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APUNTES SOBRE

CONTAMINACIÓN Y TRATAMIENTO DE AGUAS

Material preparado por: Pablo Ortiz Muñoz Fiscalizador SISS, Oficina Regional O’Higgins Ingeniero en Ordenación Ambiental (INACAP) Licenciado en Ciencias de la Ingeniería (U. Central) Diplomado en Contaminación de Aguas ( U. de Chile)

Rancagua, julio de 2010.

Preparado por: Ing. Pablo Ortiz Muñoz Página 1 08/07/2010

INDICE DE CONTENIDOS

1. EL RECURSO AGUA Y SU IMPORTANCIA ...................................................................................... 2

1.1. El Ciclo del agua ........................................................................................................................... 2

1.2. Disponibilidad del agua ................................................................................................................. 4

2. CONCEPTO GENERAL DE CONTAMINACIÓN Y FUENTES CONTAMINANTES .......................... 5

3. CONCEPTO GENERAL DE NORMAS DE EMISIÓN Y CALIDAD .................................................... 5

4. CONCEPTO DE USOS Y CALIDAD DEL AGUA ............................................................................... 6

5. CONTAMINACIÓN DEL AGUA........................................................................................................... 8

5.1. Causas de la contaminación del agua .......................................................................................... 8

5.2. Clasificación de los Contaminantes del Agua ............................................................................... 9

5.3 Qué parámetros debemos monitorear en terreno........................................................................ 11

5.4. Otros parámetros relevantes a monitorear en aguas residuales ................................................ 12

6. CARACTERIZACÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES..................................................................... 14

7. AUTODEPURACIÓN DE UN CAUSE ............................................................................................... 15

8. EUTROFIZACIÓN .............................................................................................................................. 17

9. PASOS PARA DEFINIR LA ALTERNATIVA DE TRATAMIENTO A IMPLEMENTAR ................... 18

10. TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES ................................................................................... 21

11. TRATAMIENTO BIOLÓGICO.......................................................................................................... 22

11.1. Clasificación tratamiento biológico............................................................................................ 24

11.2. Tratamientos biológicos naturales ............................................................................................ 24

11.3. Tratamientos biológicos convencionales .................................................................................. 25

12. DISEÑO DE UN SISTEMA NATURAL BASADO EN PLANTAS EMERGENTES......................... 27

13. LOMBRIFILTRO (SISTEMA TOHÁ)................................................................................................ 31

14. FILTROS VERDES........................................................................................................................... 35

15. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................................................ 37


1. EL RECURSO AGUA Y SU IMPORTANCIA

El agua es un elemento fundamental para la vida, no es raro entonces que gran parte de ésta se haya desarrollado cerca de ríos y lagos. Por mucho tiempo se asumió que la naturaleza podía deshacerse de todos nuestros desechos y, mientras la cantidad de estos desechos era razonable y su composición era «natural», así sucedió. Sin embargo, con la aparición de la agricultura y más aún con el desarrollo industrial, la cantidad de residuos se incrementó dramáticamente y su composición se modificó para incluir compuestos extraños, creados por el hombre. Si bien la naturaleza tiene una gran capacidad de asimilación y autodepuración, degradando una serie de compuestos e incorporándolos nuevamente al ciclo de vida, esta capacidad es limitada y las actividades antropogénicas1 la han rebasado en varias ocasiones. El agua tiene varias características que la hacen única al otorgarle la capacidad para regular el clima terrestre, mantener la vida en los cuerpos de agua bajo condiciones de temperatura extremas o permitiéndole transportar nutrientes a los tejidos y órganos de los seres vivos, gracias a su característica de disolvente universal. A pesar de que el 75% de la Tierra está compuesta por agua, sólo se puede tener acceso al 0,003% (4,08 x 1013 m3) para consumo humano; el resto es, en su mayoría, agua salada, subterránea inaccesible, contaminada o congelada. Aun así, el problema no es la falta de agua, sino su distribución inequitativa, el derroche irresponsable que hacemos de ella y su contaminación. La preocupación por la contaminación de los cuerpos de agua surgió cuando comenzaron a observarse problemas a la salud por el consumo de agua contaminada. Hoy día, la calidad del agua potable y de los cuerpos de agua es un tema que recibe gran interés y ya se han establecido límites máximos permisibles para una amplia gama de compuestos que pueden estar presentes en ella. Si el 100% del agua de la tierra fuesen 100 litros:

• 97 litros sería agua salada • 3 litros seria agua dulce • 0,5 litros sería agua dulce disponible. • ½ cucharadita (0,003 litros) sería agua dulce utilizable

Fuente: Miller, 1994

Algunas formas de derrochar agua:

• Lavar auto con manguera 161 litros • Ducha 10 minutos 95 – 119 litros • Tiña de baño promedio 136 litros • Goteo de una llave 95 – 111 litros / día • Afeitarse con agua corriendo 76 litros • Cepillado de dientes con agua corriendo 8

litros Fuente: Miller, 1991

1.1. El Ciclo del agua

El ciclo hidrológico o ciclo del agua es el proceso de circulación del agua entre los distintos compartimentos de la hidrósfera. Se trata de un ciclo biogeoquímico en el que hay una intervención mínima de reacciones químicas, y el agua solamente se traslada de unos lugares a otros o cambia de estado físico.

1 Actividades desarrolladas por el hombre


Figura 1. Ciclo hidrológico

Fuente: www.webquest.es/wq/ciclo-del-agua

Los principales procesos implicados en el ciclo del agua son: 1º Evaporación y transpiración. El agua se evapora en la superficie oceánica, sobre la superficie terrestre y también por los organismos, en el fenómeno de la transpiración en plantas y sudoración en animales. Los seres vivos, especialmente las plantas, contribuyen con un 10% al agua que se incorpora a la atmósfera. En el mismo capítulo podemos situar la sublimación, cuantitativamente muy poco importante. 2º Condensación. El agua en forma de vapor sube y se condensa formando las nubes, constituidas por agua en pequeñas gotas. 3º Precipitación. Es cuando las gotas de agua que forman las nubes se enfrían acelerándose la condensación y uniéndose las gotitas de agua para formar gotas mayores que terminan por precipitarse a la superficie terrestre en razón a su mayor peso. La precipitación puede ser sólida (nieve o granizo) o líquida (lluvia). 4º Infiltración. Ocurre cuando el agua que alcanza el suelo, penetra a través de sus poros y pasa a ser subterránea. La proporción de agua que se infiltra y la que circula en superficie (escorrentía) depende de la permeabilidad del sustrato, de la pendiente y de la cobertura vegetal. 5º Escorrentía. Este término se refiere a los diversos medios por los que el agua líquida se desliza cuesta abajo por la superficie del terreno. En los climas no excepcionalmente secos, incluidos la mayoría de los llamados desérticos, la escorrentía es el principal agente geológico de erosión y de transporte de sedimentos.


6º Circulación subterránea. Se produce a favor de la gravedad, como la escorrentía superficial, de la que se puede considerar una versión. 7º El proceso se repite desde el inicio, consecutivamente por lo que nunca se termina, ni se agota el agua.

1.2. Disponibilidad del agua

La Tabla 1 muestra la distribución de agua en la Tierra, parte de la cual es almacenada en distintos lugares de la naturaleza. Como se mencionó anteriormente, más del 97% de los 1.36 x 1018 m3 de agua en la Tierra se encuentra en los océanos; el resto es agua dulce, de la cual el 75% se encuentra «atrapada» en bancos de hielo polares, en el suelo, rocas y en la atmósfera y el 25% restante se encuentra disponible como agua superficial y subterránea. Sin embargo, de este porcentaje, sólo se puede acceder al 0,5% para abastecimiento humano (ya sea por difícil acceso o por tratarse de agua contaminada). Miller, 1994, ilustra esta situación de la siguiente manera: si el 100% del agua en la Tierra fuesen 100 litros, tres de ellos (3%) son agua dulce, 0,5L (0,5%) corresponden a agua dulce disponible y sólo 1/2 cucharadita (0,003L) representa la cantidad de agua dulce utilizable. Tabla 1. Provisión de agua en la tierra

Depósito Volumen (en millones de km³)

Porcentaje

Océanos 1 370 90,40386

Casquetes y glaciares 546 8,90

Agua subterránea 9,5 0,68

Lagos 0,125 0,01

Humedad del suelo 0,065 0,005

Atmósfera 0,013 0,001

Arroyos y ríos 0,0017 0,0001

Biomasa 0,0006 0,00004

Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_hidrol%C3%B3gico


2. CONCEPTO GENERAL DE CONTAMINACIÓN Y FUENTES CONTAMINANTES

Una definición ampliamente aceptada del término contaminación se refiere a un cambio no deseado en las características físicas, químicas o biológicas del aire, el agua, el suelo o los alimentos, que tenga o pueda tener un impacto nocivo en la salud, la sobrevivencia o las actividades de los organismos vivos, incluyendo al ser humano. La contaminación ambiental puede definirse como el empobrecimiento de todo aquello que podemos ver, oír, oler, tocar y saborear, es decir, del entorno físico, la flora y la fauna que nos rodea. Con relación a la contaminación del agua, podemos encontrar la siguiente clasificación de sus fuentes contaminantes: Tabla 2. Clasificación de fuentes contaminantes.

