introducción sistemas naturales

Tratamientos naturales Tratamientos naturales de aguas residualesde aguas residuales

Ph.D Jaime Andrés Lara BorreroPh.D Jaime Andrés Lara Borrero

Grupo de InvestigaciónGrupo de Investigación

ISADISAD

Pontificia Universidad JaverianaFacultad de IngenieríaDepartamento de Ingeniería CivilBogotá - Colombia

Jaime A. Lara B. IC., MSc., PhD.Grupo de Investigación ISAD

El Contexto ActualEl Contexto ActualTratamiento de aguas residuales a Tratamiento de aguas residuales a

pequeña escala pequeña escala Limitaciones financieras: escasez de recursos técnicos y Limitaciones financieras: escasez de recursos técnicos y

humanoshumanos Poca capacidad de gestiónPoca capacidad de gestión

FRACASO DE LOS GRANDES SISTEMAS Y LA ECONOMÍA DE FRACASO DE LOS GRANDES SISTEMAS Y LA ECONOMÍA DE ESCALAESCALA

NECESIDAD DE SOLUCIONES ADAPTADAS A LAS NECESIDAD DE SOLUCIONES ADAPTADAS A LAS CARACTERÍSTICAS DEL ENTORNOCARACTERÍSTICAS DEL ENTORNO

REQUISITOS:REQUISITOS: Garantía de un funcionamiento eficaz: gran inercia a oscilaciones Garantía de un funcionamiento eficaz: gran inercia a oscilaciones

de Q y Cde Q y C Gasto energético mínimoGasto energético mínimo Explotación y mantenimiento sencilloExplotación y mantenimiento sencillo Poca producción de lodos y simplicidad en el manejoPoca producción de lodos y simplicidad en el manejo



Tratamiento de aguas residuales a Tratamiento de aguas residuales a pequeña escala característicaspequeña escala características

de las aguas residualesde las aguas residuales

PRINCIPALES DETERMINANTES:PRINCIPALES DETERMINANTES: Alta carga contaminanteAlta carga contaminante Importantes oscilaciones de caudalImportantes oscilaciones de caudal Compatibilidad con los procesos biológicosCompatibilidad con los procesos biológicos

NECESIDADESNECESIDADES Eficacia en la tecnologíaEficacia en la tecnología Inercia del sistema y capacidad de asimilaciónInercia del sistema y capacidad de asimilación



Las Tecnologías no Las Tecnologías no ConvencionalesConvencionales

CARACTERÍSTICAS: CARACTERÍSTICAS: Eficacia, inercia, bajo consumo energético, Eficacia, inercia, bajo consumo energético, simplicidad de operación y escasa producción de lodossimplicidad de operación y escasa producción de lodos

FUNDAMENTO:FUNDAMENTO:




FUNDAMENTO: la base del fundamento del proceso es similar FUNDAMENTO: la base del fundamento del proceso es similar a cualquier proceso a cualquier proceso biológico de depuración (similar al biológico de depuración (similar al fundamento de los sistemas convencionales).fundamento de los sistemas convencionales).

Procesos que intervienen:Procesos que intervienen: BiológicosBiológicos

• Degradación y síntesisDegradación y síntesis• FotosíntesisFotosíntesis• Asimilación de nutrientesAsimilación de nutrientes

QuímicosQuímicos• OxidaciónOxidación• FotooxidaciónFotooxidación• Precipitación químicaPrecipitación química• AdsorciónAdsorción• Intercambio iónicoIntercambio iónico

Físicos Físicos • DecantaciónDecantación



Tratamientos naturales de aguas Tratamientos naturales de aguas residualesresiduales

Bajo la denominación de sistema natural de depuración se engloban aquellos procedimientos o técnicas en los que la eliminación de las sustancias contaminantes presentes en las aguas residuales urbanas se produce por componentes del medio natural, sin emplearse en el proceso ningún tipo de aditivo químico.

