Descargar - Universidad Nacional Agraria La Molina

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA
Facultad de Ingeniería Agrícola
Departamento de Ordenamiento Territorial y
Desarrollo Sostenible
III DIPLOMADO EN SANEAMIENTO SOSTENIBLE
TRABAJO MONOGRÁFICO
“TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DOMESTICAS
MEDIANTE HUMEDALES ARTIFICIALES EN LA COMUNIDAD DE
RUMICHACA”
PROFESORA
Ing. MIGLIO TOLEDO, Rosa María
ALUMNO
Ing. VILLARROEL CÁRDENAS, Juan José
Lima, noviembre 2012
Tratamiento de aguas residuales domesticas mediante biofiltros en la comunidad de Rumichaca - Ayacucho.
CONTENIDO
1.
Introducción
2.
Justificación
3.
Objetivo
3.1 Objetivos específicos.
4.
Revisión Bibliográfica
5.
Materiales y métodos
5.1. Diagnostico del Lugar
5.1.1
Ubicación
5.1.2
Accesibilidad
5.1.3
Clima
5.1.4
Temperatura
5.1.5
Mapa de Ubicación
5.1.6
Salud
5.1.7
Servicio de agua potable
5.1.8
Red de desagüe
5.1.9
Servicios de energía eléctrica
5.1.10 Actividades productivas
5.2. Explicar la metodología aplicada y/o la propuesta de intervención.
a) Pretratamiento
b) Tratamiento Primario
c) Tratamiento Secundario
5.2.1 Información básica
5.2.1.1 Beneficiarios
5.2.1.2 Población futura
5.2.1.3 Emisión de aguas servidas
5.2.1.4 Planta de procesamiento de productos lácteos
5.2.2 Trabajos complementarios
5.2.2.1 Visita al terreno
5.2.2.2 Levantamiento topográfico
5.2.3 Requerimiento mínimo del Proyecto
5.3
Descripción de la propuesta
5.3.1 Diseño de las infraestructuras en el proceso de Tratamiento de AR
5.3.1.1 PRETRATAMIENTO
a). Cajón de Llegada
2
Tratamiento de aguas residuales domesticas mediante biofiltros en la comunidad de Rumichaca - Ayacucho.
b). Canal de entrada
c). Cribado
d). Medidor de caudal (canal Parshall)
e). Desarenador
f). Decantador
g). Trampa de grasas
5.3.1.2 TRATAMIENTO PRIMARIO
I).
Tanque Imhoff
Ventajas
Desventajas
I.1 Consideraciones para el diseño del Tanque Imhoff.
I.2 Diseño del sedimentador.
a). Caudal de diseño (m3/hora)
b). Área del sedimentador. As (m2)
c). Volumen del sedimentador. Vs (m3)
d). Longitud mínima del vertedero de salida. Lv (m).
I.3 Diseño del digestor.
a). Volumen de almacenamiento y digestión. Vd (m3)
b). Tiempo requerido para digestión de lodos
c). Frecuencia del retiro de lodos.
I.4 Extracción de lodos
I.5 Área de ventilación y cámara de natas
II). Lecho de secado de lodos.
a). Carga de sólidos que ingresa al sedimentador C (kgSS/dia)
b). Volumen diario de lodos digeridos Vld (litros/día).
c). Volumen de lodos a extraerse del tanque Vel (m3).
d). Área del lecho de secado Als (m2).
III). Cajón de distribución de agua
5.3.1.3 TRATAMIENTO SECUNDARIO
I).
Humedal artificial
I.1 Mecanismo de remoción en un Humedal artificial
I.2 Materia orgánica
I.3 Degradación aeróbica
I.4 Degradación anaeróbica
I.5 Sólidos suspendidos
I.6 Nitrógeno
3
Tratamiento de aguas residuales domesticas mediante biofiltros en la comunidad de Rumichaca - Ayacucho.
I.7 Consumo de las plantas
I.8 Adsorción en el lecho filtrante
I.9 Fosforo
I.10 Metales
I.11 Patógenos
II). Diseño de Humedal artificial
II.1. Información requerida para el diseño del sistema de tratamiento
II.2. Criterios de diseño en función de la remoción de contaminantes
II.3. Criterios de diseño en función de los requerimientos hidráulicos
II.4. Criterios para la selección del material del lecho filtrante
II.5. Porosidad de materiales para el lecho filtrante
II.6. Granulometría
II.7. Instalación de las tuberías de drenaje de los lechos
II.8. Caja de recolección del efluente.
6.
Resultados
6.1. Remoción de DBO5 y DQO
6.2. Remoción de nitrógeno total
6.3. Remoción de fosfatos totales
6.4. Remoción de sólidos suspendidos
6.5. Remoción de Coliformes totales y E. Coli
6.6. Remoción de Enteroparásitos Helmintos
6.7. Resultado de los ensayos de riego agrícola con el efluente del Humedal artificial
7.
Conclusiones
8.
Recomendaciones
9.
Bibliografía consultada, incluir la consultada en internet.
Lima, noviembre del 2012
4
Tratamiento de aguas residuales domesticas mediante biofiltros en la comunidad de Rumichaca - Ayacucho.
1.
Introducción
El presente proyecto se desarrolla en la comunidad de Rumichaca, ubicada en el distrito de
Jesús de Nazareno, provincia de Huamanga, departamento de Ayacucho, donde las
condiciones de saneamiento constituyen uno de los problemas más críticos de la salud
pública, que afecta a la población en general y al entorno ambiental, principalmente a las
comunidades aledañas a la cuenca del rio Chacco (lugar donde desembocan las aguas
servidas). Esta situación, requiere una intervención prioritaria que disminuya los efectos
ambientales y los problemas de salud.
El sistema de alcantarillado de la Comunidad de Rumichaca descarga al rio Alameda, el
mismo que es utilizado aguas abajo para el riego de cultivos de plantas de tallo corto, medio
y largo (lechuga, ajos, zanahoria, cebolla, frutales, etc); posteriormente estos productos son
comercializados en los mercados locales para el consumo de la población.
Con el propósito de contribuir a la disminución de los efectos de esta problemática, se ha
realizado un estudio técnico, planificado e integral, para el diseño del sistema de tratamiento
de aguas residuales de la comunidad de Rumichaca, considerando en este las normas
establecidas por diferentes organismos referentes a sistemas de agua y saneamiento.
El objetivo principal del estudio es mitigar la contaminación ambiental que generan las
descargas de aguas residuales directamente al rio Alameda, y de estas al río Huatatas y la
microcuenca del río Chacco, descarga que se realiza sin ningún tratamiento previó. Para el
logro de este objetivo es necesario contar con una planificación adecuada; en el presente
estudio técnico describiremos la evaluación del alcantarillado sanitario existente, el diseño
de colectores, obras especiales y la planta de tratamiento de las aguas residuales. El
tratamiento se realizará en un área sin uso poblacional, ubicada en la parte baja de la
comunidad que es el límite urbano de la ciudad.
Las decisiones adoptadas para la presente propuesta están basadas en la revisión y
constatación de la problemática social y la contaminación del medio ambiente, aire y agua.
En tal sentido, se concluyó que los problemas existentes son serios y que es absolutamente
necesario la construcción de un sistemas alternativo con tecnologías apropiadas para el
tratamiento de aguas servidas, en beneficio de la comunidad de Rumichaca. Por lo tanto, se
propone el diseño del proyecto: TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DOMESTICAS
MEDIANTE HUMEDALES ARTIFICIALES EN LA COMUNIDAD DE RUMICHACA.
5
Tratamiento de aguas residuales domesticas mediante biofiltros en la comunidad de Rumichaca - Ayacucho.
2. Justificación:
En la comunidad de Rumichaca los índices de enfermedades en niños demuestran un
alarmante crecimiento a causa de las inadecuadas condiciones de saneamiento básico y
ambiental, que favorecen la presencia de moscas, cucarachas, ratas y otros vectores que
transmiten enfermedades. Los problemas de salud más frecuentes lo constituyen las
enfermedades diarreicas, siendo una de las causas que genera mayor morbi-mortalidad,
sobre todo en la población de niños menores de 5 años. Por lo que, es de prioridad
implementar adecuados sistemas de prevención para evitar la propagación de las
enfermedades relacionadas al saneamiento básico.
Desde el punto de análisis costo – beneficio, los costos serán accesibles considerando que
este sistema permitirá a la población de Rumichaca, el beneficio a la mejora de las
condiciones de vida y mejores condiciones de salud de la población. De otra parte en el
aspecto financiero, se han determinado alternativas de tratamiento que permitan costos de
operación y mantenimiento bajos.
La contaminación de las aguas superficiales y el uso irresponsable para riego aguas abajo,
pone en riesgo la salud de las personas. Las aguas residuales domesticas e industriales en
su conjunto están constituidos por elementos con características especificas como: sólidos,
nutrientes, patógenos y materia orgánica en términos de DBO y DQO, que son nocivos para
la salud. Por lo tanto, el diseño del sistema de tratamiento de aguas servidas, pretende
solucionar la problemática en la zona y permitirá cumplir los parámetros admisibles de los
Estándares Nacional de Calidad Ambiental.
La propuesta de ejecución del presente proyecto, se plantea en el marco del Sistema
Nacional de Inversión Pública, para lo cual, se elaborará el expediente técnico que
constituirá el diseño definitivo del proyecto “Tratamiento de aguas residuales domesticas
mediante humedales artificiales en la comunidad de Rumichaca del distrito de Jesús
de Nazareno - Ayacucho”.
3. Objetivo
Diseñar un sistema de tratamiento de aguas residuales con tecnologías apropiadas de fácil
control, operación y mantenimiento; que permita reducir el nivel de contaminantes y
garantice su reúso para el riego de vegetales, bebida de animales y que no represente
riesgo significativo para la salud de las personas ni para el ambiente de la Comunidad de
Rumichaca.
3.1 Objetivos específicos.
-
Diseñar los componentes en la etapa de Pretratamiento como: Captación, cribado,
Parshall, Desarenador y Trampa de grasas.
-
Diseñar los componentes en la etapa de Tratamiento Primario: Tanque Imhoff, Lecho de
secado, Gradas de aireación, Caja de distribución de caudales.
-
Diseñar los componentes en la etapa de tratamiento secundario: Humedales artificiales
(biofiltros).
6
Tratamiento de aguas residuales domesticas mediante biofiltros en la comunidad de Rumichaca - Ayacucho.
4. Revisión Bibliográfica
Para el presente trabajo se ha revisado la bibliografía siguiente:







Investigación y experiencias con biofiltros en Nicaragua, centro América; CONGRESO
INTERAMERICANO DE INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL, MÉXICO.
Evaluación de riesgos para la salud por el uso de las aguas residuales en agricultura;
CENTRO PANAMERICANO DE INVESTIGACIÓN SANITARIA, LIMA, PERÚ.
Análisis y ensayos para incrementar la eficiencia de tratamiento de biofiltros en países
de clima tropical. INGENIERÍA QUÍMICA, UNI, MANAGUA.
Guía para el diseño de tanques sépticos, tanques imhoff y lagunas de estabilización;
ORGANIZACIÓN PANAMERICANA DE LA SALUD OPS, Lima.