Tipo de Fuente Descripción Ejemplos

De origen antrópico Corresponde a la contaminación generada por la actividad humana

Descarga de aguas servidas

De origen natural Corresponden a la contaminación de origen natural.

Emanaciones volcánicas

Puntuales tienen un origen bien definido y son fáciles de identificar y controlar en la mayoría de los casos

Descargas de una industria

Difusas

Las fuentes no puntuales son fuentes que están dispersas en grandes áreas, lo que hace difícil su identificación y control.

Uso de fertilizantes en la agricultura

Fuente: Elaboración propia 3. CONCEPTO GENERAL DE NORMAS DE EMISIÓN Y CALIDAD

Las normas de calidad ambiental establecen las metas de la gestión ambiental en cuanto definen las características y composición de los medios, agua, aire y suelo que el país espera tener (Borregaard et al, 1997). La ley 19.300, sobre bases generales del medio ambiente, define dos tipos de normas de calidad ambiental. Las normas primarias, que tienen por objeto proteger la salud de la población, y las normas secundarias, cuya finalidad es proteger el patrimonio ambiental del país. Las normas primarias son de aplicación en todo el territorio de la República, mientras que las secundarias pueden tener un carácter regional. Por otro lado, las normas de emisión establecen la cantidad máxima permitida para un contaminante medido en el efluente de la fuente emisora.


Tabla 3. Tipos de normas vigentes en Chile.

Tipo de Norma Objetivo Donde medir

Norma Primaria Proteger la salud de la población En el curso de agua

Norma Secundaria Proteger el medio ambiente y conservación de la naturaleza

En el curso de agua

Norma de emisión Prevenir la contaminación En el punto de descarga

Fuente. Elaboración propia En nuestro país, según lo establece la Ley 18.902/1990, el organismo encargado de fiscalizar el cumplimiento de las normas de emisión relacionadas con la descargas de residuos líquidos industriales es la Superintendencia de Servicios Sanitarios (SISS). A la fecha se encuentran vigentes las siguientes normas de emisión:

� Decreto 609 de 07 de mayo de 1998. Norma que regula las descargas de residuos industriales líquidos a sistemas de alcantarillado.

� Decreto 90 de 30 de marzo de 2000. Norma que regula las descargas de residuos líquidos a

aguas marinas y continentales superficiales.

� Decreto 46 de 08 de marzo de 2002. Norma que regula las descargas de residuos líquidos a aguas subterráneas.

En materia de calidad del agua se encuentran vigentes las siguientes normas:

� Norma Chilena Nº1.333, aprobada por el Ministerio de Obras Públicas, DS Nº867 del 7 de Abril de 1978. Fija criterio de calidad del agua de acuerdo a requerimientos científicos, referidos a aspectos físicos, químicos y biológicos, según el uso determinado.

� Norma Chilena N°409, parte 1, 2004. Establece los requisitos de calidad que debe cumplir el

agua potable en todo el territorio nacional. 4. CONCEPTO DE USOS Y CALIDAD DEL AGUA

El agua dulce es empleada por los seres humanos para consumo directo y cocción de los alimentos; para limpieza personal, de las ropas y del hogar en general; para la agricultura y la ganadería; para usos industriales; para recreación; como medio de transporte y para la producción de energía. De acuerdo con los estudios realizados por la Dirección General de Aguas (documento “Política Nacional de Recursos Hídricos”), el uso del agua en el país alcanza a un valor aproximado a los 2.000 m3/s de caudal continuo, de los cuales el 67.8 por ciento corresponde a usos hidroeléctricos y el 32.2 por ciento a usos consuntivos (aquellos no obligados a restituir los caudales a los cauces, como por ejemplo el uso agrícola. El concepto de “consuntividad” es sólo aplicable a las aguas superficiales. Entre los usos consuntivos, el riego representa el 84.5 por ciento a nivel nacional, con un caudal medio de 546 m3/s, utilizado en el abastecimiento de aproximadamente 2 millones de hectáreas, que se localizan casi completamente de la IX Región al norte, de las cuales se estima que 1.3 millones de hectáreas tienen una seguridad de riego razonable. El uso doméstico equivale al 4.4 por ciento de los usos consuntivos, con unos 35 m3/s, y es utilizado para dar abastecimiento al 98 por ciento de la población urbana y aproximadamente al 80 por ciento de la población rural (concentrada). Los usos mineros e industriales representan el 11 por ciento del uso consuntivo total.


Gráfico 1. Demanda actual usos consuntivos

Dependiendo del uso que se le pretenda dar al agua, se han establecido una serie de estándares de calidad del agua que incluyen características físicas, químicas y microbiológicas. Estos estándares sirven para determinar si el agua requiere de un tratamiento previo al uso al que sería destinada y permiten vigilar los procesos de tratamiento de aguas. En la siguiente tabla se muestran los estándares para aguas destinadas a uso recreativo sin contacto directo, con contacto directo y vida acuática


Tabla 4. Estándares de calidad del agua para diferentes usos.

USOS INDICADOR UNIDAD

A B C

Aceites y grasas flotantes mg/l 5,00 (1) 5,00 (1)

Aceites y grasas emulsificadas mg/l 10,00 (1) 10,00 (1)

Alcalinidad total (Ca co3) mg/l ≥ 20,00

Claridad Metros > 1,20 (1) (2)

Coliformes fecales NMP/100 ml 1000 (1)

Color Unidades de escala Pt-Co

100 (1)

Ausencia de colorantes art.

Ausente

Oxigeno Disuelto mg/l ≥ 5,00

PH 6,5 – 8,3 6,0 – 9,0

Petróleo e Hidrocarburos (3)

Sólidos flotantes visibles y espumas no naturales

Ausentes Ausentes Ausentes

Sólidos sedimentables < V. N.

Sustancias que produzcan olor y sabor inconveniente

mg/l Ausentes Ausentes

Temperatura en flujo de agua ºC 30,00 V. N. + 3

Turbiedad debido a descargas Unidades de escala sílice

50 (1) V. N. +3

USOS: A : Uso recreativo sin contacto directo, B: Uso recreativo con contacto directo, C : Aguas destinadas a vida acuática NOTAS: V.N: Valor Natural (1): Podrá ser modificado por autoridad competente. (2): Visualización de Discos Secchi. (3): No debe haber olor perceptible, detección visual o cubrimiento de fondo, orilla o ribera. Fuente: Norma Chilena Nº1.333, aprobada por el Ministerio de Obras Públicas, DS Nº867 del 7 de Abril de 1978. 5. CONTAMINACIÓN DEL AGUA

En este apartado se presenta un resumen de las principales causas de la contaminación del agua, los contaminantes más característicos y se entregan algunas recomendaciones respecto de los parámetros que, de acuerdo a la experiencia del autor, se deben medir.

5.1. Causas de la contaminación del agua

El agua se contamina fundamentalmente por las siguientes causas:

� Contaminación industrial: es producida por los vertidos que las industrias realizan directamente a los ríos o a la atmósfera a través de chimeneas de expulsión de humos (gases


o partículas que reaccionan o se depositan con la lluvia llegando al suelo y finalmente se filtran hacia los acuíferos).

� Contaminación agrícola y ganadera: Es aquella que se produce por el tratamiento de los

productos con herbicidas, pesticidas y fertilizantes, los que por escurrimiento o infiltración llegas hasta cursos o masas de agua.

� Contaminación doméstica o urbana: Es la producida por los hogares al descargar por el

desagüe gran cantidad de residuos orgánicos e inorgánicos.

� Contaminación marina: el agua de mar con alto contenido en sal es responsable de la contaminación de los acuíferos cercanos a la costa por salinización del agua. Este fenómeno ocurre cuando los acuíferos bajan su nivel, lo que facilita que el agua de mar penetre en el agua dulce ocasionando una pérdida de las cualidades del agua por adición de sales.

5.2. Clasificación de los Contaminantes del Agua

Los contaminantes del agua se clasifican en tres categorías: Contaminantes Químicos Estos componen tanto productos químicos orgánicos como inorgánicos. El aspecto fundamental de la contaminación de productos orgánicos es la disminución del oxigeno como resultante de la utilización del existente en le proceso de degradación biológica, llevando con ello a un desajuste y a serias perturbaciones en el medio ambiente. En el caso de compuestos inorgánicos el resultado más importante es su posible efecto tóxico, mas que una disminución de oxigeno. Sin embargo, hay casos en los cuales los compuestos inorgánicos presentan una demanda de oxigeno, contribuyendo a la disminución del mismo. Figura 2. Contaminantes químicos de las aguas residuales.

Contaminantes Físicos


Las características físicas más importantes que se determinan en las aguas residuales son:

• Sólidos totales • Turbidez • Temperatura • Densidad • Espumas • Color

Figura 4. Densidad del agua en función de la temperatura.

