Guía Para La Selección de Tecnologías

Gua para la Seleccin de Tecnologas de Depuracin de Aguas Residuales por Mtodos Naturales En poblaciones menores a 5000 habitantes de la Provincia de Loja

Loja Ecuador 2010

Gua para la Seleccin de Tecnologas de Depuracin de Aguas Residuales por Mtodos Naturales Abril de 2010

UNIVERSIDAD TCNICA PARTICULAR DE LOJA San Cayetano Alto www.utpl.edu.ec Loja - Ecuador

Editorial UTPL Diseo y Diagramacin

Contactos: Campus Universitario - San Cayetano Alto Telef.: 593 7 2570275, Exts.: 2511, 2509 Ing. Mnica Cisneros Abad - [email protected] Ing. Lorena Bermeo Castillo - [email protected] Ing. Celso Romero Jaramillo - [email protected]

Se autoriza la reproduccin total o parcial de este documento, previo reconocimiento de los autores

Impreso en la Editorial de la Universidad Tcnica Particular de Loja. Loja, Ecuador, 2010

Secretaria Nacional de Ciencia y Tecnologa

Pedro Montalvo Carrera Secretario Nacional de Ciencia y Tecnologa

Ramiro Ypez Bravo Director de Investigacin

Juan Carlos Moreno Analista de Investigacin

Vernica Snchez Analista de Innovacin

Universidad Tcnica Particular de Loja

Jos Barbosa Corbacho Rector Canciller de la UTPL

Vinicio Surez Chacn Director Unidad Ingeniera Civil UCG

Omar Malagn Avils

Director del Instituto de Qumica Aplicada IQA

Mnica Cisneros Abad Directora del Proyecto

Celso Romero Jaramillo Sub-director del Proyecto

Diana Hualpa Salinas Nathaly Solano Cueva

Yadira Ordoez Vivanco Julio Gonzlez Ziga Silvio Aguilar Ramrez Isabel Robles Valds Docentes Investigadores

Lorena Bermeo Castillo Mercedes Villa Achupallas Carlos Merino Gonzlez Cristian Muoz Jaramillo Diego Coronel Carrin

Jorge Santn Torres Jorge Guerrero Pesntez

Leonardo Aguirre Azanza Luis Cuenca Alvarado Olger Quille Carpio

Patricio Castillo Elizalde Pasante

Gua para la Seleccin de Tecnologas de Depuracin de Aguas Residuales por Mtodos Naturales En poblaciones menores a 5000 habitantes de Loja

TECNOLOGA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

DOMSTICAS POR MTODOS NATURALES i

ndice General

GENERALIDADES

1.1. INTRODUCCION ..................................................................................................................... 1 1.2. ANTECEDENTES .................................................................................................................... 2 1.3. OBJETIVO DEL ESTUDIO ....................................................................................................... 3 1.4. METODOLOGA ...................................................................................................................... 3

TECNOLOGA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DOMSTICAS POR MTODOS NATURALES

2.1. INFILTRACIN RPIDA (IR) ................................................................................................... 6 2.2. INFILTRACIN LENTA (IL) ..................................................................................................... 7 2.3. ESCORRENTA SUPERFICIAL (ES) ....................................................................................... 8 2.4. HUMEDALES ......................................................................................................................... 9

2.4.1. Humedales de Flujo libre o superficial (HFL) .................................................................... 9 2.4.2. Humedales de Flujo Subsuperficial (HSS) ........................................................................ 10

2.5. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS TECNOLOGAS NATURALES DE TRATAMIENTO ..... 10

SELECCIN DE TECNOLOGAS

3.1. CRITERIOS DE SELECCIN DE LOS SISTEMAS DE TRATAMIENTO NATURALES .............. 13 3.2. MATRICES DE SELECCIN .................................................................................................. 17

3.2.1. Consideraciones preliminares ......................................................................................... 17 3.2.2. Factores demogrficos ................................................................................................... 17 3.2.3. Caractersticas del terreno .............................................................................................. 19 3.2.4. Caractersticas del agua residual .................................................................................... 21 3.2.5. Caractersticas del suelo ................................................................................................. 23 3.2.6. Caractersticas climatolgicas ......................................................................................... 24 3.2.7. Aspectos tecnolgicos .................................................................................................... 25 3.2.8. Costos ........................................................................................................................... 30 3.2.9. Periodos de diseo de las depuradoras ........................................................................... 32

1.

2.

3.


ii TECNOLOGA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DOMSTICAS POR MTODOS NATURALES

3.3. MATRIZ DE SELECCIN FINAL ............................................................................................ 32 3.4. EJEMPLO TIPO ..................................................................................................................... 34

MANUAL DE OPERACIN Y MANTENIMIENTO

4.1. INTRODUCCIN .................................................................................................................... 37 4.2. OBJETIVOS ........................................................................................................................... 37 4.3. FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA DEPURADORA ............................................................. 37 4.4. PUESTA EN MARCHA ............................................................................................................ 48 4.5. PROBLEMAS Y SOLUCIONES ............................................................................................... 49

CONCLUSIONES

5.1. CONCLUSIONES .................................................................................................................. 51

APNDICE 1

ESTUDIO DE ESTACIONES DEPURADORAS PARA LOS CANTONES DE CELICA, GONZANAMA, OLMEDO, ZAPOTILLO Y PINDAL POR METODOS NATURALES

1.1. INTRODUCCIN .................................................................................................................... 52 1.2. ESTUDIO SOCIO-ECONMICO SANITARIO DE LAS ZONAS DE ESTUDIO........................... 52 1.3. CARACTERIZACIN DE LAS AGUAS RESIDUALES .............................................................. 53

1.3.1. Toma de muestras .......................................................................................................... 53 1.3.2. Parmetros fsicos-qumicos y bacteriolgicos.................................................................. 56 1.3.2. Resultados de la caracterizacin fsico-qumica y bacteriolgica ....................................... 57

1.4. CARACTERIZACIN DEL SUELO .......................................................................................... 60

1.4.1. Toma de muestras .......................................................................................................... 60 1.4.2. Parmetros fsicos-qumicos e hidrulicos ........................................................................ 62 1.4.3 Resultados de la caracterizacin fsica-qumica e hidrulica .............................................. 63

1.5. CLIMATOLOGA E HIDROLOGA ............................................................................................ 67 1.5.1 Precipitacin .................................................................................................................... 67 1.5.2 Temperatura .................................................................................................................... 68 1.5.3 Vientos ............................................................................................................................ 69 1.5.4 Evapotranspiracin ........................................................................................................... 69 1.5.5 Balance Hdrico ................................................................................................................ 70 1.6. IMPACTO AMBIENTAL ........................................................................................................... 72

1.6.1. Mtodo de Leopold .......................................................................................................... 73 1.6.2. rea de influencia ............................................................................................................ 74 1.6.3. Acciones y factores ambientales que afectan en la construccin y operacin de las plantas de tratamiento ...................................................................................................................... 74 1.6.4. Anlisis de resultados ...................................................................................................... 79 1.6.5. Medidas de Mitigacin que se deben tomar en cuenta en la ejecucin del proyecto........... 79

4.

5.


TECNOLOGA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DOMSTICAS POR MTODOS NATURALES iii

1.7. DISEO DE LAS TECNOLOGAS ........................................................................................... 80 1.7.1. Infiltracin rpida ............................................................................................................. 80 1.7.2. Infiltracin lenta ............................................................................................................... 82 1.7.3. Escorrenta Superficial ..................................................................................................... 84 1.7.4. Humedal de flujo Superficial ............................................................................................ 86 1.7.5. Humedal de flujo Subsuperficial ....................................................................................... 88

ANEXO 1-A

DISEO DE LAS TECNOLOGAS

1. Infiltracin Rpida ..................................................................................................................... 92 2. Infiltracin Lenta ....................................................................................................................... 104 3. Escorrenta Superficial .............................................................................................................. 121 4. Humedal de Flujo Superficial ..................................................................................................... 130 5. Humedal de Flujo Subsuperficial ............................................................................................... 143

ANEXO 2-A

PLANOS DE LAS TECNOLOGAS INFILTRACIN RPIDA

Planta depuradora.......................................................................................................................... 167 Pre-tratamiento .............................................................................................................................. 168 Cortes de balsas de infiltracin ....................................................................................................... 169 Bodega, cerramiento ...................................................................................................................... 170

INFILTRACIN LENTA

Implantacin de la planta de tratamiento, cortes, canal de salida, detalles........................................ 173 Detalles de bodega, cerramiento, tanque almacenamiento, tanque distribucin, detalle surcos ......... 174 Pre-tratamiento,corte y detalle de compuerta .................................................................................. 175 Cortes, planilla hierros .................................................................................................................... 176

