UNlVERSlDAD DE CHlLE - Repositorio Académico

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PROFESOR GUÍA:
MARÍA PÍA MENA PATRI
MIEMBROS DE LA COMISIÓN:
ANA MARIA SANCHA
RUBEN SALGADO
SANTIAGO DE CHILE
ENERO 2004
EVALUACIÓN INTEGRAL DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE
AGUAS SERVIDAS Y ALTERNATIVAS DE TRATAMIENTO EN
LOCALIDADES RURALES CONCENTRADAS. APLICACIONES EN
LAS REGIONES R.M. Y VII
Conscientes del crecimiento que ha experimentado el saneamiento
rural en nuestro país en los últimos 5 ó 7 años y de la diversidad de
sistemas de tratamiento que se han instalado, es que se ha realizado
este estudio, en donde se evaluaron plantas existentes de biodiscos
y aireación extendida.
El estudio de casos se realizó para cinco plantas de tratamiento de
aguas servidas (PTAS) de comunidades rurales concentradas
(población entre 150 y 3000 habitantes, densidad no inferior a 15
viviendas por km de calle), ubicadas en las Regiones R.M. y VII; tres
de ellas correspondieron a la tecnología de biodiscos y las dos
restantes a lodos activados en modalidad aireación extendida. Los
muestreos se llevaron a cabo durante el período octubre-diciembre
2002, con posterior seguimiento en terreno.
Los resultados
mostraron que las PTAS cumplen por lo general con la normativa
ambiental vigente en cuanto a los parámetros DBO5, SST y NKT, sin
embargo fallan en reiteradas ocasiones para la calidad
bacteriológica. El estudio de casos fue apoyado además con el uso
de un modelo matemático analítico creado para la aireación
extendida, el cual fue utilizado también para el diseño de una PTAS
modelo.
A pesar de que la calidad de los efluentes puede considerarse
relativamente buena, una serie de problemas detectados hicieron
que se pongan en duda estos sistemas como futuras alternativas. El
escaso seguimiento y asesoría, la falta de mantenimiento preventivo,
la falta de capacitación de os operadores, el escaso presupuesto de
los organismos administradores y algunos problemas operacionales,
entre otros, dejan de manifiesto la necesidad de innovar con
tecnologías de tratamiento de diseño simple, costo-eficientes, con
bajo costo de O&M y de operación sencilla.
Se estudian entonces las alternativas no convencionales de lagunas
aireadas y humedales artificiales (constructed wetlands),
realizándose
además
un
completo
análisis
económico,
concluyéndose que ambas resultan factibles técnica y
económicamente,
además
cumplen
con
el
criterio
de
autosustentabilidad en el largo plazo (mediante el pago de una tarifa
por parte de los usuarios) lo cual es fundamental en el éxito de
proyectos en comunidades de este tipo.
Finalmente, en base a la investigación realizada, se recomienda a las
autoridades competentes que prefieran los sistemas no
convencionales, dentro de los cuales las lagunas aireadas y wetlands
son una opción conveniente, siempre y cuando sea posible, por
sobre los convencionales (lodos activados y biodiscos) como
alternativa de tratamiento adecuada para localidades rurales
concentradas. Se sugiere además promover e impulsar toda
iniciativa que busque desarrollar e investigar con más profundidad
acerca de este tipo de tratamientos naturales para zonas rurales
concentradas en Chile.
7$%/$'(&217(1,'26
1 INTRODUCCIÓN .............................................................................................. 1
2 TRATAMIENTO DE AGUAS SERVIDAS EN PEQUEÑAS COMUNIDADES .. 3
2.1
CAUDALES ........................................................................................... 3
2.2
CARACTERÍSTICAS DEL AGUA SERVIDA ......................................... 5
2.3
OPCIONES PARA EL MANEJO DE LAS AGUAS SERVIDAS .............. 5
2.3.1
Sistemas de Recolección de las Aguas Servidas. .......................... 6
2.3.2
Sistemas de Tratamiento para Pequeñas Comunidades................ 8
2.3.3
Disposición del Efluente Líquido ................................................... 18
2.3.4
Tratamiento y Disposición de Lodos ............................................. 18
3 EXPERIENCIA INTERNACIONAL ................................................................... 3
3.1
EXPERIENCIA EUROPEA .................................................................... 3
3.1.1
Pequeñas Plantas de Tratamiento en Suiza (Boller & Deplazes,
[9]
1990) 3
3.1.2
Pequeñas Plantas de Tratamiento en Chipre (Hadjivassilis, 1990)[9]
5
3.1.3
Pequeñas Plantas de Tratamiento en Grecia (K.P. Tsagarakis et
al., 2000) [10] .................................................................................................. 8
3.1.4
Pequeñas Plantas de Tratamiento en Inglaterra (Rowland &
Strongman, 2000) [10] ................................................................................... 10
3.2
EXPERIENCIA LATINOAMERICANA.................................................. 12
3.2.1
Brasil ............................................................................................. 12
3.3
RESUMEN EXPERIENCIA INTERNACIONAL .................................... 15
4 SITUACIÓN NACIONAL EN LA SANEAMIENTO DE PEQUEÑAS
COMUNIDADES ..................................................................................................... 1
4.1
PROGRAMA NACIONAL DE AGUA POTABLE RURAL ..................... 34
4.2
SITUACIÓN NACIONAL EN EL SANEAMIENTO DE PEQUEÑAS
COMUNIDADES ............................................................................................. 35
4.3
CATASTRO NACIONAL DE P.T.A.S. EN LOCALIDADES RURALES
CONCENTRADAS ......................................................................................... 36
4.4
SELECCIÓN DE P.T.A.S EN APR’S ................................................... 37
4.5
DESCRIPCIÓN P.T.A.S. ...................................................................... 39
4.5.1
Introducción .................................................................................. 39
4.5.2
Sistemas de Biodiscos .................................................................. 39
4.5.3
Sistemas de Aireación Extendida ................................................. 41
4.5.4
Resumen Sistemas de Tratamiento Elegidos .............................. 43
4.6
ADMINISTRACIÓN Y TARIFAS .......................................................... 43
4.7
PLAN DE MUESTREO ........................................................................ 45
4.7.1
Resumen Plan de Muestreos........................................................ 45
5 DIAGNÓSTICO DE OPERACIÓN PLANTAS DE TRATAMIENTO ................ 33
5.1
INTRODUCCIÓN ................................................................................. 50
5.2
DIAGNÓSTICO CUALITATIVO ........................................................... 50
5.2.1
Planta de Tratamiento de Aguas Servidas de María Pinto ........... 50
5.2.2
Planta de Tratamiento de Aguas Servidas de San Enrique .......... 51
5.2.3
Planta de Tratamiento de Aguas Servidas de Santa Elena .......... 51
5.2.4
Planta de Tratamiento de Aguas Servidas de Santa Claudia ....... 52
5.2.5
Planta de Tratamiento de Aguas Servidas de Cordillerilla ............ 53
5.3
DIAGNÓSTICO CUANTITATIVO......................................................... 54
5.3.1
Características Afluentes .............................................................. 54
5.3.2
Eficiencias de los Sistemas de Tratamiento ................................. 55
5.3.3
Características Efluentes .............................................................. 60
5.3.4
Comparación Distintos Sistemas .................................................. 66
5.4
FICHA TÉCNICA OPERACIONAL....................................................... 69
5.5
COMENTARIOS Y CONCLUSIONES ................................................. 70
6 MODELAMIENTO MATEMÁTICO AIREACIÓN EXTENDIDA ....................... 33
6.1
INTRODUCCIÓN ................................................................................. 77
6.2
MODELO PROPUESTO ...................................................................... 78
6.2.1
Motivación..................................................................................... 78
6.2.2
Alcances y Limitaciones del Modelo ............................................. 78
6.2.3
Ecuaciones Básicas del Modelo Propuesto .................................. 79
6.2.4
Resumen Fórmulas del Modelo .................................................... 94
6.2.5
Operación del Modelo ................................................................... 95
6.3
DISEÑO P.T.A.S. MODELO .............................................................. 101
6.3.1
Generalidades ............................................................................ 101
6.3.2
Uso del Modelo ........................................................................... 101
6.3.3
Diseño de Otras Unidades .......................................................... 104
6.3.4
Comentarios Diseño PTAS Modelo ............................................ 109
6.3.5
Análisis Crítico Memorias de Cálculo Revisadas ........................ 111
6.4
EVALUACIÓN CORDILLERILLA ....................................................... 112
6.4.1
Parámetros de Entrada ............................................................... 112
6.4.2
Coeficientes Cinéticos ................................................................ 113
6.4.3
Resultados Modelo Cordillerilla .................................................. 114
6.4.4
Seguimiento en Terreno ............................................................. 115
6.5
EVALUACIÓN SANTA ELENA .......................................................... 115
6.5.1
Parámetros de Entrada ............................................................... 115
6.5.2
Coeficientes Cinéticos ................................................................ 116
6.5.3
Resultados Modelo Santa Elena................................................. 116
6.5.4
Seguimiento en Terreno ............................................................. 118
6.6
COMENTARIOS Y CONCLUSIONES ............................................... 120
7 ALTERNATIVAS DE TRATAMIENTO NO CONVENCIONALES ................... 33
7.1
LAGUNAS AIREADAS....................................................................... 125
7.2
WETLANDS ....................................................................................... 135
7.3
BIOFILTRACIÓN + RHIZOFILTRACIÓN Y LOMBRIFILTRACIÓN.... 142
7.4
COMENTARIOS Y CONCLUSIONES ............................................... 144
7.4.1
Aspectos Técnicos...................................................................... 144
7.4.2
Rangos Poblacionales ................................................................ 146
7.4.3
Comentarios y Conclusiones Finales.......................................... 146
8 EVALUACIÓN ECONÓMICA ....................................................................... 125
8.1
INVERSIONES EN SOLUCIONES SANITARIAS .............................. 125
8.2
INVERSIONES EN P.T.A.S. .............................................................. 126
8.3
ANÁLISIS ECONÓMICO ALTERNATIVAS ....................................... 126
8.3.1
Ingresos ...................................................................................... 127
8.3.2
Costos ........................................................................................ 127
8.3.3
Resultados Evaluación Económica............................................. 130
8.3.4
Análisis de Sensibilidad .............................................................. 132
8.3.5
Comparación con Biofiltración + Rhizofiltración y Lombrifiltración
133
8.4
COMENTARIOS Y CONCLUSIONES ............................................... 135
9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................. 33
9.1
P.T.A.S. SOMETIDAS A EVALUACIÓN ............................................ 162
9.2
FUTURAS P.T.A.S............................................................................. 162
9.3
RECOMENDACIÓN FINAL ............................................................... 163
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................. 1624
ANEXOS
Anexo Reseña Tratamiento Biológico
Anexo Diseño Lagunas Aireadas
Anexo Datos Sistema Aireación
Anexo Fotográfico
Anexo Resultados Análisis de Laboratorio
Anexo Diseño Digestor Aeróbico
Anexo Aforo Caudales Afluentes
Anexo Balances de Masas
Anexo Evaluación Económica
Anexo Requerimientos de Area Wetland Sub-Superficial
Anexo Plan de Muestreo
,1752'8&&,Ï1
&$3,78/2,
,1752'8&&,Ï1
Capítulo I
Introducción
,1752'8&&,Ï1
En 1964 nace en Chile el Programa Nacional de Agua Potable Rural (APR),
como respuesta a los graves problemas de morbilidad y mortalidad infantil en los
sectores rurales. Su objetivo fue solucionar el déficit de abastecimiento de agua
potable en las localidades rurales concentradas, es decir, aquellas concebidas
inicialmente con una población entre 150 y 3000 habitantes, pero que con el
tiempo pueden haber crecido por sobre esta cifra, y una concentración no
inferior a 15 viviendas por kilómetro de calle. Para fines del 2004 se espera que
la población rural concentrada esté totalmente cubierta, con lo cual se tendría el
problema del abastecimiento del agua potable prácticamente resuelto [1].