Fuente: Masters, 1991.

Contaminantes Biológicos Esta se refiere fundamentalmente a microorganismos patógenos (virus y bacterias) responsables de las transmisiones de enfermedades que se contagian por la vía hídrica (tifus, cólera, etc), o a la proliferación excesiva de algas, plantas y animales no deseados. Figura 5. Componentes biológicos de las aguas residuales


5.3 Qué parámetros debemos monitorear en terreno

Temperatura La elevación de la temperatura del agua como resultado de descargas de aguas templadas puede tener impactos ecológicos significativos, por ejemplo:

• Reducción contenido de oxigeno disuelto(OD) del agua • Aumento actividad biológica, produciendo disminución del OD, especialmente en aguas con

materia orgánica • Alteración en solubilidad de diversas sales, condiciones y velocidades de reacción • Alteración de equilibrio de flora y fauna

Normativas ambientales de países desarrollados prohíben descargas que aumenten en más de 2ºC la temperatura natural del agua receptora. pH El pH indica el balance entre ácidos y bases del agua. El pH en aguas naturales se relaciona con la geología del terreno por donde escurre el agua y está gobernado por el equilibrio CO2/HCO3

-/CO3=.

El pH es importante en:

• Disolución de minerales • Ionización de ácidos y bases • Especiación de metales • Biodisponibilidad de metales

Transparencia La transparencia o claridad del agua es función de la concentración de sólidos suspendidos en la columna de agua. En aguas turbias se produce una marcada disminución de la intensidad de la luz con la profundidad que origina una mayor absorción de energía solar cerca de la superficie. La reducción de la penetración de la luz disminuye la fotosíntesis y tiene una influencia directa en la cantidad de producción biológica que ocurre en un cuerpo de agua. La transparencia se mide con el disco Secchi. En lagos la transparencia es una medida indirecta de la cantidad de biomasa algal en suspensión en el agua. Oxígeno Disuelto El oxigeno disuelto (OD) es importante para los sistemas acuáticos. Todos los animales acuáticos necesitan oxígeno para sobrevivir. Las aguas naturales que poseen altos niveles de oxigeno disuelto son probablemente los ambientes más estables y pueden albergar una gran diversidad de organismos acuáticos. Los cambios producidos por la naturaleza o por el hombre al ambiente acuático pueden afectar la disponibilidad de oxígeno disuelto


Los microorganismos que degradan la materia orgánica requieren de grandes concentraciones de oxígeno para transformar esta materia en compuestos estables. Esto provoca una disminución en la concentración de oxígeno disuelto (OD) en el agua, poniendo en peligro a peces y otras formas de vida acuática. Adicionalmente, la reducción de oxígeno disuelto en el agua genera olores, sabores y colores no deseables, disminuyendo su aceptabilidad para consumo humano y su atractivo para uso recreativo. La oxidación de algunas substancias inorgánicas y la presencia natural de hojas y desechos animales, que son degradados por acción microbiana, también reducen la cantidad de OD en el agua.

Fuentes Consumo Solubilidad • Aeración • Fotosíntesis

• Respiración de organismos • Demanda de materias orgánicas • Oxidación de inorgánicos

• Temperatura • Presión • Salinidad

El porcentaje de saturación del OD en el agua es una importante medición de la calidad del agua. En términos generales el agua fría presenta más oxígeno disuelto que el agua caliente, ya que la solubilidad del oxígeno aumenta al disminuir la temperatura. Cuando el agua está saturada de O2 la concentración de oxígeno es llamada “concentración de equilibrio”. Su valor depende de la presión parcial del oxígeno en la fase gaseosa, de la temperatura del agua y de la concentración de sales en el agua. Tabla 5. Concentración de oxígeno disuelto en función de la temperatura.

Temperatura agua (°C)

Concentración de Saturación de oxígeno en agua (mg/l)

Porcentaje saturación (%)

0 14,6 100 8 11,9 100 16 10,0 100 24 8,5 100 30 7,6 100

5.4. Otros parámetros relevantes a monitorear en aguas residuales

Nutrientes en aguas Hay muchos macro y micronutrientes necesarios para la vida, pero los nutrientes más importantes en aguas son Carbón (C), Nitrógeno (N) y Fósforo (P), éstos son nutrientes esenciales para el crecimiento de formas de vida. Otro nutriente muy importante es el Azufre (S). Desde el punto de vista de calidad del agua, los nutrientes pueden convertirse en contaminantes cuando su concentración en los cuerpos de agua es suficientemente alta como para provocar un crecimiento excesivo de las algas; este proceso se conoce como eutrofización. La muerte y descomposición de las algas remueve oxígeno disuelto del agua (utilizado por los microorganismos para degradar la materia orgánica) hasta niveles insuficientes para muchas formas de vida acuática. Las algas y la materia orgánica en descomposición también pueden añadir color, turbidez, olores y sabores desagradables, haciéndola no apta para consumo humano. Cuando se depositan nutrientes en el terreno, éstos pueden producir contaminación de las aguas subterráneas.


Sólidos totales La característica física más importante del agua residual está en su contenido total de sólidos, ya que sus componentes orgánicos e inorgánicos se presentan en forma soluble e insoluble, dentro de los cuales se reconocen tres tipos de acuerdo con su tamaño: sólidos sedimentables, sólidos suspendidos y sólidos disueltos. La suma de sólidos suspendidos y disueltos se conoce como sólidos totales. Figura 6. Sólidos totales en aguas residuales.

Materia orgánica La materia orgánica es uno de los principales componentes de las aguas servidas y en consecuencia es uno de los principales contaminantes de los cuerpos de agua superficiales. Los componentes de la materia orgánica de las aguas residuales están constituidos por un gran número de compuestos, que tienen en común la posesión de al menos un átomo de carbono, los cuales pueden ser oxidados química y biológicamente para obtener bióxido de carbono (CO2). Las reacciones de oxidación producen energía y en consecuencia los compuestos carbonáceos son oxidados por la mayoría de los microorganismos, de donde obtienen la energía necesaria para su desarrollo. La materia orgánica presente en el agua puede ser degradable por acción de microorganismos que demandan o consumen oxígeno y no degradable cuando es resistente a la acción microbiana. Para evaluar la cantidad de materia orgánica en las aguas servidas se utilizan pruebas que miden la demanda de oxígeno. Las pruebas más comunes son: Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO): es una prueba muy utilizada para determinar el grado de contaminación de las aguas servidas que se define como una medida del oxígeno consumido por los microorganismos durante la degradación de la materia orgánica.


Dado que la oxidación de la materia orgánica por acción de los microorganismos es un proceso lento, esta prueba se ha estandarizado para un tiempo de cinco días, período en el cual la materia orgánica se oxida en aproximadamente un 70%, por tal motivo, la prueba de DBO para cinco días se representa como DBO5. Demanda Química de Oxígeno (DQO) es una medida del oxígeno equivalente a la materia orgánica contenida en una muestra de agua, que es susceptible a ser oxidada por un agente químico fuerte. Durante la determinación de DQO, la materia orgánica es transformada a dióxido de carbono (CO2) y agua, sin importar si es asimilable o no por los microorganismos, por esta razón, el valor de DQO es siempre mayor que el valor de DBO. Substancias inorgánicas tóxicas La presencia de substancias inorgánicas tóxicas en el agua se debe generalmente a vertidos industriales o a la adición de substancias desinfectantes al agua. Existe un gran número de substancias inorgánicas tóxicas que pueden estar presentes en el agua y cada una puede generar alteraciones distintas y requerirá de un tratamiento distinto. Entre las substancias de este tipo se encuentran los metales pesados, que se van acumulando en los organismos hasta causar graves daños; en el hombre pueden afectar el sistema nervioso y dañarlos riñones, generar mutaciones e inducir tumores. El cloro, utilizado como desinfectante, también puede causar graves daños a la salud, si no es manejado adecuadamente. Tabla 6. Potenciales efectos negativos de substancias tóxicas.

Elemento Efectos potenciales en la salud Efecto en aguas para uso en riego

Arsénico (As) Piel, sistema nervioso, cáncer El nivel toxico para las plantas varía

ampliamente.

Cadmio (Cd) Daño renal

Se recomiendan límites bajos debido a su acumulación potencial en suelos y plantas, a nivel peligroso para seres

humanos.

Cobre (Cu) Irritante gastrointestinal Entre 0.1 a 1.0 mg/l es toxico para

ciertas plantas

Níquel (Ni) Efectos en vejiga Entre 0.5 y 1.0 mg/l toxico para ciertas plantas; su toxicidad es reducida en

medios de pH >7.0

Plomo (Pb) Efectos en riñón y sistema

nerviosos En altas concentraciones, puede

inhibir crecimiento celular

Fuente: Jour. American Water Works Association, March 1998. 6. CARACTERIZACÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES

Las cuatro fuentes fundamentales de aguas residuales son:

• Aguas domésticas o urbanas • Aguas residuales industriales • Escorrentías de uso agrícola • Pluviales


Normalmente al hablar de aguas residuales nos referimos a aguas domésticas, aguas industriales, o la mezcla de ambas. Los contaminantes de las aguas residuales generalmente son una mezcla compleja de compuestos orgánicos e inorgánicos, siendo en términos prácticos y económicos muy difícil de lograr un análisis completo de ellas. En la siguiente tabla, a modo referencial se incluye, una orientación para la clasificación de aguas residuales urbanas.