ESCORRENTA SUPERFICIAL

Planta de tratamiento, detalle de accesorios y perfil del suelo .......................................................... 179 Detalles de la bodega, cerramiento, planilla de hierro, corte B-B del terreno..................................... 180 Esquema del pre-tratamiento, cortes, planilla de hierros .................................................................. 181 Tanque de almacenamiento, cortes, detalle de compuerta .............................................................. 182


iv TECNOLOGA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DOMSTICAS POR MTODOS NATURALES

HUMEDALES DE FLUJO SUPERFICIAL

Planta de tratamiento ..................................................................................................................... 185 Detalles de la planta y accesorios ................................................................................................... 186 Pre-tratamiento: Planta, elevacin y cortes ..................................................................................... 187 Bodega, detalle cerramiento, caja de revisin y tanque receptor del efluente ................................... 188

HUMEDALES DE FLUJO SUBSUPERFICIAL

Esquema del tratamiento, cortes y detalles constructivos del humedal ............................................. 191 Planta, cortes y detalles constructivos del desarenador ................................................................... 192 Planta, cortes y detalles constructivos del desengrasador ............................................................... 193 Caseta del guardia y detalle del cerramiento ................................................................................... 194

ANEXO 3-A

Caractersticas Climatolgicas ........................................................................................................ 195

ANEXO 4-A

Ecuaciones utilizadas ..................................................................................................................... 200 GLOSARIO.. ........................................................................................................................ 209 REFERENCIA BIBLIOGRFICAS ................................................................................ 214

NDICE DE FIGURAS

NDICE GENERAL

Figura 1. Mapa poltico del Ecuador ............................................................................................. 1 TECNOLOGA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DOMSTICAS POR MTODOS NATURALES

Figura 2. Esquema de trayectoria hidrulica de aplicacin para IR.................................................. 6 Figura 3. Esquema de trayectoria hidrulica de aplicacin para IL .................................................. 7



DOMSTICAS POR MTODOS NATURALES v

Figura 4. Esquema del sistema de Escorrenta superficial ............................................................. 8 Figura 5. Esquema de trayectoria de un Humedal de flujo superficial ............................................. 9 Figura 6. Esquema de un Humedal de flujo Subsuperficial ............................................................ 10


Figura 7. Flujograma del proceso de seleccin de tecnologas naturales......................................... 15


Figura 8. Estructuras de tratamiento preliminar .............................................................................. 38 Figura 9. Rejilla de desbaste. ........................................................................................................ 39 Figura 10. Limpieza manual de rejilla de desbaste. .......................................................................... 39 Figura 11. Desarenador de doble cmara y rejas de desbaste.......................................................... 40 Figura 12. Limpieza manual de los desarenadores ........................................................................... 40 Figura 13. Extraccin manual de grasas en el desengradasor .......................................................... 40

APNDICE 1-A

Figura 1-A. Toma de muestras de agua residual en campo y anlisis en laboratorio ....................... 56 Figura 2-A. Toma de muestras en campo y anlisis de laboratorio ................................................. 62

ANEXO 3-A

Figura 3A-1 Precipitacin Media Mensual. ...................................................................................... 195 Figura 3A-2 Temperatura ............................................................................................................... 196 Figura 3A-3 Velocidad del Viento .................................................................................................... 197 Figura 3A-4 Evapotranspiracin Media Mensual. ............................................................................. 197 Figura 3A-5 Balance Hdrico de las cabeceras cantonales en estudio .............................................. 198

NDICE DE TABLAS

TECNOLOGA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DOMSTICAS POR MTODOS NATURALES

Tabla 1. Ventajas y desventajas de las tecnologas de tratamiento ............................................... 11


Tabla 2. Criterios de Seleccin .................................................................................................... 13 Tabla 3. Descripcin de la topografa segn la pendiente del terreno ............................................ 20


vi TECNOLOGA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DOMSTICAS POR MTODOS NATURALES

Tabla 4. Composicin del agua residual domstica ...................................................................... 22 Tabla 5. Descripcin de los suelos segn su textura .................................................................... 23 Tabla 6. Descripcin de permeabilidad para suelos no saturados ................................................. 23 Tabla 7. Perodo de diseo ......................................................................................................... 32


Tabla 8. Cuadro de resumen de las actividades de operacin y mantenimiento de las unidades de pre-tratamiento ................................................................................................................ 41 Tabla 9. Actividades de operacin y mantenimiento del sistema por IR ......................................... 42 Tabla 10. Actividades de operacin y mantenimiento del sistema por IL ......................................... 44 Tabla 11. Actividades de operacin y mantenimiento del sistema por ES ........................................ 45 Tabla 12. Actividades de operacin y mantenimiento del sistema HFL ............................................ 46 Tabla 13. Actividades de operacin y mantenimiento del sistema por HSS ..................................... 47 Tabla 14. Problemas y soluciones .................................................................................................. 50

APNDICE 1-A

Tabla 1-A. Aspectos del programa de muestreo .............................................................................. 53 Tabla 2-A.Ensayos de caracterizacin de las aguas residuales con los mtodos de ensayo utilizados en el

laboratorio del IQA-UTPL ................................................................................................ 57 Tabla 3-A. Composicin fsico-qumica y bacteriolgica de las aguas residuales .............................. 58 Tabla 4-A. Aspectos para la toma de muestras de suelos ............................................................... 61 Tabla 5-A. Ensayos fsicos, qumicos e hidrulicos del suelo con la norma o mtodo de ensayo....... 63 Tabla 6-A. Caracterizacin fsica del suelo ...................................................................................... 63 Tabla 7-A. Caracterizacin qumicas del suelo ................................................................................ 64 Tabla 8-A. Interpretacin de los rangos de pH y C.E. del suelo (Sierra)............................................ 65 Tabla 9-A.Interpretacin de los rangos de concentraciones de los componentes qumicos del suelo

(Sierra) ........................................................................................................................... 65 Tabla 10-A. Interpretacin de los rangos de CIC ............................................................................ 65 Tabla 11-A. Caracterizacin qumica del suelo .............................................................................. 66 Tabla 12-A. Caracterizacin hidrulica del suelo ............................................................................ 66 Tabla 13-A. Caracterizacin climtica de las zonas de estudio ....................................................... 72 Tabla 14-A. Valoracin de la matriz de Leopold ............................................................................. 73 Tabla 15-A. Descripcin de las acciones ....................................................................................... 75 Tabla 16-A. Factores ambientales ................................................................................................. 75 Tabla 17-A. Parmetros de diseo para IR .................................................................................... 81 Tabla 18-A. Dimensiones del tratamiento de IR ............................................................................ 82 Tabla 19-A. Parmetros de diseo para IL ..................................................................................... 83 Tabla 20-A. Dimensiones del tratamiento de IL .............................................................................. 84 Tabla 21-A. Parmetros de diseo para ES ................................................................................... 85 Tabla 22-A. Dimensiones del tratamiento de ES ............................................................................ 86 Tabla 23-A. Parmetros de diseo para HFS ................................................................................. 87 Tabla 24-A. Dimensiones del tratamiento de HFS ......................................................................... 88 Tabla 25-A. Parmetros de diseo de HSS.................................................................................... 89 Tabla 26-A. Dimensiones del tratamiento de HSS .......................................................................... 90


TECNOLOGA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DOMSTICAS POR MTODOS NATURALES vii

ANEXO 3-A

Tabla 3A-1 Precipitaciones Medias Mensuales................................................................................ 195 Tabla 3A-2 Temperaturas Medias Mensuales ................................................................................. 196 Tabla 3A-3 Velocidades Medias Mensuales del Viento .................................................................... 196 Tabla 3A-4 Evapotranspiracin Media Mensual ............................................................................... 197 Tabla 3A-5 Balance Hdrico de las Cabeceras Cantonales en estudio .............................................. 198 Tabla 3A-6 Zonificacin Climtica de Thornwaite ............................................................................ 199

