera se podrá dife-
renciar también la infltración base (proveniente de
agua subterránea, fugas de agua potable y descargas
ilegales) de la infltración por lluvia. El método
químico para la evaluación de las infltraciones
desarrollado por Hager
et al.
(1985) provee a su
vez una estrategia para determinar la infltración de
manera detallada con base en mediciones de con-
centración de contaminantes. Este método podría
ser usado en Tepic al no contar con medidores de
Fujo que permitan llevar a cabo otras estrategias
de valoración. Sin embargo se trata de un esquema
costoso de toma de muestras y análisis aunado a
es±uerzos intensivos de mano de obra o al empleo
de aparatos de medición automatizados.
Alternativamente se puede recurrir a la informa-
ción existente sobre el volumen consumido de agua
potable en la ciudad y a los análisis realizados al
agua residual (TKN, Ntot, Ptot). Esta información
combinada con conocimiento sobre la producción y
composición química teórica del agua residual pue-
den ayudar a generar un balance general de agua y
nutrientes en la ciudad y a calcular el volumen teórico
total de infltración.
Independientemente del método para determi-
nar la infltración, se considera que una evaluación
detallada de la misma es de gran importancia para
mejorar el control sobre los procesos de transporte y
tratamiento de agua residual en la ciudad.
AGRADECIMIENTOS
La presente investigación se realizó como una
colaboración directa de la Universidad Técnica de
Hamburgo (Instituto de Investigación en Aguas
residuales y Protección del Agua) y la Universi-
dad Autónoma de Nayarit (Unidad Académica de
Ciencias Básicas e Ingeniería) dentro del marco
del proyecto “Material Flow Analysis of the Urban
Water System in Tepic Mexico: Integral Evaluation
and Improvement Options” que es fnanciado por
el Ministerio Alemán de Educación e Investigación
(BMBF) a través del programa “International Post-
graduate Studies in Water Technologies (IPSWaT)”.
Se reconoce en especial el respaldo del QFB José
²rancisco Solorio de la Garza y del M. en C. ²ran
-
cisco Julián Aranguré
Zúñiga de la ACBI-UAN en
la ejecución del proyecto. Se agradece también al
Sistema de Agua Potable y Alcantarillado de Tepic,
en especial al Ing. Gregorio Montero Galindo, por
su colaboración en la planeación del proyecto y por
el acceso a los puntos de muestreo. Finalmente, se
reconoce el apoyo del Servicio Alemán de Intercam-
bio Académico (DAAD) por fnanciar la estancia de
investigación de P. Evers en México.
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