Ingeniería de Aguas Residuales Ing. Lawrence E. Quipuzco Ushñahua
Giancarlos Arcayo Palacios Jhoan P. Chávez Suazo Rodrigo M. Del Campo Oré Milushka L. Llanos Cruz Luis E. Loaiza Guillen Gonzalo M. Ponce de León Jara Eileen Soto Guevara Ingeniería Ambiental
ÍNDICE
I. INTRODUCCION
II. OBJETIVOS 1. Objetivo General 2. Objetivos Específicos
III. GENERALIDADES 1. Tratamiento de Aguas Residuales 2. Lagunas Facultativas 3. Humedales Artificiales
IV. DISEÑO: SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUAS SERVIDAS POR LAGUNAS-HUMEDALES 1. Caso 2. Sistema de Tratamiento 2.1. Descripción 2.2. Justificación 3. Diseño Hidráulico – Hidráulico – Estructural Estructural 3.1. Aguas Servidas 3.2. Laguna Facultativa Primaria 3.2.1. Descripción 3.2.2. Dimensionamiento Dimensionamiento 3.2.3. Cuadro Resumen 3.3. Humedal Artificial de Flujo Horizontal 3.3.1. Descripción 3.3.2. Dimensionamiento Dimensionamiento 3.3.3. Cuadro Resumen 1
ÍNDICE
I. INTRODUCCION
II. OBJETIVOS 1. Objetivo General 2. Objetivos Específicos
III. GENERALIDADES 1. Tratamiento de Aguas Residuales 2. Lagunas Facultativas 3. Humedales Artificiales
IV. DISEÑO: SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUAS SERVIDAS POR LAGUNAS-HUMEDALES 1. Caso 2. Sistema de Tratamiento 2.1. Descripción 2.2. Justificación 3. Diseño Hidráulico – Hidráulico – Estructural Estructural 3.1. Aguas Servidas 3.2. Laguna Facultativa Primaria 3.2.1. Descripción 3.2.2. Dimensionamiento Dimensionamiento 3.2.3. Cuadro Resumen 3.3. Humedal Artificial de Flujo Horizontal 3.3.1. Descripción 3.3.2. Dimensionamiento Dimensionamiento 3.3.3. Cuadro Resumen 1
4. Análisis 4.1. Eficiencia & Cargas 4.2. Tiempo de Retención 4.3 Requerimiento de Área
V. CONCLUSIONES
VI. REFERENCIAS
VII. ANEXOS 1. ANEXO I: ESTANDARES NACIONALES DE CALIDAD AMBIENTAL PARA AGUA 2. ANEXO II: ÁREA USADA PARA EL TRATAMIENTO EN LAS PLANTAS DE SEDAPAL
2
I. INTRODUCCIÓN
Dado que el agua es un elemento vital y multifuncional, su obligado uso implica la generación de aguas residuales, cuya composición ha sido alterada por el uso al que se la han sometido; pudiendo distinguirse: aguas residuales domésticas, urbanas, agrícolas e industriales. Entonces, las aguas residuales se caracterizan por poseer sustancias que representan pérdida en su calidad; conllevando a la necesidad de tratamiento. El objetivo del tratamiento de aguas residuales es mejorar su calidad para cumplir las normas del cuerpo receptor o de reutilización. Una vez conocido el grado de tratamiento que se requiere, se selecciona el proceso de tratamiento en función a los valores de remoción predeterminados. Las plantas de tratamiento de aguas residuales, son regidas conforme a la Norma OS.090 del Reglamento Nacional de Edificaciones, y consisten en sistemas donde se realiza el tratamiento, y comprenden un conjunto de procesos y operaciones sobre las aguas que contiene desechos fisiológicos y otros provenientes de la actividad humana, así como de la mezcla con aguas de drenaje pluvial o con aguas de origen industrial siempre y cuando cumplan los requisitos para ser admitidas en los sistemas de alcantarillado. En el presente informe se presenta el diseño de un sistema de tratamiento de aguas residuales, para el caso de una pequeña comunidad, el cual estará constituido por dos lagunas facultativas primarias en paralelo seguidas por dos humedales artificiales de flujo horizontal en paralelo; se dimensionarán dichas unidades y se analizará la eficiencia del sistema, así como, se evaluará de forma general algunos criterios para su aplicación.
II. OBJETIVOS 1. Objetivo General Diseñar un sistema de tratamiento para las aguas servidas de una comunidad pequeña (1800 habitantes), mediante lagunas facultativas y humedales artificiales.
2. Objetivos Específicos Dimensionar estructural e hidráulicamente las unidades propuestas para los sistemas de tratamiento. Incorporar criterios de aplicabilidad en términos de legislación (Norma Técnica OS90), calidad (Estándares de Calidad) y requerimientos (área y materiales). Evaluar los tiempos de retención y eficiencias parciales y globales de los sistemas. 3
III. GENERALIDADES
1. Tratamiento de Aguas Residuales Reducción y/o remoción total o parcial de las sustancias que alteran la composición del agua tras su uso (agua residual); es decir, de los contaminantes que le dan la condición de residual. Comprende una serie de procesos y operaciones de distinta naturaleza:
Físicas: métodos en los cuales el cambio en la calidad del agua se lleva a cabo mediante aplicación de fuerza física. Ej.: sedimentación, enrejado, filtración, etc. Químicos: procesos en los que la eliminación del contaminante se realiza por adición de productos químicos o a través de reacciones químicas. Ej.: desinfección Biológicas: la eliminación del contaminante se lleva a cabo por procesos biológicos. Ej.: fangos activos, biomasa fija, lecho fluidizado, etc.