Tabla 7. Características de las aguas residuales urbanas

Concentración mg/l Constituyente

Fuerte Media Débil

Sólidos totales 1000 500 200

Sólidos disueltos totales 500 200 100

Sólidos suspendidos totales 500 300 100

DBO5 300 200 100

DQO 800 450 160

Oxígeno disuelto 0 0,1 0,2

Nitrógeno total 86 50 25

Amoniaco libre 50 30 15

Fósforo total 17 7 2

Grasas 40 20 0

pH 6 - 9 6 - 9 6 - 9

Fuente: Hernández, 1996. Para conocer las composición de las aguas residuales debemos efectuar campañas de monitoreo, en las cuales se determina el caudal de la descarga y se toman muestras que se analizan en terreno y/o se envían a laboratorios especializados para conocer su composición en función de los contaminantes que se haya estimado pertinente analizar. 7. AUTODEPURACIÓN DE UN CAUSE

Las aguas superficiales son muy susceptibles a la contaminación e históricamente se han utilizado como vertederos para la industria y las aguas residuales domésticas, al mismo tiempo que sirven de suministro de agua para satisfacer todas nuestras necesidades. A través de las aguas corrientes superficiales se realiza el transporte unidireccional del agua, desde el nacimiento de la corriente hasta su desembocadura en el mar.


Idealmente, cualquier vertido a una corriente de agua debería recibir un tratamiento previo para evitar la contaminación del cuerpo de agua. Sin embargo, debido a los altos costos que esto puede significar, el enfoque ha sido permitir el vertido de contaminantes en cuerpos de agua en una concentración que permita al cauce receptor su autodepuración, la cual estará determinada por las características físico-químicas y biológicas del cauce mismo. Con esto, las necesidades de tratamiento de un efluente, antes de ser descargado a un cuerpo de agua, dependerán de los siguientes factores, entre otros:

• Relación de caudales entre el cauce receptor y el cauce vertido. • Calidad de las aguas del cauce receptor antes del vertido. • Características del cauce receptor corriente abajo del vertido (pendiente, presencia de rápidos

y cascadas que puedan facilitar la aireación, etc.). • Posibilidad de otros vertidos corriente abajo. • Posibilidad de tomas de agua cerca del vertido

Con el fin de evitar un desequilibrio biológico irreversible en los cuerpos de agua, es importante conocer las constantes de desoxigenación y reoxigenación de la corriente. Para evaluar la calidad del agua de una corriente, se deben tomar muestras de distintos parámetros, como oxígeno disuelto, sulfatos, fosfatos, nitratos, sólidos suspendidos, etc. Al tener un vertido en dicha corriente, se recomienda tomar muestras de estos parámetros a intervalos dados de distancia o de tiempo desde el punto de la descarga, para determinar la recuperación del cuerpo de agua. Normalmente, después de una descarga con alto contenido de materia orgánica (por ejemplo, de aguas servidas), la corriente pasará por las siguientes fases consecutivas, que conforman el proceso de autodepuración de un cauce: a) zona de degradación b) zona de descomposición activa c) zona de recuperación d) zona de aguas limpias Zona de degradación En la zona de degradación, las bacterias descomponen la materia orgánica, consumiendo rápidamente el oxígeno disuelto en el agua (disminución del OD y aumento de la DBO). Las formas de vida superiores son sustituidas por formas inferiores más tolerables a la contaminación. Las aguas presentan un aspecto sucio y los vegetales verdes, sobre todo las algas, tienden a desaparecer. Zona de descomposición activa En la zona de descomposición activa o zona séptica, ocurre el desprendimiento de gases como el metano (CH4); hay una disminución importante de OD (pudiendo incluso desaparecer) y se dan condiciones sépticas o de putrefacción. Como resultado, las aguas adquieren un aspecto pardusco o negro y surgen lodos flotantes; como resultado de la falta de oxígeno se presenta la descomposición anaerobia de la materia, con la aparición de olores desagradables por la generación de sulfuro de hidrógeno (H2S). Zona de recuperación En la zona de recuperación, gradualmente el curso de agua recupera sus condiciones normales, gracias a la oxidación de los materiales. El movimiento del agua permite una mayor disolución de oxígeno del aire en el agua y se recupera el nivel de OD. Las aguas se tornan más claras y reaparecen los vegetales verdes.


Zona de aguas limpias Finalmente, ocurre la recuperación del curso de agua, el cual va adquiriendo características similares a las que tenía antes del vertido de aguas contaminadas. En la zona de aguas limpias, las poblaciones vegetales y animales se recuperan. En la figura 7 es posible observar cómo después de una descarga de aguas contaminadas a una corriente, el oxígeno disuelto (OD) disminuye rápidamente mientras que la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) se incrementa, por el acelerado consumo de oxígeno por los microorganismos que degradan la materia orgánica. A medida que la concentración de materia orgánica disminuye, la DBO se reduce y el nivel de OD en el agua se recupera. Figura 7. Proceso de autodepuración de un cauce

Fuente: Miller, 1994

8. EUTROFIZACIÓN

La eutrofización es un proceso natural de envejecimiento de los lagos, en el cual la materia orgánica y los sedimentos se van acumulando con el tiempo como resultado del incremento en el crecimiento acuático (por ejemplo algas). Este fenómeno natural puede demorar miles de años, sin embargo las actividades humanas aceleran dramáticamente este proceso debido al aporte de nutrientes (eutrófico significa rico en nutrientes), dando origen al concepto de eutrofización acelerada o de origen humano, que corresponde al caso que actualmente afecta por ejemplo al embalse Rapel. Si bien la lista de


nutrientes es larga, el crecimiento explosivo de las algas se encuentra limitado a dos: fósforo (como fosfato) y nitrógeno (como nitrato). En la gran mayoría de los ecosistemas de agua dulce el factor limitante es el fosfato, pero en muchos mares el factor limitante es el nitrógeno. Las principales fuentes de eutrofización, como se gráfica en la siguiente figura, son las aguas servidas generadas en los centros urbanos, que llevan detergentes y desechos orgánicos, los vertidos agroindustriales que aportan fósforo y nitrógeno, y los vertidos ganaderos y agrícolas que aportan desechos orgánicos, fertilizantes y otros residuos ricos en fosfatos y nitratos. Figura 8. Fuentes causantes de la eutrofización.

9. PASOS PARA DEFINIR LA ALTERNATIVA DE TRATAMIENTO A IMPLEMENTAR

Para definir la alternativa de tratamiento a implementar se sugieren los siguientes pasos. Alternativas de descarga o uso del agua residual Se deberán verificar los posibles puntos de descarga, los usos posteriores de los potenciales cursos receptores y la factibilidad de utilizar el agua residual fuera del proceso productivo, por ejemplo en riego. Para las alternativas más viables se deberá efectuar un análisis de la normativa aplicable.


Tabla 8. Normas o regulación aplicable según alternativa de uso o disposición.

Alternativa de uso o disposición

Norma/ regulación aplicable

Fiscalizador Requisitos para su aplicación

Curso de agua superficial

D.S. 90/2000 SISS

Directemar

Capacidad de dilución DGA

Autorización canalistas

Infiltración D.S. 46/2002 SISS Vulnerabilidad del acuífero DGA

Alcantarillado D.S. 609/98 Concesionaria

SISS

Factibilidad otorgada por la empresa sanitaria

Riego NCh 1333 / Guía SAG SAG /SISS Establecidos en la RCA

Aplicación al suelo Guía SAG SAG /SISS Establecidos en la RCA

Diagrama del proceso industrial Se deberá conocer las distintas líneas del proceso industrial, considerando los consumos de agua de cada línea y los potenciales materiales o insumos que puedan repercutir en la calidad del agua finalmente descargada. Lo anterior deberá ser representado mediante diagramas de flujo. Determinación de caudales y cargas contaminantes Se deberá efectuar la medición o estimación de caudal en la totalidad de los procesos que generen aguas residuales, se tomaran muestras para analizar lo parámetros que se consideren relevante en función del proceso productivo y finalmente se calcularan las cargas contaminantes. Figura 9. Determinación de la carga contaminante.