Sin embargo, estrechamente ligado al uso del agua potable está la problemática
de las aguas servidas generadas, las que sin una disposición adecuada
representan problemas ambientales y un potencial riesgo para la salud de la
población.
Dentro de este contexto es que se enmarca la política
medioambiental que ha adoptado nuestro país para sanear las aguas servidas,
la cual ha tomado mayor fuerza en, aproximadamente, los últimos 5 años.
Mediante la construcción de sistemas de tratamiento de aguas servidas, se ha
logrado una disminución en los riesgos de transmisión de enfermedades
presentes en las excretas humanas, además de contribuir a la descontaminación
de los cauces superficiales.
Los problemas enfrentados por pequeñas comunidades hacen que muchas
veces los objetivos de saneamiento sean más difíciles de cumplir que en
grandes comunidades. Costos per cápita elevados (no se producen economías
de escala en sistemas de pequeño tamaño), presupuestos limitados (menores
ingresos per cápita), y requerimientos exigentes en el efluente en relación a los
recursos económicos disponibles, son algunos de los factores que motivan la
búsqueda de soluciones adecuadas a estos problemas específicos.
Específicamente hablando de localidades rurales concentradas, el saneamiento
aún es muy precario y la tarea que queda por realizar es grande. Se ha
instalado una serie de sistemas de tratamiento a lo largo del país, principalmente
convencionales, de los cuales se conoce poco acerca de cómo han funcionado y
de los cuales tampoco se sabe con certeza si son la alternativa adecuada para
este tipo de comunidades. Es precisamente aquí que nace la idea de este
trabajo de investigación, orientado, por una parte, a poner en evidencia las
virtudes y falencias que han tenido algunos de los principales sistemas
instalados y, por otra parte, a proponer otras alternativas de tratamiento que se
escapen algo de lo convencional, como lo son las lagunas aireadas y los
wetlands de flujo sub-superficial.
El REMHWLYR IXQGDPHQWDO de este trabajo entonces es definir alternativas
realmente factibles (técnica y económicamente) para ser instaladas en
localidades rurales concentradas.
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Programa de Magíster en Ciencias de la Ingeniería
Mención Recursos y Medio Ambiente Hídrico
1
Capítulo I
Introducción
Dentro de los REMHWLYRV HVSHFtILFRV planteados para alcanzar el objetivo
fundamental, se pueden mencionar los siguientes:
• Realizar un catastro
concentradas.
de
P.T.A.S.
existentes
en
zonas
rurales
• Realizar un estudio de casos, de donde se puedan desprender las
principales virtudes y falencias de los sistemas instalados.
• Dar recomendaciones respecto de la aplicabilidad y necesidades de
mejoramiento de los sistemas de tratamiento, basado en la experiencia de
las plantas en funcionamiento.
• Modelar con fines de evaluación y de diseño el proceso de aireación
extendida.
• Investigar acerca de otras alternativas de tratamiento adecuadas para
este tipo de comunidades, fuera de las que se incluyen en el estudio de
casos.
• Evaluar económicamente las distintas alternativas.
• Efectuar recomendaciones respecto de las alternativas que resulten
realmente factibles (técnica y económicamente) de acuerdo a los
resultados del estudio de casos y de la investigación en otras alternativas
de tratamiento.
El documento final de este estudio se espera permita respaldar a los tomadores
de decisión en cuanto a cuál es la alternativa adecuada de tratamiento para
localidades rurales concentradas, en base a la experiencia obtenida del estudio
de casos así como de la investigación realizada para evaluar otras alternativas
de tratamiento para este tipo de comunidades en nuestro país.
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Mención Recursos y Medio Ambiente Hídrico
2
&$3Ë78/2,,
75$7$0,(172'($*8$66(59,'$6(1
3(48(f$6&2081,'$'(6
75$7$0,(172 '( $*8$6 6(59,'$6 (1 3(48(f$6
&2081,'$'(6
Capítulo II
Tratamiento de Aguas Servidas en Pequeñas Comunidades
&$8'$/(6
&DXGDOGH$JXDV6HUYLGDV\VX)OXFWXDFLyQ
El caudal medio diario de aguas servidas que ingresa a una Planta de
Tratamiento de Aguas Servidas puede ser calculado mediante la siguiente
expresión, válida tanto para pequeñas como medianas y grandes
comunidades[2]:
Qas [l / d] = Dotación ⋅ Población ⋅ FRas + Qinf + Qall (2.1)
donde,
Dotación=
Población=
FRas=
Qinf=
Qall=
Dotación media de agua potable [l/hab-d]
# de habitantes
Factor de Recuperación de aguas servidas (0.8-0.9)
Caudal de infiltración desde la napa subterránea.
Caudal proveniente de aguas lluvias.
D'RWDFLyQ
Para el caso de Chile, los valores establecidos en las Normas de Diseño para el
Programa Rural del Servicio Nacional de Obras Sanitarias del año 1984 [3]
hablan de una dotación media de entre 60 y 100 [lts/hab-día].
Indagando un poco más en la bibliografía [4] (Rodriguez, 1996) se encuentra que
los valores de dotación de agua potable rural obedecen a una distribución zonal
dentro del país, con valores entre 85 y 110[lts/hab-día] para la zona centro
(regiones IV a VII).
Sin embargo, en conversaciones sostenidas con personal del Área de Estudios
del Departamento de Programas Sanitarios del MOP, ya se habla en la
actualidad de valores más elevados, del orden de los 150 [lts/hab-día], en base a
información empírica proveniente de revisión de estudios. Presuntamente este
aumento sería atribuible a la incorporación de sistemas de alcantarillado en
localidades rurales, lo cual evidentemente significa una aumento en las
necesidades de agua con respecto a la situación con pozos negros.
Sin existir aún un documento legal que respalde esta cifra, la dotación de >OWVKDEGtD] será la utilizada en el diseño de las plantas de tratamiento en el
capítulo V de esta tesis, por considerarse que corresponde a un valor
actualizado y razonable.
E&DXGDOGH,QILOWUDFLyQ
Con respecto al caudal de infiltración, las localidades rurales muchas veces
tienen aportes provenientes de la napa subterránea, producto de la recarga que
sufre el acuífero en sectores de riego cercanos a la población. Al momento de
cuantificar este efecto se pueden tomar valores referenciales que hablan de >OV+D@ (considerando el área que abarca el sistema de colectores), ó de
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3
Capítulo II
Tratamiento de Aguas Servidas en Pequeñas Comunidades
>OV.P@ (considerando la longitud total del sistema de colectores), sin
embargo en la práctica se han observado valores desde 0 a 2[l/s/Km] [5]. Lo
descrito anteriormente corresponde a alcantarillado tradicional.
Para
alcantarillado en PVC estos aportes se pueden considerar nulos.
F&DXGDOGHDJXDVOOXYLDV
El caudal de aguas lluvias en localidades rurales se puede considerar
despreciable ya que, a diferencia de zonas urbanas, éstas no cuentan en
general con pavimentación de calles ni sistemas colectores de aguas
provenientes de lluvias.
G)DFWRUHVGH3XQWD
Para efectos de verificación del funcionamiento de algunas de las unidades, los
caudales máximos diarios y horarios se pueden calcular a partir de los siguientes
factores de escalamiento aplicables a pequeñas poblaciones, los cuales
ponderan al caudal medio diario.
7DEOD)DFWRUHVGH(VFDODPLHQWR
Residencia
Establecimiento
Individual
Comercial
Factor
Escalamiento
Rango Típico
Peak horario
4-8
6
Peak diario
2-6
4
Peak semanal
1,25-4
2
Peak mensual
1,2-3
1,75
)XHQWH: Metcalf & Eddy (1995)
Rango
6-10
4-8
2-6
1,5-4
Típico
8
6
3
2
Comunidad
pequeña
Rango
3-6
2-5
1,5-3
1,2-2
Típico
4,7
3,6
1,75
1,5
Para realizar un cálculo más preciso del caudal máximo horario, se recomienda
la utilización del coeficiente de Harmon, M, que está determinado por la siguiente
expresión:
M = 1+
14
(2.2)
Pob[hab]
4+
1000
válida para poblaciones entre 100 y 100.000 habitantes aproximadamente.
Luego,
Qmax imo horario = Qmedio diario ⋅ M (2.3)
Estos factores de punta son de suma importancia a la hora de diseñar unidades
de tratamiento, especialmente las trampas de grasa para pequeños
establecimientos comerciales y tanques de sedimentación secundaria en plantas
de tratamiento prefabricadas.
H7DVDGHFUHFLPLHQWRSREODFLRQDO
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4
Capítulo II
Tratamiento de Aguas Servidas en Pequeñas Comunidades
Si bien en las Normas de Diseño para el Programa Rural del Servicio Nacional
de Obras Sanitarias del año 1984 se habla de una tasa de crecimiento anual de
un 2% para efectos de diseño con un período de previsión de 20 años, estudios
más actualizados (Rodriguez, 1996) recomiendan utilizar un valor del orden del
3% anual para las zonas centro y sur del país en vista de que en muchas de las
localidades rurales se ha superado el 2% previsto.
Se utilizará entonces una tasa de crecimiento anual de un y un período de
previsión de DxRV para el diseño de las plantas de tratamiento de aguas
servidas más adelante en el Capítulo V de esta tesis.
&$5$&7(5Ë67,&$6'(/$*8$6(59,'$
A partir de los factores unitarios de carga provenientes de la caracterización de
las aguas servidas domésticas del DS Nº609/98 [6], combinados con los valores
de caudal de aguas servidas que se detallan al pie de la Tabla 2.2, se obtienen
valores típicos de composición del agua servida doméstica en Chile, los cuales
se muestran a continuación.
a
7DEOD
&RPSRVLFLyQGHO$JXD6HUYLGDGH5HVLGHQFLDV,QGLYLGXDOHV
)DFWRU
8QLWDULR
9DORU
D
GHFDUJD
5DQJR E
3DUiPHWUR
>.JKDEÂG@
8QLGDG 0LQLPR 0D[LPR 7tSLFR '%2
0,040
mg/l
200
400
310
66
0,035
mg/l
175
350
270
1.71
0,008
mg/l
40
80
60
)yVIRUR7RWDO
0,0008
mg/l
4
8
6
*UDVD
mg/l
45
100
60
&ROLIRUPHVWRWDOHV
NMP/100ml 1,E+06 1,E+8 1,E+07
7HPS
ºC
15
26
21
3K
5
8
7,2
Rango de concentraciones basado en caudales de 100 y 200 [l/hab-d]
Basado en un flujo promedio de 130 [l/hab-d] y aproximado a la decena más cercana
)XHQWH Adaptado de Metcalf & Eddy (1995) utilizando factores de carga unitarios DS Nº609/98
b
Los valores presentados en la Tabla 2.2 son sólo referenciales. Se pueden
presentar variaciones para cada localidad que se estudie en particular.