En todos ellos, el efecto depurador se debe a la acción combinada de la vegetación, del suelo y de los microorganismos presentes en ambos, y en menor medida, a la acción de plantas y animales superiores.



Clasificación de los Tratamientos Clasificación de los Tratamientos NaturalesNaturales

Habitualmente y dependiendo del investigador, los tratamientos naturales se diferencian en dos grande grupos:

Método de Tratamiento mediante la aplicación del agua sobre el terreno

Sistemas Acuáticos



Métodos de aplicación sobre el terrenoMétodos de aplicación sobre el terreno

Dentro de los métodos de aplicación sobre el terreno encontramos:

Filtro verde: Consiste básicamente en la aplicación de un caudal controlado de agua residual sobre la superficie del terreno, donde previamente se ha instalado una masa forestal o un cultivo.

Fernandez Gonzalez, 2004Sevilla, España



Métodos de aplicación sobre el Métodos de aplicación sobre el terrenoterreno

EPA, 1991

EPA, 1981

Filtro Verde. Formas de Aplicación




Infiltración rápida: Se define como la aplicación controlada del agua residual sobre balsas superficiales construidas en suelos de permeabilidad media a alta (con una capacidad de infiltración que oscila entre 10 y 60 cm/día)

EPA,1991 Moreno Merino, 2003




Infiltración rápida: El agua residual se aplica al terreno en tasas elevadas, bien por extensión en lagunas o bien por aspersión, alternando periodos de inundación con periodos de secado.

La aplicación se realiza de forma cíclica para permitir la regeneración aerobia de la zona de infiltración y mantener la máxima capacidad de tratamiento.

EPA, 1981



Escorrentía Superficial: La técnica consiste en forzar la escorrentía del agua residual, mediante riego por circulación superficial en láminas, sobre un suelo previamente acondicionado (en pendiente y con vegetación no arbórea), alternando periodos de riego con periodos de secado; dependiendo la duración de cada fase de los objetivos de tratamiento.

Metcalf & Eddy, 1991




EPA, 1981

Escorrentía Superficial




Zanjas de Infiltración: Sistema de depuración que consiste consistente en un conjunto de líneas de tuberías de 10 cm de diámetro(4”) tendidas de tal forma que el afluente se distribuya con una uniformidad razonable en el suelo natural.

EPA, 1991





Romero Rojas, 2000

Zanjas de Infiltración: Sección Típica



Lechos filtrantes: Los lechos de infiltración son zanjas de anchos mayores de 90 cm, que pueden contener más de una línea de tuberías de distribución. En este caso se considera que la superficie principal de infiltración para el diseño es el área del fondo del lecho


Moreno Merino, 2003

Romero Rojas, 2000



Pozos filtrantes: Los pozos de infiltración son excavaciones profundas usadas para disposición subsuperficial de aguas residuales pretratadas. Las paredes del pozo se construyen en ladrillo, bloques, anillos o materiales prefabricados colocados a junta abierta, rodeados de grava o piedra triturada. El agua residual entra en el pozo y se infiltra a través de las paredes laterales.


Romero Rojas, 2000



Filtros de Arena: Se pueden clasificar como intermitentes en los cuales, las aguas a depurar se vierten intermitentemente mediante tuberías de distribución en un filtro granular de entre 0,5 y 1,0 m de espesor y los filtros con recirculación, en los cuales, el agua recogida en el sistema de drenaje se vierte de nuevo en el filtro mezclada con agua nueva sin depurar. Consiste básicamente en la aplicación de aguas residuales a un lecho de material granular (arena) el cual es drenado para recoger la descarga en un efluente final.


Romero Rojas, 2000



Lecho de Turba: El sistema está formado por lechos de turba a través de los cuales circula el agua residual. Cada lecho descansa sobre una delgada capa de arena, soportada, a su vez, por una capa de grava. El efluente se recoge a través de un dispositivo de drenaje situado en la base del sistema.