CC = Concentración parámetro i (g/m3) x Caudal (m3/día) = gr/día

CC = Ci x VD


Posibilidad de reducir el consumo de agua. En función de la información recopilada se determinará la factibilidad de reducir el consumo de agua. Posibilidad de reutilizar las aguas dentro del proceso En función de la información recopilada se determinará la factibilidad de reducir el consumo de agua. Objetivos de la reducción de la contaminación Conociendo las características de las aguas residuales y teniendo claro las alternativas de descarga o uso del agua residual y los límites que establezca la legislación vigente se definirán los objetivos de reducción de la carga contaminante Alternativas de tratamiento Se deberán efectuar un análisis técnico tendiente a definir las tecnologías de tratamiento disponibles que permitan cumplir con la reducción de contaminantes trazada. Tabla 9. Rendimientos de la depuración

% Reducción Proceso de Depuración

DBO Sólidos Suspendidos

Depuración Primaria. Sedimentación 25 - 40 40 - 70

Depuración secundaria. Precipitación química 50 - 75 70 – 85

Depuración secundaria. Método convencional de lodos activados, precedidos y seguidos de

sedimentación 75 - 92 85 - 92

Depuración secundaria. Lecho bacteriano de alta velocidad precedido y seguido de

sedimentación 65 - 85 65 – 90

Depuración terciaria 92 -98 93 - 98

Fuente: Hernández, 1996.


Evaluación económica Comparación de costos de inversión y operación de las diferentes alternativas seleccionadas.

Costos de explotación Inversión

Gastos fijos anuales

Gastos variables anuales

Terreno Obras civiles Equipos

Mano de obra Mantenimiento Gastos de administración

Consumo energético Consumo reactivos Eliminación de residuos

10. TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

El tratamiento de las aguas residuales puede ser de tipo físico, químico o biológico, atendiendo al vertido según su composición sea orgánica, inorgánica o mixta. Estos tratamientos posibles se muestran en la siguiente figura 10. Procesos físicos

a) desbaste por rejillas, tamices o filtración mecánica. b) Desengrasado. Su misión es la retirada de grasas, petróleo y elementos flotantes en el agua. c) Sedimentación para eliminar los sólidos sedimentables en suspensión por su mayor densidad

en relación a la del agua. d) Flotación para eliminar materias en suspensión por su menor densidad con relación a la del

agua. e) Evaporación para concentrar materias en algunas circunstancias. f) Absorción para eliminación de microcontaminantes, como color, fenoles, etc.

Procesos químicos

a) Floculación y coagulación, utilizable para las partículas en suspensión no sedimentables. b) Neutralización para modificar el pH. c) Oxidación. d) Reducción, como la utilización de sulfato de hierro para eliminar cromo e) Intercambio iónico, para la eliminación de cobre, plomo, zinc, etc.

Procesos biológicos Se busca en ellos una doble acción, la metabólica y la floculación de las partículas en suspensión. Existen procesos convencionales y no convencionales (naturales). Los procesos convencionales son:

a) Fangos activos b) Lechos bacterianos c) Lagunas con aireación mecánica


Figura 10. Procesos de tratamiento de aguas residuales.

TIPO VERTIDO

INORGANICO ORGANICO E INORGANICO ORGÁNICO

TRATAMIENTO QUÍMICO TRATAMIENTO MECANICO TRATAMIENTO BIOLOGICO

NEUTRALIZACION TAMIZADO A) OXIDACION

ADICION COAGULANTES HOMOGENIZACION AIREACION

ADICION OXIDANTES DILUCION LODOS ACTIVADOS

ADICION DE REDUCTORES SECADO LECHOS BACTERIANOS

INTERCAMBIO IONICO SEDIMENTACION LAGUNAJE

FLOTACION OXIDACION PROLONGADA

FILTRACION CAMPOS DE RIEGO

CENTRIFUGACION CLORACION

INCINERACION B) REDUCCION

ULTRAFILTRACION DIGESTION ANAEROBICA

EVAPORACION LAGUNAJE

FOSAS SEPTICAS

C)SISTEMAS NATURALES

INFILTRACION LENTA

INFILTRACION RAPIDA

HUMEDALES

CULTIVOS ACUATICOS

BIOFILTROS

D) DESINFECCIÓN

CLORACION

OZONIZCION

RADIACION UV

TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

Fuente: Adaptado de Hernández, 1996.

11. TRATAMIENTO BIOLÓGICO

Los procesos biológicos permiten remover la materia orgánica biodegradable presente en las aguas residuales y son llevados a cabo por varios microorganismos entre los que se encuentran bacterias, algas y protozoos. Estos procesos ocurren en forma natural en la medida que se proporcione el ambiente requerido, siendo posible desde el punto de vista “ingenieril”, acelerar y optimizar los procesos. Para reproducirse y funcionar, los microorganismos necesitan:

• Una fuente de energía • Una fuente de carbono para la síntesis de material nuevo • Nutrientes inorgánicos tales como N, P, S, K, Ca y Mg.

En algunos casos los nutrientes, más que la fuente de energía son el factor limitante para la síntesis.


En el tratamiento de aguas servidas los microorganismos Quimioheterótrofos son los más importantes debido a sus requerimientos de carbono para síntesis y energía. Figura 11. Composición de las bacterias

Fuente: Mena, 2000.

Las bacterias siempre siguen la ruta que les permite obtener el máximo de energía (ruta aeróbica, metabolismo respiratorio). Procesos Aeróbicos: Metabolismo completo y síntesis del sustrato produciendo gran cantidad de crecimiento biológico.

Procesos anaeróbicos: Metabolismo incompleto, crecimiento biológico menor, producción de compuestos de alta energía (ácido acético y metano).

El crecimiento bacteriano presenta las siguientes fases:

• Fase aclimatación • Fase crecimiento logarítmico: existe siempre un exceso de alimento para los

microorganismos. • Fase de crecimiento declinante: tasa de crecimiento disminuye debido a que la comida es

limitada. • Fase endógena: los microorganismos se ven forzados a metabolizar su protoplasma debido a

que la comida es mínima.


11.1. Clasificación tratamiento biológico

Los procesos biológicos son llevados a cabo por microorganismos variados, especialmente bacterias y protozoos. Un proceso de tratamiento biológico es capaz de remover sólo la fracción biodegradable de la materia orgánica presente. De acuerdo a sus características, los procesos biológicos pueden ser del tipo Natural o Convencional.

• Procesos Naturales: corresponden a procesos extensivos con escasa o nula mecanización, requieren amplias superficies de terreno, pero mínimos costos de operación (p.e. Lagunas de estabilización, Wetlands).

• Procesos Convencionales: son procesos intensivos con alto grado de mecanización, requiere

superficies menores, pero costos de construcción y operación mayores.

11.2. Tratamientos biológicos naturales

A continuación se muestran diferentes configuraciones de tratamientos naturales. Lagunas anaeróbicas: operan como un sedimentador con fermentación. Requiere condiciones específicas de operación. Generalmente presenta problemas de olores. Básicamente se produce remoción de la DBO particulada; los sólidos permanecen largo tiempo en el fondo y se produce estabilización in situ. Lagunas aerobias: corresponden a grandes estanques de baja profundidad en los cuales se desarrolla una alta población de algas que mediante fotosíntesis aporta oxígeno a la columna de agua; éste es tomado por las bacterias para oxidar la materia orgánica. Opera con oxígeno disuelto en todo su volumen. Lagunas facultativas: tienen mayor profundidad lo que permite el desarrollo de un estrato aeróbico en superficie y un estrato anaeróbico en el fondo. Este es el sistema que más se utilizó en Chile hasta los 90’s. Humedales: Áreas que se encuentran permanentemente inundadas por aguas superficiales o subterráneas, de modo que se desarrolla un ecosistema compuesto por el suelo, agua, vegetación, microorganismos e invertebrados acuáticos. La vegetación proporciona superficies para la formación

- Anaeróbicas - Aeróbicas - Facultativas

Lagunas de estabilización

Wetlands (humedales)

Filtros verdes

Infiltración (rápida y lenta)


de películas bacterianas, facilita la filtración y la adsorción de los constituyentes del agua residual, permite la transferencia de oxígeno a la columna de agua y controla el crecimiento de algas al limitar la penetración de la luz solar. Filtros verdes: La depuración se realiza mediante la acción conjunta del suelo, los microorganismos, las plantas por medio de una triple acción: física (filtración), química (intercambio iónico, precipitación, oxido reducción) y biológica (degradación de la materia orgánica). Tiene lugar en el horizonte superior del terreno, donde se encuentra una capa biológica activa. Infiltración: aplicación controlada del agua residual sobre balsas superficiales construidas en suelos de permeabilidad media a alta. La depuración se produce mediante los procesos físicos, químicos que tienen lugar al atravesar la zona no saturada. Por medio de este sistema se consigue la recarga artificial del acuífero y la posibilidad de reutilizar el agua tratada, recuperándola a través de pozos o zanjas.

11.3. Tratamientos biológicos convencionales

En el tratamiento biológico convencional se requiere sostener el cultivo biológico en un ambiente controlado que promueva el crecimiento de los microorganismos por consumo de la materia orgánica. Se requiere proporcionar las condiciones adecuadas de pH, temperatura, presencia de nutrientes y, en la mayoría de los casos, oxígeno disuelto aportado por fuentes mecánicas.