23&,21(63$5$(/0$1(-2'(/$6$*8$66(59,'$6
Cuando no es posible instalar sistemas de tratamiento individual para cada casa
o lote de casas, debido a espacios reducidos o debido a que los suelos no son
aptos para tales fines (escasa capacidad de infiltración) o debido a que el
número de casas es tal que no resulta económicamente factible, se opta por
instalar sistemas que traten las aguas servidas de toda la comunidad. Estos
sistemas constan básicamente de tres componentes, a saber:
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Capítulo II
Tratamiento de Aguas Servidas en Pequeñas Comunidades
1. Un sistema de alcantarillado que recolecte las aguas de la comunidad y
las conduzca hacia la planta de tratamiento.
2. Algún sistema de tratamiento de las aguas servidas.
3. Un sistema de disposición del efluente.
En la Tabla 2.3 se muestran los principales sistemas de manejo de aguas
servidas disponibles hoy en día en cuanto a recolección, tratamiento y
disposición de las aguas servidas.
)XHQWHGHDJXD
VHUYLGD
• Residencias
Individuales
• Instalaciones
públicas
7DEOD
2SFLRQHV3DUDHO0DQHMRGHODV$JXDV6HUYLGDV
6LVWHPD
6LVWHPD
'LVSRVLFLyQ(IOXHQWH
5HFROHFFLyQ
7UDWDPLHQWR
/tTXLGR
• Alcantarillado
• Tratamiento
• Sistemas de
tradicional
Primario
absorción en
-Grandes tanques
suelos
• Alcantarillado de
pequeño diámetro sépticos
• Descargas a
(con fosa séptica) -Tanques Imhoff
cuerpos de agua
• Tratamiento
superficiales
• Alcantarillado en
Secundario
presión con y sin
• Pantanos
-Unidad aeróbica /
fosa séptica
artificiales
anaeróbica
• Alcantarillado al
• Reuso en riego
-Lodos activados
vacío
• Reuso en
-Reactores Batch
industrias
-Lagunas aireadas
• Combinación de
-Filtros de medio
las anteriores
granular con
recirculación
-Zanjas de oxidación
-Tratamiento en
suelos
-Pantanos artificiales
-Filtros percoladores
-Biodiscos
)XHQWH: Metcalf & Eddy (1995)
Cada uno de los ítems de recolección, tratamiento y disposición se revisarán por
separado a continuación.
6LVWHPDVGH5HFROHFFLyQGHODV$JXDV6HUYLGDV
Cuando la densidad de población de zonas rurales crece hasta un nivel en que
los sistemas de tratamiento individual ya no son rentables, la opción de
construcción de un sistema de alcantarillado debe ser analizada. Los tipos de
recolección de aguas servidas son: sistema de alcantarillado convencional con
flujo gravitacional, alcantarillado de pequeño diámetro con flujo gravitacional de
pendiente variable, alcantarillado de pequeño diámetro con funcionamiento en
presión y alcantarillados que funcionan con vacío. La elección del tipo de
alcantarillado dependerá básicamente de la topografía del lugar y de los costos
asociados.
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6
Capítulo II
Tratamiento de Aguas Servidas en Pequeñas Comunidades
D6LVWHPDGH$OFDQWDULOODGR&RQYHQFLRQDOFRQ)OXMR*UDYLWDFLRQDO
Este sistema es de uso muy común por lo que su funcionamiento está más que
probado en la práctica y además bien documentado. Se conoce mucho acerca
de su diseño, construcción y operación. Donde la topografía lo permita, lo más
probable es que se elija un sistema de este tipo.
E $OFDQWDULOODGR GH 3HTXHxR 'LiPHWUR FRQ )OXMR *UDYLWDFLRQDO GH
3HQGLHQWH9DULDEOH
El funcionamiento de este sistema se basa principalmente en el hecho de que la
salida del sistema de alcantarillado se debe encontrar a una cota más baja que
la entrada y más baja que la cota de conexión de cualquiera de las casa al
sistema. La topografía local puede subir o bajar en los tramos intermedios y el
flujo se producirá de todas maneras siempre y cuando se cumplan las
condiciones descritas anteriormente.
Este sistema de alcantarillado se utiliza en conjunto con fosas sépticas con el fin
de remover sólidos del agua servida. La idea es que el alcantarillado de
pequeño diámetro no se obstruya con sólidos provenientes del agua servida,
para lo cual se utilizan filtros y otros dispositivos de seguridad.
F$OFDQWDULOODGRGHSHTXHxRGLiPHWURFRQIXQFLRQDPLHQWRHQSUHVLyQ
En este tipo de sistemas el agua servida doméstica es recolectada a una fosa o
tanque séptico, de donde luego se bombea hacia la línea del alcantarillado que
va en presión. Los principales componentes de este sistema se muestran en la
Figura 2.1.
)LJXUD6LVWHPDGH$OFDQWDULOODGRHQ3UHVLyQ
)XHQWH: Metcalf & Eddy (1995)
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Capítulo II
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En muchos casos existe un tanque de retención seguido de una bomba
trituradora, tal como se observa en la Figura 2.1, de manera de evitar que los
sólidos ingresen al conducto en presión.
El agua de la línea de alcantarillado en presión es llevada luego a un colector
gravitacional o a la planta de tratamiento directamente, según sea el caso.
G$OFDQWDULOODGRVTXHIXQFLRQDQFRQYDFtR
El sistema es muy similar al anterior salvo que esta vez en lugar de tener
tuberías en presión se tienen tuberías al vacío. Esto es posible gracias a la
instalación de una válvula de vacío en el lugar de la bomba trituradora de la
Figura 2.1.
Las conexiones están debidamente selladas de manera de mantener los niveles
de vacío que se requieren. El vacío en la tubería de transmisión es mantenido
mediante una bomba de vacío ubicada en una estación de bombeo,
generalmente cerca de la planta de tratamiento.
6LVWHPDVGH7UDWDPLHQWRSDUD3HTXHxDV&RPXQLGDGHV
En zonas rurales donde no es posible instalar sistemas de absorción in situ se
utilizan sistemas centralizados de recolección, tratamiento y disposición de las
aguas residuales. La manera más común es utilizar un alcantarillado en presión
o gravitacional que transporte las aguas desde las casas hacia la planta de
tratamiento. Las opciones de tratamiento a considerar serán los sistemas
convencionales, tales como grandes tanques sépticos, tanques Imhoff, filtros con
recirculación en medios granulares, plantas compactas y plantas (obras civiles)
diseñadas individualmente para una comunidad en específico; y los sistemas no
convencionales que se verán más adelante, en el Capítulo VII, “Alternativas de
Tratamiento No Convencionales”. Para mayores antecedentes acerca de los
fundamentos del tratamiento biológico, ver Anexo “Reseña Tratamiento
Biológico”.
6LVWHPDV&RQYHQFLRQDOHV
*UDQGHVWDQTXHVVpSWLFRVRWDQTXHV,PKRIIHQVLVWHPDVFHQWUDOL]DGRV
Antes de abordar los tanques de gran tamaño se debe conocer en qué consisten
los tanques sépticos y los tanques Imhoff de tamaño regular, los cuales se
utilizan típicamente para viviendas unifamiliares.
D7DQTXHV6pSWLFRV
Los tanques sépticos consisten en tanques prefabricados utilizados como una
combinación de sedimentador, filtrador de materiales en superficie y como
digestor anaeróbico que funciona sin mezclar y sin calefaccionar el agua servida.
Existen de diversos materiales tales como concreto, fibra de vidrio, acero,
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Capítulo II
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polietileno, etc. Se utilizan como medio de tratamiento in situ para residencias
individuales y pequeñas comunidades donde no se posee sistemas de
alcantarillado. En la Figura 2.2 se muestra un tanque convencional de doble
compartimento y en la Figura 2.3 uno de compartimento simple equipado con
una bóveda filtradora.
)LJXUD7DQTXH&RQYHQFLRQDOGH'REOH&RPSDUWLPHQWR
)XHQWH: Metcalf & Eddy (1995)
)LJXUD7DQTXH&RPSDUWLPHQWR6LPSOH(TXLSDGRFRQ%yYHGD)LOWUDGRUD
)XHQWH: Metcalf & Eddy (1995)
La idea del doble compartimento es reducir la descarga de sólidos en el efluente,
sin embargo se ha probado que la configuración de la Figura 2.3 es más
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Capítulo II
Tratamiento de Aguas Servidas en Pequeñas Comunidades
eficiente para este mismo propósito. El agua debe seguir un recorrido a través
de pantallas y filtros en donde los sólidos quedan retenidos.
En ambos sistemas el agua con materiales flotantes, aceites y espumas queda
en las capas superficiales y los sólidos sedimentables se van al fondo del
tanque, de manera que el efluente corresponde al líquido entre estas dos capas,
que está más clarificado. La materia orgánica retenida en el fondo del tanque
experimenta descomposición facultativa y anaeróbica, transformándose en
compuestos más estables tales como anhídrido carbónico (CO2), metano (CH4) y
ácido sulfhídrico (H2S). A pesar de que el volumen de sólidos acumulados en el
fondo del tanque está constantemente siendo reducido por la descomposición
anaeróbica, siempre existe acumulación neta de lodos en el fondo. Algunos de
ellos son resuspendidos por los gases de la descomposición y frecuentemente
se adhieren a la parte inferior de la capa de espuma, aumentando el grosor de
esta última. Debido a que la acumulación a largo plazo de espumas y lodos en
los tanques reduce la capacidad efectiva volumétrica, éstos se deben limpiar
periódicamente mediante un bombeo que extraiga dichos materiales.
El efluente de estos sistemas comúnmente es infiltrado al terreno mediante
pozos absorbentes o drenes. En algunos casos, es sometido a tratamiento
posterior con el fin de recuperar el agua para uso en riego.
E7DQTXHV,PKRII
La remoción de sólidos sedimentables y la digestión anaeróbica de éstos en un
tanque Imhoff es similar a la del tanque séptico. La diferencia está en que en el
tanque Imhoff la sedimentación ocurre en un compartimento superior y la
digestión anaeróbica de los sólidos sedimentados en un compartimento inferior,
tal como se muestra en la Figura 2.4.
)LJXUD7DQTXH,PKRII
)XHQWH: Metcalf & Eddy (1995)
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Los sólidos pasan a través de una abertura en el fondo del compartimento de
sedimentación hacia la zona no calefaccionada inferior donde ocurre la
digestión. Las espumas se acumulan en el compartimento de la sedimentación y
el gas producido en el compartimento inferior es evacuado mediante conductos
de ventilación. Los lodos acumulados en el fondo del compartimento inferior son
bombeados periódicamente.
F7DQTXHV6pSWLFRVGH*UDQ7DPDxR
A pesar de que los tanques sépticos se utilizan para residencias individuales, los
tanques sépticos de gran tamaño se utilizan para pequeñas comunidades. En
general se utilizan grandes tanques divididos en varias secciones, usualmente
tres, y son diseñados con un tiempo de retención hidráulico de alrededor de
1día. Los tanques tipo Imhoff se utilizan ocasionalmente debido a la simplicidad
de su operación y a que no requieren supervisión técnica de nivel elevado. No
tienen equipamiento mecánico que requiera mantención. La operación consiste
en remover la espuma diariamente, revertir el flujo de aguas servidas dos veces
por mes para uniformar los sólidos en los dos extremos del compartimento de
digestión, y llevar periódicamente los lodos a campos de secado.