Manual de diseño: humedal construido para el tratamiento de las aguas grises por
biofiltración; BREN SCHOOL OF ENVIRONMENTAL SCIENCE AND MANAGEMENT,
UNIVERSITY OF CALIFORNIA, SANTA BARBARÁ.
Biofiltro, una opción sostenible para el tratamiento de aguas residuales en pequeñas
localidades; CEPIS – OPS.
Depuración de aguas residuales municipales con humedales artificiales; UNIVERSIDAD
POLITÉCNICA DE CATALUÑA, BARCELONA, mayo 1999.
5. Materiales y métodos
5.1 Diagnostico del Lugar
5.1.1 Ubicación
La comunidad de intervención se ubica geográficamente en:
Región
Provincia
Distrito
Comunidad
:
:
:
:
Ayacucho
Huamanga
Jesús nazareno
Rumichaca
Los límites de la zona de estudio son los siguientes:
Norte
Sur
Este
Oeste
:
:
:
:
Distrito de Pacaycasa y Quinua
Distrito de Ayacucho
Distrito de Tambillo y Ayacucho
Distrito de Ayacucho
Las coordenadas de la zona del proyecto:
Latitud Sur
Longitud Oeste
:
:
12°10’ a 15º 33’
72°51’ a 75º 08’
5.1.2 Accesibilidad
La accesibilidad al área del proyecto es a través de la vía terrestre asfaltada Huamanga Huanta, a una distancia de 2.5 Km. La zona del proyecto tiene una amplia articulación
con las diferentes comunidades, distritos, provincias de la región; a través de una serie de
caminos de herradura, trochas carrozables y carreteras; siendo el eje vial principal la Vía
hacia el VRAEM.
7
Tratamiento de aguas residuales domesticas mediante biofiltros en la comunidad de Rumichaca - Ayacucho.
5.1.3 Clima
El clima de la zona corresponde a templado seco con una temperatura anual promedio de
18 °C, con una precipitación promedio de 540 mm/por año y una humedad que varía en
un rango de 56 a 60%. Presenta tres estaciones: lluviosa (diciembre, enero, febrero y
marzo) intermedia (abril, septiembre, octubre y noviembre) y secano (mayo, junio, julio y
agosto).
5.1.4 Temperatura
La temperatura media anual es de 18ºC. La mínima media mensual se presenta en
invierno con 14°C, la máxima media mensual se registra en verano con 30°C.
5.1.5 Mapa de Ubicación
MAPA N° 1
8
Tratamiento de aguas residuales domesticas mediante biofiltros en la comunidad de Rumichaca - Ayacucho.
MAPA N° 2
MAPA SATELITAL RUMICHACA
5.1.6 Salud
Las enfermedades predominantes en la zona, son las infecciones respiratorias agudas
(IRA), y las enfermedades diarreicas agudas (EDA). Asimismo, se tienen infecciones a la
piel, enfermedades parasitarias, enfermedades articulares, entre otros.
La población en general acude y es atendida en el centro de salud de Nazarenas, con el
correspondiente traslado a otras instalaciones como el Hospital de Huamanga o
ESALUD, cuando la situación lo requiera y dependiendo del grado de afección del
paciente.
5.1.7 Servicio de agua potable
En la actualidad la zona periurbana de Rumichaca cuenta con un sistema de
abastecimiento de agua en condiciones regulares de funcionamiento debido a su precaria
administración, operación y mantenimiento, por no contar con un personal técnico
calificado en la materia. El agua consumida por los pobladores NO se encuentra
potabilizada, lo que no garantiza la calidad del servicio, por lo que resulta un problema
muy grave para la salud de la población.
5.1.8 Red de desagüe
En la actualidad la zona periurbana cuenta con un sistema de desagüe en buen estado
de funcionamiento; sin embargo, las aguas negras están siendo vertidas al río Alameda.
5.1.9 Servicios de energía eléctrica
La comunidad de Rumichaca cuenta con abastecimiento de energía eléctrica en forma
constante, la misma que proviene de la red del río Mantaro.
9
Tratamiento de aguas residuales domesticas mediante biofiltros en la comunidad de Rumichaca - Ayacucho.
5.1.10 Actividades productivas
La principal actividad económica en la zona de proyecto es la agricultura (distrito de
Nazarenas - Rumichaca), debido a que la zona posee condiciones propicias para el
cultivo de diversas variedades, siendo la fuente principal de ocupación de la población.
El cultivo más representativo en la zona son las hortalizas, pero también se siembra
maíz, chala (para ganadería). Estos productos son utilizados en la pequeña industria. La
actividad pecuaria que se desarrolla en la comunidad de Rumichaca, es de carácter
domestico y mayormente para consumo, los excedentes son comercializados en el
mercado local.
5.2 Metodología propuesta.
El proceso metodológico para el presente estudio consta de tres etapas generales:
-
-
Organización y preparación del estudio.- Que consiste en la recopilación y revisión de
información existente sobre la comunidad de Rumichaca.
Diagnostico situacional.- Consiste en la revisión de las características de los
beneficiarios, los servicios que se prestan, fortalezas y debilidades de la zona del
proyecto.
Diseño, Cálculo y Formulación de la propuesta.- Comprende la formulación del
estudio.
La metodología aplicada, está basada en un diagnostico relacionado al tratamiento de
aguas servidas en la zona, evaluando el vertimiento al cuerpo receptor y su relación con
la salud de las personas y el medio ambiente. Posteriormente se complemento con una
gestión realizada con el gobierno local con la finalidad de lograr el financiamiento para la
elaboración del Perfil Técnico y el compromiso de considerar en sus planes el
presupuesto para su implementación.
Para la selección del sistema de tratamiento de las aguas servidas, se han tenido en
consideración parámetros de evaluación de acuerdo las exigencias normativas, como: el
tamaño de la población, terreno disponible para la construcción del sistema,
características de la fuente receptora, requerimiento de operación y mantenimiento, uso
de los efluentes tratados y el estudio de impacto ambiental.
Para la selección del sistema de tratamiento de aguas servidas, ha tenido influencia
directa la población que habita actualmente tanto en la comunidad de Rumichaca y
alrededores. La necesidad de construir un sistema que pueda garantizar el tratamiento de
las aguas servidas en un futuro cercano y garantizar la salubridad de las personas
beneficiarias, ha permitido definir la construcción del sistema de tratamiento aguas
residuales mediante Humedales Artificiales que constara de los siguientes elementos:
a). Pretratamiento
- Buzón de Llegada
- Canal de entrada
- Cribado
- Desarenador
- Decantador
- Atrapador de grasas
10
Tratamiento de aguas residuales domesticas mediante biofiltros en la comunidad de Rumichaca - Ayacucho.
b). Tratamiento Primario
- Tanque Imhoff
- Lecho de secado
- Caja de distribución de agua
c). Tratamiento Secundario
- Humedales artificiales de flujo horizontal
- Caja de recolección del efluente
La propuesta de intervención concluye en la elaboración del Expediente Técnico del
sistema seleccionado, para su diseño se ha recopilado la información necesaria que
permita concluir satisfactoriamente con el diseño de los componentes e infraestructuras
considerados en cada proceso del sistema.
5.2.1 Información básica
5.2.1.1 Beneficiarios
Los beneficiarios directos del proyecto son los pobladores del centro poblado de
Rumichaca, conformada de la siguiente manera:
CUADRO N° 1
POBLACIÓN BENEFICIARIA
CENTRO POBLADO
Rumichaca
N° FAMILIAS
150
N° HAB/FAMILIA
N° HABITANTES
3.5
525
5.2.1.2 Población futura
Los valores de población futura que se han considerado para la siguiente propuesta
fueron tomados directamente de las proyecciones que considera el INEI. Por lo tanto, se
ha determinado que la población futura para el 2032, tiempo de vida útil del proyecto será
de 816 habitantes.
5.2.1.3 Emisión de aguas servidas
De acuerdo a las normas nacionales, la dotación de agua para consumo humano en la
Sierra está clasificada para zona fría hasta 120 lt/hab-día y para zonas intermedias hasta
150 lt/hab-día, se considera el promedio y se incrementa lo utilizado por una planta
procesadora de productos lácteos, ubicada en la zona alta al norte de la comunidad.
Consecuentemente, la emisión de aguas servidas a los colectores se establece con un
coeficiente del 80%. Así, se tiene los siguientes caudales de diseño para la población de
Rumichaca.
11
Tratamiento de aguas residuales domesticas mediante biofiltros en la comunidad de Rumichaca - Ayacucho.
CUADRO N° 2
PARÁMETROS DE DISEÑO
PARÁMETROS
CANTIDAD
UNIDAD
525
Habitantes
Periodo de diseño
20.00
Años
Tasa de crecimiento poblacional (r)
2.23
%
Población de diseño
816
Habitantes
Dotación
150
lt/hab/día
Coeficiente de retorno
80
Población actual
Caudal de Aguas residuales actual (Qa):
Caudal de Aguas residuales futura (Qf):
%
3
63.00
m /día
0.729
l/s
97.92
m3/día
1.133
l/s
5.2.1.4 Planta de procesamiento de productos lácteos
Adicionalmente, en la zona de estudio está proyectado el funcionamiento de una planta
de procesamiento de productos lácteos, diseñado para su operación en dos áreas, el de
de procesamiento de leche y una molinera de productos lácteos. En el área de leche se
procesa 2000 litros de leche, utiliza 2 m3/día de agua, produciendo y desechando el 2%
de sólidos grasos al alcantarillado (suero y grasas). El área de molido procesa 15 Tm/día
de productos lácteos (quinua, trigo, ojuelas, soya, habas, maíz, quiwicha, avena sacha
inchi, cebada, entre otros), para lo cual utiliza 3m3/día de agua, produciendo el 3% de
materia orgánica.
En vista que esta planta utilizara 5m3/día de agua, para el diseño del sistema de
tratamiento se ha estimado un incremento de 20 lt/hab/día, al consumo de agua por
habitante que en este caso estamos considerando 130 lt/hab/día (norma OS.100, entre
clima frio y templado). Por lo tanto, el consumo de planta 20 lt/hab/día mas el consumo
de población 130 lt/hab/día, hacen un total de 150 lt/hab/día. En vista que se tienen alto
contenido de materia orgánica y por lo tanto mayor DBO, se considera en el proyecto una
trampa de grasas.
5.2.2 Trabajos complementarios
Posterior a esta actividad se considera los siguientes aspectos:
5.2.2.1 Visita al terreno
Se visito el lugar donde se ejecutará el proyecto, el lugar es adecuado topográficamente y
cuenta con los accesos y entornos adecuados para la operatividad del sistema.
5.2.2.2 Levantamiento topográfico
Se realizó el levantamiento topográfico y se elaboraron los perfiles longitudinales y
secciones transversales de la zona donde se proyecta la ubicación de la planta de
tratamiento.
12
Tratamiento de aguas residuales domesticas mediante biofiltros en la comunidad de Rumichaca - Ayacucho.