En este tipo de proceso, durante el crecimiento de los microorganismos, una porción del substrato es convertida a nuevas células y la otra parte es oxidada a productos orgánicos e inorgánicos. Para un substrato determinado, las tasas de crecimiento y de utilización de substrato están relacionadas mediante:

Donde: Y = coeficiente de producción máxima X = concentración de microorganismos, mg/l S = concentración de sustrato (DBO o DQO), mg/l “Y” representa la masa de células formadas por masa de substrato consumido y se relaciona directamente con la producción de lodos del sistema; depende de varios factores entre los cuales destacan las características del substrato y condiciones operacionales. El tejido celular formado en un proceso biológico tiene un peso específico mayor que el agua, por tanto las células pueden ser removidas del líquido tratado mediante sedimentación gravitacional, generándose lodo, denominado como lodo secundario. El proceso de tratamiento convencional considera la línea de tratamiento completa: preliminar, primario, secundario (biológico) y procesos de tratamiento de lodos.


Los procesos biológicos convencionales incluyen un reactor donde se produce la transformación de la materia orgánica y posteriormente, una unidad de separación sólido-líquido donde se produce la clarificación del efluente. Los sólidos separados en las distintas etapas del proceso deben ser tratados separadamente mediante procesos que pueden ser físicos, químicos y/o biológicos. Para el tratamiento biológico convencional es posible utilizar distintas configuraciones de tratamiento. Lagunas aireadas: Corresponden al proceso de transición entre los sistemas naturales y convencionales, operan con oxigenación mecánica, generalmente entregada por equipos de aireación superficial, trabajan con bajas concentraciones de microorganismos y por lo tanto requieren de mayor tiempo de retención. El efluente generalmente se somete a clarificación en lagunas de sedimentación. . Lodos Activados: Un sistema de lodos activados consiste en desarrollar un cultivo bacteriano disperso en forma de flóculos (lodos activados) en un depósito agitado y aireado (reactor) y alimentado con agua proveniente del pretratamiento. La agitación evita la sedimentación y homogeniza la mezcla de los flóculos bacterianos y el agua residual (licor de la mezcla). La aireación tiene por objeto suministrar el oxígeno necesario a las bacterias y microorganismos aerobios que realizan el proceso de depuración Después que el líquido tratado sale de la cámara de aireación, es dispuesto en la cámara de sedimentación, en la que permanece en completa calma. Las partículas tratadas, sedimentan al fondo de la cámara, desde son devueltas a la cámara de aireación para garantizar una biomasa adecuada en el estanque de aireación Cultivo fijo (lechos bacterianos): Los Lechos Bacterianos son reactores de Cultivo Fijo, donde los microorganismos se desarrollan adheridos a un lecho o medio de soporte (el cual puede ser fijo o móvil) en forma de superficies de cultivo, asemejando una carpeta biológica (mucílago o capa mucilaginosa). El material del medio de soporte puede ser roca, madera o plástico, teniéndose entre 45 y 200 m2 de superficie específica por cada metro cúbico para el desarrollo de la carpeta biológica. El sustrato es aplicado en forma intermitente y alternada con períodos de aeración en los cuales se produce la fase de respiración de los microorganismos. Una de las versiones de lecho fijo más difundida, la constituyen los Biofiltros o Filtros Percoladores, mientras que entre las de lecho móvil destacan los Biodiscos o Contactores Biológicos Rotatorios (CBR).

Cultivo suspendido

- Lodos activados - Convencionales - Aireación extendida - SBR - Zanjas de oxidación

Cultivo fijo - Filtros percoladores - Biodiscos

Lagunas aireadas


Figura 12. Diagrama de flujo simplificado sistema lodos activados 12. DISEÑO DE UN SISTEMA NATURAL BASADO EN PLANTAS EMERGENTES

Los principales mecanismos de depuración de aguas cloacales por parte de los Sistemas Naturales basados en plantas emergentes se pueden sintetizar en (Martines, 1989):

• Eliminación de sólidos en suspensión por retención física en el substrato, en los rizomas y en las raíces.

• Eliminación de materia orgánica retenida en el substrato, por acción de la microflora acompañante y por adsorción de las partículas de arcilla del substrato.

• Eliminación de nitrógeno por absorción directa, desnitrificación microbiana y volatilización de amoníaco.

• Eliminación de fósforo por absorción directa, por adsorción por las partículas de arcilla y por precipitación de fosfatos insolubles.

• Eliminación de microorganismos patógenos debida a la acción de antibióticos producidos por las raíces de las plantas, a la transferencia de oxígeno hacia la zona de las raíces y a otras modificaciones del microhábitat radicular.

El sistema que aquí se propone no requieren el uso de bombas ni consumo alguno de energía eléctrica, siendo los elementos fundamentales en el proceso de depuración, la cámara de pretratamiento y el canal sembrado con plantas emergentes (Typha). Como puede verse en los croquis en corte, todo el recorrido de las aguas cloacales es subterráneo, lo que garantiza que no haya evaporación de líquidos, emisión de olores, ni otros perjuicios para el ambiente y las personas.

REACTOR BIOLÓGICO

SEDIMENTADOR

AFLUENTE AGUA CLARA

RECIRCULACIÓN DE LODO

PURGA DE LODO

LODOS ACTIVADOS AIRECIÓN EXTENDIDA

PRE -TRATAMIENTO

DESINFECCIÓN


Figura 13. Corte y planta de un sistema basado en plantas emergentes.

Fuente: Ghislieri, 1999 Con la finalidad de facilitar la construcción del sistema, se considera la DBO5 (Demanda Bioquímica de Oxígeno) como único parámetro de diseño ya que el mismo guarda una relación suficientemente estable con los parámetros ambientales y sanitarios de interés. A la hora de construir el sistema se deben tener en cuenta:

• Orientación geográfica que garantice la mayor cantidad de luz natural por día. • Permeabilidad y granulometría del suelo para definir el tipo de impermeabilización a realizar

en el fondo del canal. • Existencia de raíces de árboles que puedan perforar el canal. • Pendientes naturales del terreno para realizar el menor movimiento de tierra posible. • Integración estética del sistema de tratamiento al entorno.

Diseño cámara de pretratamiento La cámara de pretratamiento tiene como finalidad principal la fragmentación y remoción parcial de los sólidos orgánicos contenidos en las aguas residual. Esta función se realiza principalmente por sedimentación de dichas materias en la cámara, consiguiéndose así que de la misma salga un líquido sin materiales grandes en suspensión. Sin embargo, este proceso no culmina con la sedimentación, sino que ocurre un proceso de degradación biológica de los sedimentos en el interior del tanque, lo que provoca la descomposición parcial de los mismos (Ghislieri D. et al. 1999.). Este proceso biológico transcurre en condiciones de ausencia de oxígeno (proceso anaerobio) y produce la transformación de la materia orgánica en compuestos solubles más simples y gases que se liberan. Estos gases pueden presentar olores desagradables, por lo que es importante que la cámara de pretratamiento posea una ventilación bien ubicada y con suficiente elevación para que dichos olores se diluyan naturalmente en el aire.


Se propone construir la cámara de pretratamiento en secciones o módulos, utilizando anillos de hormigón de 1,00 m de diámetro. Esta construcción modular permite agregar anillos de hormigón en forma sencilla hasta alcanzar el volumen deseado. Para el dimensionamiento de la cámara de pretratamiento (cálculo de volumen) se considera que el tiempo de residencia hidráulica (TRH) necesario para reducir la DBO máxima esperada de las aguas residual (se asume 300 mg/l) a una DBO apta para ingresar al canal con las plantas emergentes (150 mg/l) en un clima templado medio es de 1,5 días (Ghislieri D. et al. 1999.). Así, el volumen de la cámara de pretratamiento dependerá solo del caudal de entrada (Q), según la fórmula: V = Q x TRH La cámara estará construida con cilindros de un volumen conocido (según la fórmula V = ¶ * r2*h), por lo que podremos determinar fácilmente la cantidad de anillos necesarios para que la cámara de pretratamiento tenga un TRH de 1,5 días y la DBO se reduzca en un 50 % (de 300 a 150 mg/l). Tanto la comunicación entre las secciones de la cámara como la salida de la misma deberán estar provistas de “tees” conectadas como se muestra en la figura, para evitar la salida de materiales flotantes hacia el canal de depuración. Las tapas ubicadas en cada sección de la cámara deberán permitir la inspección visual de la misma, así como la limpieza o mantenimiento. Durante el proceso de degradación de las materias sedimentadas, es posible que algunas de ellas floten, por lo que también es necesario que la cámara tenga dispositivos de retención de sólidos flotantes para evitar que éstos salgan de la misma sin culminar el proceso de degradación. Figura 14. Cámara de pretratamiento

Fuente: Latchinian, 2002 En el caso de efluentes domiciliarios, es indispensable que las aguas provenientes de la cocina pasen previamente a su ingreso al sistema, por una cámara de retención de grasas (grasera) y que la misma cuente con un mantenimiento adecuado (limpiezas regulares). Diseño del canal con plantas emergentes El canal de flujo subterráneo sembrado con plantas emergentes, ubicado a continuación de la cámara de pretratamiento, cumple la función de depuración final de las aguas descargadas.


