Proyecto Experimental: Una Sistema para Captar Aguas Pluviales y

Proyecto Experimental: Una Sistema para Captar Aguas
Pluviales y filtracion para La Universidad de ECOSUR
Matthew Elke and Karen Setty, Bren School of Environmental Science and
Management, University of California, Santa Barbara
Antecedentes
ECOSUR es una institución de investigación pública situada en la periferia de San
Cristóbal. La universidad depende de los servicios municipales SAPAM para su
suministro de agua. La universidad quiere reducir su dependencia de SAPAM para sus
necesidades de agua a traves de la construccion de un sistema para captar aguas
pluviales que incorpore un sistema de filtración y de tratamiento para potabilizar el
agua. ECOSUR también ve este proyecto como una manera de promover el campus
como líder en la investigación y la administración ambientales. ECOSUR piensa que
esta meta es más realizable mediante la modificacion de algunas de sus propias
operaciones.
Las razones para construir este sistema no son solamente ideológicas. Desde un punto
de vista práctico tiene sentido que la universidad tenga un abastecimiento de agua
suplementario. La universidad paga anualmente a SAPAM por el suministro de agua la
cantidad de $4.000-$5.000 (44.000-55.000 Pesos) . Además, SAPAM no es siempre
confiable en sus suministros,y la calidad del agua es casi siempre pobre. Por lo tanto,
ECOSUR debe comprar el agua en botella para compensar. Esta variabilidad en la
fuente puede provenir del aumento en la demanda debido al crecimiento urbano. Tener
su propio suministro de agua del cual sea responsable, y del cual se trate en la misma
institucion, da a ECOSUR más independencia y permite a la universidad preveer mucha
de sus propias necesidades de agua.
Descripción General
Este sistema se puede descomponer en dos partes: el sistema en donde se recolecta el
agua de lluvia, y el sistema de su filtracion. (cuadros 1 y 5). Los específicos de los
sistemas incluyen:
•
•
Sistema para captar aguas pluviales:
o Las azoteas de cuatro edificios principales del campus proporcionan la
superficie de la recolección
o El agua se almacena en una cisterna subterranea de concreto.
o El agua se bombea hasta un tanque de distribución en una torre elevada
Sistema de filtración del agua:
o El agua fluye vía gravedad al filtro
o Integrado sobre todo por la arena, grava, y el carbón activado
o Utiliza gravedad para filtrar el agua a los niveles potables
o Debe tener un mantenimiento sencillo e independiente del exterior.
Cuadro 1. Diagrama de la sistema para captar aguas pluvilaes de ECOSUR
Colección y sistema del almacenaje
Las áreas de la azotea de los cuatro edificios primarios del campus tienen un
área de 4300m2 para captación. La salida del agua de lluvia se recoge de estos
cuatro edificios y se transporta vía canales y pipas subterráneas a una cisterna
subterránea situada detrás del edificio principal del laboratorio (cuadro 1). La
cisterna tiene una capacidad de 150.000 litros (10 x 6 x 2.5 m). El sistema de
captación y de transporte podrá proporcionar alrededor 2.000.000 litros de agua
por año para el campus. Los estimados de la demanda proporcionados por los
socios en ECOSUR indican que ésta podría resolver la mayoría de las
necesidades del agua de la universidad por aproximadamente 130 días. El resto
del año, ECOSUR sería dependiente sobre SAPAM para sus necesidades del
agua. Las ecuaciones 1 y 2 descritas a continuacion fueron utilizadas para
calcular el volumen total de agua que este sistema podría proporcionar.
[Ecuación 1]
S = 10 x R x A x Cr
S = Volumen anual total de agua provisto por el sistema en los litros (l)
R = Precipitación anual media en centímetros (cm)
A = El área total de la superficie de la captación en metros cuadrados (m2)
Cr = El coeficiente de la salida (sin dimensiones)
[Ecuación 2]
Cr =
volumen de la salida
volumen de agua de lluvia
El Cr es el coeficiente de la salida. Este coeficiente de salida representa el
cociente del agua que puede ser capturado y ser recogido cuando está
comparado al volumen total de la lluvia que cae. En San Cristóbal la
precipitación anual media es aproximadamente 110 centímetros. El área
de captación total es 4300 m2. Las azoteas de los edificios de la
universidad se fabrican de azulejos de cerámica de arcilla. Este tipo de
azulejo tiene un coeficiente de salida de 0.4 y quizás hasta 0.5 con un
sistema eficientemente diseñado. Usando la ecuación 1 da el volumen
total de agua provista como 1.800.000 litros para un Cr de 0.4 y 2.370.000
litros para un Cr de 0.5.