8VRGH)LOWURVGH0HGLRV*UDQXODUHVFRQ5HFLUFXODFLyQHQ6LVWHPDV
&HQWUDOL]DGRV
En lugares donde un mayor grado de tratamiento es requerido, el uso de filtros
de arena con recirculación puede ser considerado. Un esquema con los
principales componentes de este sistema se muestra en la Figura 2.5.
)LJXUD6LVWHPDGH)LOWURGH$UHQDFRQ5HFLUFXODFLyQ
)XHQWH: Metcalf & Eddy (1995)
El efluente del pre-tratamiento (tanque séptico por ejemplo) entra al tanque de
recirculación que tiene capacidad suficiente para almacenar el flujo de medio día
o de hasta un día entero. Una bomba lleva el agua del tanque de recirculación
hacia el filtro de arena, donde se aplica el agua servida durante
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aproximadamente cinco minutos cada media hora. El agua tratada que pasó a
través del filtro pasa nuevamente al tanque de recirculación.
Los niveles de olor son bajos ya que el efluente de la unidad de pre-tratamiento
llega a un tanque de recirculación que contiene un agua tratada. La alta calidad
del efluente producido, la fácil operación, y los bajos costos de mantenimiento
son las principales virtudes de este sistema.
6LVWHPDVFRQ3ODQWDVGH7UDWDPLHQWR3UH)DEULFDGDV
Actualmente se encuentran disponibles en el mercado plantas conocidas como
plantas compactas [24], éstas son plantas prefabricadas para el tratamiento de
aguas servidas en comunidades pequeñas. A pesar de que este tipo de plantas
se encuentra disponible en tamaños de hasta 3800 m3/d, se usan generalmente
en el rango de 38 a 950 m3/d [1].
D7LSRVGH3ODQWDVGH7UDWDPLHQWR3UHIDEULFDGDV
Los tipos de plantas de tratamiento prefabricadas más comunes son aireación
extendida, estabilización por contacto, reactores batch, biodiscos y tratamiento
físico químico. A continuación se revisan brevemente cada uno de estos
sistemas.
$LUHDFLyQ([WHQGLGD
Corresponde a una variante del proceso convencional de lodos activados, en
donde los tiempos que permanecen los sólidos en el sistema suelen ser de entre
20 y 30 días, funcionando en la fase endógena de la curva de crecimiento, lo
cual requiere una carga orgánica reducida y períodos de aireación prolongados.
Por lo general no se utiliza clarificación primaria en este tipo de plantas. El
sistema de aireación debe proveer la agitación suficiente para mantener los
sólidos en suspensión de manera de evitar el depósito de los mismos en los
tanques de aireación. Para obtener un rendimiento óptimo se sugiere que la
carga orgánica, expresada en términos de la razón alimento/microorganismos
(F/M), esté en el rango 0.05-0.15 [Kg DBO5/Kg SSVLM] [1].
Otro punto crítico es el diseño del tanque de sedimentación secundaria y sus
estructuras relacionadas. Debido a la incertidumbre de la operación en terreno,
es aconsejable que la tasa superficial correspondiente al caudal máximo horario
esté en el rango de 24 a 32 [m3/m2-d] [7]. Se debe tener además un sistema
efectivo para el retorno de lodos hacia la zona de aireación. A pesar de que la
aerotransportación ha sido utilizada para estos fines, no es aconsejable ya que
la tasa de recirculación no puede ser ajustada fácil y confiablemente. El tanque
de sedimentación secundaria debe estar equipado además con un sistema
colector de espuma.
(VWDELOL]DFLyQSRUFRQWDFWR
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Este sistema de tratamiento es adecuado cuando la mayor parte de la DBO5 del
agua servida se encuentra en forma de coloides y partículas en suspensión. El
proceso de estabilización por contacto se utiliza en plantas compactas para
reducir el volumen del tanque de aireación en comparación con el proceso de
aireación extendida.
Debido a los cortos tiempos de contacto que se utilizan, entre 20 y 40 minutos, el
proceso de estabilización por contacto debiera utilizarse en conjunto con
unidades uniformadoras de caudal o para flujos grandes con variaciones
menores entre el caudal peak y el caudal promedio.
5HDFWRUHV6HFXHQFLDOHVSRU7DQGDV6HFXHQFLQJ%DWFK5HDFWRUV
Los reactores batch secuenciales corresponden nuevamente a una variante del
proceso de lodos activados, con la diferencia de que todas las fases del proceso
biológico ocurren en un solo estanque, tal como se aprecia en la Figura 2.6. Los
SBR son sistemas de lodos activados que operan en el tiempo en lugar de en el
espacio (EPA, 1993).
)LJXUD6LVWHPD6%5
)XHQWH: CAS Water Engineering Inc., 2000.
El proceso no requiere de estanques separados para la aireación y la
sedimentación. Los sistemas SBR constan de dos o más tanques que operan
en paralelo, o de un tanque ecualizador y un tanque reactor en serie.
El reactor, parcialmente lleno con agua de ciclos anteriores y con biomasa
aclimatada, es llenado con el agua servida que ingresa a la planta. Una vez que
el reactor se llena, éste opera como un sistema convencional de lodos activados
pero sin el flujo continuo de afluente o de descarga del efluente. La aireación y
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la mezcla se descontinúan luego de completarse las reacciones biológicas, para
sedimentar los sólidos y remover el sobrenadante. El exceso de biomasa se
purga en cualquier punto de este ciclo.
Existen diversos diseños, entre ellos de flujo continuo basados en el caudal
afluente o en el tiempo, de flujo discontinuo basados en el caudal afluente o en
el tiempo, basados en volumen, sistemas de ciclo intermitente con aireación jet,
etc.
Al igual que en el caso de la aireación extendida, se recomienda la operación en
el rango para la carga orgánica (F/M) de entre 0.05 y 0.15 [Kg DBO5/Kg
SSVLM][1]. Si la extracción de lodos se desea hacer a intervalos de tiempo más
largos, se debe considerar el volumen adicional adecuado para el almacenaje
provisorio de estos sólidos.
%LRGLVFRV5RWDWLQJ%LRORJLFDO&RQWDFWRUV5%&¶V
El sistema biologico de tratamiento con biodiscos consta generalmente de discos
de material sintético, alineados verticalmente, unidos por un eje horizontal que
rota de manera de sumergir y airear el medio de cultivo sucesivamente, tal como
se aprecia en la Figura 2.7.
)LJXUD3ODQWD3UHIDEULFDGDGH%LRGLVFRV5%&
)XHQWH: Metcalf & Eddy (1995)
Diversos autores en la bibliografía [8] concuerdan en que los biodiscos han
presentado a través de los años serios problemas en cuanto a la tecnología. Se
han presentado frecuentemente fallas en el eje, fatiga del material de soporte, y
problemas con los rodamientos del motor del eje.
En cuanto a la operación, los principales problemas lo constituyen los bajos
niveles de oxígeno disuelto en el medio, la escasez de biomasa adherida a los
biodiscos y la acumulación de sólidos en lugares no deseados.
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Para asegurar un funcionamiento adecuado, los biodiscos debieran estar
cubiertos para protegerlos del viento, proteger el cultivo adherido de ser lavado
por lluvias intensas, evitar problemas de congelamiento, evitar problemas con
olores y evitar también problemas de vandalismo.
=DQMDVGH2[LGDFLyQ
Las zanjas de oxidación corresponden a una variante del proceso convencional
de lodos activados de mezcla completa, con prolongados tiempos de aireación,
con una configuración típica de óvalo o de anillo como la que se muestra en la
Figura 2.8.
)LJXUD
37$6FRQ7UDWDPLHQWR%LROyJLFRSRU=DQMDGH2[LGDFLyQ
)XHQWH: Parsons Engineering Science, 1999.
Las zanjas de oxidación tienden a operar en modalidad aireación extendida, con
largos tiempos de retención celular de manera de favorecer la remoción de
materia orgánica y con un esquema muy similar al de los lodos activados
convencionales para el descarte y la recirculación de los lodos.
Son aplicables a lugares con poca población, con espacios reducidos, en donde
además se puede requerir la remoción de nutrientes. El sistema puede ser
diseñado para desnitrificar y para remover fóforo.
7UDWDPLHQWR)tVLFR4XtPLFR
El diagrama de flujo típico para este tipo de planta compacta se muestra en la
Figura 2.9.
)LJXUD3ODQWDGH7UDWDPLHQWR)tVLFR4XtPLFR
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)XHQWH Metcalf & Eddy, 1995.
El tratamiento preliminar generalmente consiste de rejas y desarenación. La
primer etapa del proceso físico químico es la coagulación, seguida de una
decantación con extracción del manto de lodos. A continuación el agua tratada
pasa a través de un filtro de medio granular para remover los sólidos residuales
y luego a través de un filtro de carbón activado para remover trazas residuales
de materia orgánica. Debido al problema del manejo y disposición de los lodos y
el elevado costo de operación, este tipo de tratamiento no se utiliza
ampliamente. Las plantas de tratamiento físico químico se utilizan para la
remoción de ciertos contaminantes específicos (por ejemplo Arsénico) o en
zonas de clima frío debido a su confiabilidad sometida a temperaturas bajas, su
tamaño pequeño y la posibilidad de operar o no operar dependiendo de las
condiciones climáticas.
E$VSHFWRVGHO'LVHxR\2SHUDFLyQGH3ODQWDV3UH)DEULFDGDV
Los principales factores que alteran significativamente el funcionamiento de las
plantas pre-fabricadas con tratamiento biológico son los siguientes:
1-Fluctuaciones en el flujo: En pequeñas comunidades es común que se tengan
fluctuaciones bruscas en el flujo y en las concentraciones de contaminantes que
llegan a la planta. Esto causa que los procesos no operen en el rango óptimo
para el cual fueron diseñados y como consecuencia de esto las eficiencias sean
menores. En el caso en que los caudales sean muy bajos por ejemplo, los
conductos diseñados para auto-limpiarse no funcionarán de manera adecuada.
2-Retorno de lodos adecuado: En sistemas de lodos activados, se debe
mantener una concentración de microorganismos adecuada y una edad de lodos
controlada.
3-Sistemas adecuados de remoción de espumas y grasas del clarificador final:
En sistemas de lodos activados, las grasas y aceites que se acumulan deben ser
removidas, de manera de evitar que éstas interfieran en el correcto
funcionamiento de la planta.
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4-Desnitrificación en el clarificador: Producto de la liberación de nitrógeno
gaseoso, se produce resuspensión de lodos y una baja eficiencia en la
clarificación final del agua.
5-Extracción, manejo y disposición apropiada de lodos: El descarte del exceso
de bacterias y su posterior disposición final deben estar claramente establecidos.
6-Control adecuado de los sólidos suspendidos en el licor mezclado (SSLM): En
sistemas de lodos activados, se debe mantener una adecuada concentración de
biomasa en los tanques de aireación de manera de favorecer el tratamiento.
7-Control de la formación de espumas: Se lleva a cabo mediante el control de
parámetros tales como el descarte de lodos, el pH en los tanques de aireación,
los niveles de oxígeno disuelto en el sistema, la concentración de
microorganismos (SSLM) y la razón alimento/microorganismos (F/M) entre otros.
