Calidad del agua para uso y consumo humano en la Ciudad de México

Acciones para mejorar

Jennifer A. Bañuelos Díaz Doctora en Electroquímica. Subcoordinadora de Potabilización, IMTA.

Colaboradores: Alejandra Martín Domínguez, Arturo González Herrera, Carlos D. Silva Luna, Iván E. Villegas Mendoza, Luis González Hita, Ma. de Lourdes Rivera Huerta, Martín Piña Soberanis, Miguel A. Mejía González, Sara Pérez Castrejón, Norma Ramírez Salinas, Agustín Breña Naranjo.

La potabilización tiene como objetivo evitar riesgos a la salud humana por enfermedades de tipo hídrico, al convertir agua contaminada en apta para uso y consumo. Existe una amplia variedad de procesos que se utilizan para eliminar prácticamente cualquier contaminante presente en el agua, y su aplicación depende del tipo y concentración de éste. Se puede decir que cualquier agua, por muy contaminada que esté, se puede tratar hasta llevarla a calidad potable; sin embargo, los costos y la complejidad del sistema hacen que muchas veces esto sea inoperante y costoso, y la mejor solución sea buscar otra fuente de abastecimiento. En este trabajo se describen los pasos que se siguieron para proponer la mejor alternativa de potabilización del agua en pozos de la Ciudad de México.

El Sistema de Aguas de la Ciudad de México (Sacmex) tiene a su cargo 60 potabilizadoras, 59 de ellas repartidas en ocho de sus alcaldías y una en el municipio de Almoloya del Río, Estado de México. El origen del agua que abastece a dichas plantas es subterráneo en 58 de los casos y sólo dos se abastecen de agua superficial, en específico del río Magdalena. Del total de las plantas operan 50, pero el agua tratada por éstas, en su mayoría, no cumple con los límites máximos permisibles (LMP) establecidos en la modificación del año 2000 a la Norma Oficial Mexicana NOM-127-SSA1-1994 “Salud ambiental. Agua para uso y consumo humano. Límites permisibles de calidad y tratamientos a que debe someterse el agua para su potabilización” (NOM-127).

Problemas de las potabilizadoras

Con la finalidad de mejorar la calidad del agua que se suministra a la población, el Sacmex solicitó la colaboración del Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA) para analizar la problemática de 22 potabilizadoras y proponer su rehabilitación o reingeniería, así como determinar el origen de la contaminación del agua en los pozos. Los objetivos generales de la participación del IMTA fueron los siguientes: a) caracterización del agua problema y pruebas de tratabilidad con agua del sitio para seleccionar el mejor tren de tratamiento; b) diseños funcionales para la rehabilitación integral de las plantas potabilizadoras, que incluyeron su evaluación diagnóstica previa; c) elaboración de términos de referencia y apoyo técnico durante las licitaciones llevadas a cabo para la rehabilitación de ocho de las potabilizadoras diagnosticadas; d) revisión de los proyectos ejecutivos, así como seguimiento de las obras y puesta en operación de las potabilizadoras rehabilitadas en 2019; y e) identificación de horizontes saturados con agua de buena calidad en cinco pozos del Sacmex.

Hallazgos

De los resultados obtenidos de calidad del agua de las fuentes de abastecimiento en estudio, se concluyó que los parámetros que no cumplen con los LMP de la NOM-127 son, en orden de frecuencia: manganeso, hierro, sodio, nitrógeno amoniacal, color, dureza, cloruros y sulfatos. Además, se encontró materia orgánica de muy baja biodegradabilidad y boro en concentraciones elevadas en algunos de los pozos.

La evaluación diagnóstica de las potabilizadoras puso en evidencia que ninguna se encontraba operando adecuadamente, y los problemas más frecuentes fueron: poca coordinación entre la operación de los pozos, plantas potabilizadoras y red de distribución; falta de mantenimiento preventivo y correctivo de equipos y unidades de proceso; diseños inapropiados para la calidad del agua existente; sistemas de membranas sin equipamiento mínimo de limpieza y control; algunas plantas sin concluir su construcción; desperdicio importante de agua por no recuperar la utilizada en el retrolavado de los filtros; falta de seguimiento de los parámetros de calidad de agua durante la operación del proceso; sistemas de automatización y control fuera de funcionamiento; poca o nula capacitación del personal para operar de forma eficiente las potabilizadoras.