NDICE DE MATRICES

Matriz 1. Cobertura de Agua potable .......................................................................................... 17 Matriz 2. Existencia y tipo de alcantarillado ................................................................................ 18 Matriz 3. Poblacin .................................................................................................................... 19 Matriz 4. Caractersticas del terreno ........................................................................................... 20 Matriz 5. Caractersticas del agua residual .................................................................................. 21 Matriz 6. Caractersticas del suelo .............................................................................................. 24 Matriz 7. Caractersticas climticas ............................................................................................. 25 Matriz 8. Eficiencia de las unidades de pre-tratamiento .............................................................. 26 Matriz 9. Remocin de los parmetros bsicos ........................................................................... 26 Matriz 10. Impacto ambiental sobre el entorno .............................................................................. 28 Matriz 11. Tecnologas de tratamiento y su necesidad de obra civil .............................................. 29 Matriz 12. Operacin y mantenimiento para cada tecnologa de tratamiento .................................. 30 Matriz 13. Costos de construccin de obra civil para los tratamientos naturales ............................ 31 Matriz 14. Costos mensuales de operacin & mantenimiento para los tratamientos naturales ........ 31 Matriz 15. Matriz de seleccin final .............................................................................................. 32

NDICE DE ECUACIONES

Eq: 1A-1 Caudal de aguas residuales domsticas .......................................................................... 200 Eq: 1A-2 Caudal medio diario ......................................................................................................... 200 Eq: 1A-3 Factor de mayoracin ...................................................................................................... 200 Eq: 1A-4 Caudal mximo horario .................................................................................................... 200 Eq: 1A-5 Constante de velocidad .................................................................................................... 200 Eq: 1A-6 Tirante de agua en el canal .............................................................................................. 200 Eq: 1A-7 Velocidad ........................................................................................................................ 200 Eq: 1A-8 Altura total del canal......................................................................................................... 201 Eq: 1A-9 Ancho del canal de cribado .............................................................................................. 201 Eq: 1A-10 Nmero de rejillas .......................................................................................................... 201 Eq: 1A-11 Longitud de transicin .................................................................................................... 201 Eq: 1A-12 Superficie necesaria de sedimentacin ........................................................................... 201 Eq: 1A-13 Caudal ........................................................................................................................... 201 Eq: 1A-14 Volumen de sedimentos ................................................................................................. 201


viii TECNOLOGA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DOMSTICAS POR MTODOS NATURALES

Eq: 1A-15 Longitud total del desarenador ....................................................................................... 201 Eq: 1A-16 Carga hidrulica ............................................................................................................. 201 Eq: 1A-17 Seccin del desengrasador ............................................................................................ 201 Eq: 1A-18 Longitud del desengrasador ........................................................................................... 202 Eq: 1A-19 Volumen del desengrasador ........................................................................................... 202 Eq: 1A-20 Volumen del afluente...................................................................................................... 202 Eq: 1A-21 Volumen del tanque ....................................................................................................... 202 Eq: 1A-22 Tasa de carga hidrulica ................................................................................................ 202 Eq: 1A-23 Carga de nitrgeno ........................................................................................................ 202 Eq: 1A-24 Carga de DBO ............................................................................................................... 202 Eq: 1A-25 rea de infiltracin ......................................................................................................... 202 Eq: 1A-26 Ciclos de operacin ........................................................................................................ 202 Eq: 1A-27 rea de cada balsa ........................................................................................................ 202 Eq: 1A-28 Tiempo de cada ............................................................................................................ 203 Eq: 1A-29 Prdida de carga en barras ............................................................................................ 203 Eq: 1A-30 rea del canal ................................................................................................................ 203 Eq: 1A-31 Altura de la lmina de agua ............................................................................................ 203 Eq: 1A-32 Longitud de la rejilla ...................................................................................................... 203 Eq: 1A-33 Volumen retenido ........................................................................................................... 203 Eq: 1A-34 Longitud del desarenador ............................................................................................... 203 Eq: 1A-35 Periodo de retencin til ................................................................................................. 203 Eq: 1A-36 Cara de agua sobre la cresta del vertedero ..................................................................... 203 Eq: 1A-37 Altura del desengrasador ............................................................................................... 203 Eq: 1A-38 Percolacin de diseo .................................................................................................... 204 Eq: 1A-39 Carga hidrulica con base en la permeabilidad del suelo ................................................. 204 Eq: 1A-40 rea requerida ............................................................................................................... 204 Eq: 1A-41 Superficie del desengrasador ......................................................................................... 204 Eq: 1A-42 Carga hidrulica de diseo ............................................................................................. 204 Eq: 1A-43 rea .............................................................................................................................. 204 Eq: 1A-44 Caudal de aguas ilcitas ................................................................................................. 204 Eq: 1A-45 Caudal por infiltraciones ................................................................................................. 204 Eq: 1A-46 Caudal en el aliviadero ................................................................................................... 204 Eq: 1A-47 Velocidad para orificios sumergidos ................................................................................ 205 Eq: 1A-48 Dimetro de una circunferencia ...................................................................................... 205 Eq: 1A-49 Constante de temperatura .............................................................................................. 205 Eq: 1A-50 Constante de temperatura a 20o ..................................................................................... 205 Eq: 1A-51 rea superficial requerida para eliminar la DBO .............................................................. 205 Eq: 1A-52 Tiempo de retencin hidrulica ....................................................................................... 205 Eq: 1A-53 Carga hidrulica ............................................................................................................. 205 Eq: 1A-54 Concentracin en el efluente .......................................................................................... 206 Eq: 1A-55 Constante de temperatura a 25o ..................................................................................... 206 Eq: 1A-56 Concentracin de nitrgeno total en el efluente ............................................................... 206 Eq: 1A-57 rea superficial requerida para eliminar el fsforo ........................................................... 206 Eq: 1A-58 Coeficiente de simultaneidad .......................................................................................... 206 Eq: 1A-59 Caudal mximo terico ................................................................................................... 206 Eq: 1A-60 Caudal medio de diseo ................................................................................................. 206 Eq: 1A-61 Caudal mximo de diseo .............................................................................................. 206 Eq: 1A-62 Distancia a la que debe ir la pantalla............................................................................... 206 Eq: 1A-63 Prdida de energa......................................................................................................... 206 Eq: 1A-64 Volumen de material retenido ......................................................................................... 207 Eq: 1A-65 Altura del desengrasador ............................................................................................... 207


TECNOLOGA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DOMSTICAS POR MTODOS NATURALES ix

Eq: 1A-66 Temperatura del humedal............................................................................................... 207 Eq: 1A-67 Coeficiente de calor ....................................................................................................... 207 Eq: 1A-68 Tenperatura de cambio en el humedal ............................................................................ 207 Eq: 1A-69 Temperatura del efluente ............................................................................................... 207 Eq: 1A-70 Temperatura promedio del humedal ............................................................................... 207 Eq: 1A-71 rea de cada humedal ................................................................................................... 207 Eq: 1A-72 Ancho del humedal ........................................................................................................ 208 Eq: 1A-73 Longitud del humedal ..................................................................................................... 208 Eq: 1A-74 Concentracin de slidos en el efluente .......................................................................... 208 Eq: 1A-75 Carga hidrulica promedio anual .................................................................................... 208



DOMSTICAS POR MTODOS NATURALES 1

1. Generalidades 1.1. Introduccin

En un gran porcentaje de comunidades

urbanas y rurales de la provincia de Loja, y en general del Ecuador, con poblaciones menores a 5000 habitantes las aguas provenientes de los alcantarillados sanitarios, ya sean separados o combinados, son descargadas directamente a los cauces naturales, ya que no cuentan con un sistema de tratamiento adecuado de aguas residuales urbanas.

Al verter estas aguas directamente a los

cauces naturales se los contamina y aguas abajo, los mismas son utilizados como fuentes de abastecimiento para dotarse de agua potable, por lo que el porcentaje de enfermedades de origen hdrico es cada vez mayor poniendo en riesgo la salud de sus habitantes.

Actualmente existen numerosas

alternativas de tratamiento de aguas residuales, sin embrago, el desconocimiento sobre el funcionamiento, operacin y mantenimiento, as como, su baja adaptacin al medio, la baja capacidad local para su sostenimiento y manejo han conducido a la implementacin de sistemas inoperantes que no han funcionado como se esperaba lo que ha trado consigo su abandono.

Debido a los costes de construccin y mantenimiento las plantas convencionales no

constituyen una alternativa para poblaciones pequeas, y, por lo tanto, se ha visto la necesidad de investigar nuevas tecnologas de depuracin, donde los costos de inversin y mantenimiento sean bajos, de tal manera que puedan ser asumidos por los Municipios, que al ser pequeos cuentan con pocos recursos para dotar de infraestructura sanitaria a las comunidades.