Cuadro 2. Los azulejos de cerámica de la arcilla abarcan la azotea del edificio C. Este tipo
de azulejo se utiliza en todos los edificios principales del campus.
El volumen total de agua que se capturará y almacenara por este sistema es mucho
mayor que el volumen de la cisterna. Esto podría conducir a un derrame del agua de la
cisterna si esta no se bombea hacia fuera rapidamente. Sin embargo, el uso del agua
en el campus es aproximadamente 20.000 litros/día o más; durante la estación de
lluvias el promedio de agua que este sistema podría capturar en un día es menor que
los 20.000 litros. Adicionalmente, durante los cuatro meses más lluviosos del año (junio
- octubre) el sistema capturaría solamente en promedio 11.600 litros por día. Estos
resultados revelan dos puntos: uno es que una cisterna más grande no sería
probablemente beneficiosa desde un punto de vista del costo y que incluso durante la
estación de lluvias ECOSUR tendrá que suplir su agua recolectada con agua
proporcionada por SAPAM.
Una vez que se haya capturado el agua en el techo, esta para a traves de un primer
sistema “First Flush”. Este tipo de dispositivo es un filtro que ayuda a eliminar polvo y
contaminantes fuera de la cisterna. La idea es permitir que la primera fraccion de agua
capturada, que es la mas sucia, fluya afuera del dispositivo. A medida que el agua fluye
al dispositivo, este se llena hasta el nivel de la tuberia de salida. En este punto el agua
fluye a traves de una malla hacia la tuberia de salida hacia la cisterna. Adicionalmente,
antes de que el agua entre al dispositivo “First Flush”, hay una malla en angulo que
inhibe el paso de materiales tales como hojas y varitas. Estos dispositivos deben
checarse periodicamente durante la estacion de lluvias, para evitar que se tapen las
coladeras..
Cuadro 3. a) el “first-flush” hecho del metal o del plástico. b) el agua y el sedimento
atravesando el “first-flush” sistema
El agua capturada de la lluvia será almacenada en una cisterna subterránea. debido al
alto uso del agua de ECOSUR .Ya que el volumen total de agua capturado es
significativo, la cisterna funciona más como un punto de la transferencia que como
tanque de almacenaje. Una vez que la estación de lluvias termine, la cisterna se
vaciara probablemente en menos de una semana. Este sistema proporciona solamente
el agua durante la estación de lluvias en donde el agua está disponible. El cuadro 4 a
continuacion muestra los componentes principales de la cisterna.
Cuadro 4. Vista lateral de la cisterna de 150.000 litros (10 x 6 x 2.5 m)
El agua de la cisterna será bombeada por una bomba sumergible eléctrica hasta el
tanque que sostiene situado en la torre del protector cerca de la entrada al campus
(véase el cuadro 5 abajo). Desde la torre, el agua fluirá vía gravedad a través de arena
y de un filtro activado del carbón. El filtro de arena y de carbón estaran situados en la
torre por debajo del tanque de agua. La altura ideal del filtro en la torre dependerá del
tamaño del filtro y del caudal correcto en el que es necesario tratar el agua para cumplir
con los estándares del agua potable. El grado de contaminación del agua no se sabe
con certeza así que es difícil clasificar y localizar exactamente el filtro. La prueba de la
calidad del agua será hecha antes de la selección del filtro para asegurar la selección
apropiada para el tratamiento adecuado.
Cuadro 5. El tanque de agua en la torre y la localización
propuesta para la arena y el carbón se filtran
Filtro del Tratamiento de Aguas
Una vez que el sistema de captura de agua de lluvia aumente el abastecimiento de
agua disponible al campus de ECOSUR's, es necesario un esfuerzo adicional para
mejorar la calidad de esta agua de modo que pueda usarse para laboratorios, para
preparacion de alimentos y lavado. Hay varios pasos para que se requieren para la
filtración, incluyendo la filtración mecánica de sólidos y el tratamiento químico de
contaminantes. El agua usada para beber o para preparación de alimentos se debe
también desinfectar para eliminar patógenos. Los requisitos para un sistema de
filtración de agua de lluvia para Ecosur, deben incluir materiales y diseno simple para
que ellos mismos puedan mantener el sistema y que se sigan cumpliendolos estandares
de calidad de agua. Además, el sistema tendría que ser un diseño estetico agradable
que vaya de acuerdo a la arquitectura del Campus.