5.2.3 Requerimiento mínimo del Proyecto
Para la implementación del proyecto se requiere la disponibilidad de un terreno de
aproximadamente de 600 m2, los cuales han sido donados por la comunidad de
Rumichaca.
5.3 Descripción de la propuesta
5.3.1 Diseño de las infraestructuras en el proceso de Tratamiento de AR
5.3.1.1 PRETRATAMIENTO
De acuerdo a los requerimientos y normas para la depuración de las aguas residuales
vigentes en nuestro País, en la comunidad de Rumichaca se ha diseñado un
pretratamiento que tiene como objetivo principal el de retener materiales gruesos, grasas
y sólidos sedimentables, los cuales causarían el mal funcionamiento del tratamiento
biológico.
Del análisis de factibilidad se llegó a la conclusión que la mejor alternativa para la
depuración de las aguas residuales de la comunidad de Rumichaca, es a través de la
depuración biológica debido a su bajo costo de operación y mantenimiento, la
temperatura es adecuada debido a que se trata de un clima subtropical con temperaturas
que oscilan entre 14 ºC – 30 ºC. Ya que los procesos de eliminación y estabilización de
los agentes contaminantes del agua residual, se realizan por transformación de la materia
orgánica, esta acción es lograda por la presencia de microorganismos y por la acción
metabólica y física química.
Para lograr mayor eficiencia en el tratamiento de las aguas residuales, se ha considerado
en la etapa de pretratamiento los siguientes componentes.
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
Caja de llegada
Canal de entrada al Cribado.
Cribado
Medidor de Caudal (canal Parshall)
Desarenador (rectangular)
Descantador Primario
Trampa de grasas
a). Caja de Llegada
Es la primera estructura que reciben las aguas del alcantarillado, la estructura tiene las
siguientes dimensiones 0.60x0.90x0.80 m., está constituido de una pantalla a modo de
rompe presión de 0.35x0.40 m., que permitirá que las aguas se dispersen en forma
homogénea. El tubo de entrada es de PVC de 300mm o de 12”. La estructura es de C°A°
con fierros de 3/8” de diámetro.
En esta parte se considera un caja de rebose de natas y separación de sólidos gruesos
de 0.45x0.50x0.70m.
b). Canal de entrada
El canal de entrada es la zona donde se distribuye el agua residual con una pendiente de
1.5% con dirección al área de cribado, en esta se considera opcionalmente una
compuerta de mantenimiento que podría ser remplazado por un medidor Parshall, el
13
Tratamiento de aguas residuales domesticas mediante biofiltros en la comunidad de Rumichaca - Ayacucho.
ancho de la entrada es de 0.15x0.71x0.51m. de longitud. La estructura es de C°A° con
fierros de 3/8” de diámetro.
c). Cribado
El cribado se emplea para la reducción de sólidos en suspensión de tamaños distintos. La
distancia o las aberturas de las rejillas dependen del objetivo de las mismas, y su
limpieza se realiza manualmente o mecánicamente. Los productos recogidos se
destruyen por procesos de digestión anaerobia, o se dirigen directamente al lecho de
secado.
Las rejas de barras paralelas cuya misión es separar los objetos contenidos en el agua a
medida que pasen por ella. La rejilla está constituido por fierros de A° de ½” de diámetro,
con una separación entre barras de 20mm. como mínimo. La separación de los sólidos se
realizara de forma manual. La estructura del canal es de C°A° con fierros de 3/8” de
diámetro.
Con las rejillas se prevé una eficiencia de retención entre los 25% a 35% de sólidos en
suspensión. En los procesos de tratamiento del agua residual se utilizan para proteger
bombas, válvulas, tuberías y otros elementos contra posibles daños y obturaciones,
ocasionadas por objetos de gran tamaño como trapos, palos, las rejillas o rejas de
limpieza manual son usados mayormente en plantas de tratamiento pequeñas. Los
barrotes o rejas deberán ir colocadas transversalmente al canal y tendrán una
inclinación de 30 a 80º con respecto a la horizontal, la longitud del área de cribado es de
1.11m.
d). Medidor de caudal (canal Parshall)
La medición de caudal tiene gran importancia en todas las plantas depuradas, para
poblaciones menores de 5000 el uso del Parshall es alternativo. Se ha seleccionado el
canal tipo Parshall para medir el caudal, debido a su bajo costo de operación y
mantenimiento, ya que este canal no requiere la inversión en mantenimiento para su
limpieza. En este caso podría considerase ya que el canal de entrada es de 0.15m de
espesor, remplazando a la compuerta metálica o conjugando con las dos alternativas.
e). Desarenadores
Normalmente los desarenadores se ubican después de las unidades que remueven
sólidos gruesos (tamizado) y antes de los tanques de sedimentación primaria. Las arenas
se remueven de las aguas residuales para proteger el digestor biológico, para evitar la
sedimentación y formación de depósitos de materiales sólidos pesados, para facilitar su
mantenimiento, y reducir la frecuencia de limpieza de secciones rectangular o cuadrada.
El desarenador de flujo horizontal trabaja con velocidades cercanas a los 0.3 m/s,
facilitando con esto que las partículas sedimenten hacia el fondo del canal. La velocidad
de flujo se controla con las dimensiones adoptadas y el correcto uso de vertederos con
secciones especiales para el efluente.
Las dimensiones del desarenador son de 0.77x0.40x2.56m., la estructura del canal es de
C°A° con fierros de 3/8” de diámetro y una pendiente de S=1.5%.
f). Decantador
El objetivo de la decantación primaria es la reducción de los sólidos suspendidos y la
eficiencia en el pretratamiento de las aguas bajo la exclusiva acción de la gravedad que
posteriormente llegaran al Imhoff. Por tanto sólo se puede pretender la eliminación de los
14
Tratamiento de aguas residuales domesticas mediante biofiltros en la comunidad de Rumichaca - Ayacucho.
sólidos sedimentables y las materias flotantes. La alimentación de los decantadores
rectangulares es generalmente por uno de los lados más estrechos, saliendo el agua por
el lado opuesto, también a través de un vertedero triangular. Las pocetas de
almacenamiento de fangos se sitúan a lo ancho del decantador rectangular en el lado de
entrada del agua. La extracción de flotantes se realiza manualmente. Para la separación
de los lodos se considera una válvula de purga de 8” y una caja de lodos para las
demasías y otra caja de almacenamiento desde donde se bombeara el agua para su
recirculación.
Las dimensiones del decantador es 6.20x4.00x1.70m., con una base reducida de 1.79 de
ancho, tiene una pendiente de S=7.84%, la estructura del decantador es de C°A° con
fierros de 3/8” de diámetro.
g). Trampa de grasas
El objetivo en este componente es eliminar grasas, aceites, espumas y demás materiales
flotantes más ligeros que el agua, que podrían distorsionar los procesos de tratamiento
biológico en el tanque Imhoff, se efectúa mediante sistema de tubos de 8” de diámetro ó
200mm. por presión interna de salida. La trampa de grasas separado del desarenador
son aconsejables cuando se busca una mayor calidad del agua o cuando el agua
proviene de ciertos tipos de industrias: comedores populares, plantas de productos
lácteos y otras que generen gran cantidad de aceites o grasas. En la propuesta planteada
para Rumichaca, consideramos este componente debido a que contamos con una planta
de productos lácteos que generaran sólidos grasos y materia orgánica. La estructura del
atrapador de grasas es de C°A° con fierros de 3/8” de diámetro y tuberías de entrada y
salida de 8” o de 200mm de diámetro.
5.3.1.2 TRATAMIENTO PRIMARIO
El tratamiento primario es denominado también proceso de sedimentación de aguas
residuales domésticas e industriales. Tiene como objetivo la remoción por medios físicos
o mecánicos de una parte sustancial del material sedimentable o flotante, es decir el
tratamiento primario es capaz de remover no solamente la materia que altera sino
también una fracción importante de la carga orgánica y que pueden representar entre el
25 y el 40% de la DBO y entre el 50 y 65% de los sólidos suspendidos .
I). Tanque Imhoff
El tanque Imhoff es una unidad de tratamiento primario cuya finalidad es la remoción de
sólidos suspendidos. Para comunidades menores a 5000 habitantes, los tanques imhoff
ofrecen ventajas para el tratamiento de aguas residuales domésticas, ya que integran la
sedimentación del agua y la digestión de los lodos sedimentados en la misma unidad, por
ese motivo también se le conoce como tanques de doble cámara.
Los tanques imhoff tienen una operación muy simple y no requiere de partes mecánicas,
sin embargo, para su uso correcto es necesario que las aguas residuales pasen por los
procesos de tratamiento preliminar de cribado y de remoción de arenas. El tanque Imhoff
típico es de forma rectangular y se divide en tres compartimientos: cámara de
sedimentación, cámara de digestión de lodos y área de ventilación y acumulación de
natas.
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
15
Tratamiento de aguas residuales domesticas mediante biofiltros en la comunidad de Rumichaca - Ayacucho.
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, que inevitablemente se producen en el proceso de digestión,
sean desviados hacia la cámara de natas o área de ventilación.
Estas unidades no cuentan con unidades mecánicas que requieran mantenimiento y la
operación consiste en la remoción diaria de espuma, en su evacuación por el orificio más
cercano y en la inversión del flujo por lo menos dos veces al mes, con la finalidad de
distribuir los sólidos de manera uniforme en los dos extremos del digestor y retirarlos
periódicamente al lecho de secado.
Los lodos acumulados en el digestor se extraen periódicamente y se conduce al lechos
de secado, donde el contenido de humedad se reduce por infiltración, después de lo cual
se retiran y se disponen de ellos enterrándolos o pueden ser utilizados para mejoramiento
de los suelos.
Ventajas.
 Contribuye a la digestión del lodo, produciendo un líquido residual de mejores
características.
 No descargan lodo en el líquido efluente.
 El lodo se seca y se evacua con más facilidad, 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
arenas.
 El tiempo de retención de estas unidades es menor.
 Tiene un bajo costo de construcción y operación.
 Para su construcción se necesita poco terreno.
 Son adecuados para ciudades pequeñas y para comunidades donde no se necesite
una atención constante y cuidadosa, y el efluente satisfaga ciertos requisitos
normados para evitar la contaminación de las fuentes hídricas.
Desventajas.
 Son estructuras profundas (mayores a 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 este vacío.
 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.
El tanque imhoff elimina del 40% al 50% de sólidos suspendidos y reduce el DBO en un
25 a 40%. 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
DBO y coliformes, lo que se recomienda es enviar el efluente hacia un humedal
artificial, con la finalidad de que haya una buena remoción de microorganismos en
el efluente.
I.1. Consideraciones para el diseño del Tanque Imhoff.
Para el dimensionamiento de tanque imhoff se tomó en consideración los criterios de la
Norma OS.090 “Planta Tratamiento de Agua Residuales” del Reglamento Nacional de
Edificaciones – DS N° 011-2006-VIVIENDA.
16
Tratamiento de aguas residuales domesticas mediante biofiltros en la comunidad de Rumichaca - Ayacucho.
I.2. Diseño del sedimentador.
El sedimentador se construirá de la misma forma que el digestor, la parte inferior tendrá
forma de “V”, con una pendiente o ángulo de 50° a 60°, una abertura que puede variar de
0.15m a 0.20m y uno de los lados prolongados con una longitud de 0.15 m. a 0.20 m.