Sistemas acuáticosSistemas acuáticos

Dentro de los sistemas acuáticos encontramos:

Lagunaje

Plantas Flotantes

Animales Acuáticos

Humedales



Sistemas acuáticosSistemas acuáticosLagunaje: La depuración por lagunaje de aguas residuales consiste en el almacenamiento de éstas durante un tiempo variable en función de la carga aplicada y de las condiciones climáticas, de forma que la materia orgánica resulte degradada mediante la actividad de los microorganismos presentes en el medio acuático.

Desarrollo desde 1940.

Poblaciones superiores a 200 hab.

Más de 7000 sistemas operando en EEUU.




Según el método de aireación

• Anaerobias• Aerobias• Aireadas

Según las condiciones de descarga

• Sin descarga• Con descarga controlada• Con descarga continua

Según las reacciones biológicas

• Anaerobias• Facultativas• Aerobias

Según el grado de tratamiento

• Primarias• Secundarias• Terciarias o de maduración

Lagunaje




Lagunas anerobias. Son las que reciben el agua bruta y por lo tanto las de mayor carga orgánica. La mayor parte del agua se encuentra en condiciones anaerobias y son las bacterias anaerobias las encargadas de actuar en la digestión del fango acumulado. El objeto de estas lagunas es retener la mayor carga orgánica posible.

Uso principal: Estabilización del Agua para los procesos



Sistemas acuáticosSistemas acuáticosLagunas Facultativas. El tratamiento se desarrolla por acción de bacterias aerobias en la parte superior y de bacterias anaerobias yanóxicas en la capa inferior, dependiendo de la mezcla que se induce por acción del viento. Los sólidos sedimentables se depositan en el fondo de la laguna. El aporte de oxígeno se logra por fotosíntesis y por reacción natural superficial.

Uso principal: Procesos de Remoción de materia orgánica principalmente.




Lagunas aerobias. También conocidas como lagunas de maduración, u oxidación. Este tipo de laguna es poco profunda para permitir la penetración de la luz solar en toda la columna de agua. Como resultado, este tipo de lagunas tiene una gran actividad fotosintética durante las horas de luz solar en toda la columna de agua, su profundidad varía entre 0.3 a 0.6 m. Recibe menor cantidad de carga orgánica

Uso principal: Desinfección del agua Residual y SST




De Sea-River Newsletters 114 - Bernard Breton

Lagunaje. Vista general de los tres tipos de lagunas



Sistemas acuáticosSistemas acuáticosPlantas Flotantes: Los cultivos acuáticos o sistemas de plantas acuáticas flotantes introducen un cultivo de plantas flotantes, como los jacintos de agua o las lentejas de agua, cuya finalidad principal es la eliminación de determinados componentes de las aguas a través de sus raíces, que constituyen un buen substrato responsable de una parte importante del tratamiento.

Crites & Tchobanoglous,1991



Sistemas acuáticosSistemas acuáticosConceptualmente, un sistema de tratamiento acuático con plantas se puede visualizar como un filtro percolador de tasa baja, de flujo horizontal con sedimentación propia, en el cual las plantas reemplazan la piedra o el medio sintético como estructura de soporte del crecimiento bacterial.

Romero Rojas, 2000




Plantas Flotantes

Fernandez Gonzalez, 2004

Planta Lemna Minoren agua




Animales acuáticos: Estos son filtros alimentarios, y la mayor contribución altratamiento del agua residuales es la remoción de sólidos suspendidos.

Cuttack (india)http://www.fao.org/NOTICIAS/1998/sewage-s.htm



Sistemas acuáticosSistemas acuáticosHumedales: Los humedales son áreas que se encuentran saturadas por aguas superficiales o subterráneas con una frecuencia y duración tales, que sean suficientes para mantener condiciones saturadas. Suelen tener aguas con profundidades inferiores a 60 cm con plantas.