La bsqueda de soluciones sostenibles, debe ser por lo tanto, el resultado de la integracin de

aspectos sociales, econmicos, ambientales y tecnolgicos propios de cada poblacin. Es as que, los mtodos naturales se presentan como una alternativa tecnolgica sostenible para las comunidades con poblaciones menores a 5000 habitantes, debido a su alta eficiencia, bajos costos de construccin, operacin y mantenimiento, facilidad en la operacin y mantenimiento, bajos costos energticos y el aprovechamiento final de los efluentes de este tipo de tratamiento, que no solo representan una fuente de agua, sino tambin una fuente de entrada de nutrientes con beneficios ambientales y econmicos, lo que los convierte en una alternativa viable que cada vez es ms considerada a nivel mundial.

Figura 1. Mapa poltico del Ecuador

Fuente: Adaptado de www.inec.gov.ec


2 TECNOLOGA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DOMSTICAS POR MTODOS NATURALES

Con la ejecucin de este proyecto se ha pretendido, con datos reales hacer una investigacin de las tecnologas de tratamientos naturales, buscando las ms econmicas, eficientes, ambientalmente sostenibles que se adapten al medio y sean aplicables a comunidades pequeas cuyos vertidos sean aguas residuales tpicamente urbanas, y, en base a ello elaborar una gua de seleccin para que otras poblaciones de la regin con caractersticas similares puedan escoger la tecnologa que mejor se adapte en funcin de las consideraciones iniciales que se han desarrollado.

Por lo que este trabajo pretende orientar a los Municipios, Juntas Parroquiales, Barrios,

Empresas prestadoras del servicio de Alcantarillado y tratamiento de Aguas Residuales, Operadores de estos sistemas, Consultores del sector de saneamiento interesados en emprender y/o apoyar proyectos de rehabilitacin y optimizacin de este tipo de sistemas, a seleccionar una tecnologa apropiada, sostenible y eficiente de fcil operacin y mantenimiento que garantice su correcto funcionamiento durante su tiempo de vida til; y, adems contribuir con la descontaminacin de los cauces naturales y/o la reutilizacin de los vertidos.

1.2. ANTECEDENTES

La importancia de la calidad del agua ha tenido un lento desarrollo, en los pases de

Amrica Latina y especialmente en el Ecuador. En el 2001 se empieza a reconocer al agua como origen de enfermedades infecciosas y se da nfasis al saneamiento y con ello al tratamiento de las aguas residuales en pequeas y medianas comunidades, para tratar de disminuir la contaminacin de los cauces naturales. Se pone inicialmente empeo en los sistemas convencionales de tratamiento, pero por sus elevados costes de construccin y por su complejo mantenimiento se los desecha.

Los tratamientos naturales se presentan como una opcin tecnolgica sostenible por su alta eficiencia, bajos costos de operacin y mantenimiento y fcil construccin. Adems, el aprovechamiento de los efluentes de las plantas de tratamiento de aguas residuales, no solo representa una fuente de agua, sino tambin una fuente potencial de entrada de nutrientes, con beneficios econmicos y ambientales, convirtindose de este modo en una alternativa que toma fuerza a nivel mundial y que es conveniente considerar.

Bernal y sus colaboradores (2002) investigaron sobre tratamientos de aguas residuales domsticas por mtodos naturales para pequeas poblaciones de Colombia proponiendo una gua de seleccin de tecnologas para el tratamiento de aguas residuales domsticas por mtodos naturales para lagunas de estabilizacin, sistemas de tratamiento en el terreno y sistemas de tratamiento con plantas macrfitas que incluyen humedales artificiales, llegando a establecer estndares de vertimiento, condiciones climticas, caractersticas del terreno, disponibilidad de recursos, operacin y mantenimiento, rehso, costos, capacidad y disponibilidad de pago. Aportando de manera significativa a la investigacin aplicada sobre el tratamiento de aguas residuales utilizando mtodos naturales para aplicarlos en pequeas y medianas localidades.

En lo referente al estudio de tecnologas relacionadas a la depuracin de contaminantes presentes en el agua residual urbana por medios naturales, como es el suelo, Luis Moreno y sus colaboradores (2003) describieron un modelo experimental a escala real para la investigacin de las aguas residuales urbanas mediante infiltracin directa sobre el terreno, basados en investigaciones como las hechas en Israel en el proyecto de reutilizacin de las aguas residuales de la regin de Dan, que tiene como finalidad el tratamiento de las mismas, la recarga y el almacenamiento del efluente tratado en un acufero y su reutilizacin posterior en las explotaciones agrcolas del Negev. Llegando a concluir que los sistemas naturales como Infiltracin rpida, infiltracin lenta, escorrenta superficial son apropiados y eficientes para depurar aguas residuales de pequeos ncleos urbanos donde la contaminacin sea de origen domstico.

Raul Alberto Ruiz (Tucumn) realiz una investigacin referente a Criterios de seleccin y comparacin de plantas depuradoras en poblaciones rurales de Argentina, en las que se ha




establecido un proceso de preseleccin y seleccin de los tratamientos que se ajusten a los requerimientos y disponibilidades de una poblacin.

Resulta evidente que los pequeos ncleos de poblacin precisan de una tecnologa de depuracin de aguas residuales sostenible y que, en la medida de lo posible, haga uso de la capacidad de depuracin del medio natural, siempre que los vertidos generados sean totalmente biodegradables, es decir, el agua residual sea netamente de origen domstico. Basados en estas investigaciones y queriendo aportar al desarrollo de la regin sur del Ecuador, especialmente de la Provincia de Loja, donde los Municipios pequeos cuentan con recursos econmicos limitados y tomando en cuenta que los sistemas convencionales no constituyan una alternativa para las comunidades urbanas y rurales pequeas, se ha credo conveniente investigar sobre los tratamientos naturales de depuracin y elaborar una gua que les permita a los Municipio siguiendo un proceso determinado escoger el tipo de tratamiento que mejor se adapte a sus condiciones y de esta manera contribuir a mejorar el saneamiento bsico en esta regin y en genral en el pas.

1.3. Objetivos del Estudio

Objetivo General: Establecer criterios para la seleccin de las tecnologas naturales ms adecuada de

depuracin de aguas residuales domsticas en comunidades urbanas y rurales con poblaciones menores a 5000 habitantes, para de esta manera contribuir a la disminucin de la contaminacin de los cauces naturales, disminucin de enfermedades de origen hdrico y por ende mejorar la calidad de vida de estas localidades.

Objetivos Especficos:

Determinar los Factores y las variables a considerar en el proceso de seleccin de

tecnologas de Tratamiento de aguas residuales. Definir las zonas de estudio. Definir los puntos de muestreo. Realizar la toma de muestras de las aguas residuales en cada una de las zonas de estudio,

ensayos de laboratorio, anlisis, interpretacin y discusin de resultados. Realizar la toma de muestras de suelos, ensayos de laboratorio, anlisis y discusin de

resultados. Hacer el estudio hidrolgico en cada sector. Determinar los objetivos y tipos de tratamiento Estructurar las alternativas para seleccin de tecnologas para cada sector. Disear las tecnologas seleccionadas. Elaborar una gua de seleccin de la tecnologa ms adecuada con el respectivo Manual de

operacin y mantenimiento. Hacer la transferencia de resultados con la finalidad de reducir la contaminacin de los

cauces naturales por descarga directa de las aguas residuales urbanas.

1.4. Metodologa

Los estudios se iniciaron con la investigacin bibliogrfica de las tecnologas naturales de depuracin de aguas residuales que mejor se adapten para pequeas poblaciones, recopilacin de informacin y anlisis de experiencias relacionadas.

Para llevar a cabo esta investigacin de todas las poblaciones urbanas y rurales de la provincia de Loja-Ecuador con menos de 5000 habitantes, se escogi como plan piloto para el



trabajo de campo las cabeceras cantonales de Celica, Gonzanam, Olmedo, Pindal y Zapotillo. Estas poblaciones fueron seleccionadas en funcin del nmero de habitantes, caractersticas climatolgicas, servicio de alcantarillado y ausencia de plantas de tratamiento de aguas residuales o sistemas inoperantes.

Se inicia realizando las visitas de campo a cada sector, con la finalidad de efectuar un diagnstico de la situacin actual en cada zona, conocer las actividades a las que se dedica la poblacin para definir posibles contaminantes y determinar los puntos de muestreo en los sitios donde convergen todas las aguas recolectadas de los colectores principales y secundarios del sistema de alcantarillado, as como definir los factores y las variables a considerar.

Luego se procede a estructurar un programa de muestreo, el cual consisti en tomar muestras de agua residual en 6 das diferentes de la semana a partir de las 06H00 hasta las 18H00 con un total de 30 muestras por cada da, distribuidas de la siguiente manera: 13 muestras para ensayos fsico-qumicos, 13 muestras para ensayos de metales pesados y pesticidas (organoclorados y organofosforados) y 4 muestras para ensayos bacteriolgicos. A la par con la toma de muestras se midio la temperatura del agua residual y se afor en la descarga para determinar el caudal de salida. Cada muestra se preserv en un equipo de refrigeracin a una temperatura de 4oC, hasta su traslado a los laboratorios del Instituto de Qumica Aplicada (IQA) en la Universidad Tcnica Particular de Loja (UTPL).