La parte exterior de la pared del sedimentador deberá distar mínimo 1.00 m de la parte
interior de la pared de la cámara de almacenamiento.
a). Caudal de diseño (m3/hora)
Qp: = Dotación en litro/hab/día
b). Área del sedimentador. As (m2)
Donde:
Cs: carga superficial, igual a 1m3/ (m2 *hora)
c). Volumen del sedimentador. Vs (m3)
R = Periodo de retención hidráulica, entre 1.5 a 2.5 horas (recomendable 2 horas).
-
El fondo del tanque será de sección transversal en forma de V y la pendiente de los
lodos respecto a la horizontal tendrá de 50° a 60°.
-
En la arista central se debe dejar una abertura para paso de sólidos removidos hacia
el digestor, esta abertura será de .15 a .20m.
-
Uno de los lados deberá prolongarse de 15 a 20 cm, de modo que impida el paso de
gases y sólidos desprendidos del digestor hacia el sedimentador, situación que
reducirá la capacidad de remoción de sólidos en suspensión de esta unidad de
tratamiento.
d). Longitud mínima del vertedero de salida. Lv (m).
Donde:
Qmax: Caudal máximo diario de diseño, en m3 /día.
Chv: Carga hidráulica sobre el vertedero, estará entre 125 a 500 m3/ (m*día)
(Recomendable 250)
17
Tratamiento de aguas residuales domesticas mediante biofiltros en la comunidad de Rumichaca - Ayacucho.
I.3. Diseño del digestor.
a). Volumen de almacenamiento y digestión. Vd (m3)
Para el compartimiento de almacenamiento y digestión de lodos (cámara inferior) se
tendrá en cuenta lo siguiente.
CUADRO N° 3
FACTOR DE CAPACIDAD RELATIVA
TEMPERATURA
°C
FACTOR DE CAPACIDAD
RELATIVA (fcr)
5
2,0
10
1,4
15
1,0
20
0,7
>25
0,5
Donde:
fcr: factor de capacidad relativa
P: población.
-
El fondo de la cámara de digestión tendrá la forma de un tronco de pirámide invertida
(tolva de lodos), para facilitar el retiro de los lodos digeridos.
Las paredes laterales de esta tolva tendrán una inclinación de 15° a 30° con respecto
a la horizontal.
La altura máxima de los lodos deberá estar 0,50m por debajo del fondo del
sedimentador.
b). Tiempo requerido para digestión de lodos
El tiempo requerido para la digestión de lodos varia con la temperatura, para esto se
empleará la siguiente tabla.
CUADRO N° 4
TIEMPO DE DIGESTIÓN DE LODOS
TEMPERATURA °C
TIEMPO DE DIGESTIÓN EN DÍAS
5
110
10
76
15
55
20
40
>25
30
18
Tratamiento de aguas residuales domesticas mediante biofiltros en la comunidad de Rumichaca - Ayacucho.
c). Frecuencia del retiro de lodos.
- Los lodos digeridos deberán retirarse periódicamente, para estimar la frecuencia de
retiros de lodos se usaran los valores consignados en la tabla.
- La frecuencia de remoción de lodos deberá calcularse en base a estos tiempos
referenciales, considerando que existiría una mezcla de lodos frescos y lodos
digeridos, estos últimos ubicados al fondo del digestor. De este modo el intervalo de
tiempo entre extracciones de lodos sucesivas deberá ser por lo menos el tiempo de
digestión a excepción de la primera extracción en la que se deberá esperar el doble
de digestión.
I.4. Extracción de lodos
- El diámetro mínimo de la tubería para la remoción de lodos será de 0.20 m y deberá
estar ubicado 0.15m por encima del fondo del tanque.
- Para la remoción se requerirá de una carga hidráulica mínima de 1.80 m.
I.5. Área 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:
- El espaciamiento libre será de 1m como mínimo.
- La superficie total será por lo menos 30% de la superficie total del tanque.
- El borde libre será como mínimo de 0.30m.
- Las partes de la superficie del tanque deberán ser accesibles, para que puedan
destruirse o extraerse las espumas y los lodos flotantes
II). Lecho de secado de lodos.
Los lechos de secado de lodos son generalmente el método más simple y económico
de deshidratar los lodos estabilizados (lodos digeridos), lo cual resulta ideal para
pequeñas comunidades.
Pueden ser construidos de mampostería, de concreto o de tierra (con diques), con
profundidad total útil de 50 a 60 cm. El ancho de los lechos de secado es
generalmente de 3 a 6m, pero para instalaciones grandes pueden sobrepasar los 10m.
El medio de drenaje es generalmente de 0.30m de espesor y deberá tener los
siguientes componentes:
- El medio de soporte recomendado está constituido por una capa de 0.15m formada
por ladrillos colocados sobre el medio filtrante, con una separación de 0.02 a 0.03m
llena de arena.
- La arena es el medio filtrante y deberá tener un tamaño efectivo de 0.3 a 1.3 mm.
- Debajo de la arena se deberá colocar un estrato de grava graduada hasta .20m de
espesor.
19
Tratamiento de aguas residuales domesticas mediante biofiltros en la comunidad de Rumichaca - Ayacucho.
a). Carga de sólidos que ingresa al sedimentador C (kgSS/dia)
Donde:
SS: Sólidos en suspensión en el agua residual cruda, en mg/l.
Q: Caudal promedio de aguas residuales.
A nivel de proyecto se puede estimar la carga en función a la contribución percápita
de sólidos en suspensión, de la siguiente manera:
En las localidades que cuentan con el servicio de alcantarillado, la contribución
percápita se determina en base a una caracterización de las aguas residuales.
Cuando la localidad no cuenta con alcantarillado se utiliza una contribución percápita
promedio de 90 gr.SS/(hab*día).
Msd: Masa de sólidos que conforman los lodos (Kg SS/día)
b). Volumen diario de lodos digeridos Vld (litros/día).
Donde:
ρlodo: Densidad de los lodos, igual a 1,04 Kg/l.
% de sólidos: % de sólidos contenidos en el lodo, varía entre 8 a 12%.
c). Volumen de lodos a extraerse del tanque Vel (m3).
Donde:
Td: Tiempo de digestión, en días (ver tabla 2).
d). Área del lecho de secado Als (m2).
Donde:
Ha: Profundidad de aplicación, entre 0,20 a 0,40m
20
Tratamiento de aguas residuales domesticas mediante biofiltros en la comunidad de Rumichaca - Ayacucho.
-
El ancho de los lechos de secado es generalmente de 3 a 6 m., pero para
instalaciones grandes puede sobrepasar los 10 m.
III). Cajón de distribución de agua
El cajón de distribución de caudales, cumple la función aparte de distribuir el de oxigenar
el agua y realizar una última comprobación de la calidad de agua que ingresa al lecho
biológico.
5.3.1.3 TRATAMIENTO SECUNDARIO
El tratamiento secundario es un complemento del tratamiento primario, y se le utiliza en
las aguas residuales que aún conservan sólidos orgánicos en suspensión o en solución,
generalmente se llevan a cabo mediante procedimientos biológicos.
El tratamiento biológico tiene como finalidad estabilizar la materia orgánica y coagular y
remover los sólidos coloidales que no sedimentan, que se encuentran en las aguas
residuales domésticas y en los tanques Imhoff.
El papel que desempeñan los hongos y bacterias es el de descomponer la materia
orgánica a través del proceso conocido como metabolismo el cual transforma los
glúcidos, lípidos, hidratos de carbono en materia viva, es decir que las reacciones
catabólicas producen la descomposición de materia orgánica compleja en sustancias
simples, puesto que la liberación de energía y las reacciones catabólicas permiten la
formación de más moléculas complejas y generalmente requieren energía, la energía
para las reacciones anabólicas se obtienen de las reacciones catabólicas.
El tratamiento secundario emplea también procedimientos físico-químicos mediante los
cuales podemos llegar a la coagulación, a la oxidación de la materia carbonosa,
decantación y arrastre de bacterias. Así mismo los organismos que necesitan del oxígeno
para su supervivencia se denominan aerobios y los que viven en un ambiente privado de
oxigeno se denominan anaerobio, mientras que los facultativos pueden vivir en ausencia
o presencia del oxígeno.
I). Humedal Artificial
Para la aplicación de la tecnología de Humedal, se ha tomado en consideración la
experiencia del tratamiento de aguas residuales domésticas, experiencias desarrolladas
con el objetivo de investigar la viabilidad técnica y económica de la aplicación de esta
tecnología en otras regiones. Este sistema ha sido monitoreado cuidadosamente durante
muchos años, lo cual ha proporcionado una amplia base de datos que ayudará en el
diseño, operación y mantenimiento de sistemas de tratamiento de este tipo y su
aplicación en zonas adecuadas. Asimismo la investigación sobre la calidad microbiológica
de los productos agrícolas irrigados con el efluente del Humedal dio resultados óptimos.
Hasta el momento indican que esta tecnología constituye una de las alternativas más
efectiva y menos costosa, comparada con las tecnologías convencionales, permitiendo
además el reúso de aguas residuales tratadas en el riego agrícola.
El Humedal es un filtro biológico de grava y/o arena sembrado con plantas emergentes
atravesado con aguas residuales pre-tratadas, en el cual se desarrollan microorganismos,
bacterias, hongos, etc. Responsables para la degradación de la materia orgánica, se
recomienda para mayor eficiencia dos tipos de plantas, aquellas que se desarrollan en
condiciones de exceso de agua y nutrientes y aquellas plantas de raíces profundas cuya
importancia es la protección de aguas, suelo y fauna.
21
Tratamiento de aguas residuales domesticas mediante biofiltros en la comunidad de Rumichaca - Ayacucho.
El Humedal es un filtro de grava o arena sembrado con plantas de pantano y atravesado
de forma horizontal con aguas residuales pre-tratadas, las bacterias responsables para la
degradación de la materia orgánica, utilizan la superficie del lecho filtrante para la
formación de bacterias bastante estables que no pueden ser arrastradas hacia la salida
como sucede en las lagunas de oxidación, donde hay gran cantidad de materia orgánica
y algas en el efluente que pueden causar una eutrofización del cuerpo receptor.
El tratamiento biológico dentro de este lecho es del tipo facultativo lo que significa que en
el cuerpo del filtro hay microsomas sin y con oxigeno disuelto entre 0.80 – 1.20mg, y las
aguas que pasaron por un pretratamiento anaeróbico son completamente libres de
oxigeno, esto conlleva a agregar oxigeno al agua ya sea artificialmente o naturalmente
con el fin de crear bacterias aeróbicas que no solamente pueden contribuir de esta
manera a la descomposición de la materia orgánica, sino también de la nitrificación del
nitrógeno amoniacal al nitrato. Para ello, con el objeto de oxigenar las aguas que
ingresan al Humedal para aumentar el número de bacterias aeróbicas se considera un
canal inclinado con gradas de superficie rugosa a la salida del tanque. Además el
suministro de oxigeno dentro del Humedal se hace a través de las raíces de las plantas
del pantano, estas plantas poseen un sistema de renkinos-aurenchym, que permite el
paso del aire de la atmosfera al subsuelo formándose alrededor de las raíces una
población de bacterias aeróbicas, una vez instalado y operado adecuadamente el
Humedal Artificial tiene una vida útil de más de 20 años, ya que es un ciclo de vida
renovable, donde existe un equilibrio entre el crecimiento y muerte de las plantas y la
reproducción de la masa bacteriana.