Del estudio del origen de la contaminación (véase figura 1) se observó que los pozos Santa Catarina 5 y Tulyehualco 6 están extrayendo agua de pozo con alto contenido de sales y nitrógeno amoniacal. También se puso en evidencia que en el pozo Popotla y el de Jardines del Pedregal 5R existe una estratificación vertical de la calidad del agua, debido a que captan dos sistemas de flujo subterráneo que circulan a diferente profundidad; además, el pozo Atorón 6 presenta altas concentraciones de solutos a lo largo de todo el perfil vertical. Se determinó que la contaminación de los pozos Santa Catarina 5 y Tulyehualco 6 es debida al ingreso de agua de mala calidad del acuitardo superior (arcilla lacustre) a causa de que el ademe ranurado abarca tanto el acuífero como el acuitardo, y el filtro de grava de los pozos está en contacto directo con este último. La contaminación de los pozos Popotla y Jardines del Pedregal 5R es debida a que están captando agua de estratos profundos de mala calidad, y la del pozo Atorón 6 capta una mezcla de agua de flujo somero y flujo regional que circula por las calizas.

Pruebas de tratabilidad

Para proponer la mejor solución referente a los sistemas de potabilización, los criterios de diseño fueron obtenidos de pruebas de tratabilidad realizadas en laboratorio y directamente en sitio con planta piloto (véase figura 2) o semipiloto. Los principales retos encontrados fueron la remoción de nitrógeno amoniacal y de materia orgánica (COT), así como la eliminación de dureza en presencia de elevadas concentraciones de sílice. El contaminante más difícil de remover fue la materia orgánica, debido a la baja biodegradabilidad de los compuestos que contiene el agua que abastece a varias potabilizadoras del Sacmex. Por otro lado, el agua con elevada dureza, combinada con alta concentración de sílice, obliga al uso de una etapa previa de ablandamiento para los sistemas de ósmosis inversa, lo que eleva considerablemente los costos de operación y dificulta el proceso.

De acuerdo con los resultados de las pruebas, la máxima remoción esperada de nitrógeno amoniacal es de aproximadamente 4 mg/l utilizando biolita en reactores de lecho fijo (biofiltros), con aireación en continuo dentro del medio, y tiempos de residencia de 9 a 22 minutos. Si se utilizan biofiltros empacados indistintamente con carbón activado, zeolita o biolita, con aireación previa del influente mediante torres de charolas múltiples, la máxima remoción será de 2 mg/l. Por otro lado, se recomienda el empleo de ósmosis inversa para tratar agua con hasta 5 mg/l de nitrógeno amoniacal, ya que concentraciones superiores imposibilitan el cumplimiento del valor límite de 0.5 mg/l que establece la NOM-127. La combinación de los sistemas de tratamiento biológico y de ósmosis inversa permitirá alcanzar remociones hasta de 9 mg/l de nitrógeno amoniacal.

El sistema propuesto para la remoción de hierro y manganeso consistió en la aplicación de hipoclorito de sodio al agua antes de introducirla en filtros empacados con zeolita natural granular, la cual es una tecnología desarrollada en el IMTA y que ya opera en diferentes plantas potabilizadoras del país.

Diseños funcionales

A partir de los resultados obtenidos en las pruebas de tratabilidad, se realizaron los diseños funcionales de rehabilitación o reingeniería de las potabilizadoras, los cuales contemplaron memorias de cálculo y planos de proceso. Todos los diseños incluyeron la recuperación del agua de retrolavado de los filtros granulares, así como la optimización del sistema de bombeo para lograr un mejor manejo del caudal desde la extracción hasta su inyección a la red de distribución. Tomando como base estos diseños, se elaboraron los términos de referencia requeridos para la licitación de los proyectos ejecutivos y rehabilitación de las potabilizadoras, lo que permitió que en 2019 el Sacmex concursara ocho de ellas y que el IMTA diera seguimiento durante las obras y su puesta en marcha. Actualmente ya están funcionando en forma continua cinco potabilizadoras (véase figura 3), cumpliendo con la calidad del agua requerida en la NOM-127;  tres se encuentran en obra o puesta en operación. Con estas cinco plantas se verán beneficiadas 144 mil personas considerando una dotación de 300 l/hab/día, pero si se rehabilitan las 22 plantas que rediseñó el IMTA, se beneficiarían 763 mil personas con la misma dotación.

Aplicar en otras plantas

El análisis de los datos históricos de calidad del agua influente a todas las plantas que opera el Sacmex permitió establecer sistemas de tratamiento tipo con base en la concentración de los contaminantes predominantes y los resultados de las pruebas de tratabilidad de este estudio. De esta forma se concluyó que, de las 60 plantas potabilizadoras existentes, más dos nuevas que se construirán, una para el pozo Popotla y otra para Los Atorones 2 y 6:

  • 29 requieren sistemas de potabilización relativamente sencillos, que van desde una sola etapa de filtración fisicoquímica en zeolita natural hasta dos etapas de filtración biológica coadyuvada con aireación.
  • 12 necesitan, además, sistemas con membranas de ósmosis inversa.
  • 4 requieren ablandamiento antes de la ósmosis inversa, ya sea químico o mediante resinas de intercambio iónico.
  • 3 utilizarían biorreactores con biolita y aireación en continuo, además de una o dos etapas de filtración biológica en carbón activado o zeolita, con ozonización y aireación intermedia, pero aun así no se removerá eficientemente la materia orgánica.
  • 6 potabilizadoras, además de lo mencionado en el punto anterior, van a necesitar ósmosis inversa.
  • 8 potabilizadoras requieren un cambio total de fuente de abastecimiento, porque ningún sistema de potabilización sería técnica o económicamente viable, y menos aun con las áreas de terreno disponibles.