Al ser el suelo un factor muy importante para la exitosa depuracin del agua residual ya que es el medio en el que se desarrollaran los procesos depuradores, su estudio inicia en el campo definiendo los sitios de muestreo. De esta forma, fue posible definir 3 a 4 puntos de muestreo por hectrea, obedeciendo a la homogeneidad del terreno y ubicndolos de tal forma que cubran toda el rea disponible. Para una adecuada caracterizacin del suelo se realiz el estudio fsico, qumico e hidrulico del sitio donde se podra implantar el sistema de tratamiento.

El estudio hidrolgico se inici con la recopilacin de la informacin de los registros de varios aos de: precipitaciones, temperaturas, vientos, y evapotranspiraciones, disponibles en el Instituto Nacional de Meteorologa e Hidrologa del Ecuador (INAMHI) para las estaciones climatolgicas cercanas a las zonas de estudio. Con lo cual empleando mtodos hidrolgicos y estadsticos se lleg a obtener las precipitaciones medias mensuales, temperaturas medias mensuales, velocidad del viento media mensual, evapotranspiracin media mensual y balance hdrico de cada zona de estudio.

Tambin se ha realizado un estudio de Impacto ambiental para determinar la afectacin positiva o negativa que sufrirn las zonas de estudio por la implantacin del sistema de tratamiento y para establecer las medidas necesarias de mitigacin o compensacin por los daos ambientales. Se ha utilizado el mtodo de Leopold para la identificacin y valoracin de los impactos ambientales provocados en el aire, suelo, agua, fauna, agricultura, flora, paisaje, empleo.

En base a los estudios antes mencionados, se han realizado las matrices correspondientes para una adecuada seleccin de la tecnologa ms apropiada utilizando mtodos naturales de depuracin para cada zona de estudio. Las mismas se fueron complementadas con el diseo y elaboracin de los planos de las plantas de tratamientos de la tecnologa seleccionada en cada zona de estudio, quedando as: Infiltracin rpida para el cantn Zapotillo, Infiltracin lenta para Olmedo, Escorrenta superficial para Celica, Humedal de flujo subsuperficial para Pindal y Humedal de flujo superficial para Gonzanam.

Adicionalmente, estas matrices se las puede aplicar para seleccionar la tecnologa ms adecuada para otras comunidades urbanas y/o rurales con poblaciones menores a 5000 habitantes y con caractersticas similares. Para que este proceso sea ms sencillo se ha elaborado un diagrama de flujo, en el mismo se detalla paso a paso el procedimiento para que pueda ser utilizado sin ningn inconveniente. Adems se elabor un Manual de Operacin y Mantenimiento para garantizar que las depuradoras puedan cumplir con su vida til.




2. Tecnologas de Tratamiento de Aguas Residuales Domsticas por Mtodos

Naturales Los tratamientos por mtodos naturales son aquellos, en los que la accin de la vegetacin, el

suelo y los microorganismos son los encargados de la depuracin de aguas residuales. En los ltimos aos este tipo de tratamientos han recobrado gran inters debido a sus ventajas econmicas, reducido consumo energtico, baja produccin de fangos, fcil operacin y mantenimiento con respecto a los sistemas convencionales, y por tanto, se convierten en alternativas sostenibles para las pequeas comunidades.

Dentro de los mtodos naturales generalmente se diferencian dos grandes grupos: los

mtodos de aplicacin sobre el terreno y los mtodos acuticos. Los mtodos de aplicacin en el terreno se caracterizan por la aplicacin controlada de agua residual sobre la superficie de un terreno, para alcanzar un grado determinado de tratamiento a travs de procesos fsicos, qumicos y biolgicos. (Crites Tchobanoglous, 2000). Por otra parte, dentro de los mtodos acuticos se incluyen aqullos cuya accin principal de depuracin se ejerce en el seno del medio acutico, participando en el proceso plantas emergentes y los microorganismos.

Los principales tipos de sistemas de tratamiento naturales para aguas residuales incluyen: Mtodos de aplicacin en el terreno:

Infiltracin Rpida Infiltracin Lenta Escorrenta Superficial

Mtodos acuticos: Humedales de flujo superficial Humedales de flujo subsuperficial



2.1 Infiltracin Rpida (IR)

La infiltracin rpida es un mtodo de inundacin del suelo, apropiada para tratamiento de

aguas residuales domsticas, limitada por las caractersticas del suelo, los costos del terreno y los impactos sobre las aguas subterrneas, (Romero R, 1999).

En los sistemas de infiltracin rpida el agua aplicada se infiltra por la superficie y percola por

los poros del suelo. Se realiza sobre suelos muy permeables de textura gruesa, por lo que las superficies necesarias son relativamente pequeas con cargas hidrulicas elevadas. El tratamiento se realiza en el suelo sin la intervencin de plantas.

Es un sistema de recarga y posible proteccin de los acuferos, remocin de contaminantes, es

fcil de operar y necesita menos rea que otros mtodos de aplicacin sobre el suelo. Su principal limitacin es el peligro de contaminacin de las aguas subterrneas en caso de deficiente operacin. Para evitarlo se necesita las siguientes caractersticas:

Pendiente del 3 al 10% para evitar remociones excesivas de terreno Nivel fretico a una profundidad mnima de 3m Permeabilidad del suelo rpida rea de terreno por habitante necesaria por la tecnologa 2 a 20 m2/hab

Figura 2. Esquema de trayectoria hidrulica de aplicacin para IR

Fuente: Adaptado de Metcalf y Eddy, 1995




2.2 Infiltracin Lenta (IL)

El proceso de infiltracin lenta consiste en la aplicacin de un caudal controlado del agua

residual sobre la superficie del suelo con cubierta vegetal para lograr tanto el crecimiento de la vegetacin existente y el grado necesario de tratamiento del agua contaminada. El agua residual se aplica mediante uso de aspersores, surcos y zanjas. Una vez aplicada el agua con previo tratamiento primario, est se infiltra por la superficie de terreno o percola vertical y horizontalmente en el terreno, adems puede consumirse por evapotranspiracin.

Los sistemas de IL se pueden clasificar como tipo I (infiltracin lenta) o de tipo II (irrigacin en

cultivo), dependiendo de los objetivos del diseo. Cuando el objetivo principal es el tratamiento de aguas residuales se clasifica como tipo I, y se trata la mayor cantidad de agua residual en la menor rea de terreno posible. (Crites Tchobanoglous, 2000). Los sistemas tipo II se disean con la finalidad de reutilizar el agua para la produccin agrcola, y consisten en aplicar un caudal suficiente de agua residual cumpliendo con los requerimientos de irrigacin de un cultivo.

Para la instalacin de este sistema es primordial:

Pendiente del 5 al 20% Nivel fretico de 1 a 1.5 m Permeabilidad del suelo lenta o moderadamente rpida. rea de terreno necesaria para la tecnologa: 8 - 20 m2/hab.

Figura 3.

Esquema de trayectoria hidrulica de aplicacin para IL Fuente: Adaptado de Metcalf y Eddy, 1995



2.3 Escorrenta Superficial (ES)

La Escorrenta superficial se emplea en terrenos con pendiente de 3 al 8%, capa superficial de

suelo poco permeable o con subsuelo impermeable y requiere cobertura vegetal para evitar la erosin. La escorrenta superficial es esencialmente un proceso biolgico en el cual se aplica el agua residual sobre las zonas de un terreno donde fluye a travs de la superficie vegetal, hasta unas zanjas de recoleccin. A medida que el agua fluye sobre el suelo, una porcin se infiltra, otra se evapora y el resto fluye a los canales de recoleccin. La renovacin del agua se lleva a cabo por medios fsicos, qumicos y biolgicos (Moreno M., 2003).

Este sistema es viable, de costo bajo, eficiente para tratamiento de aguas residuales con

materia orgnica degradable y sometidas a pre-tratamiento de cribado ms sedimentacin. Para la instalacin de este sistema es necesario:

Pendientes del orden del 3 al 8%. Profundidad del nivel fretico no crtica. Suelos con permeabilidad lenta tales como arcillas y limos arcillosos. rea requerida por la tecnologa de 2,5 - 6 m2/hab.

Figura 4.