Ventajas de los sistemas naturales Ventajas de los sistemas naturales de tratamientode tratamiento

Procedimiento totalmente natural. Bajo impacto y gran integración en el medio natural.

Bajos costes e energía instalada (salvo en las lagunas aireadas) Facilidad de explotación y de mantenimiento Tanto los caudales como las cargas pueden tener un amplísimo

margen de fluctuación sin que el proceso se resienta. Personal poco especializado, dada la poca complejidad de las

instalaciones. Gran estabilización en los fangos producidos, y producción baja que

se retira en intervalos de tiempo muy separados (años)



Ventajas de los sistemas naturales Ventajas de los sistemas naturales de tratamientode tratamiento

Elevada reducción de microorganismos patógenos en algunos de los sistemas (superior al 99.9% con buena operación)

Pueden utilizarse en el tratamiento de aguas residuales industriales con elevada cantidad de materias biodegradables (lecheras, fabricas de conservas...)

Pueden generarse biomasas (peces, plantas..) con ampliaciones posteriores

En los tratamientos de infiltración sobre el terreno no se producen olores.



Desventajas de los sistemas Desventajas de los sistemas naturales de tratamientonaturales de tratamiento

Necesidad de grandes extensiones de terreno Desarrollo de mosquitos u otros insectos en sus proximidades Necesidad de un afinamiento final (filtrado) para evitar los altos

contenidos de sólidos del efluente (algas...) en algunos de los sistemas descritos

Acumulación de materias flotantes que pueden dar un mal aspecto al tratamiento.

Empleados con éxito par cierto tipo de vertidos que sean totalmente biodegradables

Pérdidas considerables de agua por evaporación (en climas cálidos o en verano donde hay estaciones) y otros problemas asociados a las estaciones



Humedales ArtificialesHumedales Artificiales

EPA Fernandez Gonzalez, 2004



Humedales: Principios de Utilización Humedales: Principios de Utilización para el tratamiento de aguas residualespara el tratamiento de aguas residuales

Los humedales tienen tres funciones básicas que los hacen tener un atractivo potencial para el tratamiento de aguas residuales, son estas:

Fijar físicamente los contaminantes en la superficie del suelo y la materia orgánica. Utilizar y transformar los elementos por intermedio de los microorganismos. Lograr niveles de tratamiento consistentes con un bajo consumo de energía y bajo mantenimiento.



Clasificación de los HumedalesClasificación de los Humedales

Humedal artificial de flujo superficial (FWS)

Humedal artificial de flujo subsuperficial (SFS)

Humedal artificial de flujo vertical (FVS)

Los humedales se pueden encontrar en forma natural y adaptarlos para un sistema de tratamiento, o se pueden construir de manera artificial que se denominan humedales artificiales y se clasifican en



Humedal artificial de flujo Humedal artificial de flujo superficialsuperficial

En los humedales de flujo libre el agua fluye sobre la superficie del suelo con vegetación desde un punto de entrada hasta el punto de descarga. En algunos casos, el agua se pierde completamente por

evapotranspiración y percolación en el humedal.

EPA, 2000

Brix



Humedal artificial de flujo Humedal artificial de flujo superficialsuperficial

Normalmente se les aplica agua residual pretratada en forma continua y el tratamiento se produce durante la circulación del agua a través de los tallos y raíces de la vegetación emergente. Esta clase de sistemas suele incluir combinaciones de espacios abiertos y zonas vegetadas e islotes con la vegetación adecuada para proporcionar habitats de cría para aves acuáticas.



Humedal artificial de flujo subsuperficialHumedal artificial de flujo subsuperficial

El agua residual se trata a medida que fluye lateralmente a través del medio poroso. La vegetación emergente se planta en el medio, que puede ser desde grava gruesa hasta arena. La profundidad del lecho va desde 0.45 a 1.00 m y tiene una pendiente característica

de 0 a 0.5%.