Con estas necesidades en mente, varias opciones fueron analizadas para los tipos de
filtros. SE consideraron basicamente dos opciones . Ambos incorporan los materiales y
las tecnologías similares, aunque se presentan de diversas maneras. Primero,se
considero un filtro horizontal seguido por un filtro de flujo lento de arena que contiene el
carbón activado granular (cuadro 6; Cuadro 7). El agua se introduce al sistema por
gravedad para lograr la filtración mecánica de sólidos suspendidos. Cierta degradación
bacteriana también ocurre durante esta fase. Después, el agua pasa lentamente a
través de un filtro de arena que contiene una capa intercalada de carbón activado
granular. La arena proporciona un medio de crecimiento para microorganismos
provechosos que pueden digerir patógenos en el agua mientras que esta atraviesa la
arena. El carbón activado elimina contaminantes por adsorcion.
Cuadro 6. Vista del filtro de desbaste horizontal y del filtro de arena de arriba, incluyendo
el diseño de la encaminamiento dentro de una sola cama.
Cuadro 7. Vista lateral de una sola cámara de filtración, demostrando
los vertederos y los divisores internos
En estos diagramas, el agua se fuerza fluye en una trayectoria zigzag a medida
que se va filtrando . Los vertederos también se escalonan por esta razón. Deben
tomarse precauciones para asegurarse de que los divisores internos mantengan
un sello hermético. Esto puede ser difícil, por lo que los divisores permanentes
pueden ser más convenientes, aunque pueden crear mayor dificultad en su
mantenimiento. El sistema de distribución en la entrada debe asegurarse que el
agua fluya uniformemente sobre la superficie del primer compartimiento. Puede
también ser introducido a través del fondo del filtro utilizando tuberia perforada..
En términos del mantenimiento, este sistema se puede ser reparado y sustituido
fácilmente de manera periodica.Para que toda la agua que se suministre a
provee ECOSUR sea tratada, incluyendo la porción proveniente de SAPAM, la
tubería de distribución debe instalarse de modo que el agua de lluvia recogida y
el agua provista por Sapam entren en el filtro.
Una segunda opción utiliza mucha de la misma tecnología citada arriba, pero se
coloca para un flujo vertical más bien que horizontal. Este filtro se puede hacer
usando un depósito de concreto, similar a la torre actual del agua que lleva a
cabo el compartimiento, o puede utilizar un tanque prefabricado del HDPE, tal
como ésos fabricado por Rotoplas. Aquí, nuevamente, el agua se introduce
uniformemente sobre la superficie superior del filtro y después es recogida por la
tubería perforada colocada a lo largo del fondo del tanque. Un ejemplo simple de
un filtro de flujo vertical de arena lento se demuestra en el cuadro 8, y un
ejemplo de un filtro más complejo en el cuadro 9.
Cuadro 8. Un uso básico de la filtración lenta vertical de la arena
(agua de lluvia que cosecha 2006)
Cuadro 9. Diagrama de un filtro de arena lento del flujo vertical (los E.E.U.U. EPA 1990)
El reemplazo de los medios del filtro es más difícil con este diseño, aunque las
necesidades del mantenimiento son mínimas y es posible instalar un dispositivo
que permite el lavado del material por un retroflujo de alta velocidad que limpia
con un chorro de de agua limpia. El rellenar periódicamente prolongará la vida
eficaz de los materiales.
Dependiendo de la calidad del agua que ingresa al sistema, estos filtros pueden
ser adecuados para alcanzar la potabilizacion. Sin embargo, es igualmente
probable que un paso adicional para la desinfección del agua sea necesario.
Esto se puede lograr con facilidad relativa agregando un dispositivo medidor de
cloro simple al extremo del tanque o del depósito, o colocando una lámpara UV .
La limpieza periódica de los techos tejados durante acontecimientos extendidos
de lluvia puede también mejorar la calidad del agua.