También se determinó el costo de operación para las plantas potabilizadoras diseñadas, considerando mano de obra, reactivos y energía para la operación de los equipos; en los casos en que se incluye ósmosis inversa, se adiciona el costo por reposición de membranas (tres años de vida útil), de los cartuchos pulidores (cambio cada dos semanas), antiincrustante y reactivos para su limpieza. Los costos de operación estimados (sin considerar la extracción del agua del pozo, la inyección a red ni mantenimiento de infraestructura) son los siguientes:

  • Sistemas que incluyan sólo filtración granular, ya sea física o biológica, con o sin aireación, tendrán un costo aproximado de operación que variará entre 0.48 y 1.57 pesos por metro cúbico de agua producida.
  • Sistemas que incluyan además ósmosis inversa en su tren de potabilización podrán llegar hasta los 9.5 pesos por metro cúbico de agua producida.
  • Si se tiene que añadir ablandamiento al sistema de membranas, los costos de operación podrían llegar a los 30 pesos por metro cúbico, aproximadamente.
  • Es importante señalar que, antes de tomar la decisión de incluir un sistema de ablandamiento para cualquier planta potabilizadora, es altamente recomendable realizar pruebas para determinar, en el caso de utilizar intercambio iónico, la eficiencia de recuperación de las resinas después de varios ciclos de
  • servicio-regeneración, así como las cantidades requeridas de los regenerantes y el volumen global de recuperación de agua. Si se opta por ablandamiento químico, son importantes los volúmenes de reactivo y de lodos producidos, así como la facilidad de operación del sistema. En ambos casos hay que establecer de manera real los costos de tratamiento por metro cúbico.

Conclusiones y recomendaciones

Con base en los estudios de calidad del agua de las fuentes de abastecimiento, pruebas de tratabilidad, diagnóstico de las potabilizadoras y estudio del origen de la contaminación de los pozos, es indispensable que se tomen medidas urgentes para asegurar el abastecimiento de agua con calidad a la población de la Ciudad de México. Para lograr esto, se sugieren las siguientes acciones:

  • Realizar mediciones de parámetros fisicoquímicos e isotópicos, así como sondeos geofísicos, en todos los pozos que presentan elevada contaminación de sales, nitrógeno amoniacal y materia orgánica, y hacer las modificaciones pertinentes en los diseños y construcción de éstos antes de seleccionar y construir las potabilizadoras.
  • Mejorar la calidad del agua en los pozos emplazados en la zona del ex lago de Chalco, entre ellos los pozos Santa Catarina 5 y Tulyehualco 6, con las siguientes recomendaciones:
  • a) el ademe liso debe extenderse a lo largo de todo el acuitardo, para evitar extraer agua de mala calidad de este estrato;
  • b) el filtro de grava del pozo no debe estar en contacto directo con el acuitardo, para evitar que el filtro sea un conducto por donde ingrese esta agua al pozo.
  • Perforar de forma somera en la zona donde se localiza el pozo Popotla, a fin de evitar los flujos profundos que son de mala calidad: se sugieren profundidades no mayores de 200 m. Una prueba de que esto mejora la calidad del agua extraída fue el resultado obtenido en el pozo Popotla, donde el IMTA sugirió sellar el ademe desde los 200 hasta los
  • 400 m de profundidad. Antes de las acciones de taponamiento, los sólidos disueltos en el agua extraída alcanzaban los 2,250 mg/l y disminuyeron a 1,179 mg/l, lo que reduce significativamente el grado de complejidad de la potabilización requerida.
  • Priorizar los sistemas de potabilización con bajo costo de operación e inversión y llevar a cabo pruebas de tratabilidad en sitio con planta piloto antes de tomar la decisión final. Solamente haciendo pruebas con el agua problema se puede asegurar la eficiencia de los procesos y los costos reales de operación.
  • Establecer un programa de capacitación continuo que certifique al personal encargado de la operación de las plantas.
  • Asignar recursos, de forma permanente, para la operación y el mantenimiento preventivo y correctivo de las potabilizadoras.