En términos generales, en los sistemas de tratamiento de aguas residuales se distinguen niveles de tratamiento según las sustancias sobre las que se actúa y se avanza en el proceso:
Pre-tratamiento. Principalmente, busca la homogenización del agua a tratar y la eliminación de sólidos gruesos. Incluye procesos como el desbaste, desarenado, etc. Tratamiento Primario. Se separa la materia en suspensión, reduciéndose los sólidos suspendidos y la demanda bioquímica de oxígeno; pudiendo darse algún tipo de digestión. Suele ocurrir en algún tipo de sedimentador primario como el tanque séptico o el tanque Imhoff. Se producen los lodos primarios. Tratamiento Secundario. Elimina la materia orgánica biodegradable, reduciendo notablemente la DBO; suele ser de naturaleza biológica aeróbica, anaeróbica o facultativa. Entre los métodos más comunes se tienen los biodiscos, lechos bacterianos, lagunas y humedales artificiales, etc. También se generan lodos. Tratamiento Terciario. Se elimina contaminantes específicos, dependiendo del uso al que se destinan las aguas tratadas. No necesariamente se incluye en todos los tratamientos. Aquí se incluye el uso de tecnologías como la ósmosis inversa, intercambio iónico, etc.
4
*Flujograma de tecnologias empleadas en el tratamiento de aguas r esiduales (MINAM. 2009)
5
2. Lagunas Facultativas Son aquellas lagunas de estabilización que se caracterizan por presentar tres zonas bien definidas. La zona superficial, donde las bacterias y algas coexisten simbióticamente como en las lagunas aerobias. La zona del fondo, de carácter anaerobio, donde los sólidos se acumulan y son descompuestos, fermentativamente. Y por último una zona intermedia, parcialmente aerobia y parcialmente anaerobia, donde la descomposición de la materia orgánica se realiza mediante bacterias aerobias, anaerobias y facultativas. (CNA. 2007) Según su ubicación como unidad de tratamiento en un sistema de tratamiento, se considera (OPS/CEPIS. 2005): Laguna Primaria: son las que reciben agua residual cruda. Laguna Secundaría: reciben el efluente de una unidad primaria. Laguna de Maduración: reciben efluentes de grado más allá de la unidad secundaria.
Ventajas: - Pueden recibir y retener grandes cantidades de agua residual, soportando sobrecargas hidráulicas y orgánicas con mayor flexibilidad, comparativamente con otros tratamientos. - Debido a los tiempos de retención prolongados y a los mecanismos del proceso, son sistemas altamente eficaces para la remoción de bacterias, virus y parásitos, comparativamente con otros tratamientos. - Mínimo mantenimiento.
-
Desventajas: Requieren de grandes áreas de terreno para su implantación. Es un sistema sensible a las condiciones climáticas. Puede producir vectores. No permite modificaciones en las condiciones de proceso.
*Representación esquemática de las lagunas de estabilización. (Depura Natura) 6
3. Humedales Artificiales Los humedales artificiales son sistemas que simulan la zona de transición entre un ambiente terrestre y uno acuático, siendo construidos con el propósito de tratar aguas residuales bajo condiciones contraladas de dimensionamiento, ubicación y capacidad. (Gerba et al.1999) Los humedales artificiales están compuestos por agua, sustrato y plantas (emergentes o flotantes). Estas ayudan a airear el sistema radicular, haciendo que el oxígeno llegue a los microrganismos de la rizósfera. También absorben nutrientes, principalmente nitrógeno y fósforo, además de la eliminación de contaminantes. Finalmente, filtran los sólidos a través del entramado que forma su sistema radicular. Existen dos tipos de humedales: Flujo superficial (FWS), donde el agua circula a través de los tallos de las plantas estando expuesta a la atmosfera directamente. Poseen una profundidad máxima de 60cm. Flujo sub superficial (SSF), donde la circulación del agua ocurre a través de un medio granular (subterráneo). Las plantas interactúan en este medio granular, estando el agua en contacto con los rizomas y las raíces de las plantas. A su vez, estos se dividen en:
Flujo horizontal: El agua ingresa permanentemente en la parte superior y es recogida por un tubo de drenaje al otro lado inferior, y es tratada a medida que fluye lateralmente a través del medio. Flujo vertical: son cargados intermitentemente. Se estimula el suministro de oxígeno alternando entre periodos de saturación e instauración. Reciben el agua de arriba hacia abajo, con un sistema de tuberías.