Los materiales orgánicos solubles, y aquellos que se formaron durante la digestión de los sólidos sedimentados en la cámara de pretratamiento, son degradados naturalmente durante su flujo a través del lecho con Typhas (totora), por el ecosistema formado en torno a las raíces de las plantas. Como resultado de este tratamiento, se obtiene agua de calidad adecuada para su reutilización en riego. Para la construcción del lecho o canal se elegirá un lugar soleado y de ser posible con pocas raíces de árboles. Para el dimensionamiento del canal se considera la ecuación propuesta por Reed, 1993, para calcular el área superficial del canal, ya que la profundidad media será de 0,50 m y el ancho será la tercera parte del largo:

Donde: As = El Área superficial del canal expresada en metros2 Q = El caudal de efluente que entra al canal expresado en metros3/día Co = La DBO de entrada al canal que será de 150 mg/l Ce = La DBO esperada3 a la salida del canal, que será de 50 mg/l Kt = La constante de temperatura, que para las peores condiciones (6 °C) es de 0,36 d = La profundidad media del canal que se estima en 0,50 metros (pendiente de 1%) n = La porosidad del substrato para pedregullo de diametro medio de 16 mm es de 38 % Así, conociendo el área superficial y sabiendo que la relación entre largo y ancho es de 3:1, podemos obtener las dimensiones del canal, despejando la fórmula: As = L * (L/3) El canal tendrá una pendiente aproximada de 1 % y a sus paredes se les dará suficiente pendiente como para evitar que se desmoronen. El canal comenzará con una profundidad de 40 cm y terminará con una profundidad siempre inferior a 80 cm. Figura 15. Canal con plantas emergentes

Fuente: Latchinian y Ghislieri. Debe tenerse presente la importancia de la impermeabilización del canal, para evitar toda posibilidad de infiltración de agua hacia el terreno durante el proceso de depuración. Una vez excavado el pozo se cubrirá el fondo con una capa de 5 cm de tosca, la cual será compactada con un pisón o un rodillo.


Por lo general se deberá revestir el canal (fondo y paredes) con suelo cemento o membrana asfáltica para asegurar su impermeabilidad. Una vez revestido el canal y colocados los caños de entrada y de salida, el primer metro y el último metro (por 1,5 m de ancho) del canal será rellenado con canto rodado de 10 cm de diámetro aproximadamente. El resto del canal se llenará de pedregullo (de aproximadamente 1,5 cm de diámetro) hasta una altura de 35 cm. En este lecho de pedregullo se sembrarán las plantas según se describe más adelante. Una vez que las Typhas hayan crecido 40 o 50 cm se rellenará el resto del canal con arena gruesa. A la salida del canal se podrá colocar un tanque de colecta si se desea emplear el agua para riego, o en su defecto se podrá realizar directamente disposición a terreno. Transplante y mantenimiento del sistema a) Extracción de plantas emergentes:

• Se extrae la planta en el terrón con una pala, sin dañar rizomas ni cortar raíces. • Se cortan las hojas dejando solo brotes nuevos y yemas. • Se cortan los rizomas en trozos de aproximadamente 20 cm. • Se enjuagan los trozos de rizoma en un recipiente con agua del lugar. • Se los transporta en ambiente húmedo y sombreado (envueltos en papel periódico mojado).

b) Procedimiento de siembra:

• Se riega abundantemente el pedregullo del canal hasta el encharcado del agua. • Se plantan los rizomas a razón de 4 plantas por m2, en la posición en que se encontraban en

su medio natural (arriba y abajo). • Se cubren los rizomas con una fina capa de pedregullo, dejando yemas y tallos afuera. • Se agrega agua al canal hasta inundar las raíces que salen de los rizomas.

c) Mantenimiento del sistema:

• Una vez que las hojas de las plantas se hayan elevado cerca de 50 cm del nivel del canal se cubrirá la superficie del mismo con 10 cm de arena gruesa y se dejará que las plantas continúen creciendo.

• Se dejará crecer las plantas libremente, sin necesidad de realizar manejo alguno, hasta que se verifique una reducción en el caudal de salida del sistema.

• Al constatarse la reducción del caudal (obstrucción por exceso de raíces) se extraerán algunos rizomas para recuperar caudal.

• Una vez que se establezca la densidad óptima de plantas, el sistema se equilibrará siendo la cosecha muy esporádica y sólo se deberán considerar los aspectos paisajísticos.

Eficiencia del sistema

• DBO5: 65 – 77% • Coliformes fecales: 99% (aprox.)

13. LOMBRIFILTRO (SISTEMA TOHÁ)

Desde el año 1994, se ha ido implementando en nuestro país un tipo de tecnología única en el mundo llamada biofiltro (lombrifiltro) o Sistema Tohá. Este sistema tiene el mérito de ser 100% creado y patentado en Chile por el doctor José Tohá en conjunto con un grupo de académicos y alumnos de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile.


El lombrifiltro está compuesto, fundamentalmente, por 3 capas y lombrices del tipo Eisenia Foetida. Esto es, una base filtrante de bolones, sobre la cual se agrega una capa de ripio o grava. La parte superior se cubre con aserrín o viruta de madera de ulmo o tepa (principalmente) sobre el cual se mantiene un alto número de lombrices (Quezada, 2001).

El funcionamiento del lombrifiltro considera las siguientes etapas:

• El efluente es enviado a una planta elevadora, para luego ser impulsada y asperjada en la superficie del Biofiltro, compuesto por los distintos estratos, conteniendo en los superiores un alto número de lombrices.

• El Ril o agua servida escurre por el medio filtrante quedando retenida la materia orgánica. • La materia orgánica del efluente es consumida por las lombrices, oxidándola y

transformándolas en anhídrido carbónico y agua, pasando una parte menor de ella a constituir masa corporal de las lombrices y otra mayor de deyecciones de las mismas; estas últimas, constituyen el llamado humus de lombriz.

• Los microorganismos presentes en el agua servida, son reducidos en dos órdenes de magnitud, debido a sustancias que son generadas por las lombrices y los demás microorganismos consumidores de materia orgánica que viven junto con las lombrices.

Figura 16 : Esquema general del sistema lombrifiltro.

Parámetros de diseño El diseño del lombrifiltro se basa en la realización de un balance de masas que considera: el número de lombrices que puede cohabitar por unidad de área, cantidad de materia orgánica que éstas son capaces de digerir y la tasa máxima de riego que puede soportar el lecho para evitar la muerte de lombrices por falta de oxígeno, que corresponde a 1 m3/m2/día (A.V.F. Ingeniería Ambiental, 2003). De esta manera se considera para el diseño:

Conocido el caudal de diseño, y asumiendo una tasa de riego se puede determinar el área requerida para el tratamiento. Recomendaciones generales a considerar en el diseño.

• El pH debe mantenerse idealmente en el rango 6,5 – 7.5


• Humedad 70 – 80% • Temperatura 15°C – 24°C • Densidad de lombrices 20.000 m2 (rango 4.000 a 50.000) • Se debe mantener baja luminosidad. • La lombriz ingiere una cantidad de comida equivalente a su propio peso (0,4 gr. - 0,6 gr.)

En esos términos, para un caudal de agua residual de 10 m3, con una DBO5 de 300 mg/, que se pretende depurar hasta un nivel de 35 mg/litro, considerando una tasa de aplicación de 400 lt/m2/día, se requiere: A= 10 m3/d / 0,5 m/d = 20 m2 Eficiencia del Tratamiento Según información recopilada un lombrifiltro presenta los siguientes niveles de remoción de contaminantes: Tabla 10. Eficiencia lombrifiltro

Parámetros Eficiencia

Coliformes fecales 99%

DBO5 95%

Sólidos Totales 95%

Sólidos suspendidos volátiles 93%

Nitrógeno Total. 60 a 80%

Aceite y Grasas 80%

Fósforo Total 60 a 70%

Fuente: http.//www.sistematoha.cl Descripción de las capas del lombrifiltro El lombrifiltro estará compuesto de un medio filtrante y un soporte (ver figura13). Figura 17. Capas del Lombrifiltro.

Fuente: A.V.F. Ingeniería Ambiental, 2003.


