TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES EN ZONAS RURALES Tratamiento de aguas es el conjunto de operaciones unitarias de tipo físico, químico o biológico cuya finalidad es la eliminación o reducción de la contaminación o las características no deseables de las aguas, bien sean naturales, de abastecimiento, de proceso o residuales. La finalidad de estas operaciones es obtener aguas con características adecuadas al uso que se les vaya a dar, por lo que la combinación y naturaleza exacta de los procesos varía en función tanto de las propiedades de las aguas de partida como de su destino final. Debido a que las mayores exigencias en lo referente a la calidad del agua se centran en su aplicación para el consumo humano y animal estos se organizan con frecuencia en tratamientos de potabilización y tratamientos de depuración de aguas residuales. Se denomina estación de tratamiento de agua potable (ETAP) al conjunto de estructuras en las que se trata el agua de manera que se vuelva apta para el consumo humano. Existen diferentes tecnologías para potabilizar el agua, pero todas deben cumplir los mismos principios:
Combinación de barreras múltiples (diferentes etapas del proceso de potabilización) para alcanzar bajas condiciones de riesgo. Tratamiento integrado para producir el efecto esperado. Tratamiento por objetivo (cada etapa del tratamiento tiene una meta específica relacionada con algún tipo de contaminante).
Una planta de tratamiento debe operar continuamente, aún con alguno de sus componentes en mantenimiento; por eso es necesario como mínimo dos unidades para cada proceso de la planta. 1. Esquema de funcionamiento de la estación de tratamiento de agua potable-ETAP
TOMA DEL RIO. Punto de captación de las aguas; REJA. Impide la penetración de elementos de gran tamaño (ramas, troncos, peces, etc.) DESARENADOR. Sedimenta arenas que van suspendidas para evitar dañar las bombas. BOMBEO DE BAJA (Bombas también llamadas de baja presión) . Toman el agua directamente de un río, lago o embalse, enviando el agua cruda a la cámara de mezcla. CAMARA DE MEZCLA. . Donde se agrega al agua productos químicos. Los principales son los coagulantes (sulfato de alúmina), alcalinizantes (cal). DECANTADOR. El agua llega velozmente a una pileta muy amplia donde se reposa, permitiendo que se depositen las impurezas en el fondo. Para acelerar esta operación, se le agrega al agua coagulantes que atrapan las impurezas formando pesados coágulos. El agua sale muy clarificada y junto con la suciedad quedan gran parte de las bacterias que contenía. FILTRO. El agua decantada llega hasta un filtro donde pasa a través de sucesivas capas de arena de distinto grosor. Sale prácticamente potable.
2.
DESINFECCIÓN. Para asegurar aún más la potabilidad del agua, se le agrega cloro que elimina el exceso de bacterias y lo que es muy importante, su desarrollo enel recorrido hasta las viviendas. BOMBEO DE ALTA. Toma el agua del depósito de la ciudad. DEPÓSITO. Desde donde se distribuye a toda la ciudad. CONTROL FINAL. Antes de llegar al consumo, el agua es severamente controlada por químicos expertos, que analizan muestras tomadas en distintos lugares del sistema. Las aguas residuales pueden provenir de actividades industriales o agrícolas y del uso doméstico. Los tratamientos de aguas industriales son muy variados, según el tipo de contaminación, y pueden incluir precipitación, neutralización, oxidación química y biológica, reducción, filtración, ósmosis, etc. Tratamiento Primario
Tiene como objetivo la retención de sólidos gruesos y sólidos finos con densidad mayor al agua y arenas, con el fin de facilitar el tratamiento posterior. Son usuales el empleo de canales con rejas gruesas y finas, desarenadores, y en casos especiales se emplean tamices. Estas unidades, en ocasiones obviadas en el diseño de plantas de tratamiento, son necesarias para evitar problemas por el paso de arena, basura, plásticos, etc., hacia los procesos de tratamiento propiamente dichos. Se considera como unidad de tratamiento primario a todo sistema que permite remover material en suspensión, excepto material coloidal o sustancias disueltas presentes en el agua. Así, la remoción del tratamiento primario permite quitar entre el 60 a 70% de sólidos suspendidos totales y hasta un 30% de la DBO (Demanda Bioquímica de Oxígeno) orgánica sedimentable presente en el agua residual. Es común en zonas rurales el empleo del tanque séptico como unidad de tratamiento primario con disposición final por infiltración. El tanque Imhoff ha sido empleado en localidades de mediano tamaño como un buen sistema de tratamiento primario 2.1. Objetivo del Tratamiento Primario
El Objetivo del tratamiento primario es remover los sólidos suspendidos mediante una sedimentación simple Para completar este proceso pueden agregarse compuestos químicos con el objeto de: Precipitar el fósforo, precipitar sólidos muy finos o coloidales
2.1.1.