Como parte del proceso de investigación, se ha determinado diseñar en el marco de los
Humedal Artificiales de flujo subsuperficial, el de flujo horizontal.
I.1. Mecanismos de remoción en un Humedal
En la remoción de constituyentes en un Humedal, las plantas macrófitas juegan un papel
importante en el tratamiento de las aguas residuales domesticas. Además de muchos
beneficios operacionales, proveen superficies y un ambiente razonable para la filtración y
el crecimiento microbiano. La transferencia de oxígeno por algunas plantas acuáticas a la
rizosfera es también un requisito para que los procesos de remoción de contaminantes
predominantemente microbianos funcionen efectivamente.
Los mecanismos de remoción más importantes se presentan en la siguiente tabla.
CUADRO N° 5
MECANISMOS DE REMOCIÓN
Constituyente del agua residual
Sólidos suspendidos
Materia orgánica soluble
Nitrógeno
Fósforo
Mecanismo de remoción
Sedimentación
Filtración
Degradación microbiana aeróbica
Degradación microbiana anaeróbica
Amonificación seguida por nitrificación microbiana y
desnitrificación
Consumo de las plantas
Adsorción en el lecho filtrante
Volatilización de amonio
Fijación en el lecho filtrante
Consumo de plantas
22
Tratamiento de aguas residuales domesticas mediante biofiltros en la comunidad de Rumichaca - Ayacucho.
Metales
Patógenos
Adsorción e intercambio de cationes
Formación de complejos
Precipitación
Consumo de las plantas
Oxidación/reducción microbiana
Sedimentación
Filtración
Muerte natural
Depredación
Excreción de antibióticos desde las raíces de
macrófitas
Fuente: Centro de Investigación y Estudios en Medio Ambiente - CIEMA
I.2. Materia orgánica
Los compuestos orgánicos son, en su mayor parte, degradados aeróbicamente por
bacterias ligadas a las plantas y a la superficie del lecho filtrante. La degradación
anaeróbica puede ser también muy importante para algunos residuos y predominan en
sistemas sobrecargados orgánicamente. El oxígeno requerido para la degradación
aeróbica es suplido directamente de la atmósfera por difusión o por medio de las raíces
de las macrófitas.
Para reproducirse y funcionar propiamente, un organismo debe tener una fuente de
energía, carbono para la síntesis de nuevo material celular y elementos inorgánicos
(nutrientes) tales como nitrógeno, fósforo, sulfuro, potasio, calcio y magnesio. Pueden
requerirse también algunos nutrientes orgánicos.
Las dos principales fuentes de carbono son químicos orgánicos y dióxido de carbono.
Organismos que usan carbono orgánico para la formación de tejido celular son llamados
heterótrofos. Organismos que producen células de carbono del dióxido de carbono son
llamados autótrofos. Ambos grupos usan luz o una reacción química de oxidación
reducción como una fuente de energía para la síntesis de las células. Si el mayor objetivo
del tratamiento es la reducción del contenido orgánico, los organismos heterotróficos son
de importancia primaria debido a su requerimiento de material orgánico como una fuente
de carbono y a su más alta proporción metabólica.
I.3. Degradación aeróbica
La degradación aeróbica de químicos solubles orgánicos es gobernada por dos grupos
de microorganismos: los quimioheterótrofos, que oxidan la materia orgánica y liberan
amonio; y los quimioautótrofos, los cuales oxidan el nitrógeno amoniacal a nitrato y nitrito
(nitrificación).
Materia orgánica + bacterias +O2
Nuevas células + CO2, NH3, H2O
Ambos grupos consumen materia orgánica pero la proporción metabólica más rápida de
los heterótrofos significa que ellos son los principales responsables de la reducción de la
DBO en el sistema. Si el oxígeno no está limitado, la degradación aeróbica dependerá de
la cantidad de materia orgánica activa disponible para los organismos.
23
Tratamiento de aguas residuales domesticas mediante biofiltros en la comunidad de Rumichaca - Ayacucho.
I.4. Degradación anaeróbica
Es un proceso de dos etapas que se da en ausencia de oxígeno disuelto por bacterias
heterotróficas. En el primer paso, las bacterias formadoras de ácido convierten la materia
orgánica en nuevas células, ácidos y alcoholes. Un segundo grupo de bacterias, las
bacterias formadoras de metano, continúan la oxidación utilizando de nuevo parte de la
materia orgánica para sintetizar nuevas células pero convirtiendo el remanente a metano
y dióxido de carbono.
Materia orgánica + bacterias
alcoholes, ácidos y nuevas células + bacterias
CH4, H2S, NH3, CO2, H2O, nuevas células
Las bacterias formadoras de ácido son adaptables pero las formadoras de metano son
más sensibles y solamente operarán en el rango de pH de 6.5 a 7.5. Una sobreproducción de ácido por las bacterias formadoras de ácido puede resultar en un bajo pH,
deteniendo la acción de las formadoras de metano y produciendo malos olores.
I.5. Sólidos Suspendidos
Los sólidos suspendidos y sedimentables que no son removidos en los sistemas de pretratamiento, son removidos efectivamente en el Humedal por sedimentación y filtración.
Ambos procesos son mejorados por la coagulación de partículas en un agua residual.
La sedimentación es la separación, por deposición gravitacional, de partículas
suspendidas que son más pesadas que el agua. La sedimentación ocurrirá en las áreas
quietas del sistema. Las macrófitas, emergentes o no, ayudan a estos procesos.
I.6. Nitrógeno
El mayor mecanismo de remoción de nitrógeno es la nitrificación y desnitrificación. El
amonio es oxidado a nitrato por las bacterias nitrificantes en zonas aeróbicas. Los nitratos
son convertidos a nitrógeno gas (N2) por bacterias desnitrificantes en zonas anóxicas. El
oxígeno requerido para la nitrificación es suplido por difusión de la atmósfera y por medio
de las raíces de las macrófitas. El nitrógeno es también tomado por las plantas e
incorporado en la biomasa. Otros mecanismos de remoción incluyen volatilización y
adsorción. Sin embargo, estos mecanismos son generalmente de menor importancia que
la nitrificación y desnitrificación.
I.7. Consumo de las plantas
Las macrófitas consumen nitrógeno en su estado mineralizado y lo incorporan a su
biomasa. Este es un mecanismo de tratamiento que es significante únicamente a cargas
bajas de nitrógeno.
I.8. Adsorción en el lecho filtrante
El nitrógeno amoniacal en estado reducido es estable y puede ser adsorbido en los sitios
activos del lecho filtrante. Sin embargo, el intercambio del ion NH4+ en los sitios de
intercambio de cationes del lecho no se considera una fijación a largo término para la
remoción de NH4+ – N. Más aún, se considera que la fijación de NH4+ – N es rápidamente
reversible. Ya que el NH4 – N se pierde del sistema vía nitrificación, se espera una
redistribución del intercambio en el equilibrio. Por lo tanto, el NH4+ – N fijado en el lecho
en un sistema de flujo continuo estará en equilibrio con el NH4+– N en solución.
24
Tratamiento de aguas residuales domesticas mediante biofiltros en la comunidad de Rumichaca - Ayacucho.
I.9. Fósforo
El fósforo está presente típicamente en aguas residuales como ortofosfato, ortofosfato
deshidratado (polifosfato) y fósforo orgánico. La oxidación biológica conduce a la
conversión de la mayoría del fósforo a las formas de ortofosfato.
La remoción de estas formas se da principalmente por reacciones de adsorción,
precipitación y formación de complejos con Aluminio, hierro, calcio y arcillas minerales en
el lecho filtrante. Aunque hay algún consumo de fósforo por las plantas, es insignificante
comparado con los efectos de la fijación.
I.10. Metales
Metales trazas tienen una gran afinidad por la adsorción y la formación de complejos con
materia orgánica y se acumulan en el lecho filtrante. Los metales existen en forma soluble
o de partículas asociadas, con la anterior representando la forma más biodisponible,
particularmente cuando el metal está presente como especie iónica o débilmente
acomplejado. La distribución entre las fases de partículas y disuelta, está determinada
por los procesos físico – químicos tales como fijación, precipitación, formación de
complejos, sedimentación, erosión y difusión.
I.11. Patógenos
La ecología de micro-organismos es extremadamente compleja. Los organismos
importantes desde el punto de vista de salud pública son las bacterias patógenas y los
virus. Protozoarios patógenos y gusanos de helmintos son de particular importancia en
países tropicales y subtropicales. Los patógenos son removidos durante el paso de agua
residual a través del sistema principalmente por sedimentación, filtración y adsorción por
la biomasa. Una vez que estos organismos son atrapados dentro del sistema, su número
disminuye rápidamente por los procesos de mortalidad natural y depredación.
El sistema ofrece una combinación conveniente de factores físicos, químicos y biológicos
para la remoción de organismos patógenos. Los factores físicos incluyen sedimentación y
filtración mecánica. Los factores químicos incluyen oxidación, exposición a biocidas
excretados por algunas plantas y absorción a materia orgánica. Los mecanismos
biológicos incluyen antibiosis, depredación por nemátodos y protistas, ataque por
bacterias y virus y mortalidad natural.
II. Diseño de Humedal
La utilización de Humedal para el tratamiento de aguas residuales requiere del uso de
etapas previas de tratamiento que garanticen principalmente una efectiva remoción de los
sólidos suspendidos, con el fin de evitar la obstrucción del lecho filtrante. En la práctica,
se ha comprobado que el Humedal funciona bien con aguas pretratadas por medio de
una rejilla, desarenador y unidades de sedimentación como el tanque Imhoff.
El dimensionamiento de un Humedal se realiza en base a dos aspectos principales: la
remoción de los contaminantes y el régimen hidráulico del sistema.
-
La remoción de contaminantes, es el principal objetivo, depende definitivamente de
las condiciones ambientales, fundamentalmente de la temperatura, así como de otros
aspectos como la porosidad del material usado para la conformación del lecho
filtrante, el tipo de plantas sembradas y el tiempo de retención.
25
Tratamiento de aguas residuales domesticas mediante biofiltros en la comunidad de Rumichaca - Ayacucho.
-
El régimen de flujo hidráulico, también depende de factores como la pendiente
hidráulica y la porosidad, permeabilidad y uniformidad granulométrica del material
usado para el lecho filtrante.
II.1. Información requerida para el diseño del sistema de tratamiento
CUADRO N° 6
REQUERIMIENTOS PARA DISEÑO
N°
1
2
Descripción
Topografía del terreno
seleccionado
Requerimiento
 Planos de curva de nivel @ 0.50 metros.
Planos del área total (planimetría)

Información del sistema de Si existe: Datos del último pozo de visita: Nivel de la
alcantarillado sanitario, si tapa, nivel de entrada y nivel de salida.