Las consideraciones adicionales del diseño incluyen el diámetro de los granos
de la arena, de la profundidad, y del índice de filtrado, que se relaciona con el
tiempo de la retención. El agua debe infiltrarse a través de la cama de la arena
en un flujo constante, el cual debe mantenerse uniforme incluso en épocas de la
precipitación alta. Para lograr esta meta, se puede requerir un dispositivo que
regule y mantenga el flujo constante. La supervisión regular de la calidad del
agua se debe realizar mientras el filtro está en uso, para comprobar
especialmente la eficacia de la desinfección. La tabla 1 demuestra algunos de
los parámetros de diseño recomendados para los filtros de arena lentos.
Tabla 1. Algunos de los parámetros de diseño básicos recomendados para
los filtros de arena lentos (Logsdon et al. 2002; Comité 1997)
Parámetro
Diámetro de la Grava
Diámetro de la Arena
Profundidad
Capa Superior de la Arena
Profundidad del Carbón de
Leña
Capa Inferior de la Arena
Índice de Filtrado
Gama
3 - 40 mm
0.15 - 0.35 mm
0.6
45
15
30 cm
-
1.2
m
cm
cm
0.1 - 0.4 m/hr
Uno de requisitos fundamentales de ECOSUR's era que este sistema sea fácil de
mantener.y cuyo mantenimiento fuese totalmente local sin tener que depender se
personal externo.Este rquisito se debe a que ECOSUR carece de fondos necesarios
para el pago de servicios externos.
Costos
ECOSUR ha hecho la solicitud para recibir aproximadamente $24.000 (264.000 Pesos)
para el financiamiento de este proyecto.Aproximadamente la mitad de ese dinero irá a
los materiales y a la otra mitad a la mano de obra implicada con la construcción del
sistema. Dado que este diseño es preliminar, estas son solo aproximaciones. Después
de discusiones con nuestros socios durante nuestros viajes a México, y de revisiones
subsecuentes hechas por el grupo en Santa Barbara, los costos materiales estimados
para el sistema son $10.000 - $13.000 (110.000 - 143.000 Pesos). Una lista detallada
de los materiales se encuentra en la tabla 2.
Tabla 2. Costos aproximados para el sistema el captura y de filtración
del agua de lluvia de ECOSUR
Cisterna
material
Bloques de concreto
grava
arena
bolsas de cemento (50kg)
malla de refuerzo
bolsas de cal (20kg)
Valvula de acceso a la cisterna
varillas (12m)
Bomba sumergible (1/2hp)
Valvula de acceso
Costos Totales del subsistema
numero
2300
6m^3
6m^3
35
40mx2.5m
35
1
20
1
1
Costo por
unidad
3.25
100.00
33.00
500.00
75.00
5148.00
500.00
numero
225
32
30
27
Costo por
unidad
65.00
40.00
240.00
200.00
dollars
680
64
64
318
364
105
45
136
468
45.45
2289
Transporte de Agua
material
Canales metalicos en forma V
Madera para soportar los canales
4" tuberia reforzada PVC (6m)
2" tuberia reforzada PVC(6m)
dollars
1330
116
655
491
2" tuberia galvanizada (6m)
4" valvula pvc
cylindrical barrels
Hinged barrel lids
Malla metalica para el filtro (per
meter)
Malla de plastico para el filtro (per
meter)
Costo total del subsistema
2
4
4
4
500.00
682.00
300.00
300.00
91
248
109
109
15
38.00
52
15
18.00
25
3225
Filtro de Carbon y de Arena (flujo
vertical)
material
HDPE water / filter tank (2500L)
Arena de calidad para filtro (m^3)
Grava de calidad para filtro (m^3)
Carbon activado (ft^3)
Bolsas de cemento (50kg)
Grava
arena
varilla (12m)
Costo total del Subsistema
Costo Total
numero
3
3
4
34
6
6m^3
6m^3
15
Costo por
unidad
2000.00
500.00
200.00
825.00
100.00
75.00
dollars
545
136
73
2550
55
64
64
102
3589
9102
References:
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Water From Every Tap: Improving Water Service to Small Communities” The
National Academies Press
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<http://enhealth.nphp.gov.au/council/pubs/documents/rainwater_tanks.pdf>
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