El medio filtrante será una capa de humus de espesor teórico 2 cm. de profundidad, en el cual habitan en mancomunión microorganismos y lombrices de la especie Eizenia Foetida. El soporte estará constituido por tres capas, la primera de ellas de aserrín o viruta (debajo del humus), la segunda, ripio o grava y la tercera de bolones. La primera capa de soporte y que también sirve de filtro, el aserrín o viruta, puede ser de ulmo o tepa (principalmente), cuyo espesor debe ser, por lo menos, de 25 cm. para lograr la franja operativa necesaria de la lombriz. Además, tiene como finalidad principal servir de alimento a las lombrices en el eventual caso que la carga contaminante del afluente no sea suficiente. La segunda capa estará constituida por ripio o grava y la tercera capa será de bolones con un espesor aproximado de 25 cm., las piedras de mayor tamaño van en la parte inferior y las de menor en la parte superior, esta capa esta destinada al drenaje y aireación del sistema. En las piedras también se forma flora bacteriana que digiere la materia orgánica del agua que pasa por ella y que no fue retenida en las capas superiores del lombrifiltro. Entre los estratos de aserrín y arena se dispone una malla tipo Raschell, que sirve como elemento de separación y retención para el estrato de aserrín y las lombrices (A.V.F. Ingeniería Ambiental, 2003). El piso del filtro, también denominado falso fondo, consiste en un radier con cierta pendiente (aproximadamente de un 1%) para que fluya el agua hacia la canaleta de evacuación, la cual también posee cierta pendiente (0.50%). En el perímetro interno del lombrifiltro se instalan tubos de PVC de 110 mm. de diámetro, cada 2 metros aproximadamente, los cuales van en forma vertical, apoyados en su parte inferior en el radier y su parte superior sobresale 20 cm. de lecho filtrante (humus). Estos tubos se perforan con orificios (10 mm. de diámetro) los 20 cm. de su parte inferior y 8 cm. de la superior. Los tubos perforados permitirán airear el sector del falso fondo y la capa inferior del soporte. Ventaja en relación a los sistemas convencionales

• No produce lodos inestables. • Altos índices de eficiencia: • El lecho filtrante no se permeabiliza.. • Bajos costos de operación, mantención y limpieza. • Sistema modulares ampliables. • Produce un subproducto que puede ser utilizado como abono natural. • Los períodos de puesta en marcha son relativamente rápidos. • Genera un valor en su proceso de tratamiento.

Mantención del sistema Para procurar el correcto funcionamiento del sistema del sistema Tohá, se requiere realizar las siguientes labores de mantención (A.V.F. Ingeniería Ambiental, 2003):

•••• Extracción de sólidos retenidos en el canastillo, se recomienda al menos una o 2 veces a la semana, pero en caso de ser necesario debe aumentarse la frecuencia.

•••• Se debe realizar el horqueteo de la viruta superficial del lecho, para mejorar la permeabilidad de éste evitando aposamiento de aguas, se recomienda realizarlo al menos una vez por semana, pero en caso de ser necesario debe incrementarse la frecuencia.

•••• Para el correcto funcionamiento del lombrifiltro, el sustrato debe estar en un estado de saturación, sin llegar a tener aposamientos superficiales, los cuales no son recomendados debido a que la lombriz se aleja de estas zonas, haciendo perder la homogeneidad del


sistema. Este estado de saturación permanente es logrado a través de la descarga, a tasas controladas, de aguas residuales.

•••• Desmalezar el lecho al detectarse el crecimiento de algún tipo de plantas. •••• Con una frecuencia de 4 meses debe realizarse la adición de viruta al lecho, ante la

disminución de este estrato debido al fraccionamiento alcanzado. •••• Limpieza periódica de regadores para garantizar en todo momento una uniformidad de riego

en la superficie. 14. FILTROS VERDES

Consiste básicamente en la aplicación de un caudal controlado de agua residual sobre la superficie del terreno, donde previamente se ha instalado una masa forestal o un cultivo. Con ello se consigue, además de la depuración del efluente, el crecimiento de especies vegetales, generalmente arbóreas maderables, y la recarga artificial del acuífero. La depuración se realiza mediante la acción conjunta del suelo, los microorganismos y las plantas por medio de una triple acción: física (filtración), química (intercambio iónico, precipitación y coprecipitación, fenómenos de óxido-reducción) y biológica (degradación de la materia orgánica); tiene lugar en los horizontes superiores del terreno, donde se encuentra una capa biológica activa. Para mantener en el terreno condiciones predominantemente aerobias el agua residual se aplica en ciclos intermitentes, generalmente variables, de entre 4 y 10 días. Las cargas hidráulicas del agua residual aplicadas sobre la superficie activa de tratamiento varían, dependiendo de la naturaleza del terreno, de la época del año y del tipo de cultivo entre 0,5 y 6 m/año. (Metcalf y Heddy, 1995). Tras su infiltración, el agua residual percola vertical y lateralmente a través del suelo. La cubierta vegetal juega un importante papel en el proceso de tratamiento. Su selección y cuidado dependen principalmente del grado de tratamiento perseguido y de las características de los suelos. El filtro verde tiene uno de los mayores potenciales de tratamiento de todos los sistemas de depuración en el terreno, debido a la aplicación de cargas relativamente bajas sobre el suelo vegetado y a la existencia de un ecosistema muy activo en el suelo, a escasa distancia de la superficie. Para la instalación de un filtro verde se requieren una serie de condiciones relacionadas con el terreno y el agua residual (Metcalf y Heddy, 1995):

• Terrenos con características de permeabilidad y granulometría determinados. Los más • idóneos son los terrenos franco-arcillosos y franco-arenosos.

• Nivel piezométrico a más de 1,5 m de la superficie (aunque generalmente este valor debe ser

aumentado al doble o triple).

• Superficie del orden de 1 ha por cada 250 habitantes (10 Kg DBO5), dependiendo de la climatología (por ejemplo, en zonas más lluviosas la necesidad de terreno será mayor) y de las características hidrogeológicas de la zona.

• El efluente no debe contener sustancias nocivas para los cultivos.


Foto 1. Los filtros verdes consisten generalmente en el cultivo de masas forestales, chopos, que además de favorecer la depuración de las aguas residuales permiten la explotación maderera del cultivo, con lo que se consigue de forma indirecta la protección de los bosques y la mejora de la calidad de la atmósfera.

Con este sistema se consiguen reducciones de DBO5 del orden del 90% y de sólidos en suspensión del 95% destacando, además, el alto rendimiento en eliminación de microorganismos patógenos, fósforo y compuestos nitrogenados (más del 80%). Presenta, además, la ventaja de no producir fangos. El principal inconveniente de este sistema de depuración es la gran extensión de terreno que requiere para su instalación. Otro inconveniente es que en climas de invierno frío se produce una parada vegetativa en el crecimiento de los cultivos instalados en el filtro (el cultivo más extendido son los chopos) disminuyendo sensiblemente el rendimiento del sistema, si a esto se une la disminución de los procesos de evapotranspiración se corre el riesgo de afectar al agua subterránea si el filtro no ha sido correctamente sobredimensionado y la distancia al nivel piezométrico no es suficiente en previsión de esta circunstancia.


15. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

AGENCIA DE PROTECCIÓN AMBIENTAL DE EE.UU (EPA). Folleto Informativo de Sistemas Descentralizados: Tanque Séptico - Sistemas de Absorción al Suelo. Disponible en Internet: http.//www.epa.gov/owm/mtb/cs-99-075.pdf. A.V.F. INGENIERÍA AMBIENTAL. Fundación para la Transferencia Tecnológica. Universidad de Chile. “Programa de Descontaminación de Aguas, Biofiltro. 2003” GHISLIERI D. ET AL. 1999. Sistemas Naturales con plantas acuáticas: Una alternativa ambientalmente adecuada para la depuración de aguas negras. Uruguay. HERNÁNDEZ, A. 1996. Depuración de Aguas residuales. Editorial. Editorial PARANIFO S. A., Madrid LATCHINIAN, A. ET AL. 2002. Jardín de totoras: Sistemas naturales de depuración de aguas servidas en escuelas rurales. Uruguay. LOMBRICULTURA S.C.I.C. Centro de Investigación y Desarrollo en la ciudad de Quito, Ecuador. Disponible en Internet: http.//www.lombricultura.net. MASTERS, G. M, Introduction to Environmental Engineering and Science, Prentice Hall, New Jersey, EE.UU., 1991. MENA, M. 2000. Tratamiento Biológico Aguas Residuales. Apuntes Curso Procesos y Tratamientos de Agua, en Diploma de Postítulo en Contaminación de Aguas. U. de Chile. METCALF & EDDY. 1995 “Ingeniería de Aguas residuales. Tratamiento, Vertido y Reutilización”. Editorial McGraw-Hill., Madrid. Miller, Jr., G.T. Ecología y Medio Ambiente, Grupo Editorial Iberoamérica, México, 1994. QUEZADA PAULO. Tesis: “Planta de Tratamiento de Residuos Industriales Lácteos”. Temuco, Universidad de la Frontera. 2001. RAMALHO R.S. “Tratamiento de Aguas residuales”. Editorial Reverté, S.A. Barcelona. 1996. SEOÁNEZ C., M., et al. Ingeniería Medioambiental Aplicada -casos prácticos-, Ingeniería del Medio Ambiente, Ediciones Mundi-Prensa, España, 1997. UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE. Estándares Nacionales de Calidad Ambiental. http://lauca.usach.cl/ima/apendc.htm#agua%20regadío Sitios web: http.//www.sistematoha.cl http://es.wikipedia.org http:// www.webquest.es/wq/ciclo-del-agua http://www.siss.cl http.//www.lombricultura.net.

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