 Si no existe: Planos de planta perfil de las calles.
existe o no.
 Temperatura, promedio y máxima
Datos climatológicos de la  Precipitación, promedio y máxima
3
región
 Evaporación, radiación solar de la estación
meteorológica más cercana al sitio en estudio
 Clasificación del suelo
 Estratigrafía, hasta 5 metros de profundidad como
mínimo
Estudio de suelo con los
4
 Granulometría de los diferentes estratos
siguientes datos geotécnicos
 Índice de soporte, límite líquido, límite plástico
 Tasa de infiltración del suelo
 Nivel freático
Plano urbanístico actual del
5 sitio en estudio y su  Planos urbanísticos
desarrollo en un futuro
Número de viviendas que
serán beneficiada por el
 Promedio de las personas beneficiadas
6 sistema de tratamientos de
 Máximo de las personas beneficiadas Censo
aguas residuales
poblacional
domesticas
Cantidad
de
personas
7
estimadas:
Tipo y origen de las aguas
8
 Domesticas, Industriales
residuales
 Material del lecho filtrante (hormigón rojo, arena
Distancia de los bancos de
gruesa o piedra triturada) aproximadamente de 5
9 materiales adecuados para
mm a 1” de diámetro.
la construcción
 Piedra bolón (piedra volcánica) de 2” a 4” pulgadas
de diámetro.
Tipos
de
plantas
de
10 pantanos
(macrófitas)  Carrizo, Tule, platanillo, achira, totora, tiphas, etc
existentes en la zona
Fuente: Centro de Investigación y Estudios en Medio Ambiente - CIEMA
Tomando en consideración lo presentado anteriormente, el sistema de tratamiento
consistirá de lo siguiente:
 Rejilla
26
Tratamiento de aguas residuales domesticas mediante biofiltros en la comunidad de Rumichaca - Ayacucho.






Desarenador
Decantador
Tanque Imhoff
Canal de flujo vertical
Humedal de flujo horizontal
Zanjas de infiltración
II.2. Criterios de diseño en función de la remoción de contaminantes
El diseño de un Humedal se realiza ajustando su comportamiento a un modelo ideal de
flujo pistón combinado con un balance de masa de agua, lo cual da como resultado la
siguiente ecuación general (Brix et al. 1998):
Ce
k
 exp ( )
Ca
Ch
Donde
Ce : concentración de contaminantes en el efluente
Ca : concentración de contaminantes en el afluente
K
: constante de degradación, (m/año)
Ch : carga hidráulica aplicada por unidad de área del Humedal, (m/año)
La estimación de los valores de la constante de degradación k para la reducción de
diferentes parámetros contaminantes en clima tropical (±1 desviación estándar), los
cuales pueden utilizarse para el diseño de Humedal en dependencia de cual parámetro
contaminante específico se desea reducir.
Los valores promedios estimados para los contaminantes más importantes son:
CUADRO N° 7
VALORES DE LA CONSTANTE DE DEGRADACIÓN
CONSTANTE DE
DEGRADACIÓN
kDBO
kDQO
kNT
kPT
kE. COLI
VALORES
81.8 ± 13 m/año
60.8 ± 12 m/año
11.8 ± 6 m/año
6.9 ± 4 m/año
125.9 ± 50 m/año
Las información de las condiciones climáticas de la zona de intervención es de
importancia: temperatura máxima de 30 °C, temperatura media de 18 °C, temperatura
mínima de 14 °C, así como una precipitación promedio de 540 mm/año, una humedad
que varía en un rango de 56 a 60% y evaporación promedio de 150.5 mm/año. La
temperatura de las aguas residuales que entran al sistema de tratamiento oscila entre 20
y 25 °C.
La velocidad de descomposición de la materia orgánica es influenciada ampliamente por
la temperatura, expresándose este efecto en el coeficiente de temperatura, Q10, el cual da
la relación de la actividad bacteriana a dos diferentes temperaturas con diez grados de
27
Tratamiento de aguas residuales domesticas mediante biofiltros en la comunidad de Rumichaca - Ayacucho.
diferencia. En climas templados, es típico un coeficiente de 2 para muchos procesos
biológicos, lo cual significa que la actividad de muchos procesos biológicos se duplica
cuando la temperatura aumenta 10°C (Brix et al, 1998). En concordancia con esto, el
valor de kDBO obtenido en Nicaragua es más de dos veces mayor que el reportado en la
bibliografía para sistemas en países europeos.
En la remoción de nitrógeno y fósforo en Humedales Artificiales de flujo horizontal, no se
observan variaciones estacionales, manteniendo casi constante su eficiencia durante
todo el año, lo que indica que en ambos procesos de remoción el mecanismo principal no
es de origen bacteriano, sino de procesos físico-químicos como absorción, precipitación,
deposición y reducción dentro del lecho filtrante (Brix et al. 1998). Sobre este mecanismo
influye directamente la granulometría del lecho filtrante y el tiempo de retención,
aumentando la eficiencia de remoción a menor diámetro de partícula del lecho filtrante y a
mayor retención. Estas son las causas de que las constantes KTN y KTP reportadas en la
bibliografía sean mayores que las estimadas en Nicaragua, puesto que el material
utilizado en sistemas europeos generalmente es de menor diámetro que el usado en la
construcción de los sistemas centroamericano y americana.
La carga hidráulica recomendada en países de clima templado es menor que 29 m/año.
En Nicaragua se han obtenido buenos resultados de remoción de materia orgánica con
cargas hidráulicas de hasta 37 m/año, con requerimientos de área de 1.0 a 1.2 m 2/PE.
Sin embargo, para obtener la remoción requerida (WHO 1989; MARENA 2000) de E. Coli
(<103), se debe diseñar Humedales Artificiales con una carga hidráulica menor. Además,
se recomienda sembrar carrizo (Phragmites australis) por lo menos en el 50% del área
total del Humedales Artificiales, planta que provee una mayor eficiencia en la remoción de
patógenos debido a su mayor capacidad para introducir aire al lecho filtrante, además de
que sus raíces secretan sustancias bactericidas (Cooper et al. 1996). El resto del área se
recomienda sembrar con zacate taiwan (carrisillo), otra variedad de carrizo cuyo nombre
científico es Phalaris arundinacea y tule, plantas que han dado también buenos
resultados en el tratamiento de las aguas residuales. En vista de que la remoción de
nutrientes mejora principalmente en función del tiempo de retención dentro del Humedal,
es recomendable diseñar con cargas hidráulicas similares a las requeridas para la
remoción de E. Coli. Remociones mayores de los nutrientes nitrógeno y fósforo se
pueden obtener por medio de la combinación de dos Humedales, uno de flujo vertical y el
otro de flujo horizontal (Bravo & Juárez, 2002).
II.3. Criterios de diseño en función de los requerimientos hidráulicos
El diseño hidráulico de un Humedal se realiza en base a la Ley de Darcy (Cooper et al.
1996):
W
Q
Kf * I
Donde
W
: Área de la sección transversal efectiva del lecho, (m2)
Q
: Caudal promedio de aguas residuales, (m3/s)
Kf
: Conductividad hidráulica del lecho filtrante, (m/s)
I
: Pendiente hidráulica, (m/m)
El material del lecho filtrante juega un papel determinante tanto en la eficiencia del
tratamiento como en el tamaño del Humedal. Materiales porosos y resistentes al
desgaste mecánico y químico ocasionado por el flujo continuo de aguas residuales tienen
28
Tratamiento de aguas residuales domesticas mediante biofiltros en la comunidad de Rumichaca - Ayacucho.
una mayor conductividad hidráulica y han demostrado proporcionar una mayor eficiencia
en la remoción de contaminantes, reduciendo al mismo tiempo el área requerida para la
construcción del Humedal. La conductividad hidráulica depende en gran medida del
tamaño de partícula del lecho filtrante. Valores de referencia encontrados en la literatura
para diferentes tipos de materiales usados como lecho filtrante son:(Kadlec & Knight,
1996).
CUADRO N° 8
VALORES Y TIPOS DE MATERIAL DE LECHO
MATERIAL DE LECHO
Arena
Grava
Roca
VALORES
 0.01 a 0.1 cm: Kf de 10-3 a 10-4 m/s
 0.1 a 1 cm: Kf de 10-1 a 10-3 m/s
 1 a 10 cm: Kf de 10-1 a 101 m/s
La conductividad hidráulica del material de lecho debe estar comprendida entre valores
de 10-2 y 10-3 m/s y el 40 - 50% y un diámetro de partícula inferior a 1 cm. Con el
transcurso del tiempo, la conductividad hidráulica de los primeros dos metros del lecho
filtrante de un Humedal se reduce debido a la formación de una densa capa bacteriana, a
tal grado que es necesario reemplazar periódicamente este material por material nuevo.
Sin embargo, el resto del lecho filtrante no experimenta este fenómeno, manteniendo su
porosidad y por ende, su conductividad, semejante a la del material original.
El ancho necesario (B) se obtiene de dividir el área de la sección transversal (W) entre la
profundidad (h), la cual se recomienda entre 0.6 y 0.8 m en promedio, tomando también
en cuenta la porosidad del lecho:
B
Q
Kf * I * h * n
La pendiente hidráulica (del espejo de agua) usada generalmente oscila entre 0.5 y 1%,
siendo también usual que la pendiente del fondo del Humedal tenga un valor parecido
con el objetivo de conservar constante la profundidad efectiva en todo el largo del
Humedal. Para evitar profundizar demasiado al final del Humedal debido a la pendiente
del fondo, se recomienda limitar su longitud a aproximadamente 50 m y dividir el sistema
en diferentes unidades de tratamiento cuando el volumen de aguas residuales a tratar así
lo requiera.
El tiempo de retención depende principalmente del tipo de contaminante a remover.
Cuando se diseña para remover fundamentalmente materia orgánica, pueden ser
suficientes entre 3 y 5 días de retención, mientras que para la remoción de E. Coli se
requiere de un mínimo de 8 días. El cálculo del tiempo de retención (tr) se realiza por
medio de la ecuación:
tr 
Vutil L * B * h * n

Q
Q
Donde:
29
Tratamiento de aguas residuales domesticas mediante biofiltros en la comunidad de Rumichaca - Ayacucho.
L
B
h
n
Q
: longitud del Humedal, (m)
: ancho del Humedal, (m)
: profundidad efectiva, (m)
: porosidad del lecho filtrante como fracción decimal
: caudal, (m3/d)
Durante la realización de estos cálculos deberá respetarse la carga hidráulica
recomendada en el acápite anterior para la remoción de contaminantes. La carga
hidráulica (Ch) se calcula mediante la siguiente ecuación:
Q
C 
(m / año)
h A
La relación largo: ancho depende del área total del Humedal. Para unidades pequeñas
esta relación puede ser hasta de 3:1, según valores recomendados en la bibliografía; sin
embargo, en el caso de unidades grandes, esta relación está determinada
fundamentalmente por el ancho de la unidad, pues la longitud se debe limitar por la razón
anteriormente mencionada.