Esquema del sistema de escorrenta superficial Fuente: Adaptado de Metcalf y Eddy, 1995




2.4 Humedales Los humedales pueden ser naturales o artificiales y, son sistemas de tratamiento natural por

medios acuticos en los cuales las plantas y animales son los principales medios que intervienen en el tratamiento de aguas residuales municipales, eliminando grandes cantidades de materia orgnica, slidos, nitrgeno, fsforo. Los humedales artificiales son de superficie libre de agua (con espejo de agua, o de de flujo subsuperficial (sin espejo de agua).

Los humedales tienen dos funciones bsicas que los hacen tener un atractivo potencial para el

tratamiento de aguas residuales:

Fijar fsicamente los contaminantes en la superficie del suelo. Lograr niveles de tratamiento consistentes con un bajo consumo de energa y bajo

mantenimiento. 2.4.1 Humedales de Flujo libre o superficial (HFL)

Los HFL con espejo de agua son balsas, una cinaga, pantano o canales paralelos con la

superficie del agua expuesta a la atmsfera (Romero R., 1999). Para la instalacin de este sistema es necesario:

Suelos arcillosos de baja permeabilidad. Vegetacin inundada hasta una profundidad de 10 a 60 cm. La vegetacin puede ser caas o juncos. Pendiente del terreno < 5 % La profundidad del nivel fretico no es un limitante. rea requerida por el tratamiento: 2,5 a 9 m2/hab.

Figura 5. Esquema de trayectoria de un humedal de flujo superficial

Fuente: Adaptado de Romero R., 1999.



2.4.2 Humedales de Flujo Subsuperficial (HSS) Los HSS son mtodos acuticos en el que el agua fluye por debajo de la superficie de un

medio poroso de grava gruesa o arena sembrado de plantas emergentes (Romero R, 1999). Para la instalacin de este sistema es necesario:

Suelos arcillosos relativamente impermeable La profundidad del lecho va desde 0.5 a 0.9 m Pendiente del terreno < 5%. La profundidad del nivel fretico no es un limitante. rea requerida por el tratamiento: 1,5 - 7 m2/hab.

Este tipo de tratamiento tiene la ventaja de evitar posibles problemas de mosquitos y generacin de malos olores, ya que el nivel del agua est por debajo de la superficie. Como desventaja, sin embargo presentan mayores costos por el medio de depuracin (grava) y riesgo de taponamiento.

Figura 6. Esquema de un Humedal de flujo Subsuperficial

Fuente: Adaptado de Romero R., 1999.

2.5 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS TECNOLOGAS NATURALES DE TRATAMIENTO

Los tratamientos naturales tienen muchas ventajas relacionadas con la aplicacin de plantas

de tratamiento convencionales, en cuanto a costos de construccin, operacin y mantenimiento, consumo energtico, etc. As tambin, presentan limitaciones para su aplicacin.


TECNOLOGA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DOMSTICAS POR MTODOS NATURALES 11

En la tabla 1 se presentan las ventajas y desventajas de cada tecnologa de tratamiento, en funcin de las tecnologas diseadas y su aplicacin en poblaciones menores a 5000 habitantes.

Tabla 1. Ventajas y Desventajas de las tecnologas de tratamiento

TECNOLOGA DE TRATAMIENTO VENTAJAS DESVENTAJAS

INFILTRACIN RPIDA

Rendimientos altos de depuracin. Reutilizacin del agua depurada. Bajo costo de operacin y

mantenimiento de las instalaciones. No precisa el empleo de aditivos. Mantenimiento de personal poco

especializado. Reducciones medias de DBO5 y

slidos en suspensin alrededor del 90%

Elevada eliminacin de patgenos. Eliminacin del fsforo y reduccin

considerable de nitrgeno y metales pesados

No existen limitaciones climticas. Segura desde un punto de vista

ambiental siempre y cuando se cumplan con las restricciones propias del mtodo.

Las pendientes no es un factor crtico, sin embargo pendientes muy grandes obligan a gran movimiento de tierras

Reducida produccin de fangos Estabilidad frente a variacin de

temperatura. Opcional el tipo de distribucin. Agua tratada apta para riego. Aceptacin por parte de la sociedad

del reciclaje completo del agua residual.

Colmatacin rpida del lecho filtrante.

Mantenimiento peridico de la superficie de aplicacin

No es un buen sistema para la eliminacin de contaminantes procedente de la actividad industrial.

Disposicin del terreno suficiente, formado por materiales de permeabilidad alta.

No son operativos cuando existen pendientes de ms de 20%.

Fuente: Crites Tchobanoglous, 2000.

INFILTRACIN LENTA

Se puede usar en terrenos irregulares, con pendiente de hasta 10%.

Se aplica en terrenos donde el nivel fretico se encuentre entre 1.0 y 1.5 m de profundidad.

Se puede usar en suelos fcilmente erosionados y de moderada permeabilidad..

Usualmente no es necesario el control aguas abajo.

Reduce el impacto ambiental en los causes naturales.

No precisa personal especializado para el control de la depuradora.

No produce fangos.

Aumento considerable de la humedad en el terreno.

Requieren de mucha atencin del controlador para evitar atascamiento de agua en los surcos.

Riesgo de contaminacin del acufero cuando el nivel fretico sea alto.

Puede producir molestias como mal olor, moscas y mosquitos.

Se aplican en aguas residuales no industriales y sin contaminantes nocivos para los cultivos.




TECNOLOGA DE TRATAMIENTO VENTAJAS DESVENTAJAS

ESCORRENTA SUPERFICIAL

Bajo costo de instalacin y mantenimiento.

Ofrece menores demandas energticas

Utiliza la vegetacin y el suelo como medios de depuracin.

Utilizacin de suelos de permeabilidad baja (arcillas y limos).

El lquido proveniente de la depuracin puede ser reutilizado para el riego.

Son efectivos en la remocin de Demanda Bioqumica de Oxigeno (DBO), slidos suspendidos totales (SST), nitrgeno y compuestos orgnicos.

Pendientes superiores a 8% tienen un riesgo grande de causar surcos y erosin.

Las precipitaciones continas reducen el rendimiento, provocando encharcamientos y saturaciones del suelo.

Bajas temperaturas disminuye la actividad biolgica en el suelo.

Son menos eficientes en la remocin de fsforo, metales pesados y organismos patgenos.


HUMEDAL DE FLUJO

SUPERFICIAL (HFL)

Proporcionan tratamiento efectivo y minimizan la necesidad de equipos mecnicos, electricidad y monitoreo permanente.

Adecuado para el tratamiento de aguas residuales de pequeas poblaciones

Menor coste en la construccin, operacin y mantenimiento.

Soportan variaciones de caudal eficientemente. Proporcionan una adicin valiosa al espacio verde de la comunidad, e incluye la incorporacin de hbitat de vida silvestre.

No producen lodos residuales. Facilitan la reutilizacin del agua.

Las necesidades de terreno pueden ser grandes, para remocin de nitrgeno o fsforo.

En climas fros las bajas temperaturas reducen la tasa de remocin de DBO y de las reacciones biolgicas responsables de la nitrificacin y desnitrificacin.

Aumento de tamao del humedal, Proliferacin de mosquitos y otros

insectos. Limitacin de pendiente del

terreno inferior al 5%.

Fuente: Adaptado de EPA, 2000.

HUMEDAL DE FLUJO

SUBSUPERFICIAL (HSS)

Alto rendimiento para la remocin de MO, DBO, DQO, SST, N, P y metales pesados.

Integracin en el medio Requieren menos superficie que los

humedales de flujo libre. Problemas de olores e insectos

mnimos. Poco o nulo consumo energtico. Bajo coste de operacin y

mantenimiento. No existe produccin de lodos

No recomendable en zonas con climatologa extrema.

Limitacin de pendiente del terreno inferior al 5%.

Operacin eficiente hasta que se desarrolle la vegetacin (3-6 meses).

Exigentes cuidados durante el proceso de construccin, errores conllevan deficientes procesos de tratamiento y a altas inversiones de reconstruccin.

La retencin de metales pesados aumenta su acumulacin en los sedimentos del lecho filtrante que con el tiempo reduce la eficiencia del proceso siendo necesario la renovacin del medio granular, implicando mayores costos.

Fuente: Adaptado de Snchez Nazly, et al, 2008.



3. SELECCIN DE TECNOLOGAS

3.1 CRITERIOS DE SELECCIN DE LOS SISTEMAS DE TRATAMIENTOS NATURALES

La seleccin de un tratamiento de aguas residuales, depende de criterios que sirven para realizar un anlisis comparativo entre las diferentes alternativas, a fin de llegar a la eleccin de la ms conveniente para una localidad, dependiendo de sus caractersticas particulares. Para ello debe estudiarse el afluente a ser depurado, el nivel de calidad que se desea en el agua tratada de acuerdo al objetivo del tratamiento, las caractersticas de terreno, factores ambientales, costos construccin, operacin y mantenimiento.