8-Cambios bruscos de temperatura: Tanto cambios estacionales como
fluctuaciones entre el día y la noche producen efectos en el tratamiento ya que la
mayoría de los microorganismos involucrados son altamente termo sensibles.
9-Control adecuado de las tasas de oxigenación: El suministro de oxigeno para
la oxidación de la materia orgánica y la nitrificación en algunos casos debe ser
controlado de manera de producir el ambiente adecuado para que ocurran estos
procesos.
10-Diseño adecuado ante sobrecargas de materia orgánica y sólidos: Esto ya
que las sobrecargas pueden causar problemas de olor y baja eficiencia en el
tratamiento.
F0HMRUDPLHQWRGHOUHQGLPLHQWRGH3ODQWDV3UH)DEULFDGDV
El funcionamiento de las plantas pre-fabricadas puede ser mejorado
dimensionando las unidades conservadoramente, en especial las unidades de
sedimentación secundaria, y previendo medios efectivos para el bombeo y
manejo de los caudales de recirculación o de extracción de lodos entre otros.
3ODQWDVGH7UDWDPLHQWR,QGLYLGXDOHV
Alternativo al uso de plantas compactas de tratamiento existe la posibilidad de
construir una planta de tratamiento adecuada para algún lugar en específico.
Los tipos más comunes de plantas individuales para pequeñas comunidades son
los siguientes.
1.
2.
3.
4.
5.
Lodos activados modalidad aireación extendida
Lodos activados modalidad zanjas de oxidación
Lodos activados modalidad reactores batch secuenciales
Biodiscos
Filtros percoladores
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Capítulo II
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6. Lagunas facultativas
Muchas veces se utilizan combinaciones de distintas alternativas de tratamiento
con el fin de lograr objetivos específicos de tratamiento. Lo importante será,
independiente de si se utilicen los distintos sistemas por separado o
combinados, adoptar criterios adecuados en el diseño de las unidades. Al
momento de diseñar plantas de tratamiento individuales se debe tener especial
cuidado en no copiar el diseño de plantas de tratamiento de gran tamaño
llevándolas a menor escala, ya que por lo general los resultados en el
funcionamiento no son los mismos.
6LVWHPDV1R&RQYHQFLRQDOHV
Este tipo de sistemas se analizan con detalle más adelante en el Capítulo VII
“Alternativas de Tratamiento No Convencionales”.
'LVSRVLFLyQGHO(IOXHQWH/tTXLGR
Los métodos de disposición del efluente líquido variarán dependiendo del grado
de tratamiento que se le haya dado al agua servida. Los principales métodos de
disposición del efluente proveniente de tratamientos secundario y tratamientos
más avanzados son los que se resumen en la Figura 2.10.
)LJXUD
$OWHUQDWLYDVGH'LVSRVLFLyQGHO(IOXHQWH/tTXLGR
$OWHUQDWLYDGH'LVSRVLFLyQ
3ULPDULR
6HFXQGDULR
Absorción subsuperficial
x
x
Infiltración rápida
x
x
Disposición con spray
x
Aplicación por goteo
Riego
Pantanos construidos
x
Descarga a cursos superficiales
x
Reuso indirecto
)XHQWH0HWFDOI(GG\
7HUFLDULR
x
x
x
x
x
x
x
x
Las alternativas que se muestran son nada más que una referencia, ya que para
poder disponer del efluente, al menos en el caso de Chile, se deberán cumplir
las normas aplicables a cada caso en particular.
7UDWDPLHQWR\'LVSRVLFLyQGH/RGRV
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Capítulo II
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Una línea típica de tratamiento de lodos consiste de unidades de espesamiento,
digestión, deshidratado y disposición final. El tratamiento de los lodos puede
resultar ser un tema muy amplio e interesante de estudiar, sin embargo queda
fuera de los alcances de esta tesis, por lo que se dará sólo una breve
descripción de los procesos típicamente utilizados en pequeñas comunidades.
&DUDFWHUtVWLFDV/RGRV
Los lodos secundarios (lodos activados) son de color café oscuro, fácilmente
digeribles, con tendencia a ponerse sépticos, tienen un elevado contenido de
agua (>99%) y un contenido de materia orgánica entre 70% y 90%
aproximadamente [1].
(VSHVDPLHQWR:
El espesamiento se lleva a cabo generalmente en espesadores de tipo
gravitacional o de flotación por aire disuelto. Para el espesamiento gravitacional
el grado de espesamiento varía entre 2 a 5 veces la concentración del lodo que
ingresa, con un máximo de un 10%. Para espesamiento por flotación de aire
disuelto, el grado varía entre 2 a 8% y el máximo es de un 4-5% [1].
'LJHVWLyQ:
El objetivo principal del tratamiento (digestión) es reducir el contenido de
patógenos, eliminar olores desagradables y eliminar el potencial de putrefacción
(energía disponible para la actividad microbiológica).
La idea es lograr, mediante el tratamiento adecuado de los lodos, un
subproducto estable (con respecto a los patógenos y a la atracción de vectores),
principalmente orgánico, que puede ser benéficamente utilizado. A este
subproducto, que por lo general cumple con los requerimientos establecidos en
la normativa para su aplicación en la agricultura u otros usos benéficos, se le
conoce con el nombre de “Biosólido”.
Una de las alternativas más comunes consiste en la digestión aeróbica de los
lodos, proceso que utiliza el principio básico de la respiración endógena para la
oxidación del material celular. Sin embargo, la digestión aeróbica de lodos es
considerada un proceso que significativamente reduce patógenos (PSRP), con lo
cual se logran lodos solamente de clase B, es decir lodos con restricción de
aplicación agrícola. Para lograr lodos de clase A, es decir lodos sin restricción
de aplicación agrícola, se deben utilizar procesos que fuertemente reducen
patógenos (PFRP), como es el caso del compostaje (Proyecto de Reglamento
para el Manejo de Lodos No Peligrosos Generados en Plantas de Tratamiento
de Aguas, CONAMA, 2000).
'HVKLGUDWDGR:
El proceso de deshidratación se lleva a cabo típicamente en lechos de secado,
donde básicamente se dejan escurrir y evaporar los lodos por un período de
tiempo determinado, del orden de unas tres semanas dependiendo del clima y
de las características del lecho de secado en particular, de manera tal que se
reduzca el contenido de agua de los mismos (contenido de sólidos del orden del
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Capítulo II
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30% para un lodo deshidratado) y con ello lograr una reducción del volumen de
lodos generados.
'LVSRVLFLyQ)LQDO
La disposición final del lodo dependerá básicamente del nivel de tratamiento
alcanzado. Si el lodo no puede ser utilizado benéficamente en la agricultura, lo
más probable es que éste se acumule en los terrenos de la planta de tratamiento
o se lleve a rellenos sanitarios.
3URGXFFLyQSHUFiSLWD\FRVWRV
La producción per cápita en Chile, para lodos provenientes de un tratamiento de
aireación extendida sin sedimentación primaria, es variable dependiendo de las
características de las aguas servidas tratadas. Se ha recomendado para Chile
un valor aproximado del orden de los 16 Kg de lodo seco por habitante por año
(K & P, 1998), sin embargo este valor debe ser verificado para cada condición en
particular.
Para zonas urbanas, los costos de tratamiento y disposición de lodos pueden
representar hasta un 60% de los costos de operación de una planta de
tratamiento. Es por ello que las investigaciones recientes apuntan hacia la
disminución de la producción de lodos (Canales et al. 1994, Ratsak et al. 1994,
Sakai et al. 1992).
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20
&$3Ë78/2,,,
(;3(5,(1&,$,17(51$&,21$/
(;3(5,(1&,$,17(51$&,21$/
Capítulo III
Experiencia Internacional
(;3(5,(1&,$(8523($
La información recopilada de los países Europeos no es directamente
exptrapolable a países como el nuestro, principalmente producto del menor
ingreso per cápita que percibimos. Sin embargo, representa un buen ejemplo de
transferencia tecnológica desde países desarrollados hacia países en vías de
desarrollo.
3HTXHxDV 3ODQWDV GH 7UDWDPLHQWR HQ 6XL]D %ROOHU 'HSOD]HV
En Suiza más de 900 plantas de tratamiento sirven al 90% de la población, de
las cuales un 30% son diseñadas para servir a menos de 1000 habitantes. A
pesar de que la mayoría de las plantas de tratamiento son de tamaño pequeño,
la cantidad de agua cruda tratada en plantas para menos de 1000 habitantes
corresponde sólo a un 2% del total del país. A pesar de los bajos volúmenes,
para las autoridades suizas es un tema de gran importancia ya que en regiones
alpinas y pre-alpinas este problema de contaminación causa problemas locales
en ríos y arroyos como crecimiento de hongos, depositación de lodos y
mortandad de peces entre otros.
>@
Parámetros en consideración
Los parámetros principales considerados como contaminación potencial en
zonas rurales de Suiza son, en orden de importancia, los siguientes: Materia
orgánica (DBO5, carbón orgánico disuelto, particulado y total), compuestos
nitrogenados (NH4, NO2, NO3), ácido sulfídrico (H2S) y fósforo (P). Estos se
detallan a continuación.
0DWHULD RUJiQLFD: Según la ley Suiza la concentración en ríos no debe
sobrepasar los 2gCOT/m3 de manera de evitar el crecimiento de organismos
heterotróficos, hongos y protozoos. Sin embargo existe además una normativa
para pequeños ríos en donde se considera el aumento adicional tolerable, de
acuerdo a la concentración de materia orgánica que el río contenga antes de la
descarga. Debido a los distintos grados de biodegradabilidad del agua tratada o
no tratada, el aumento tolerable se define de acuerdo al tipo de tratamiento que
se aplique, como se muestra en la Tabla 3.1.
7DEOD
$XPHQWR0i[LPR7RUHODEOHGH&DUEyQ2UJiQLFR
$XPHQWRPi[LPRGHFDUEyQRUJiQLFR
SHUPLWLGRHQHODJXDUHFHSWRUD
>J&27P @
7LSRGH7UDWDPLHQWR
'LVXHOWR
3DUWLFXODGR 7RWDO
Fosa Séptica
0,2
0,2
0,4
Sedim.Primaria
Trat. Biológico sin nitrificación
1-1,5
1
2,5
Trat. Biológico con nitrificación
5-7
3-5
10
Capítulo III
Experiencia Internacional
&RPSXHVWRVQLWURJHQDGRV: En Suiza los niveles de emisión de amoniaco están
fijados de acuerdo a la capacidad potencial de utilización del oxígeno presente
en acuíferos fuentes de agua potable. Sin embargo este criterio rara vez se
aplica en ríos pequeños, donde es más común fijar los límites de acuerdo a la
toxicidad en peces. De acuerdo a este último criterio los límites son 0.082g NNH3 /m3 y 0.05-0.1g N-NO2/m3. Estos límites llevan implícito los siguiente
límites para el amonio, a pH neutro: 0.5g N-NH4/m3 a 10°C; 0.3g N-NH4/m3 a
10°C , 0.2g N-NH4/m3 a 10°C.
ÈFLGR 6XOIKtGULFR Puede causar problemas de contaminación donde se
descarga agua servida en condiciones de baja oxigenación. El ácido tóxico H2S
se oxida rápidamente en el ambiente aeróbico y por lo tanto puede ser un
problema muy local solamente. Generalmente se encuentra en aguas servidas
domésticas en el rango 3-18gS/m3. Problemas de olor asociados a la presencia
de éste ácido se pueden resolver precipitando el azufre con sales de fierro.