II.4. Criterios para la selección del material del lecho filtrante
La característica fundamental requerida para el material del lecho filtrante es su
resistencia al desgaste provocado por las aguas residuales, la cual debe garantizar que el
lecho no se deteriore con el transcurso del tiempo. La porosidad juega un papel
importante, puesto que de ella depende la superficie disponible para la formación de la
capa bacteriana responsable en gran medida de la depuración de las aguas residuales y
también tiene un efecto directo sobre el tamaño del Humedal, pues el uso de un material
más poroso reduce el área a utilizar.
La granulometría del material tiene una influencia directa sobre la eficiencia del
tratamiento y la capacidad hidráulica del Humedal. A mayor diámetro de partícula, la
capacidad hidráulica del Humedal aumenta, pero disminuye la eficiencia de remoción de
contaminantes debido a que hay una menor disponibilidad de área para el crecimiento
bacteriano, además de que se ven afectados los demás mecanismos de remoción, tales
como filtración, sedimentación, intercambio iónico y adsorción, entre otros. Por tal razón,
la elección del diámetro de partícula debe realizarse con el objetivo de lograr un equilibrio
entre la capacidad hidráulica y la eficiencia de remoción del Humedal.
II.5. Porosidad de materiales para el lecho filtrante
Existen materiales resistentes que poseen alta porosidad, tales como el hormigón rojo,
hormigón negro y la piedra volcánica negra. Los primeros dos, que se encuentran
naturalmente en bancos de arena volcánica del país, tienen una porosidad entre 45% y
60%, mientras que la piedra negra, de mayor granulometría, tiene una porosidad mayor
del 70%. Los dos tipos de hormigón se han utilizado en lechos filtrantes de diferentes
unidades, obteniéndose mejores resultados con el hormigón rojo.
La piedra negra ha mostrado su mayor utilidad en la sección de distribución del flujo a la
entrada del Humedal, así como en la zona de recolección.
Un material de menor porosidad (entre 45 y 50%), pero que también ha demostrado ser
útil, es la piedra triturada de ½” de diámetro, con la salvedad de que se debe utilizar en la
30
Tratamiento de aguas residuales domesticas mediante biofiltros en la comunidad de Rumichaca - Ayacucho.
capa superior un material de granulometría más fina (como el hormigón rojo) que permita
el desarrollo de las plantas.
II.6. Granulometría
El tamaño recomendado en la literatura para los diferentes materiales del lecho filtrante
oscila entre 0 y 12 mm. El siguiente gráfico muestra la granulometría recomendada en la
literatura y la de diferentes materiales utilizados para la construcción de Humedales.
(Bahlo & Wach, 1995; Proyecto ASTEC, 2000)
FIGURA 1
CURVAS GRANULOMÉTRICAS DE MATERIALES USADOS PARA LA
CONFORMACIÓN DEL LECHO FILTRANTE
Polvo de
piedra
100
LIMOS Y ARCILLAS
Fina
Media
Gruesa
GRAVA
ARENA
Media
Fina
Gruesa
Fina
ROCA
Media
Gruesa
90
% inferior a ø
80
70
60
50
40
30
20
10
0.00
1
15
5
0.002
SIMBOLO
0.006
0.02
0.06
0.2
0.6
2.0
6.0
20
60
100
ø de los granos (mm)
DESCRIPCIÓN
Granulometría máxima recomendada para Humedal de flujo vertical, (BFV)
Curva granulométrica típica de material usado para lecho filtrante de BFH
Granulometría máxima recomendada para Humedales de flujo horizontal, (BFH)
Curva granulométrica del hormigón rojo
Curva granulométrica de la piedra triturada
Curva granulométrica del hormigón negro
Las tres primeras curvas muestran la granulometría recomendada para la construcción de
sistemas europeos de Humedales de flujo vertical y horizontal (Bahlo & Wach, 1995),
mientras que las 3 últimas curvas presentan la granulometría típica de los diferentes
materiales utilizados para la construcción de Humedales en Centroamérica y América.
Los mejores resultados se han obtenido usando hormigón rojo, lo cual puede ser
atribuido a su menor diámetro de partícula.
31
Tratamiento de aguas residuales domesticas mediante biofiltros en la comunidad de Rumichaca - Ayacucho.
En las zonas de distribución y recolección del Humedal se usa piedra volcánica negra
cuyo diámetro es de 2” a 4”, porque este tipo de material facilita la distribución y evita que
los orificios de los tubos de recolección se obstruyan con material de granulometría fina.
Se recomienda el uso de este material al menos en los primeros 5 m del Humedal para
alargar el período al cual se deben cambiar los dos primeros metros del lecho filtrante,
que en el caso del hormigón rojo se ha establecido en una vez cada dos años, debido a
la obstrucción que se da por la formación de una densa capa bacteriana.
II.7 Instalación de las tuberías de drenaje de los lechos
Se instalarán tubos de drenaje de PVC de 4” a 6” de diámetro y el largo dependerá de las
dimensiones obtenidas en el diseño, con una tee al centro de la longitud para conectarlos
con el tubo de salida del agua ya tratada a la caja de recolección. En estos tubos se
perforarán tres filas de agujeros de ½”, separados @ 5 cm. Los tubos se colocarán en el
extremo opuesto al canal de alimentación, en el fondo de las pilas, sobre una capa de
piedra triturada de 5 cm de espesor por 40 cm de ancho, con los agujeros hacia arriba y
con una pendiente hacia el centro de 0.2 %. Luego serán cubiertos con piedra volcánica
de 2” - 4” de diámetro, similar al de la entrada al Humedal. La capa de piedras de 2” y 4”
de diámetro proporciona espacios libres que facilitan la introducción del agua en los tubos
de recolección, formando al mismo tiempo una barrera que evita que el material del lecho
filtrante de granulometría más fina, entre en contacto directo con los tubos de recolección
y pueda causar problemas de obstrucción de los agujeros.
II.8 Caja de recolección del efluente
La caja de recolección de las aguas residuales ya tratadas de la pila del Humedal, se
construirán separada 1.0 m del borde de la pila y serán de mampostería piedra cantera,
en bloques, reforzadas con columnas de concreto y acero 3/8”. El objetivo de esta caja
será el de regular el nivel del agua de la pila, por medio de un PVC 4” - 6” de diámetro
que estará instalada dentro de la caja. De esta manguera se tomarán las muestras y se
podrá medir el caudal de salida del sistema de tratamiento por el método de aforo. La
tubería de salidas estará conectada con codos a los tubos de salida de cada pila del
Humedal artificial en un extremo y por el otro, regulando así el nivel de agua dentro del
Humedal. Las dimensiones recomendadas para una caja de recolección serán las
siguientes: Largo 2.0 m, Ancho 1.0 m, Profundidad
variable en dependencia del
terreno (m), Material a usar Piedra cantera, Piso de concreto 0.15 m de espesor, tubería
PVC 4” - 6”, Cubierta Tapa de madera, metal o C°A°.
6. Resultados
En vista que el presente trabajo está enfocado al diseño del sistema de tratamiento
mediante humedales artificiales, los resultados se evaluarán y monitorizarán luego de la
puesta en operación del sistema. Los resultados que se espera obtener con el diseño y
posterior con la implementación de la planta de tratamiento en la comunidad de Rumichaca,
sirvan de aporte a la mejora de la calidad de vida de la población beneficiaria.
La planta de tratamiento con sistemas de humedales de flujo subsuperficial, contiene una
etapa de pretratamiento, tratamiento primario y tratamiento secundario que está formado por
un humedal que opera independientemente. El sistema fue diseñado para tratar las aguas
residuales generadas por 816 personas.
La planta de tratamiento será monitorizada y se analizarán las aguas efluentes con la
finalidad de determinar la frecuencia del DQO, DBO5, amonio, nitratos, nitritos, fosfatos
totales, sólidos totales, suspendidos y disueltos, Cloruros, coliformes totales y E. Coli,
32
Tratamiento de aguas residuales domesticas mediante biofiltros en la comunidad de Rumichaca - Ayacucho.
además de análisis menos frecuentes para la detección de enteroparásitos helmintos y
sustancias activas. Paralelamente se investigará la eficiencia del tratamiento, se
desarrollaran ensayos de riego de distintos cultivos agrícolas con el efluente del Humedal.
Estos ensayos estarán dirigidos fundamentalmente a comprobar la calidad microbiológica de
los productos agrícolas regados con las aguas tratadas, así como la determinación de su
rendimiento promedio. Entre los cultivos que se pretenden analizar se encuentran hortalizas
de consumo crudo y cocido, frutas, granos básicos y pasto para ganado bovino.
En la investigación se controlará la eficiencia de la planta con Humedales y se espera que
los resultados en el proceso de remoción sean los siguientes:
6.1 Remoción de DBO5 y DQO
En el monitoreo establecido del sistema con todas las unidades del Humedal, se pretende
lograr remoción de DBO5 que oscilan entre 89% - 95% y para DQO entre 75% – 86%. Si se
toma en cuenta el sistema total, incluyendo las etapas de pretratamiento y tratamiento
primario, las remociones de estos parámetros deberán de oscilar entre 97% - 99% y 91% 95% respectivamente.
6.2 Remoción de nitrógeno total
La reducción promedio del nitrógeno total en las diferentes unidades deberá de oscilar entre
21 – 39%, lo cual se considera relativamente bajo. El límite máximo permisible para el
nitrógeno se fija en base al uso que se le dará al cuerpo receptor, por lo que no hay un valor
fijo establecido. Sin embargo, para la reutilización del efluente en el riego de cultivos
agrícolas es deseable que cierta cantidad de nitrógeno esté presente en las aguas tratadas,
puesto que es un macronutriente que contribuye a la fertilización de los mismos.
6.3 Remoción de fosfatos totales
Los fosfatos totales presentan una baja tasa de disminución en las diferentes unidades del
Humedal con valores entre 6 y 19% de remoción; para el sistema completo estos valores
varían entre 16 y 28%, porque en las etapas de pretratamiento y tratamiento primario se
elimina una fracción de los fosfatos por sedimentación, mientras que en el Humedal se
elimina otra fracción mediante diversos mecanismos de remoción, entre ellos la adsorción
en el lecho filtrante y consumo de las plantas (Cooper et al., 1996). Al igual que para el
nitrógeno, no existe un valor máximo permisible definido para el fósforo, sino que depende
del uso que se le dará el cuerpo receptor. El fósforo también es un macronutriente para las
plantas y es deseable en las aguas tratadas si éstas se van a utilizar para el riego de
cultivos agrícolas.
6.4 Remoción de sólidos suspendidos
La remoción de sólidos suspendidos debería de estar entre 52% y 73% en las diferentes
unidades, mientras que para el sistema total estos valores estarán de 92% y 96%,
produciendo un efluente final de aspecto claro y sin presencia visible de sólidos. El aumento
en la concentración de sólidos suspendidos en el efluente del Humedal podría ser
provocado por el arrastre de cierta cantidad de biomasa hacia la salida del sistema a causa
de la formación de una población bacteriana cada vez mayor. A pesar de esto, las
concentraciones no tienen un efecto negativo apreciable sobre la calidad del efluente.
33
Tratamiento de aguas residuales domesticas mediante biofiltros en la comunidad de Rumichaca - Ayacucho.