Entre las ventajas principales de estos sistemas se encuentra el bajo costo de operación y mantenimiento, como también una baja producción de residuos y una eliminación natural de sólidos en suspensión, materia orgánica, microorganismos patógenos y elementos eutrofizantes. Sin embargo, los tiempos del proceso pueden ser largos y también es limitado por la poca profundidad. La eficiencia de remoción de DBO5 de un humedal varia de 58 a 81%, en solidos suspendidos de 98% y para coliformes fecales, se alcanza hasta 99%.
*Representación esquemática de los tipos de humedales (Fernández, J. 2011) 7
IV. DISEÑO: SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUAS SERVIDAS POR LAGUNAS-HUMEDALES
1. Caso Diseñar un sistema de tratamiento para las aguas servidas de una pequeña comunidad, cuya población (P) es de 1800 habitantes con una dotación (D) de agua potable de 100 L/hab/día. El ambiente del lugar de implementación tiene las siguientes características:
Temperatura ambiental mínima: Taire, min = 17 °C Precipitación: Pp = 0.0 cm/día Evaporación: Ev = 0.2 cm/día Infiltración: I = 0.0 cm/día Suelo: Arenoso
El agua residual presenta:
Carga orgánica correspondiente a una contribución per cápita de 50 g DBO/hab/día. Coliformes Fecales a una concentración de 10 8 NMP/100 mL.
8
2. Sistema de Tratamiento 2.1. Descripción A partir del caso dado, se propone un sistema de tratamiento de las aguas servidas; que – tras recibir las aguas residuales captadas y concentradas – haga pasar el agua servida cruda a través de las siguientes unidades:
Lagunas Facultativas Primarias Como tratamiento primario, se usarán 2 lagunas facultativas en paralelo, que constituyen estanques diseñados para el tratamiento biológico de aguas grises, mediante la interacción entre la biomasa y la materia orgánica contenida. En su diseño se considerará una altura adicional para la acumulación de lodos, y se realizará a partir de la carga orgánica superficial, obtenida con la temperatura del mes más frío (Norma OS.090). Humedales de Flujo Horizontal
Cada una de las lagunas facultativas primarias, estará seguida de un humedal de flujo horizontal, donde el agua tratada de forma primaria tendrá un tratamiento bilógico secundario. Se tendrán dos humedales, con medio filtrante selecto (mixto) y macrófitas emergentes, como las aneas, juncos; u otras especies nativas de no encontrarse las mencionadas en la zona de estudio.
*Esquema del Sistema de Tratamiento de Aguas Servidas propuesto (Elaboración Propia) 9
2.2. Justificación A continuación, se justifica brevemente la elección de las unidades propuestas:
Lagunas Facultativas Primarias Dada su eficiencia, estas unidades de tratamiento pueden remover una gran cantidad de patógenos, ya sea bacterias, helmintos, virus o quistes; de los cuales se ha registrado una remoción que va de 1 hasta 6 unidades logarítmicas. Debido a que las aguas residuales a tratar presentan una concentración de 1.00E + 08 NMP/100 ML; requieren un alto grado de remoción, por lo que se justifica el uso de lagunas facultativas (Norma OS.090).
Humedales de Flujo Horizontal En la norma OS.090 se menciona que las lagunas facultativas pueden ubicarse como tratamiento primario siempre y cuando estén seguidas por un tratamiento secundario o terciario, motivo por el cual se diseñará un humedal de flujo horizontal. Este tipo de humedales pueden tener una eficiencia de remoción de carga orgánica de hasta 90%, 98% de sólidos suspendidos y de 1 a 2 unidades logarítmicas de coliformes fecales; por lo que constituyen una buena opción para el sistema de tratamiento. Entre las plantas macrófitas a ser empleadas, se encuentran las aneas (Typha spp) y los juncos (Schoenoplectus spp., Scirpus spp.). Las aneas son fáciles de propagar y de producir una biomasa anual grande. Por otra parte, los juncos pueden crecer sobre agua con una profundidad en el rango de 5cm a 3m, y permiten una alta eliminación de contaminante. Si estas plantas no pueden adquirirse localmente, se puede utilizar otras plantas que crezcan en humedales cercanos a la comunidad, ya que se encuentran adaptadas al clima local (Setty. 2007).
10
3. Diseño Hidráulico – Estructural A continuación, se dimensionarán las unidades propuestas para el tratamiento; para esto, es necesario caracterizar las aguas residuales en cantidad y concentraciones. Además, deben considerarse las características ambientales descritas: temperatura, precipitación, suelo, etc.
3.1. Aguas Servidas Caudal. El flujo total de aguas residuales se estimará en base a la población, dotación de agua potable y una contribución al desagüe del 80%. Q kPD (0.8)(1800 hab)(100 L/hab/día) 3
Q kPD 144000 L/día = 144 m /día
DBO. La carga orgánica se calcula en función a la contribución per cápita:
Flujo Másico morg
C org P (50 g
morg
90000
DBO/hab/día)(1800 hab)
g DBO/día 90 Kg DBO/día
Concentración [DBO]o
[DBO]o
morg Q morg Q
90000 g DBO/día 3
144 m /día
625
mg DBO/L
Coliformes Fecales. La carga microbiológica está expresada como el número más probable de coliformes fecales cada 100 mL de agua residual. [Colif . Fec.]o
8
10
NMP/100 mL
11
3.2. Laguna Facultativa Primaria 3.2.1. Descripción Como parte del tratamiento primario, como se explicó, se hará uso de dos lagunas facultativas en paralelo; de forma que el caudal de aguas servidas (144 m3/día) será repartido en las dos lagunas primarias excavadas en el suelo, previamente impermeabilizado (revestido con geomembrana).