)yVIRUR Contribuye a la eutroficación de ríos y lagos. Sin embargo el aporte de
las pequeñas comunidades es muy bajo (2%) en relación al total del país.
Tecnología de Tratamiento Actual
La distribución estadística del número y tipo de tratamiento biológico utilizado en
Suiza de acuerdo al tamaño de planta (población equivalente P.E.) se muestra
en la Figura 3.1 (datos a 1990).
)LJXUD
'LVWULEXFLyQGHOWLSRGHWUDWDPLHQWRSRU3(
Se observa que para tamaños pequeños (población equivalente aprox. 1000
habitantes) predominan tecnologías tales como los biodiscos y filtros
percoladores por sobre lodos activados, sistema que es utilizado para
poblaciones mayores. La aireación extendida es la modalidad más utilizada en
las plantas de menor tamaño.
Estudios realizados acerca del tema concluyen que las plantas pequeñas
pueden funcionar tan bien como una grande siempre y cuando se diseñen
Capítulo III
Experiencia Internacional
adecuadamente y se operen con el conocimiento necesario. Entrenamiento
precario de los operadores y falta de mantenimiento son las principales causas
del mal funcionamiento de estas plantas.
Tendencias Futuras
Los investigadores han concluido que, con respecto al número de plantas de
tratamiento pequeñas, aún existe una tremenda necesidad de construir nuevas
plantas para satisfacer las necesidades.
Las tecnologías estarán más
adaptadas a las condiciones que requieran los cursos de agua receptores, no
obstante las tendencias apuntan hacia lo siguiente:
•
•
•
•
•
Colectores más separados espacialmente.
Aumento en la utilización de unidades ecualizadoras de caudal.
Preferencia de pequeñas plantas por sobre colectores de gran tamaño.
Aplicación más frecuente de procesos de biofilm.
Dentro de la variada gama de posibilidades, los biodiscos y los filtros de
arena tendrían una mayor aplicación en el corto plazo, debido a su operación
sencilla y satisfactoria. Sistemas tales como los de lagunas no son muy
probables de masificarse en Suiza puesto que su sensibilidad a cambios de
temperatura los hace muy inestables.
3HTXHxDV3ODQWDVGH7UDWDPLHQWRHQ&KLSUH+DGMLYDVVLOLV Chipre es un país semi-árido con recursos hidráulicos limitados. Bajo este
contexto surge como idea fundamental el buen uso y reutilización del agua.
Ligado directamente a ello está la construcción de pequeñas plantas de
tratamiento que nacen como solución a la falta de colectores en los poblados,
protegiendo los recursos naturales y dando oportunidad de reutilizar un bien que
es económicamente escaso y que por lo tanto posee un elevado precio.
>@
Método de tratamiento
Uno de los métodos más utilizados en Chipre es el de lodos activados modalidad
aireación extendida con posterior filtración en arena.
El proceso comienza con un tratamiento preliminar en donde se trituran los
sólidos que llegan con el agua servida, de manera de aumentar la tasa de
decaimiento de las partículas al hacerlas más chicas. Además se remueve
aceites y grasas en esta etapa, provenientes principalmente de la dieta y hábitos
alimenticios de las personas de esta zona.
Luego viene el tratamiento secundario, diseñado para funcionar en un proceso
de lodos activados modalidad aireación extendida. El alto tiempo de retención
hidráulico (24-48hrs), la edad de los lodos entre 20 y 30 días y la baja carga
orgánica aseguran una buena remoción de DBO y una buena estabilización de
Capítulo III
Experiencia Internacional
los lodos. Esto debido a que los microorganismos trabajan en la fase endógena
de su crecimiento, consumiendo su propio protoplasma.
La unidad biológica consta de tres partes: tanque de aireación, tanque de
sedimentación y digestión anaeróbica o tanque de lodos, las cuales se muestran
en la Figura 3.2.
)LJXUD
7UDWDPLHQWR6HFXQGDULRSRU/RGRV$FWLYDGRV
1. bomba trituradora
2. trampa grasa
3. tanque aireación
4. difusores aire
5. recolector espuma
6. tanque sedimentación
7. vertedero triangular
8. bombeo aire
9. retorno lodo
10. lodo descarte
11. recolector sobrenadante
12. tanque cloración
13. efluente tratamiento secundario
14. tanque almacenamiento lodos
15. sobrenadante lodos
16. sopladores aire
17. sistema distribución aire
El licor mezclado fluye desde el tanque de aireación hacia el sedimentador
donde el lodo decanta. Este lodo decantado es recirculado hacia el tanque de
aireación nuevamente para ser mezclado con el agua servida cruda. El exceso
de lodos es bombeado al tanque de almacenamiento de exceso de lodo, en
tanto que el sobrenadante de este es recirculado hacia el tanque de aireación.
El efluente clarificado, con bajo contenido de sólidos y de materia orgánica, fluye
hacia el tanque de cloración en donde permanece en contacto por
aproximadamente una hora. Sin embargo, la relación materia orgánica/sólidos
en el efluente producido por el tratamiento secundario es de 20:30 (DBO5/SST),
la cual no es apta para regadío de pastos, árboles y otros ya que la legislación
de Chipre exige una relación 10:10(DBO5/SST).
Es por ello que se hace necesaria la etapa de tratamiento terciario, consistente
de doble filtración con adición de agentes desinfectantes y coagulantes como se
muestra en la Figura 3.3.
Capítulo III
Experiencia Internacional
)LJXUD
3ODQWDGH7UDWDPLHQWR7HUFLDULR
18.tanque ecualizador
19. bombeo
20. filtro de arena I
21. filtro de arena II
22. dosificación cloro
23. dosificación sulfato aluminio
24. dosificación poli electrolito
25. retrolavado
26. efluente tratamiento terciario
27. estanque almacenamiento
El agua proveniente del tratamiento secundario se mezcla con un oxidante de
manera de eliminar bacterias y contaminantes orgánicos para luego fluir a través
del primer filtro en donde queda retenida la mayor parte de la materia
suspendida y coloidal. La turbiedad que atraviesa el primer filtro es retenida en
el segundo filtro, con la ayuda de coagulantes y floculantes.
Comentarios
En Chipre se ha encontrado que el mantenimiento adecuado forma parte
importantísima en el correcto funcionamiento de las plantas, al igual que un buen
entrenamiento de sus operadores. Mantenimientos de rutina, llevados a cabo
por operadores, incluye mediciones del índice volumétrico de lodos y mediciones
de oxígeno disuelto en el tanque de aireación, además de cloro residual y pH del
agua tratada.
Se ha visto que las pequeñas plantas de tratamiento pueden ser una alternativa
muy eficaz para tratar aguas servidas domésticas, produciendo inclusive agua
de calidad apta para uso en regadío. La combinación de lodos activados
modalidad aireación extendida y filtración en arena con ayuda de
coagulación/floculación demuestra ser una tecnología avanzada, con un alto
grado de eficiencia en el tratamiento. El reuso del agua en regadío se presenta
como una alternativa interesante a la hora de presentar beneficios en el
desarrollo inmobiliario y como prevención de la contaminación del medio
ambiente.
Capítulo III
Experiencia Internacional
3HTXHxDV 3ODQWDV GH 7UDWDPLHQWR HQ *UHFLD .3 7VDJDUDNLV HW DO
>@
Para Grecia, el gran número de pequeñas comunidades ha hecho que surja una
preocupación por el medio ambiente y por el tratamiento efectivo de las aguas
servidas. El porcentaje de personas que viven en pequeñas comunidades es
bajo en relación al total, sin embargo estas pequeñas comunidades están
localizadas en zonas turísticas donde es fundamental mantener un medio
ambiente libre de contaminación.
Sistemas de Tratamiento
Este estudio corresponde al análisis de un total de 147 plantas de tratamiento de
aguas servidas municipales cada una de ellas con una población equivalente de
menos de 10.000 habitantes. Del total de la población servida con tratamiento
de aguas residuales en Grecia, sólo un 3.2% es servida por plantas pequeñas de
tratamiento. La distribución por tamaños se muestra en la Tabla 3.2 a
continuación.
7DEOD'LVWULEXFLyQ37$6VHJ~Q5DQJR3REODFLRQDO
3(WRWDO
3REODFLyQHTXLYDOHQWH 3ODQWDV 3(WRWDO DFWXDO
500-2000
56
66100
25490
2001-4000
25
72660
27500
4001-6000
29
154222
46100
6001-8000
16
117386
27600
8001-10000
21
203400
49600
7RWDO
147
613768
176290
El detalle de los distintos sistemas utilizados se muestra en la Tabla 3.3.
7DEOD'HWDOOHGHORV'LVWLQWRV6LVWHPDV(QFXHVWDGRV
3(WRWDO
3URFHVR
3ODQWDV 3(WRWDO DFWXDO
Tratamiento Primario
2
5000
4000
&XOWLYRVVXVSHQGLGRV
Lodos activados convencional
1
10000
10000
Lodos activados aeración extendida
110
512368
128500
Reactores batch secuenciales
5
32700
9100
Aeración extendida c/ decantación intermitente
1
1000
1000
&XOWLYRV$GKHULGRV
Filtros percoladores
2
20000
10000
Filtros biológicos aereados sumergidos
2
1200
600
6LVWHPDV1DWXUDOHV
Lagunas de estabilización
13
18600
4950
Pantanos construidos
2
4700
2400
Silvicultura hidropónica
9
8200
5740
Total
147
613768
176290
Capítulo III
Experiencia Internacional
de donde se deduce que los sistemas que predominan en número son la
aireación extendida, lagunas de estabilización y silvicultura hidropónica.
Evaluación funcionamiento
Según los autores, del total de 147 plantas pequeñas de tratamiento, sólo 71
estaban operando para el año 1997. Para estas 71 los resultados en cuanto a
rendimiento y su organismo responsable se muestra en la Tabla 3.4, de donde
se deduce que un porcentaje inferior al 25%, con respecto al total, funciona bien.
7DEOD(YDOXDFLyQGHO5HQGLPLHQWRHQ%DVHDO2UJDQLVPR5HVSRQVDEOH
5HQGLPLHQWR
2UJDQLVPRUHVSRQVDEOHRSHUDFLyQ
3ODQWDV 0DOR
5HJXODU
%XHQR
Municipalidad
17
6
6
5
Empresa especializada
10
3
6
1
Servicio técnico
5
2
2
1
Comunidad
39
9
22
8
Total
71
20
36
15
Las causas de las fallas en el rendimiento se deben principalmente a operadores
mal entrenados u operación sin el respaldo técnico y científico necesarios.
Además, en Grecia el sector de las aguas es gobernado por el Ministerio de
Agricultura, Ministerio de Obras Públicas y Medio Ambiente y el Ministerio del
Desarrollo, lo cual pone en evidencia la falta de un organismo a nivel nacional
que se ocupe de centralizar la administración de estos servicios.
Para el caso particular de las lagunas de estabilización se estableció que una de
las causas del rendimiento moderado fue que estas lagunas eran en su mayoría
copias de un prototipo de laguna que se había construido para ser monitoreada
de manera de optimizar su operación, y que no alcanzó a mostrar resultados
antes de que se construyeran el resto de las plantas.