Tanque Imhoff
El tanque imhoff es una unidad de tratamiento primario cuya finalidad es la remoción de sólidos suspendidos. Para comunidades de 5000 habitantes o menos, los tanques imhoff ofrecen ventajas para el tratamiento de aguas residuales domésticas, ya que integran la sedimentación del agua y a digestión de los lodos sedimentados en la misma unidad, por ese motivo también se les llama tanques de doble cámara.
Los tanques imhoff tienen una operación muy simple y no requiere de partes mecánicas; sin embargo, para su uso concreto es necesario que las aguas residuales pasen por los procesos de tratamiento preliminar de cribado y remoción de arena. Durante la operación, las aguas residuales fluyen a través de la cámara de sedimentación, donde se remueven gran parte de los sólidos sedimentables, estos resbalan por las paredes inclinadas del fondo de la cámara de sedimentación pasando a la cámara de digestión a través de la ranura con traslape existente en el fondo del sedimentador. El traslape tiene la función de impedir que los gases o partículas suspendidas de sólidos, producto de la digestión, interfieran en el proceso de la sedimentación. Los gases y partículas ascendentes, que inevitablemente se producen en el proceso de digestión, son desviados hacia la cámara de natas o área de ventilación. Los lodos acumulados en el digestor se extraen periódicamente y se conducen a lechos de secado, en donde el contenido de humedad se reduce por infiltración, después de lo cual se retiran y dispone de ellos enterrándolos o pueden ser utilizados para mejoramiento de los suelos a. Ventajas
Contribuye a la digestión de lodo, mejor que en un tanque séptico, produciendo un líquido residual de mejores características. No descargan lodo en el líquido efluente, salvo en casos excepcionales. El lodo se seca y se evacúa con más facilidad que el procedente de los tanques sépticos, esto se debe a que contiene de 90 a 95% de humedad. Las aguas servidas que se introducen en los tanques imhoff, no necesitan tratamiento preliminar, salvo el paso por una criba gruesa y la separación de las arenillas. El tiempo de retención de estas unidades es menor en comparación con las lagunas. Tiene un bajo costo de construcción y operación. Para su construcción se necesita poco terreno en comparación con las lagunas de estabilización. Son adecuados para ciudades pequeñas y para comunidades donde no se necesite una atención constante y cuidadosa, y el efluente satisfaga ciertos requisitos para evitar la contaminación de las corrientes.
b. Desventajas
Son estructuras profundas (>6m). Es difícil su construcción en arena fluida o en roca y deben tomarse precauciones cuando el nivel freático sea alto, para evitar que el tanque pueda flotar o ser desplazado cuando esté vació. El efluente que sale del tanque es de mala calidad orgánica y microbiológica. En ocasiones puede causar malos olores, aun cuando su funcionamiento sea correcto..
Conocidas las ventajas y desventajas del tanque imhoff, quedará a criterio del ingeniero encargado del proyecto si es conveniente emplear esta unidad, en la localidad donde se desea tratar las aguas residuales de uso doméstico. Cabe resaltar
que esta alternativa resulta adecuada en caso no se cuente con grandes áreas de terreno para poder construir un sistema de tratamiento de aguas residuales domésticas, como es el caso de las lagunas de estabilización, además de que el tanque imhoff deberá esta instalado alejado de la población, debido a que produce malos olores. El tanque imhoff elimina del 40 al 50% de sólidos suspendidos y reduce la DBO de 25 a 35%. Los lodos acumulados en el digestor del tanque imhoff se extraen periódicamente y se conducen a lechos de secados. Debido a esta baja remoción de la DBO y coliformes, lo que se recomendaría es enviar el efluente hacia una laguna facultativa para que haya una buena remoción de microorganismos en el efluente. 2.1.2
Diseño de tanque Imhoff
Según Norma S.090 Plantas de Tratamiento de Aguas ResidualesPara el dimensionamiento de tanque imhoff se tomarán en consideración los criterios de la Norma S090 “Planta de Tratamiento de Aguas Residuales” del Reglamento Nacional de Edificaciones. El tanque Imhoff típico es de forma rectangular y se divide en tres compartimientos:
Cámara de sedimentación. Cámara de digestión de lodos. Área de ventilación y cámara de natas.