3.2.2. Dimensionamiento Parámetros de Diseño
Temperatura esperada del agua (T) T Agua,min
TAire ,min 1C
T Agua,min
17C 1C 18C
Tasa de Mortalidad (Kb) T 20
Kb Kb20 x1.05
1820
Kb 0.7x 1.05
0.635 día1
Tasa de Desoxigenación (K) T 20
K K20 x 1.05
18 20
K 0.23x 1.05
0.209 día1
Carga orgánica superficial (Cs) T 20
Cs 250 x 1.05
18 20
Cs 250 x 1.05
226.757
Kg DBO/Ha.día
Tasa de Acumulación de Lodos (Tal) 3
Tal 0.12 m / hab / año
Número de Lagunas (N) N 2 lagunas en paralelo
Factores de Corrección
Factor de corrección hidráulica: Fch = 0.6 Factor de características de sedimentación: Fcs = 0.7 Factor intrínseco de algas: Fia = 0.1 12
Lodos
Frecuencia de limpieza (f) f 8 años
Volumen total de lodos producidos (Vt) Vt TalxfxP (0.12)(8)(1800) 1728 m
3
Volumen de lodos por laguna (Vl) Vl
Vt N
1728 m3
2
864 m3
Dimensiones
Área Total de lagunas (At) morg At Cs At
90 Kg DBO/día 226.757 Kg DBO/Ha.día
Área Unitaria de lagunas (A) A
3969 m2
At N
3969 m2
1984.5 m2
2
Largo (L) y Ancho (W) promedios A LxW 1984.5 m
2
3W 2
L2
L / W 3
1984.5 m2
3 W 25.72 m W 26 m L 77.16 m L 77 m
Profundidad/Tirante de agua (Z)
Z 2 m
Borde Libre h 0.5 m
Talud (m) Para suelo el suelo arenoso: m 3 13
Largo (Lb) y Ancho (Wb) de la corona Lb
L 2m( Z
h) 86
2 Wb W 2m( Z
2
m
h) 35
m
Largo (Ls) y Ancho (Ws) del espejo de agua Ls L mZ 83 m Ws W mZ 32 m
Largo (Lf) y Ancho (Wf) del fondo de agua Lf
L mZ 71
Wf
W mZ 20
m
Altura de lodos (Zl)
Zl
m
Vl
(Lf )(Wf )
864 m3 (71 m)(20 m)
0.6
m
Profundidad Total (H) H h Z Zl 0.5 2 0.6 = 3.1 m
Largo (Lp) y Ancho (Wp) del fondo neto Lp L 2m ( Z
2 Wf W 2m( Z
2
Zl ) 67.4 m
Zl ) 16.6 m
Caudales
Caudal Unitario Afluente (qa) qa
Q N
144 m3 /día 2
72 m3 /día
Caudal Unitario Efluente (qe) qe qa (Pp Ev I)LW 3
qe 72 (0 0.002 0)x 26x 77 68 m /día
14
Tiempo de Retención
Período de retención teórico (tr) tr
LxWxZ
77 x26 x2
qe
68 m3 /día
58.9 días
Período de retención corregido (trc) trc Fch x tr 0.6(58.9 días) 35.3 días
Factores Adimensionales
Número de Dispersión (d) d d
(T 42.5)
0.734
0.489
1.489
x(LxZ )
1.158 35.3(26 4) (18 42.5)
xW 1.511
0.489
0.734
x 26 1.511 0.1306 1.489
x (154)
Factor Adimensional de coliformes
ab
1.158 trc(W 2 Z)
1 4(Kb)(trc)(d)
1 4(0.635)(35.3)(0.1306) 3.565
Factor Adimensional de DBO
a
1 4(K)(trc)(d)
1 4(0.209)(35.3)(0.1306) 2.203
Efluente
Coliformes Fecales 1ab
[Colif . Fec.]e
[Colif . Fec.]o x 4 x ab x e
2 d
(1 ab)
2 13. 565
8
[Colif . Fec.]e
10 x 4 x 3.565 x e (1 3.565)
2
2(0.1306)
3.7x10 3 NMP/100 mL
DBO 1 a
[DBO]e
[DBO]o x 4 x a x e 2d (1 a)2
x Fia [DBO]o x Fcs
12. 203
[DBO]e
625 x 4 x 2.203 x e (1 2.203)2
2(0.1306)
625x 0.7 x 0.1 49.12 mg/L 15
3.2.3. Cuadro Resumen
Variable
Expresión
Valor
Observación/comentario
Número de Lagunas (N)
N
2
Lagunas en paralelo
qa=Q/N
72 m3/día
Taire + 1°
18°C
Caudal Unitario Afluente (qa) Temperatura esperada del agua (T) Largo Promedio (L)
Estimación con la temperatura ambiental
77 m A =L x W
L/W = 3
Ancho Promedio (W)
26 m
Tirante de Agua (Z)
2m
Entre 2 y 3 metros
3
Talud para suelo Arenoso
Talud (m) Borde Libre (h) Largo de Corona (Lb) Ancho de Corona (Wb) Largo de fondo (Lf) Ancho de fondo (Wf)
0.5 m Lb = L + 2m(h+Z/2) Wb =W + 2m(h+Z/2)
86 m 35 m
Lf = L - mZ
71 m
Wf =W - mZ
20 m 3
Volumen de Lodos (Vl)
Vl=(talxPxf)/N
864 m
Altura de lodos (Zl)
Zl = Vl/(LfxWf)
0.6 m
Largo del fondo de lodos (Lp) Ancho del fondo de lodos (Wp) Caudal Unitario Efluente (qe)
Lp = L – 2m(Zl+Z/2) Wp =W 2m(Zl+Z/2) Qe = qa + (PpEV-I)LW
Período de Retención Efectivo (trc) Coliformes Fecales DBO
Trc = Fch x (LxWxZ)/qe
Tasa anual de acumulación de lodos de 0.12 m3/hab/año y limpieza cada 8 años.