Tendencias Futuras
Actualmente en Grecia se está llevando a cabo la implementación de un sistema
nuevo de administración local llamado Ioannis Kapodistrias, en donde las
pequeñas autoridades se juntan para formar municipalidades, lo cual además
permitiría la formación de organismos especializados en el manejo de los
colectores y del agua servida.
En cuanto al tipo de tratamiento seleccionado, al parecer existe una tendencia a
seguir optando por el tratamiento del cual más experiencia se tiene hasta el
momento, que son los lodos activados modalidad aireación extendida. Eso sí se
da especial énfasis al entrenamiento adecuado que deben tener los operadores
para asegurar un buen funcionamiento de las plantas.
Capítulo III
Experiencia Internacional
3HTXHxDV 3ODQWDV GH 7UDWDPLHQWR HQ ,QJODWHUUD 5RZODQG 6WURQJPDQ En Inglaterra la empresa Southern Water, perteneciente al grupo Scottish Power,
es la encargada de proveer servicios de recolección de aguas lluvias y
tratamiento de aguas servidas a una población total de 4.95 millones en el sudeste del país. Poseen 392 plantas de tratamiento de aguas servidas, de las
cuales 242 son consideradas pequeñas (<2000 habitantes). Los sistemas de
tratamiento encuestados corresponden a aireación extendida, biodiscos, filtros
percoladores y pantanos artificiales.
>@
Causas de las Fallas
En la Figura 3.4 se muestran las principales causas del funcionamiento pobre en
pequeñas plantas de tratamiento.
)LJXUD
&DXVDGH/DV)DOODV
De lo anterior se desprende que las principales fallas corresponden a sobrecarga
hidráulica y/o problemas biológicos.
Tomando la iniciativa, esta empresa ha establecido Guías de Diseño
Estandarizado, las cuales incluyen los siguientes aspectos.
5DFLRQDOL]DFLyQCorresponde a analizar, cuando sea el caso, la posibilidad de
enviar las aguas servidas de una planta a otra mientras ésta se repara o se
reemplaza por otra. Es decir, mantener al mínimo posible la cantidad de plantas
en operación. Esto será factible de realizar siempre y cuando la planta que
reciba el exceso de aguas servidas sea capaz de tratar esa sobrecarga.
&RQWURO GH &DXGDO Tener unidades uniformadoras de caudal de manera de
amortiguar las bruscas fluctuaciones que son comunes en pequeñas
comunidades.
Capítulo III
Experiencia Internacional
5HMDV Uno de los objetivos de la estandarización es asegurar que todo el
material grueso que se junte en las rejas sea trasladado a un contenedor, de
manera de evitar que los operadores tengan que estar limpiándolas
constantemente.
7UDWDPLHQWR 3ULPDULR Un gran número de plantas pequeñas cuenta con
sedimentadores primarios tipo batch, es decir que se llenan y luego después de
un tiempo se vacían. Esto hace necesaria la frecuente atención de un operador,
lo cual se trataría de evitar mediante el uso de tanques sépticos que se limpien
cada uno a tres meses. Para el caso de plantas con mayor tamaño, los
sedimentadores primarios contarían con sistemas automáticos de extracción de
lodos.
(VSHVDPLHQWR GH /RGRV \ $OPDFHQDPLHQWR Para plantas pequeñas
(población equivalente < 500habitantes), los tanques sépticos serían los
encargados de espaciar al máximo posible los intervalos de extracción de lodos.
El tiempo máximo preestablecido es de 3 meses.
En el caso de plantas con población equivalente mayor que 500 habitantes, los
lodos sedimentarían en tanques primarios para luego ser espesados y llevados
periódicamente a tanques de almacenaje de lodos. La recirculación sería
controlada de manera que sea lo suficientemente frecuente como para no alterar
los procesos biológicos. 7UDWDPLHQWR %LROyJLFREn plantas pequeñas donde no se exijan límites en la
descarga de amoniaco, un tanque séptico seguido de una planta compacta como
pueden ser biodiscos, filtros aireados sumergidos o pantanos artificiales serían
suficientes para el tratamiento.
En plantas de mayor tamaño y con mayores exigencias en la descarga, el
tratamiento biológico consistiría de filtros percoladores en plantas compactas.
7UDWDPLHQWR 7HUFLDULR Este tratamiento sería provisto por sistemas de
pantanos artificiales (wetlands) que proveen un tratamiento terciario muy robusto
si el tiempo de retención es el adecuado.
0RQLWRUHR GH OD 7XUELHGDG Corresponde a la instalación de aparatos de
monitoreo de la turbiedad en tiempo real, a la salida de la planta de tratamiento
pero antes de los pantanos artificiales. Esto con el fin de poder monitorear
emergencias y asegurar que el pantano proteja al curso receptor hasta que la
emergencia pueda ser controlada o remediada.
0RQLWRUHRHIHFWLYRGHOSURFHVRLa mejora constante en equipos de monitoreo
hace que esta sea una manera efectiva de mantener el control del proceso de
manera de poder tomar decisiones a tiempo.
Capítulo III
Experiencia Internacional
Comentarios
La iniciativa de la empresa Southern Water de tener Guías de Diseño
Estandarizado que permitan simplificar y estandarizar las soluciones de
tratamiento han permitido hasta el momento que se reduzca el tiempo y costo de
esquemas nuevos de inversión y a simplificar la operación y el mantenimiento,
cosa que sería útil de considerar para nuestro país.
(;3(5,(1&,$/$7,12$0(5,&$1$
Para el caso de Latinoamérica, el material bibliográfico es bastante más escaso
que para los países Europeos. Sin embargo, se ha logrado recopilar algunos
antecedentes de Brasil que resultan interesantes de considerar.
%UDVLO
Para fines de los 80 e inicios de los 90 era de amplio conocimiento la crisis por la
que atravesaba el saneamiento en Brasil, de acuerdo a las investigaciones
realizadas por la ABES (Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e
Ambiental). Hoy en día las cifras son aún alarmantes: la cobertura de
alcantarillado urbano alcanza apenas un 30%, con excepción del Distrito Federal
(78.95%) y la región del Sudeste (55.36%), en tanto que el porcentaje de
municipios que poseen plantas de tratamiento de aguas servidas (PTAS) es
inferior al 10% [25]. Adicionalmente, estas PTAS atienden sólo a una parte de la
población, muchas veces con problemas operacionales y eficiencias de
tratamiento muy bajas (Barros et al., 1995).
En el Estado Brasilero de Matto Grosso do Sul, el tipo de tratamiento
corresponde mayormente a lagunas de estabilización, biodiscos, métodos de
infiltración en suelos, tanques Imhoff y reactores anaeróbicos de flujo
ascendente (RALF-Reactor Anaeróbico de Leito Fluidificado), siendo estos
últimos los más utilizados, representando cerca de un 77%, seguido de la
combinación RALF más Biodiscos [25].
Sin embargo estas tecnologías no siempre han dado los resultados esperados,
por lo que se ha visto en el último tiempo la necesidad de innovar con
tecnologías de tratamiento de diseño simple, costo-eficientes, con bajo costo de
O&M y de operación sencilla.
Una de las tecnologías consideradas son los humedales artificiales (constructed
wetlands), en los cuales se utilizan plantas acuáticas en un sistema integrado de
tratamiento [26] para una pequeña comunidad rural perteneciente al municipio de
Botucatu, Brasil. El sistema consiste en: (1) una red de alcantarillado, (2) pretratamiento compuesto por tanques sépticos para la decantación del material
grueso, y (3) tratamiento compuesto por lechos de piedra para ser utilizado como
pre-filtro y plantas acuáticas en medio filtrante compuesto por una mezcla de
suelo y cáscara de arroz, tal como se muestra en la Figura 3.5 a continuación
(no se muestra la etapa del pre-tratamiento).
Capítulo III
Experiencia Internacional
)LJXUD+XPHGDO$UWLILFLDOHQ%RWXFDWX%UDVLO
Los parámetros analizados correspondieron a DQO, conductividad eléctrica, pH,
turbidez, sólidos totales, fijos y volátiles, sólidos en suspensión, detergentes,
aceites y grasas. Las muestras fueron recolectadas durante un año, a intervalos
de un mes. Los puntos de muestreo correspondieron a: (1) afluente tanque
séptico, (2) efluente tanque séptico o afluente estanque con gravas, (3) efluente
estanque con gravas, (4) capa de cáscara de arroz y (5) juncos. Los resultados
se muestran a continuación.
7DEOD5HVXOWDGRV0XHVWUHRVHQ+XPHGDO$UWLILFLDO%RWXFDWX%UDVLO
3XQWRGH0XHVWUHR
(QWUDGD
6DOLGD
7DQTXH
7DQTXH
&DSD
3DUiPHWUR
$IOXHQWH&UXGR *UDYDV
*UDYDV
$UUR]
S+
6,7
6,5
6,7
6,9
'42>PJO@
945
962
261
135
&RQGXFWLYLGDG>P6FP@ 498
693
782
770
7XUELGH]>178@
112
92
64
26
6yOLGRV
6XVSHQGLGRV>PJO@
1290
159
86
37
6yOLGRV7RWDOHV>PJO@
1630
496
421
379
6yOLGRV)LMRV>PJO@
326
199
191
231
6yOLGRV9ROiWLOHV>PJO@
1304
297
230
148
'HWHUJHQWHV>PJO@
5,7
4,4
1,9
1,3
$FHLWHV\*UDVDV>PJO@
0,1
0,03
0,05
0,03
-XQFR
6,8
141
745
27
47
353
290
163
1,3
0,03
De acuerdo a los resultados presentados en la Tabla 3.5, se observa que el pH
se mantiene prácticamente constante a lo largo del tratamiento, en tanto que la
DQO sufre reducciones significativas, del orden de 83%-85%.
Para la
conductividad eléctrica se tiene un aumento en los valores, en tanto que los
sólidos fijos disminuyen producto de la remoción de componentes inorgánicos
del agua. El resto de las variables sufre también reducciones considerables,
demostrando el potencial del sistema, sobretodo en comunidades rurales.
Capítulo III
Experiencia Internacional
El sistema de humedales artificiales es utilizado actualmente en investigaciones
como método de tratamiento para mejorar la calidad del agua en los ríos
urbanos del noreste de Brasil, los cuales se encuentran altamente contaminados
y no tienen uso práctico alguno [27]. La contaminación proviene principalmente
de descargas de aguas servidas de alcantarillado urbano, excretas de ganado y
otros insumos agrícolas.
En la Figura 3.6 se muestra el rendimiento luego de 12 semanas de operación
de un humedal de flujo subsuperficial construido en el noreste de Brasil (12
tanques con grava, 4.13m2, 0.22m3, 20 7\SKD spp./m2 en cada tanque), en el
Estado de Paraiba, cuyo afluente posee pretratamiento en un humedal natural.
El tipo de vegetación utilizado corresponde a 7\SKD spp., y las cargas
hidráulicas a 38, 29 y 19 [mm/d], generando tiempos de retención de 5, 7 y10
días respectivamente. P2 representa la calidad del efluente del humedal
artificial.
)LJXUD5HQGLPLHQWR+XPHGDO$UWLILFLDOHQ3DUDLED%UDVLO
Capítulo III
Experiencia Internacional
Los parámetros analizados corresponden a DBO5, Sólidos Suspendidos (SS),
Fósforo Total (tP), Ortofosfato soluble(oP), Amoniaco (Am), Coliformes Fecales,
Estreptococos Fecales, Colifagos y Bacteriofagos.