Además de estos compartimientos se tendrá que diseñar el lecho de secados de lodos. 2.1.2. Extracción de lodos El diámetro mínimo de la tubería para la remoción de lodos será de 200 mm y deberá estar ubicado 15 cm por encima del fondo del tanque. Para la remoción se requerirá de una carga hidráulica mínima de 1,80 m..5.3.4 Area de ventilación y cámara de natas- Para el diseño de la superficie libre entre las paredes del digestor y el sedimentador (zona de espuma o natas) se tendrán en cuenta los siguientes criterios: 2.2.
El espaciamiento libre será de 1,0 m como mínimo. La superficie libre total será por lo menos 30% de la superficie total del tanque. El borde libre será como mínimo de 0,30 cm Tanque séptico
Los tanques sépticos se utilizarán por lo común para el tratamiento de las aguas residuales de familias que habitan en localidades que no cuentan con servicios de alcantarillado o que la conexión al sistema de alcantarillado les resulta costosa por su lejanía. El uso de tanques sépticos se permitirá en localidades rurales, urbanas y urbanomarginales.
Las aguas residuales pueden proceder exclusivamente de las letrinas con arrastre hidráulico o incluir también las aguas grises domésticas (generadas en duchas, lavaderos, etc.). El tanque séptico con su sistema de eliminación de efluentes (sistema de infiltración), presenta muchas de las ventajas del alcantarillado tradicional. No obstante, es más costoso que la mayor parte de los sistemas de saneamiento in situ. También requiere agua corriente en cantidad suficiente para que arrastre todos los desechos a través de los desagües hasta el tanque. Los desechos de las letrinas con arrastre hidráulico, y quizás también de las cocinas y de los baños, llegan a través de desagües a un tanque séptico estanco y herméticamente cerrado, donde son sometidos a tratamiento parcial. Tras un cierto tiempo, habitualmente de 1 a 3 días, el líquido parcialmente tratado sale del tanque séptico y se elimina, a menudo en el suelo, a través de pozos de percolación o de zanjas de infiltración. Muchos de los problemas que plantean los tanques sépticos se deben a que no se tiene suficientemente en cuenta la eliminación del efluente procedente del tanque séptico. 2.2.1.
Objetivos del tanque séptico
Uno de los principales objetivos del diseño del tanque séptico es crear dentro de este una situación de estabilidad hidráulica, que permita la sedimentación por gravedad de las partículas pesadas. El material sedimentado forma en la parte inferior del tanque séptico una capa de lodo, que debe extraerse periódicamente. La eficiencia de la eliminación de los sólidos por sedimentación puede ser grande, Majumder y sus colaboradores (1960) informaron de la eliminación del 80% de los sólidos en suspensión en tres tanques sépticos de Bengala occidental, y se han descrito tasas de eliminación similares en un solo tanque cerca de Bombay. Sin embargo, los resultados dependen en gran medida del tiempo de retención, los dispositivos de entrada y salida y la frecuencia de extracción de lodos (período de limpieza del tanque séptico). Si llegan repentinamente al tanque grandes cantidades de líquido, la concentración de sólidos en suspensión en el efluente puede aumentar temporalmente, debido a la agitación de los sólidos ya sedimentados. La grasa, el aceite y otros materiales menos densos que flotan en la superficie del agua formando una capa de espuma pueden llegar a endurecerse considerablemente. El líquido pasa por el tanque séptico entre dos capas constituidas por la espuma y los lodos. La materia orgánica contenida en las capas de lodo y espuma es descompuesta por bacterias anaerobias, y una parte considerable de ella se convierte en agua y gases. Los lodos que ocupan la parte inferior del tanque séptico se compactan debido al peso del líquido y a los sólidos que soportan. Por ello su volumen es mucho menor que el de los sólidos contenidos en las aguas servidas no tratadas que llegan al tanque. Las burbujas de gas que suben a la superficie crean cierta perturbación en la corriente del líquido. La velocidad del proceso de digestión aumenta con la temperatura, con el máximo alrededor de los 35°C. El empleo de desinfectantes en cantidades anormalmente grandes hace que mueran las bacterias, inhibiendo así el proceso de digestión. El líquido contenido en el tanque séptico experimenta transformaciones bioquímicas, pero se tiene pocos datos sobre la destrucción de los agentes patógenos.