67.4 m 16.6 m 68 m3/día 35.3 días
Mínimo 10 días, para la remoción de nematodos intestinales.
3.7 x 103 NMP/100 mL 49.12 mg/L
16
17
18
3.3. Humedal Artificial de Flujo Horizontal 3.3.1. Descripción Como parte del tratamiento secundario, cada laguna facultativa primaria será seguida de un humedal artificial de flujo horizontal; es decir, se tendrán dos humedales en paralelo que traten los 68 m3/día del efluente de las lagunas. El lecho consistirá de un medio poroso mixto (porosidad promedio = 50%) con macrófitas emergente; de forma que se cumpla la función de biolfiltro.
3.3.2. Dimensionamiento Área Promedio (A) A
qe
Th Considerando una tasa hidráulica de 0.05 m 3/ m2.día A
68 m3 / día 3
2
0.05 m / m día
1360m2
Carga Orgánica (Co)
Co
[DBO]e qe A
(49.12 g/m3 )(68 m3 / día) 2
1360m
2.456 g/m2día
Dimensiones
Largo (L) y Ancho (W) promedios A LxW 1360 m2
L / W 2
2
2W 2
L
1360 m2
2 W 26.07 m W 26 m L 52.15 m L 52 m
Profundidad/Tirante de agua (Z) Z 0.5 m Borde Libre h 0.3 m
Talud (m) Para suelo el suelo arenoso: m 3 19
Largo (Lb) y Ancho (Wb) de la corona Lb
L 2mh 53.8
Wb W
2mh 27.8
m
Largo (Lf) y Ancho (Wf) del fondo Lf
L 2mZ 49
Wf
m
m
W 2mZ 23
m
Profundidad Total (H) H h Z 0.3 0.5 = 0.8 m
Volumen
Volumen Total (Vt) Vt ZxLxW (0.5)(52)(26) 676 m
3
Volumen Efectivo (Ve) Ve (Vt)
Considerando una porosidad media del medio filtrante ( n) de 50%. Ve 0.5x 676 = 338 m
3
Tiempo de Retención tr
Ve qe
3
338 m 3
68 m /día
4.97 días 5 días
Efluente
Coliformes Fecales
[Colif . Fec.]e [Colif . Fec.]o x 10
unid .log.
3 2 [Colif . Fec.]e (3.7x10 )x(10 )= 37 NMP/100 mL
DBO
[DBO]e [DBO]o x(1 eDBO / 100) [DBO]e 49.12x(1 90 / 100) = 4.912 mg/L
20
3.2.3. Cuadro Resumen
Variable
Expresión
Valor
Observación/comentario
Número de Humedales (N)
N
2
Humedales en paralelo
Caudal Unitario (qe)
qe=Q/N
68 m3/día
Efluente de las lagunas
Área Media (A)
A=qe/Th
1360 m2
Tomando una tasa hidráulica de 0.05 m3/ m2día
Carga Orgánica
Co=[DBO]xq/A
2.456 g/día
Tirante de Agua (Z)
0.5 m
Largo promedio (L)
52 m A=LxW
Ancho promedio (W)
L/W = 2 26 m
Talud (m)
3
Borde Libre (h) Largo de Corona (Lb)
53.8 m
Wb =W + 2mh
27.8 m
Lf = L - 2mZ
49 m
Ancho de fondo (Wf)
Wf =W - 2mZ
23 m
Volumen Total (Vt)
Vt=Z x L x W
676 m3
Volumen Efectivo (Ve)
Ve = n x Vt
338 m3
Tiempo de Retención (tr)
trc = Ve/q
5 días
Largo de fondo (Lf)
Coliformes Fecales DBO
Talud para suelo Arenoso
0.3 m Lb = L + 2mh
Ancho de Corona (Wb)
Entre 0.3 y 0.75 metros
Porosidad: n = 0.5
37 NMP/100 mL
Disminución de 2 unidades logarítmicas.