6.5 Remoción de Coliformes totales y E. Coli
Las concentraciones medias de coliformes totales y E. Coli en el efluente deben estar entre
1.5*105 NMP/100 ml y 7.5*104 NMP/100 ml, respectivamente. La eficiencia de remoción de
las unidades individuales en lo que respecta a estos dos parámetros durante el tiempo de
operación deben ser altas y no debe existir variación. La eficiencia de remoción promedio
debe ser aproximadamente 97%, equivalente a una reducción de 1.4 unidades de potencia
para ambos parámetros. Si se toma en cuenta el sistema total, incluyendo el pretratamiento
y tratamiento primario, esta eficiencia se incrementará a 2 unidades de potencia. Sin
embargo, se observaran el tiempo de retención hidráulica de 3.5 días y de 6.3 días, la
eficiencia de remoción de E. Coli se evaluara para medir el valor final.
6.6 Remoción de Enteroparásitos Helmintos
Para la detección de enteroparásitos helmintos en el efluente, se realizará un estudio
comparativo durante 6 meses en los sistemas de tratamiento de aguas residuales
domésticas (Lagunas de estabilización, Humedal), con el objetivo de determinar la eficiencia
de cada uno de ellos en la remoción de estos parásitos intestinales.
6.7 Resultado en los ensayos de riego agrícola con el efluente del Humedal
Los ensayos de riego se realizarán utilizando diferentes tipos de productos agrícolas tales
como hortalizas, frutas y granos básicos, los cuales serán analizados para determinar la
presencia de organismos patógenos. Con el propósito de determinar el riesgo potencial para
la salud de los consumidores de productos agrícolas regados con las aguas tratadas por el
Humedal.
- Cultivos que crecen bajo la superficie del suelo (cebolla, zanahoria, apio)
- Cultivos que crecen en contacto con el suelo (pepino, berenjena, fresas)
- Cultivos que crecen cerca del suelo (tomate, frijol, arveja)
- Cultivos que crecen retirados del suelo (papaya, naranjas, limones)
El criterio que se quiere lograr es la calidad de los productos agrícolas en alimentos de
aceptabilidad total, provisional y rechazable, en dependencia de su contenido de E. Coli.
Experiencias demuestran que estas aguas pueden ser reutilizadas sin provocar impactos
negativos en la salud de los consumidores. Sin embargo, se deben señalar aspectos
relevantes encontrados en los ensayos de riego agrícola, los cuales se pueden expresar en
los siguientes puntos:
1- Se debe considera que el contenido de macronutrientes genera un aspecto positivo en
el desarrollo de los cultivos agrícolas, ya que se pueden lograr buenos rendimientos en
las cosechas sin la aplicación de fertilizantes químicos.
2- El agua tratada por medio de los Humedal contienen todavía una carga de coliformes
fecales. Por lo tanto se recomienda una reutilización de las aguas residuales tratadas
bajo las siguientes limitaciones:
 La irrigación de cultivos cítricos como limón, naranja, mandarina, toronja, es posible,
porque esos frutos crecen retirados del suelo, tienen cáscaras gruesas que protegen
eficientemente el fruto de daños mecánicos y además contienen ácidos y sustancias
que inhiben el crecimiento de bacterias patógenas, puesto que estas viven en un pH
cercano al neutral.
34
Tratamiento de aguas residuales domesticas mediante biofiltros en la comunidad de Rumichaca - Ayacucho.
 La irrigación de hortalizas y granos básicos que son lavados, descascarados y
cocidos antes de su consumo, es posible. El proceso de cocción es importante
porque las bacterias patógenas y Salmonellas no son termoresistentes, no son
formadoras de esporas, por tal razón son eliminadas completamente durante una
exposición a temperaturas de 60 °C por un tiempo de 12 minutos (Müller, 1988). Los
cultivos de este tipo son principalmente frijoles, maíz, arroz, papas, plátano y yuca,
que son todos alimentos tradicionales cultivados y consumidos.
 También es posible el riego agrícola de cultivos que son procesado por medio de un
proceso de tostado, secado industrial o proceso de extracción. En este tipo se
clasifican principalmente, los cultivos de caña de azúcar, maní y soya.
 La irrigación de pastos para ganado y árboles maderables se puede recomendar sin
restricciones, porque según las investigaciones realizadas no existe una acumulación
o desarrollo de gérmenes patógenos en las hojas y partes maderables de las plantas,
de tal forma solo es necesario supervisar el proceso de riego.
3- Se recomienda para irrigación de los cultivos el riego por gravedad o riego por goteo,
con la aplicación de un filtro de arena.
4- Si se pretende la irrigación de hortalizas de consumo crudo, se debe mantener un
estricto control sanitario durante el período de riego y la cosecha, lo que debe incluir
análisis periódicos del agua de riego referente a su cantidad en coliformes totales, E.
Col i y Salmonellas, además de un control de la calidad microbiológica de los frutos
cosechados.
5- La irrigación de los cultivos debe ser suspendida dos semanas antes de la cosecha,
puesto que el tiempo transcurrido entre el último riego y la recolección contribuye a
incrementar el nivel de aceptabilidad de los productos. La reducción más significativa
en este período sin riego se da en los cultivos de tallo alto y es menor que en los
vegetales que crecen bajo y a flor de tierra (Castro et al., 1990).
7. Conclusiones
El proceso de tratamiento de aguas residuales domesticas mediante Humedal Artificial,
permiten lograr eficiencias de remoción de constituyentes en las aguas residuales. Por lo
tanto, en la comunidad de Rumichaca se pretende lograr los objetivos, teniendo en
consideración experiencia de sistemas, donde se controlan los valores frecuente de DQO,
DBO5, amonio, nitratos, nitritos, fosfatos totales, sólidos totales, suspendidos y disueltos,
Cloruros, coliformes totales y E.Coli, además de análisis menos frecuentes para la detección
de enteroparásitos helmintos.
Referente al diseño del sistema de tratamiento de aguas servidas con Humedal, se pretende
experimentar con la inclusión de un decantador y atrapador de grasa, con la finalidad de
remover con mayor eficiencia el agua antes de su ingreso al tanque Imhoff y posteriormente
al lecho filtrante. Pretendemos que con este sistema los porcentajes de remoción puedan
incrementarse.
En relación a la remoción de DBO5 y DQO, el Humedal tiene una excelente remoción de
materia orgánica, puesto que los porcentajes de remoción de DBO5 oscilan entre 89% - 95%
y para DQO entre 75% – 86%. Considerando las etapas de pretratamiento y tratamiento
primario, las remociones de estos parámetros son más eficientes logrando llegar entre 97% 99% y 91% - 95%.
35
Tratamiento de aguas residuales domesticas mediante biofiltros en la comunidad de Rumichaca - Ayacucho.
Respecto a la remoción de Nitrógeno total que oscila entre 21 – 39%, lo cual se considera
relativamente bajo. Esto se debe a la poca disponibilidad de oxígeno dentro del lecho
filtrante por lo tanto sería importante el oxigenar el agua antes de su ingreso al lecho
filtrante.
La remoción de fosfatos presenta una baja disminución con valores entre 6% y 19%, esta
situación no genera problema alguno si la decisión de reúso del agua esta direccionado al
cultivo, puesto que las plantas requieren de este nutriente para su desarrollo.
Respecto a la remoción de sólidos suspendidos que oscilan entre el 92% al 96%, permiten
que el agua tenga una característica clara, demuestra que los sólidos han sido retenidos en
el lecho filtrante y permiten visualmente su aceptabilidad.
La remoción de coliformes totales y E.Coli, no son alentadores, debido a que alcanzaron al
97%, esto debido al tiempo de retención que en este caso llego a 3.5 días, pretendemos que
en Rumichaca podría llegar a 6 - 7 días y experimentar su remoción. Para lograr mayor
eficiencia se debe plantear un sistema de tratamiento con cloro si es que se desea utilizar el
agua para consumo humano.
De acuerdo a los resultados que se obtuvieron en el riego de plantas de tallo corto y largo,
se ha evidenciado que en algunas es admisible la utilización de las aguas del Humedal,
puesto que no generan daños a la salud de las personas, animales y medio ambiente.
La selección del Humedal para el tratamiento de las aguas servidas domesticas generadas
por pequeñas poblaciones, además de la alta eficiencia de remoción de contaminantes,
proporciona las siguientes ventajas: Bajo costo de construcción, bajo costo de AOM, brinda
solución para viviendas individuales y comunidad, sistemas completo por pretratamiento,
primario y secundario, aspecto estético para la comunidad, tiene mejor eficiencia en
poblaciones tropicales y la creación de microclimas donde se puede desarrollar especies de
flora y fauna.
8. Recomendaciones
Se recomienda a los gobiernos locales y entidades privadas, realizar esfuerzos para
implementar sistemas de Humedal Artificiales de este tipo en las zonas rurales,
considerando los factores más relevantes como las condiciones climatológicas, tipos de
materiales que puedan utilizarse para el lecho filtrante, las facilidades para su
Administración, Operación y Mantenimiento la plantas y la estimación de costos de
implementación que son mucho más bajos. Estos esfuerzos están dirigidos a explorar el
potencial de este tipo de tecnologías como alternativa viable y eficiente para el tratamiento
de aguas residuales domesticas en las comunidades pequeñas.
9. Bibliografía consultada
MICHAEL PLATZER, XXVIII Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental,
Cancún, México, 27 al 31 de octubre 2002, investigaciones y experiencias con biofiltros en
Nicaragua, Centro América.
CASTRO DE ESPARZA, M.L., FLOREZ A., ROJAS, R., CEPIS, Lima, Perú (1990),
“Evaluación de riesgos para la salud por el uso de las aguas residuales en agricultura”.
GUEVARA VÁSQUEZ, M.L., Facultad de Ingeniería Química, UNI, Managua, 2000. Análisis
y ensayos para incrementar la eficiencia de tratamiento de Biofiltros en países de clima
tropical.
36
Tratamiento de aguas residuales domesticas mediante biofiltros en la comunidad de Rumichaca - Ayacucho.
ORGANIZACIÓN PANAMERICANA DE LA SALUD, Lima, 2005, Guía para el diseño de
tanques sépticos, Tanques imhoff y lagunas de estabilización.
DAYNA YOCUM, Bren School of Environmental Science and Management, University of
California, Santa Barbara, Manual de diseño: humedal construido para el tratamiento de las
aguas grises por biofiltración.
SERGIO MENDONÇA, Ex-Asesor Regional en Sistemas de Aguas Residuales del
CEPIS/OPS, NELSON MEDINA, Coordinador para Nicaragua, WSP-LAC, abril 2006,
Biofiltro, Una opción sostenible para el tratamiento de aguas residuales en pequeñas
localidades.
JAIME LARA BORRERO, Barcelona, mayo 1999, Universidad Politécnica de Cataluña,
Depuración de aguas residuales municipales con humedales artificiales.
Texto: M. C. Jacinto Buenfil, Proyecto Piloto Tepoz EcoTepoztlán, Morelos México, Biofiltro
la jardinera que filtra las aguas grises para reciclarlas.
37