Como el efluente de los tanques sépticos es anaerobio y contiene probablemente un elevado número de agentes patógenos, que son una fuente potencial de infección, no debe usarse para regar cultivos ni descargarse canales o aguas superficiales sin permiso de la autoridad sanitaria de acuerdo al reglamento nacional vigente. El ingeniero responsable del proyecto, debe tener en claro las ventajas y desventajas que tiene el emplear el tanque séptico para el tratamiento de las aguas residuales domésticas, antes de decidir emplear esta unidad en una determinada localidad. a. Ventajas
Apropiado para comunidades rurales, edificaciones, condominios, hospiles, etc. Su limpieza no es frecuente. Tiene un bajo costo de construcción y operación. Mínimo grado de dificultad en operación y mantenimiento si se cuenta con infraestructura de remoción de lodos.
b. Desventajas
De uso limitado para un máximo de 350 habitantes. También de uso limitado a la capacidad de infiltración del terreno que permita disponer adecuadamente los efluentes en el suelo. Requiere facilidades para la remoción de lodos (bombas, camiones con bombas de vacio, etc.).
2.2.2. Principios de diseño 3.
Prever un tiempo de retención de las aguas servidas, en el tanque séptico, suficiente para la separación de los sólidos y la estabilización de los líquidos. Prever condiciones de estabilidad hidráulica para una eficiente sedimentación y flotación de sólidos. Asegurar que el tanque sea lo bastante grande para la acumulación de los lodos y espuma. Prevenir las obstrucciones y asegurar la adecuada ventilación de los gases. Tanque de Sedimentación Primaria
Siempre que un liquido que contenga SS se encuentre en estado relativo de reposo, los sólidos de peso específico superior al del líquido tienen tendencia a depositarse en y los de menor peso especifico tienden a ascender. La finalidad del tratamiento por sedimentación es eliminar los sólidos fácilmente sedimentables y del material flotante y, por lo tanto reducir el contenido de sólidos en suspensión en el agua. Los tanques de sedimentación primaria contribuyen de manera importante al tratamiento del agua residual. Cuando se utilizan como único medio de tratamiento, su objetivo principal es la eliminación de: Sólidos sedimentables capaces de formar depósitos de fango en las aguas receptoras; aceite libre, grasas y otras materias flotantes, y parte de la carga
orgánica vertida a las aguas receptoras. Cuando los tanques se emplean como paso previo de tratamientos biológicos, el cual es el caso del proyecto, su función es la reducción de la carga afluente a los reactores biológicos. Los tanques de sedimentación primaria dimensionados y operados de manera eficiente pueden eliminar entre el 25 y 40% de la DBO 3.1.
Fundamentos del Diseño
Si todos los sólidos presentes en el agua residual fueran partículas discretas de tamaño, densidad, peso específico y forma uniforme, la eficiencia de eliminación de estos sólidos dependería solamente del área superficial del tanque y del tiempo de retención. En tal caso, suponiendo que las velocidades de circulación horizontales se mantuvieran por debajo de las de arrastre, la profundidad del tanque tendría poca importancia. Sin embargo, en la realidad, los sólidos de la mayoría de las aguas residuales no presentan características regulares debido a su naturaleza heterogénea 3.2.
Tipo de tanques de sedimentación
La mayoría de las plantas de tratamiento utilizan tanques de sedimentación de diseño normalizado, rectangulares o circulares, con dispositivos mecánicos para la recolección y desalojo de lodos. El flujo horizontal predomina en los sedimentadores horizontales, a diferencia del flujo radial que ocurre en sedimentadores circulares. Los sedimentadores rectangulares cuentan con barredores con cadenas o puentes móviles, para la recolección de lodos sedimentados. Las espumas que se generan en los tanques de sedimentación son recolectadas por medio de desnatadores que se mueven sobre la superficie del líquido. En instalaciones donde la cantidad de espuma es considerable, los pozos para espuma están equipados con agitadores que promueven una mezcla homogénea antes del bombeo 4. Marco legal de aguas residuales En el Perú, el sector saneamiento, pertenece al sector público. La Superintendencia Nacional de Servicios de Saneamiento, SUNASS, es la encargada de regular, supervisar y fiscalizar el mercado de servicios de agua potable. El Estado promueve la participación del sector privado mediante procesos de concesión a nivel nacional, enmarcado en la Ley General de Servicios de Saneamiento, Ley N° 26338 y su Reglamento. • • • •
Constitución Política del Perú 31/10/1993 Base del ordenamiento jurídico nacional. Ley de Reforma sobre Descentralización Ley N° 27680 Las municipalidades promueven, apoyan y reglamentan la participación vecinal en el desarrollo local. Ley General de Salud Ley N° 26842 El abastecimiento del agua, alcantarillado, disposición de excretas, rehusó de aguas servidas y disposición de residuos sólidos quedan sujetos a las disposiciones que dicta la Autoridad de Salud competente, la que vigilara su cumplimiento.