4.912 mg/L
Remoción del 90%
21
22
23
4. Análisis 4.1. Eficiencia & Cargas A partir del tratamiento propuesto para el caso, se obtiene un efluente con una DBO 5 de 4.912 mg/L y una cantidad de coliformes fecales de 37 NMP/100ml (Ver flujograma de la página siguiente); esto evidencia la elevada capacidad de remoción de materia orgánica (DBO), permitiendo la degradación de contaminantes y la remoción de m icroorganismos.
Las eficiencias de las unidades de tratamiento, respecto a los parámetros evaluados, son: Lagunas Facultativas Primarias DBO5: 92.14 % Coliformes Fecales: 99.999% (5 unidades logarítmicas)
Humedal Artificial de Flujo Horizontal DBO5: 90 % Coliformes Fecales: 99% (2 unidad logarítmica)
De tal forma, la eficiencia global del sistema de tratamiento resulta:
DBO5: 99.21 % Coliformes Fecales: 99.999963% (7 unidades logarítmicas)
En el caso de la primera unidad se logra una eficiencia para DBO 5 que se haya dentro del intervalo referido. Para el sistema en conjunto de alcanza un 99.21% de remoción de DBO 5. En base a ello se demuestra que el sistema propuesto es altamente eficiente. De acuerdo a Romero (2010) el fluente es apto para su disposición directa al suelo por infiltración o percolación y Riego. Así de acuerdo a los Estándares Nacionales de Calidad Ambiental para Agua (Anexo 1), el Tratamiento aplicado permite una reutilización de Categoría 3 (Riego de Vegetales y Bebida de Animales) y/o Categoría 4 (Conservación del Ambiente Acuático) en concordancia a lo establecido en el Capítulo VI del Reglamento de la Ley de Recursos hídricos, sobre Vertimiento y Reutilización del Agua Residual Tratada.
24
. s e l a c e f s e m r o f i l o c y 5
O B D , s e l a d u a ) c a e i d p o e r c p n n a ó l a i B c a y r o o t b a n l E e i ( m a t a r t e d a m e t s i s l e d a m a r g o j u l F *
25
4.2. Tiempo de Retención El tiempo de retención global, está dado por el período que transcurre desde el ingreso de las aguas servidas al sistema, hasta la salida de la última unidad. Es decir, la suma de los tiempos de retención hidráulica en las lagunas y humedales. T trL trH 35.3 +5 = 40.3 días
De tal forma, que al cabo de poco más 40 días, se obtiene un efluente tratado con una notable eliminación de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) y de los coliformes fecales; esta agua es apta de ser vertida a cualquier cuerpo receptor, o de ser reusada. Por otro lado, los tiempos de retención para cada unidad deben estar en función a los objetivos de remoción, es decir deberían asegurar el cumplimiento eficiente de cada uno de los procesos que se llevarán a cabo en cada unidad. Para las lagunas facultativas se ha obtenido el valor de 35.3 días, de acuerdo a la Norma OS.090 (2006) para una adecuada remoción de nematodos intestinales se requiere un período de retención de 10 días como mínimo, dado que el valor calculado es mayor al establecido por la norma, la primera unidad de tratamiento cumple con los propósitos de tratamiento. Algunos autores expresan que las lagunas facultativas presentan periodos de retención próximos a 10 días, para profundidades 1 que varían de 1.2 a 2.5 m (Yañez, 1993; citado en Tsunao, 2010); próximos a 20, para una profundidad de 1 a 2.5 m (ídem) y del orden de 15 a 35 días para profundidades de 1 a 2 m (Uehara, 1989; citado en Tsunao, 2010). De acuerdo a la profundidad del diseño (Z=2m), el periodo de retención hidráulica también, cumpliría con el rango (15-35 días), establecido por estos autores. Otros autores como (Eckenfelder, 1970; citado en Torres, 1994) considera valores de hasta 50 días, sin embargo el tiempo de retención hidráulica dependerá de la temperatura. Por lo general los valores menores se obtendrán en regiones donde la temperatura del líquido sea más elevada y viceversa, para nuestro caso, la temperatura del líquido considerada para el diseño es de 18°C, por tanto el tiempo de retención hidráulico será inferior a 50 días. Para el diseño de humedales horizontales, dado que la norma OS.090 no cuenta con las especificaciones para el diseño de Humedales, se puede tomar el rango de valores propuesto por Organizaciones internacionales, como la EPA, el tiempo de retención que recomienda US. EPA (1999) es de 4-15 días con un rango típico de 6-8 días. De acuerdo al valor obtenido de 5 días, este se encuentra dentro del rango, por tanto se considera como válido.
1
Se considera la profundidad del agua (tirante de agua) y no profundidad total.