En este apartado como resultado de la investigacin, se presenta un estudio comparativo entre

las diferentes alternativas de tratamientos naturales de aguas residuales domsticas para comunidades menores a 5000 habitantes, en base a ocho criterios de seleccin que se presentan en la tabla 2, con la informacin requerida en cada uno de ellos.

Tabla 2. Criterios de Seleccin

CRITERIOS DE SELECCIN VARIABLES

Factores Demogrficos Poblacin (rangos para calificacin) Existencia y tipo de Alcantarillado Existencia de Agua Potable

Caractersticas del terreno Superficie necesaria Profundidad del nivel fretico Pendiente Topografa

Objetivos de Tratamiento Expectativas de calidad del efluente Nivel de Tratamiento

Caractersticas del Agua residual

Origen Composicin Caudal Temperatura

Caractersticas del Suelo Tipo Textura Velocidad de infiltracin Permeabilidad

Caractersticas climatolgicas Precipitacin Temperatura Evapotranspiracin Viento

Aspectos Tecnolgicos Impacto Ambiental (aire, suelo, agua, salud) Eficiencia del tratamiento Facilidad de operacin y Mantenimiento

Costes Operacin y Mantenimiento Construccin Fuente: El Autor



Los criterios de seleccin, han sido escogidos como los ms usuales e importantes que no

pueden excluirse del proceso, en base al estudio desarrollado por diferentes autores que han trabajado en el campo de la seleccin de tecnologas, a factores como el objetivo final del tratamiento, aspectos sociales, econmicos, sostenibilidad, impacto en la salud y medio ambiente, caractersticas particulares de cada tecnologa, requerimientos de construccin, operacin y mantenimiento. De tal manera, que la seleccin de la tecnologa sea un proceso simple, amigable y facilite la toma de decisiones, de acuerdo a las condiciones que las pequeas poblaciones posean.

En la figura 7 se presenta un diagrama como una herramienta til para orientar al proyectista

en la seleccin del tratamiento de aguas residuales, indicando secuencialmente el proceso que debe seguir, sustentada en las matrices de seleccin.



Fuente: El Autor



3.2 MATRICES DE SELECCIN 3.2.1 Consideraciones preliminares

En esta fase se presentan las matrices de seleccin para la comparacin entre s de las alternativas, aplicndose una matriz para cada uno de los criterios de seleccin. La ponderacin en stas matrices se realizar utilizando una valoracin de 1 a 5, que contemplan las situaciones extremas ms aptas y no aptas respectivamente. Para finalmente seleccionarse el tratamiento que ms alta puntuacin alcance.

La valoracin de cada variable evaluada en las matrices de seleccin est argumentada en los

resultados de los estudios realizados en esta investigacin, diseos reales de cada tecnologa, y a su vez, sustentados en los valores sugeridos en la literatura.

3.2.2 Factores demogrficos

La primera etapa en la seleccin de una tecnologa de tratamiento de aguas residuales, verifica la factibilidad de implementacin de este sistema en la comunidad, comprobando en primera instancia, la existencia de abastecimiento de agua potable, existencia y tipo de alcantarillado, y los requerimientos de poblacin.

a. Existencia de Servicio de Agua Potable

La matriz 1 evala la existencia de agua potable en la comunidad donde se seleccionar la tecnologa de tratamiento de aguas residuales. Siendo inherentemente preferible que la misma cuente con este servicio. Adems se debe considerar, que una poblacin que no est dotada de agua potable difcilmente podr priorizar la proyeccin un sistema de depuracin de aguas residuales.

Matriz 1. Cobertura de Agua potable

SERVICIO DE AGUAS

POTABLE

TECNOLOGA

Infiltracin rpida

IR

Infiltracin lenta

IL

Escorrenta superficial

ES

Humedales de flujo

Superficial HFL

Humedales de flujo

Subsuperficial HSS

Tiene servicio A A A A A

No tiene Servicio Na Na Na Na Na

Cobertura Parcial Mo Mo Mo Mo Mo

Fuente: El Autor



La valoracin de cada tem de la matriz 1, est en funcin de la cobertura del sistema de agua potable en el sector de estudio, para lo cual se usar la calificacin siguiente para cada uno.

Apto (A) Moderado (Mo) No apto (Na)

PUNTUACIN 5 3 1

b. Existencia y Tipo de Alcantarillado La necesidad inherente de planear un sistema de tratamiento de aguas residuales, es que la

poblacin cuente con un sistema de alcantarillado que evacue todas las aguas residuales y la lleve a un punto de descarga donde se pueda depurarlas.

Ahora bien, es preferible que la comunidad cuente con un sistema de alcantarillado sanitario

separado, que solo transporte las aguas residuales urbanas. Pero si bien es cierto, muchas de nuestras ciudades todava cuentan con un alcantarillado mixto, o en el peor de los casos combinado, lo cual se vera reflejado en un aumento de caudal por aguas servidas + aguas lluvias que sobredimensionaran la depuradora, implicando mayores costos de construccin y mantenimiento. Entonces, se sugiere que siempre se construya alcantarillados separados.

Matriz 2. Existencia y tipo de alcantarillado

ALCANTARILLADO

TECNOLOGA

Infiltracin rpida

IR

Infiltracin lenta

IL


ES

Humedales de flujo

Superficial HFL

Humedales de flujo

Subsuperficial HSS

Alcantarilladlo separado S S S S S

Alcantarillado Mixto N N N N N

Alcantarillado Combinado C C C C C

Fuente: El Autor

La estimacin de cada variable de la matriz 2, depender del tipo de sistema de alcantarillado

con el que cuente la zona de estudio, para lo cual se usar la calificacin siguiente:

Simple (S) Normal (N) Complejo (C)

PUNTUACIN 5 3 1

c. Poblacin Recomendada La poblacin es uno de los factores que delimitan la seleccin de una tecnologa de depuracin

de aguas residuales, debido a que no todos los tratamientos son adecuados para todas las poblaciones. Para nuestro estudio, se ha definido una poblacin menor a 5000 habitantes para comparar las cinco tecnologas propuestas.



En la matriz 3, se presentan los tratamientos ms adecuados para cada intervalo de poblacin. Por tanto se deber preseleccionar todas las tecnologas que se adapten al nmero de habitantes de su comunidad, dndole la valoracin que se muestra en la tabla de puntuacin.

Es importante mencionar que todos los tratamientos propuestos, producto de esta

investigacin, son aplicables a comunidades menores a 5000 habitantes.

Matriz 3. Poblacin

NMERO DE HABITANTES

TECNOLOGA

Infiltracin rpida

IR

Infiltracin lenta

IL


ES

Humedales de flujo

Superficial HFL

Humedales de flujo

Subsuperficial HSS

500 A A A A A

1000 A A A A A

1500 A A A A A

2000 A A A A A

2500 A A A A A

3000 A A Mo A A

4000 Mo Mo Mo A A

5000 Mo Mo Mo A A

Fuente: El Autor

Dependiendo del nmero de habitantes que tenga la comunidad se le asignar la puntuacin

de acuerdo a lo que se detalla a continuacin:

Apto (A) Moderado (Mo) No Apto (Na)

PUNTUACIN 5 3 1

3.2.3 Caractersticas del Terreno

Las caractersticas generales del terreno, tales como rea disponible para la tecnologa, y

profundidad del nivel fretico, son consideradas las principales variables de decisin, limitando la implementacin de un sistema natural de tratamiento de aguas residuales. Adems, el peso aplicado a este apartado tambin depende de las caractersticas fsicas como pendiente y topografa, para evitar un incremento en los costes de construccin, operacin y mantenimiento.

La superficie de terreno necesaria en m2/hab, es el rea necesaria para implantar una tecnologa

natural de tratamiento de aguas residuales. Se la determina con la siguiente ecuacin:



(hab)habitantesdeNmero)(motratamientdisponibleArea/hab)(mnecesariaSuperficie

22 =

La profundidad a la que se encuentre el nivel fretico es un factor importante y delimitante en la

seleccin un tratamiento natural de depuracin, porque de ello depender que no se contaminen las aguas subterrneas con el agua residual a ser tratada.

La topografa y pendiente del terreno, son dos parmetros que se deben considerar a la hora de

escoger el sitio para implantar el sistema de depuracin de aguas residuales, porque condicionan la posible erosin y la velocidad con la que el agua fluir en el terreno. En la tabla 3 puede encontrar la descripcin topogrfica segn la pendiente del terreno.