Humedal artificial de flujo subsuperficialHumedal artificial de flujo subsuperficial

Los sistemas de flujo subsuperficial se diseñan con el objeto de proporcionar tratamiento secundario o avanzado y consisten en canales o zanjas excavados y rellenos de material granular, generalmente grava en donde el nivel de agua se mantiene por debajo de la superficie de grava. Las mismas especies vegetales se usan en los dos tipos de humedales artificiales.

Lara, 2005C. Arias 2004 - Estonia



Humedal artificial de flujo verticalHumedal artificial de flujo vertical

Adaptado de Brix

Los humedales de flujo vertical tienen la ventaja sobre los dos anteriores de que nitrifican (pasan nitrógeno amoniacal a nitritos y nitratos) y en algunos paises este paso es requisito obligado en el tratamiento de aguas. Por otro lado, al tener una perdida de carga importante, generalmente requieren de un bombeo, bien sea para suministrar el agua al humedal o bien para la salida de la misma

C. Arias 2004



Humedal artificial de flujo verticalHumedal artificial de flujo vertical

C. Arias 2004-Dinamarca



Prof. Dr. Robert Holländer, 20054545

Humedal artificial de flujo vertical

Afluente

pretratamiento

Descarga



Aplicaciones de los HumedalesAplicaciones de los HumedalesLos Humedales artificiales tienen varias aplicaciones dentro de las cuales se puede mencionar:

Tratamiento de Agua Residual Doméstica: Sus rangos de aplicación varían desde sistemas de tratamiento para pequeñas viviendas a sistemas de ciudades pequeñas. Se pueden utilizar como tratamiento básico o como tratamiento terciario. Puede aplicarse cualquiera de los dos primeros sistemas descritos.

Tratamiento de Agua residual de Agricultura: Los mas importantes mecanismos de remoción físicos son la sedimentación y filtración, y la asimilación biológica, la predación y transformación. Los más usados en esta actividad son los de flujo libre.



Aplicaciones de los HumedalesAplicaciones de los Humedales

Tratamiento de Aguas de Mina: Especialmente usados para la remoción de metales pesados ( Ni, Cu, Pb, Co) producto de minas de estos minerales metálicos. Control de la cidez y el ph mediante un tratamiento previo.

Tratamiento de Aguas lluvias de escorrentía: Uso mas bien reciente debido a la Observación sobre el control de inundaciones en humedales naturales y la calidad del efluente después de circular por ellos. Eliminación de Sólidos.

Tratamiento de Lixiviados: Los residuos líquidos producidos por los rellenos sanitarios han sido tratados mediante esta tecnología debido al bajo costo comparado con las metodologías tradicionales y a las tolerancias mostradas por las plantas.



Casos a nivel mundialCasos a nivel mundialArcata, California

Características del Sistema

Población de Diseño............................19,056 HabFlujo promedio anual............................2.3 mgdMaximo Flujo mensual..........................5.9 mgdPeak Flow.............................................16.5 mgdCarga de DBO......................................4100 lbs/dayCarga de SST.......................................3400 lbs/day

Tomado deEPA832-R-93-005 September 1993



Casos a nivel mundialCasos a nivel mundial

Arcata, California

Tomado deEPA832-R-93-005 September 1993




Everglades, Florida Características del Sistema

Área Total ……6678 HaInvesrión……...U$197 MillonesCanales ……...47 Kms.Diques………..50 KmsCapacidad de Bombeo 15’140.000 m3/d

Humedales artificiales en la Florida 16.593 ha. Evitaron la entrada de 14000 ton. de P al sistema en la ultima decada.

http://www.sfwmd.gov/org/erd/ecp/sta61.jpg



Cifras en has.

STA 1-E 2166STA 1 – W 2700STA 2 2602STA ¾ 6670STA 5 1667STA 6 Sec. 1 352STA 6 Sec. 2 607

Total 16674



Everglades Digital Library

Casos a nivel mundialCasos a nivel mundialEverglades, Florida



Casos a nivel mundialCasos a nivel mundialCaracterísticas Importantes

Opera desde Junio de 2000

El relleno sanitario recibe en promedio 150 ton/d de residuos sólidos.