26
4.3 Requerimiento de Área
Para estimar el área per cápita requerida por el sistema de tratamiento propuesto, calcularemos la superficie ocupada por las coronas de las lagunas y humedales:
Lagunas AL
2 x (Lb ) x (W b ) 6020
m2
Humedales AH
2 x (Lb ) x (W b ) 2991.28
m2
De tal forma que el área total es de 9011.28 m2; considerando por seguridad, un 30% más de área, se requieren 11714.664 m2. El área per cápita: A pc
Atotal Pob
11714.664 m2 1800 hab
6.51 m2 / hab
De acuerdo al estudio realizado por Sedapal en el año 2009 (ver anexo N°2) para las plantas de tratamiento, el índice varía según la tecnología de tratamiento, por ejemplo únicamente para las lagunas facultativas, se considera un índice aproximado de 8.67 m 2/hab, del mismo modo para los Humedales artificiales el área per cápita aproximada es de 6,74 m2/hab2; en ambos casos (considerando cada unidad por separado) se obtiene un índice mucho menor al promedio que se establece (3.34 m2/hab, para lagunas facultativas y 1.66 m 2/hab, para humedales). Por otro lado, si se hubiesen considerado otro tipo de tecnologías, que involucran procesos acelerados por la aireación y de cortos periodos de retención el espacio requerido hubiese sido mucho menor, tal es el caso de las plantas de lodos activados, que presentan un índice per cápita aproximado de 0.62 m 2/hab. Sin embargo, estas tecnologías por lo general son más costosas, por tanto no son tan viables desde el punto de vista económico. Además la población servida es pequeña por lo que no se requieren tratamientos tan complejos como los que generalmente están asociados a ciudades o industrias que tratan efluentes con elevada carga orgánica.
2
El estudio está basado en la compilación de información obtenida de las instituciones locales in volucradas en el tratamiento y reuso de las aguas residuales en Lima. Fueron evaluadas 41 plantas de tratamiento de aguas residuales domésticas.
27
V. CONCLUSIONES: De acuerdo con los resultados obtenidos, el sistema de tratamiento propuesto (lagunas facultativas primarias seguida por humedales) para la comunidad, ha resultado altamente eficiente. El efluente tratado presenta una DBO 5 de 4.912 mg/L y una cantidad de coliformes fecales de 37 NMP/100ml, estos valores permiten el vertido y la reutilización; de acuerdo a la normativa nacional, para las categorías 3 (Riego de vegetales y bebida de animales) y 4 (conservación del ambiente acuático); establecidos en los Estándares Nacionales de Calidad Ambiental para el Agua.
Con el sistema planteado se ha obtenido una remoción del 92.14% DBO5 en las lagunas facultativas primarias y del 90% de la DBO5 (respecto al contenido del efluente de las lagunas) en los humedales; logrando una eficiencia de remoción global del 99.21% de la DBO5 inicial (625 mg/L).
Se ha logrado reducir en 99.99% (5 unidades logarítmicas) de coliformes fecales en las lagunas facultativas primarias y 99% (2 unidades logarítmicas, respecto al contenido del efluente de las lagunas) en los humedales, logrando una eficiencia de remoción global de aproximadamente 99.99999% (7 unidades logarítmicas en total).
El tiempo de retención hidráulica para las lagunas facultativas primarias (35.3 días); es adecuado para la remoción de nematodos intestinales (requerimiento mínimo: 10 días); por tanto está acorde con los objetivos de remoción. Mientras que el tiempo de retención hidráulica para humedales (5 días) se encuentra dentro del rango óptimo establecido por la EPA (6-8 días). El tiempo de retención global es de 40.33 días, es decir con el diseño propuesto se obtiene el efluente tratado al cabo de 40 días aproximadamente desde el ingreso de las aguas residuales a la planta.
El área per cápita es inferior a los valores que se obtienen comúnmente, por tanto se invierte menor área de la que se requiere cuando se utilizan este tipo de unidades. Se podrían utilizar tecnologías que ocupan menor área, disminuyendo el área total requerida para la planta; sin embargo estas resultan ser muy costosas, por tanto las unidades propuestas son más viables en términos económicos.
28
VI. REFERENCIAS Comisión Nacional del Agua (CNA). 2007. Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento. CNA. México. Delgadillo, Oscar.; Alan Camacho. Luis Pérez. Mauricio Andrade. 2010. Depuración de aguas residuales por medio de humedales artificiales. Centro Andino para la Gestión y Uso del Agua (Centro AGUA). Bolivia. Estrucplan. 2004. Lagunas de Estabilización. Consulta: 11/11/13. < http://www.estrucplan.com.ar/Producciones/entrega.asp?IDEntrega=742> Federal Ministry for Economic Cooperation and Developtment. 2011. Technology review of constructed wetlands subsurface flow constructed wetlands for greywater and domestic wastewater treatment. (en línea). Alemania. Consulta: 15/11/2013. . Fernández, J.; E. de Miguel Beascoechea; J. de Miguel Muñoz; Curt Fernández de la Mora. 2011. Manual de fito-depuración. Filtros de macrófitas en flotación. EDITAN. España. Fuentes Beltrán, Rubén. 2011. Sistemas de Depuración Natural. [En línea]. Blog: Depura Natura. Consulta: 10/11/13. Gerba C.P., Thurston J.A., Falabi J.A., Watt P.M. y Kar-piscak M.M. 1999. Optimization of artificial wetlands design for removal of indicator microorganisms and pathogenic protozoa. Wat. Sci. Tech.