Ley General del Ambiente
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Ley N° 28611 El estado promueve el tratamiento de las aguas residuales con fines de reutilización considerando como premisa la obtención de la calidad necesaria de rehuso, sin afectar la salud humana, el ambiente o las actividades en las que se reutilizan. Aprueban los ECA para Agua Decreto Supremo N° 002-2008-MINAM Aprueban estándares de calidad ambiental para agua publicado en el Diario El Peruano el 31 de Junio de 2008. Aprueban disposiciones para la implementación de los ECAs para Agua Decreto Supremo N° 023-2009-MINAM Aprueban disposiciones para la implementación de los estándares nacionales de calidad ambiental (ECA) para agua. A partir del 01 de Abril del 2010. Aprueban Límites Máximos Permisibles para los efluentes de PTAR Domésticas o Municipales Decreto Supremo N° 003-2010-MINAM Cumplimiento de los límites máximos permisibles de PTAR. Ley Marco para la Inversión Privada D.L. Nº 757 Garantiza la libre iniciativa y las inversiones privadas en todos los sectores de la actividad económica y en cualquiera de las formas empresariales o contractuales permitidas por la Constitución y las Leyes.
5. Definiciones
Sólido sedimentable: Partícula presente en el agua residual, que tiene la propiedad de precipitar fácilmente. Aguas servidas: Son todas las aguas de alcantarillado ya sean de origen domésticos (aguas de las casas habitación, edificios comerciales, etc.) o industrial, una vez que han sido utilizadas por el hombre. Afluente: Líquido que llega a una unidad o lugar determinado, por ejemplo el agua que llega a una laguna de estabilización. Cámara o compartimiento: Compartimiento estanco, en que se divide el tanque séptico para mejorar el tratamiento de las aguas residuales. Caudal: Volumen de agua que pasa por un punto dado por unidad de tiempo. Se expresa normalmente en l/seg o m3/seg. Efluente: Líquido que sale de una unidad o lugar determinado, por ejemplo agua que sale de una laguna de estabilización. Lodos: Sólidos que se encuentran en el fondo del tanque séptico. Nata: Sustancia espesa que se forma sobre el agua almacenada en el tanque séptico, compuesto por residuos grasos y otro tipo de desechos orgánicos e inorgánicos flotantes Adsorción: Fenómeno fisicoquímico que consiste en la fijación de sustancias gaseosas, líquidas o moléculas libres disueltas en la superficie de un sólido. Absorción: Fijación y concentración selectiva de sólidos disueltos en el interior de un material sólido, por difusión. Acidez: La capacidad de una solución acuosa para reaccionar con los iones hidroxilo hasta un pH de neutralización. Acuífero: Formación geológica de material poroso capaz de almacenar una apreciable cantidad de agua.
Anaerobio: Condición en la cual no hay presencia de aire u oxígeno libre. Análisis: El examen de una sustancia para identificar sus componentes. Aplicación en el terreno: Aplicación de agua residual o lodos parcialmente tratados, bajo condiciones controladas, en el terreno. Bacterias: Grupo de organismos microscópicos unicelulares, con cromosoma bacteriano único, división binaria y que interviene en los procesos de estabilización de la materia orgánica. Biopelícula: Película biológica adherida a un medio sólido y que lleva a cabo la degradación de la materia orgánica. By-pass: Conjunto de elementos utilizados para desviar el agua residual de un proceso o planta de tratamiento en condiciones de emergencia, de mantenimiento o de operación. Cámara de contacto: Tanque alargado en el que el agua residual tratada entra en contacto con el agente desinfectante. Carbón activado: Gránulos carbonáceos que poseen una alta capacidad de remoción selectiva de compuestos solubles, por adsorción. Carga del diseño: Relación entre caudal y concentración de un parámetro específico que se usa para dimensionar un proceso del tratamiento.
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