El relleno sanitario esta formado por 7.1 ha actualmente usadas(31 celdas) y 3.9 ha para ser usadas en un futuro (9) celdas.

Los caudales tratados se estiman entre 64 m3/d y 74 m3/d

Diez años de monitoreo muestran que el sistema va a recibir cargas deDBO 17 – 9000 mg/lNTK – promedio de 420 mg/l

Metro Park East Landfill, Des Moints City, Iowa, Estados Unidos



Casos a nivel mundialCasos a nivel mundial2-3. Lagunas Aireadas y de almacenamiento

4. Celdas Iniciales de humedales

5. Humedal vertical5. Humedal vertical

6. Humedal de Flujo Superficial



Casos a nivel mundialCasos a nivel mundial7. Humedales SubsuperficialesSecundarios 8. Lagunas de almacenamiento

para el riego

9. Riego de PraderaLos análisis del efluente muestra concentraciones promedio de 10mg/l de DBO y de 20 mg/l de NTK en la época de crecimiento de las plantas.



Campbell Mine

Mina de oro Campbell – Ontario, CANADA

•2’000.000 m3/año•9 hecatarias de humedal artificial•Se remueve cobre y N-Amoniacal, así como otros compuestos menos tóxicos.




Casos a nivel mundialCasos a nivel mundialHumedales en Austria

C. Arias, 2004



Casos a nivel mundialCasos a nivel mundialHumedales en La Habana



Casos a nivel mundialCasos a nivel mundialViviendas Ecológicas

C. Arias, 2004



Experiencia Cogua, PUJExperiencia Cogua, PUJ

Estación experimental Javeriana, Cogua-Cundinamarca



Tratamiento de aguas lluvias Tratamiento de aguas lluvias BogotáBogotá



CostosCostosLos principales elementos que se incluyen en los costos de inversión

de los humedales de flujo libre y flujo subsuperficial, son similares a los de los sistemas de lagunas, sin embargo se deben tener en cuenta adicionalmente los costos del medio de soporte y las plantas utilizadas para el tratamiento, estos son:

Costo del terreno, Estudios preliminaresLimpieza del lote, Movimiento de TierraRecubrimiento o membrana impermeabilizanteMedio de soporte PlantasEstructuras de entrada y salidaEncerramiento



CostosCostos

Humedales de Flujo Superficial

Costos estimados para construccióny mantenimiento de un humedal para un flujo de 37.9 m3/d para lograr una concentración de 2mg/l de N en el efluente.

EPA 832-F-00-024

Otros supuestos de cálculo son:NH3 afluente = 25 mg/LTemperatura del agua 20°C Profundidad del agua =0.46 m Porosidad = 0.75; Área de Tratamiento = 1.3 hectáreas costo del terreno =$12,355/ hectárea



CostosCostosComparativo de Costos de un humedal de flujo superficial y un sistema convencional de tratamiento (Reactor de flujo discontinuo secuencia-SBR).

426%

1777%

695%



CostosCostosHumedales de Flujo Subsuperficial

Costos estimados para construccióny mantenimiento de un humedal para un flujo de 378500 l/d para lograr una concentración de 2mg/l de N en el efluente.

Otros supuestos de cálculo son:NH3 afluente = 25 mg/LTemperatura del agua 20°CProfundidad del medio = 0.6 m porosidad = 0.4Area de tratamiento = 1.3 hectáreas Costo del terreno=$12,355/hectárea



CostosCostos

Comparación de costos de un humedal de flujo subsuperficial y un sistema convencional de tratamiento de agua residual

237%1777%

419%



Grupo de Investigación ISADGrupo de Investigación ISAD

Dr. H. Brix, 2006

introducción sistemas naturales

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