Tabla 3. Descripcin de la topografa segn la pendiente del terreno

PENDIENTE DEL TERRENO TOPOGRAFA 20% Muy Pronunciado

Fuente: Adaptado de Romero R., 1999

Matriz 4. Caractersticas Del terreno

VARIABLE

TECNOLOGA

Infiltracin rpida

IR

Infiltracin lenta

IL


ES

Humedales de flujo

Superficial HFL

Humedales de flujo

Subsuperficial HSS

Superficie necesaria (m2/hab) 2 - 20 8 20 2,5 -6 2,5 - 9 1,5 7

Profundidad del nivel fretico (m) > 3,0 1 1,5 No crtico No crtico No crtico

Pendiente de terreno (%) 3 - 10 5 20 3 8 < 5 < 5

Relieve (Adimensional) Moderado Pronunciado Moderado Suave Suave

Fuente: El Autor

La mayor valoracin de cada una de las variables de las caractersticas del terreno designado para la construccin de la depuradora, se le asignar a la que ms se adapte a las condiciones de la zona de estudio. As, secuencialmente se tiene:

Muy Pronunciado Pronunciado Moderado Suave

PUNTUACIN 5 4 3 1



3.2.4 Caractersticas del agua residual La caracterizacin de las aguas residuales consiste en conocer su composicin, definiendo las

concentraciones de los diferentes contaminantes y por consiguiente el origen del agua residual de la localidad.

El origen del agua residual puede ser industrial y domstico o una combinacin de los dos, definida por las actividades a las que cada poblacin de dedique. Esta investigacin est encaminada a trabajar con aguas residuales puramente domsticas.

El volumen del afluente por unidad de tiempo que llega a la depuradora, conocido como caudal, es un dato fundamental para disear y proyectar el sistema. El caudal est en funcin del nivel de vida de la poblacin, hbitos en el uso del agua, dotacin de agua potable, existencia de redes diferentes de alcantarillado, etc. Por tanto, es necesario que se conozca el caudal, emprendiendo campaas de aforo o calculndolo de forma terica.

La temperatura del agua residual es un parmetro importante, porque condiciona el desarrollo de una fauna bacteriana y una flora autctona, ejerciendo una accin amortiguadora frente a la temperatura ambiente, tanto en verano como en invierno en cualquier tipo de tratamiento biolgico.

En la matriz 5 se presentan las caractersticas del agua residual referentes a origen, caudal y

temperatura.

Matriz 5. Caractersticas del agua residual

VARIABLES

TECNOLOGA

Infiltracin rpida

IR

Infiltracin lenta

IL


ES

Humedales de flujo

Superficial HFL

Humedales de flujo

Subsuperficial HSS

Origen (Adimensional) Domstico Domstico Domstico Domstico Domstico

Caudal (l/s) 6 - 9 3.5 5 6 14 7 - 10 4 7

Temperatura de agua residual (C) 28 - 33 17 26 18 22 17 - 21 22 26

Fuente: El Autor

Para asignar la puntuacin a cada variable, se considera el mayor valor para la tecnologa cuyas caractersticas se adapten al agua residual del sector en estudio.

Apto Moderado No apto

PUNTUACIN 5 3 1

En la tabla 4 se muestra la composicin tpica de un agua residual urbana, obtenida del estudio de caracterizacin de sta investigacin, en ella se muestra las concentraciones en intervalos de cada parmetro analizado. Adems, se ha considerado los lmites permisibles de descarga a un cuerpo de agua dulce y la calidad admisible para uso agrcola, establecidos por el Ministerio de Medio Ambiente del Ecuador, Norma de Calidad Ambiental y de descarga de efluentes: Recurso Agua, a fin de conocer las caractersticas que el efluente debe cumplir despus del tratamiento aplicado.



Tabla 4. Composicin del agua residual domstica

VARIABLE UNIDAD AFLUENTE

NORMATIVA DE CALIDAD AMBIENTAL Y DE DESCARGA DE EFLUENTES DEL MINISTERIO DE

MEDIO AMBIENTE ECUADOR 2002: RECURSO AGUA

CRITERIOS DE CALIDAD ADMISIBLE PARA AGUAS DE USO

AGRCOLA

LIMITES MXIMOS PERMISIBLES DE DESCARGA A UN

CUERPO DE AGUA DULCE

PARMETROS FSICO-QUMICOS

pH Adimensional 7 10 - -

Slidos Disueltos mg/l 50 1000 - -

Slidos Totales mg/l 200 1200 3000 1600

Slidos en Suspensin mg/l 50 350 100

Nitrgeno total mg/l 20 - 90 15

Nitrgeno de Nitrato mg/l 1 5 -

Nitrgeno de Nitrito mg/l 0,1 1 - -

Fsforo total mg/l 1 10 - 10

Alcalinidad mg/l 50 500 - -

Carbono Orgnico Total mg/l 100 300 - -

Grasas mg/l 40 150 0,3 0.3

DBO5 mg/l 100 400 - 100

DQO mg/l 200 1000 - 250

Boro mg/l 0,1- 2 1 2

PARMETROS BACTERIOLGICOS

Coliformes Totales ufc/100ml 4.87E+07-

- -

Coliformes Fecales ufc/100ml 2.83E+07-

- Remocin > al 99,9%

Echerichia Coli ufc/100ml 2.92E+07-

- -

METALES PESADOS

Cobre mg/l < 2 2.0 1.0

Hierro mg/l 0.5 5 5.0 10

Plomo mg/l 0.01 0.5 0.05 0.2

Manganeso mg/l 0.05 2 0.2 2

Zinc mg/l 0.01 8 2.0 5

PESTICIDAS

Organoclorados totales mg/l < 0.14 0.2 0.05

Organofosforados totales mg/l < 0.28 0.1 0.1

Fuente: El Autor

Nota.- Para caracterizar el agua residual se lo puede hacer en funcin de los parmetros bsicos, como son: pH, DBO5, DQO, Slidos totales, N, P, Carbono Orgnico Total.



Por tanto, en base a los resultados presentados en la tablas 3 y 4, podemos afirmar que el agua residual analizada proveniente de poblaciones urbanas y rurales menores a 5000 habitantes se encuentra dentro de los lmites de agua tpica urbana y no tiene contaminacin de vertidos industriales, por tanto es apta para ser tratada mediante la utilizacin de los mtodos naturales de depuracin.

3.2.5 Caractersticas del Suelo El tipo de suelo, textura, velocidad de infiltracin, y grado de permeabilidad, se evalan en una

siguiente etapa de este proceso de seleccin. Estos parmetros se han escogido para evaluar si el suelo destinado al tratamiento, cumple con las condiciones que cada tecnologa demanda para su ptimo funcionamiento. En la matriz 6 se pueden encontrar las caractersticas especficas.

El tipo de suelo se define en funcin de las caractersticas fsicas como granulometra, limites de

Atterberg y contenido de humedad que posee un suelo, a travs de la clasificacin por los mtodos SUCS Norma ASTM D 2487.

La textura del suelo (Tabla 5) est relacionada con el tamao de las partculas del suelo, siendo importante porque determina dos propiedades fundamentales del suelo como depurador: la capacidad de drenaje y retencin del agua en el suelo. La textura se puede determinar utilizando un tringulo textural, Norma ASTM D422.

Tabla 5. Descripcin de los suelos segn su textura

TIPO DE SUELO CLASE DE TEXTURA Arenoso Gruesa

Margoso Media

Arcilloso Fina Fuente: Romero R., 1999

La velocidad de infiltracin (Norma ASTM D2434) es el flujo de agua mximo que puede absorber un suelo a travs de su superficie cuando sta se mantiene en contacto con el agua. Condiciona la seleccin de un tratamiento de infiltracin directa sobre el terreno o la utilizacin de otros mtodos naturales.

La permeabilidad (Tabla 6) depende del tamao de los poros y su conectividad determinando si el suelo posee una alta, moderada o baja permeabilidad. Generalmente los suelos con alta permeabilidad son los idneos para tratamiento de infiltracin en el terreno, mientras que los suelos impermeables o de baja permeabilidad obligan a la seleccin de humedales u otro mtodo que no implique el paso del agua a travs del suelo.

Tabla 6. Descripcin de permeabilidad para suelos no saturados

PERMEABILIDAD (mm/h) CLASE 51 Alta

Fuente: Romero R., 1999

Gua para la Seleccin de Tecnologas de Depuracin de Aguas Residuales por Mtodos Natura

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