Julio César M. 2011. Estudio de Opciones de Tratamiento y Reuso de Aguas Residuales en Lima Metropolitana. (en línea). Perú. Ministerio Federal de Educación e Investigación. Consultado el: 16711/2013. . Ministerio de Agricultura y Riego del Perú. 2010. Decreto Supremo N° 001- 2010- AG. Reglamento de la Ley N° 29338, Ley de Recursos Hídricos. D.S. N° 001- 2010- AG. Ministerio del Ambiente. 2008. D.S. N° 002-2008-MINAM. Disposiciones para la Implementación De los Estándares Nacionales de Calidad Ambiental (ECA) para agua. Ministerio del Ambiente. Ministerio del Ambiente. 2009. Manual para Municipios Ecoeficientes. MINAM. Perú. Ministerio de Vivienda, Construcción y Saneamiento. 2006. D.S. N° 011 – 2006: Reglamento Nacional de Edificaciones. Norma OS.090: Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales. Ministerio de Vivienda, Construcción y Saneamiento. Perú. 29
OPS/CEPIS. 2003. Guía para el diseño de tanques sépticos, tanques Imhoff y lagunas de estabilización. OPS/CEPIS. Perú. Orozco Jaramillo, Alvaro. 2005. Bioingeniería de Aguas Residuales. Primera Edición. Asociación Colombiana de Ingeniería Sanitaria y Ambiental. Colombia. Rivas Hernández, Armando, Ramírez Gonzáles, Balderas Castrejón & García Maldonado. Diseño y Diagnóstico de Sistemas de tratamiento de Aguas Residuales mediante Humedales (Wetlands). Instituto Mexicano de Tecnología del Agua. México. Romero Rojas, Jairo Alberto. 2010. Tratamiento de Aguas residuales. Tercera Edición. Colombia: Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería. Salazar López, Sergio. 2009. Tratamiento de Aguas Residulaes por medio de Lagunas de Estabilización para poblaciones de 2000 a 30000 habitantes en estado de Durango. Tesis para optar Título de Maestro en Ingeniería Hidráulica. Veracruz. Sánchez, Rebeca M.; Eudoro E. López; María Virginia N. Henry Blanco S. Límite Procesal en Sistema Dual de Lagunas de Estabilización de Alta Carga. Universidad Central de Venezuela. (en línea). Venezuela. Consulta: 06/11/2013. . Setty, Karen. 2007. Manual de Construcción: Humedales Construidos para el Tratamiento de Aguas Negras. (en línea). Bren School of Environmental Science and Management, University of California. Consulta: 07/11/13. Estados Unidos. Torres Cáceres E. 1994. Proyecto de una planta de Tratamiento de Aguas Residuales Domésticas Para Reúso del Agua en la Agricultura. (En línea). México. Universidad Autónoma de México. Consulta: 16/11/2013. Disponible en: < http://cdigital.dgb.uanl.mx/te/1080063779/1080063779_MA.PDF>. Tsunao M.; Ivan S. 2010. Eficiencia del tratamiento de aguas residuales por lagunas facultativas e implicaciones en la salud pública. Universidad de Nariño (en línea). Consulta: 15/11/2013.Brasil. . Valdez, César Enrique. Alba B. Vásquez González. 2003. Ingeniería de los sistemas de tratamiento y disposición de aguas residuales. ICA. México. Vitko, Tadeo G. 1985. Guía para el Manejo de Lagunas de Estabilización. CEPIS (Centro Panamericano de Ingeniería y Ciencias del Ambiente).
30
VII. ANEXOS 1. ANEXO I: ESTANDARES NACIONALES DE CALIDAD AMBIENTAL PARA AGUA
Categoría 1: Poblacional y Recreacional
AGUAS SUPERFICIALES DESTINADAS A LA PRODUCCION DE AGUA POTABLE
PARAMETRO
DBO5 Coliformes Termotolerantes (44.5 º C) Coliformes Totales (35 - 37 º C)
UNIDAD
Aguas que Aguas que Aguas que pueden ser pueden ser pueden ser potabilizadas potabilizadas potabilizadas con con con tratamiento tratamiento desinfección convencional avanzado
AGUAS SUPERFICIALES DESTINADAS PARA LA RECREACION
Contacto Primario
Contacto Secundario
A1
A2
A3
B1
B2
mg/L
3
5
10
5
10
NMP/100mL
0
2000
20000
200
1000
NMP/100mL
50
3000
50000
1000
4000
Categoría 3: Riego de vegetales y bebidas de animales
PARAMETROS PARA RIEGO DE VEGETALES DE TALLO BAJO Y TALLO ALTO PARAMETROS
UNIDAD
VALOR
mg/L
15
Coliformes Termotolerantes
NMP/100mL
1000
Coliformes Totales
NMP/100mL
5000
DBO5
31