Los resultados indican que las remociones mejoraron a medida que se aumenta
el tiempo de retención hidráulico, obteniéndose los mejores resultados para 10
días. Las remociones también aumentaron luego de la poda de 7\SKD spp.,
realizada durante la quinta semana de experimentación: 74%-78% en DBO5,
58%-82% en Amoniaco, 90% en Coliformes Fecales, 94-98% en Estreptococos
Fecales y 92%-96% en Colifagos y Bacteriofagos. A pesar de que los niveles de
coliformes fecales remanentes, del orden de 104 [NMP/100ml], permanecen un
tanto elevados, estos se podrían ver mejorados optimizando gradualmente el
tiempo de retención del wetland [27].
Producto de este trabajo de investigación se concluyó que el wetland construido
demostró tener buenas eficiencias para mejorar la calidad del agua del río
contaminado. Lo anterior podría ser de vital importancia para su aplicación en
ríos contaminados en zonas agrícolas de nuestro país, dado que las exigencias
de los tratados de libre comercio hacen que se requiera de un agua de buena
calidad para el riego de los cultivos de exportación.
5(680(1(;3(5,(1&,$,17(51$&,21$/
(XURSD
La información correspondiente a la experiencia de los distintos países Europeos
(Suiza, Chipre, Grecia e Inglaterra), a modo de ejemplo de transferencia
tecnológica entre países desarrollados y países en vías de desarrollo como el
nuestro, se resume a continuación.
En Suiza la instalación de pequeñas plantas de tratamiento de aguas servidas
en zonas rurales se ha intensificado en los últimos años, mostrando una
preferencia por sistemas de aireación extendida, biodiscos y filtros percoladores.
La existencia de condiciones extremas como bajas temperaturas, fluctuaciones
diarias y estacionales de concentraciones y de caudal, y la necesidad de tener
procesos económicos y confiables hacen que la imitación de los procesos de
grandes plantas de tratamiento no sea posible. Es necesario innovar e
implementar modificaciones a los procesos estándares para adaptarse a las
condiciones locales.
Para Chipre el factor detonante en la construcción de 200 pequeñas plantas de
tratamiento de aguas servidas fue la industria del turismo que en los últimos
años se ha desarrollado notablemente en la zona costera. El sistema utilizado
mayormente es el de aireación extendida, seguido de coagulación/floculación y
luego filtración en serie con filtros de alta tasa. Se ha demostrado que en Chipre
la instalación de estas plantas es una inversión rentable ya que además de
descontaminar la zona, el agua tratada se utiliza para regadío.
Capítulo III
Experiencia Internacional
En Grecia el sistema de tratamiento más común resultó ser el de aireación
extendida (75%), seguido de sistemas naturales como lagunas de estabilización
(9%) y selvicultura hidropónica (6%). Del total de 147 estudiadas, sólo 71
plantas estaban operando en 1997, de las cuales 15 presentaron un rendimiento
bueno, 36 un rendimiento moderado y 20 un rendimiento malo. Se encontró
además que las causas del bajo rendimiento eran principalmente mal manejo
administrativo e institucional más que fallas técnicas.
En el sudeste de Inglaterra, la empresa Southern Water posee 392 plantas de
tratamiento de las cuales 242 sirven a comunidades pequeñas con poblaciones
de menos de 2000 habitantes. Presiones por mejorar la calidad del efluente así
como mejorar las eficiencias de los procesos han sido la razón por la que esta
compañía está invirtiendo en conocer cuáles son sus deficiencias y cómo
pueden mejorarlas, dentro de lo cual surge la idea de utilizar guías estándar de
diseño de plantas cuyo objetivo es simplificar el diseño de nuevas plantas,
basado en experiencia de plantas anteriores en aspectos tales como experiencia
en la operación o en los esquemas de inversión utilizados.
/DWLQRDPpULFD
La información correspondiente a la experiencia latinoamericana, más
específicamente para el caso de Brasil, señala que existe aún una gran tarea por
realizar en materia de saneamiento. Las tecnologías instaladas (lagunas de
estabilización, biodiscos, métodos de infiltración en suelos, tanques Imhoff y
reactores anaeróbicos de flujo ascendente entre otros) no siempre han dado los
resultados esperados, por lo que se ha visto en el último tiempo la necesidad de
innovar con tecnologías de tratamiento de diseño simple, costo-eficientes, con
bajo costo de O&M y de operación sencilla, escenario ante el cual los humedales
artificiales (constructed wetlands) se proyectan como una alternativa promisoria
para países en vías de desarrollo como el nuestro.
&$3Ë78/2,9
6,78$&,211$&,21$/(1(/
6$1($0,(172'(3(48(f$6
&2081,'$'(6
6,78$&,Ï1 1$&,21$/ (1
3(48(f$6&2081,'$'(6
/$
6$1($0,(172
'(
Capítulo IV
Situación Nacional en el Saneamiento de Pequeñas Comunidades
352*5$0$1$&,21$/'($*8$327$%/(585$/
Tal como se mencionó en la Introducción de esta Tesis, El Programa Nacional
de Agua Potable Rural (APR) se creó en 1964, como respuesta a los graves
problemas de morbilidad y mortalidad infantil en los sectores rurales. Su objetivo
fue solucionar el déficit de abastecimiento de agua potable en las localidades
rurales concentradas, es decir, aquellas con una población entre 150 y 3000
habitantes, y una concentración no inferior a 15 viviendas por kilómetro de calle.
El programa busca mejorar la calidad de vida de la población en condiciones de
pobreza, disminuir la migración del campo a la ciudad (evitando así el aumento
de la población en los grandes centros urbanos), mejorar las condiciones de
salud de la población rural y potenciar el desarrollo social de las localidades en
las cuales se ha establecido el servicio.
Una de las principales características del programa de APR es el concepto de
participación comunitaria, a través de la cual la explotación del servicio de agua
potable rural se entrega a la propia comunidad, que cuenta para ello con la
asesoría permanente de las Unidades Técnicas. Esta modalidad ha permitido el
desarrollo social, así como la capacitación y educación de los miembros de las
localidades beneficiadas.
Mediante este sistema, cada comunidad conforma un comité, cuya misión es
coordinar la explotación del servicio de APR, es decir, su operación, mantención
y administración, de tal forma de lograr un autofinanciamiento operativo. En
otras palabras, el objetivo es alcanzar una gestión que permita al menos cubrir
los costos de explotación.
La población rural abastecida de agua potable por el Programa Nacional de
Agua Potable Rural, a diciembre del año 2002 es de 1.361.027 habitantes. Hoy
se trabaja para que el año 2004 la población rural concentrada esté totalmente
cubierta. En la siguiente Tabla 4.1 se hace una comparación de la población
rural considerada por el Programa y la población rural catastrada por el INE
mediante el último censo.
Población rural que cumple con una concentración de más de 15 viviendas por kilómetro de red, posee población
entre 3.000 y 150 habitantes, entre otros criterios.
2 El universo de población rural concentrada, considerado por el Programa Nacional de Agua Potable Rural,
corresponde al catastro 1996 actualizado.
1
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Capítulo IV
Situación Nacional en el Saneamiento de Pequeñas Comunidades
7DEOD'DWRV3URJUDPD1DFLRQDOGH$35
$xR
)XHQWH
2EVHUYDFLyQ
3REODFLyQ5XUDO
2002
INE
Censo 2002
2.026.322
2004
INE
Proyectada
1.992.817
2002
DPS
Abastecida
1.361.027
2004
DPS
Abastecida Proyectada
1.415.701
)XHQWH: DPS (2003)
Cabe destacar, que la diferencia entre la definición de población rural para el INE
y para el Programa Nacional de Agua Potable Rural (APR) hace que los datos
no sean totalmente comparables. Parte de las localidades que hoy se cuentan
como población rural abastecida por el Programa Nacional de APR, en el último
censo realizado el año 2002, no fueron consideradas dentro de las localidades
rurales debido a que los planos reguladores han cambiado integrando nuevas
zonas al área urbana, esto es reflejo de que los poblados beneficiados por el
Programa se transforman en polos de desarrollo local y abandonan las
características de ruralidad. Es por esta razón que se estima que existe una
superposición de datos de aproximadamente 250.000 habitantes más que los
que pueden calcularse de la simple resta de las poblaciones estimadas para el
año 2004 (577.116 hab), es decir, luego de la culminación del Programa
Nacional de APR para localidades concentradas aún restarían aproximadamente
825.000 (577.116 hab + 250.000 hab) habitantes rurales por abastecer de agua
potable [1].
6,78$&,Ï1 1$&,21$/ (1 (/ 6$1($0,(172 '( 3(48(f$6
&2081,'$'(6
Los índices de cobertura de agua potable en el sector urbano y rural a nivel
nacional son bastante elevados (99.7% y 90.1 % respectivamente, a diciembre
del 2002 según Superintendencia de Servicios Sanitarios SISS), al igual que en
el sector rural concentrado, el cual presenta un índice de cobertura actual del
orden de un 99%, indicando que en materia de agua potable los esfuerzos han
sido los necesarios para asegurar una de las necesidades más básicas de la
población. Sin embargo, en materia de saneamiento (alcantarillado) los
esfuerzos son aún deficientes.
Los sectores rurales concentrados por lo general no tienen un sistema de
saneamiento: sólo un 5% cuenta con servicios de alcantarillado tradicional, un
16% posee fosas sépticas y el 79% restante utiliza pozo negro (DPS-MOP,
2001).
3 Tasa Intercensal negativa.
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Capítulo IV
Situación Nacional en el Saneamiento de Pequeñas Comunidades
Según la SISS [11], a diciembre del 2002 la cobertura de alcantarillado urbano
alcanzaba al 94.1%, mientras que la cobertura de alcantarillado rural, según
catastros preliminares más actualizados del Departamento de Programas
Sanitarios (DPS) del MOP, no supera el 8% (2002), lo que deja en evidencia la
necesidad de dar respuesta a esta carencia.
De lo anterior se desprende que en lo que a recolección y tratamiento de las
aguas servidas generadas se refiere, el saneamiento rural es realmente precario.
Además, la realidad nacional con respecto a este tema no está aún
documentada.
Los sistemas de tratamiento que han sido instalados a lo largo del país se
revisan a continuación.
&$7$6752 1$&,21$/ '( 37$6 (1 /2&$/,'$'(6 585$/(6
&21&(175$'$6
Los tipos de tratamiento instalados en el país, de acuerdo al catastro preliminar
del DPS-MOP y según se observa en la Figura 4.1 a continuación, son variados
e incluyen tecnologías tales como aireación extendida, biodiscos, lagunas de
estabilización, decantación primaria y SBR entre otros.
)LJXUD
'LVWULEXFLyQ3RUFHQWXDO6LVWHPDV
GH7UDWDPLHQWRD1LYHO1DFLRQDOHQ$35¶V
6LVWHPDVGH7UDWDPLHQWR
Otros
11%
Biodiscos
18%
Decantación
primaria
14%
Aireación
Extendida
28%
SBR
7%
Lombricultura
4%
727$/
3/$17$6
Lagunas
Estabilización
18%
)XHQWH(ODERUDFLyQSURSLD
De la Figura 4.1 se desprende que predominan los sistemas de tratamiento por
aireación extendida, biodiscos y lagunas de estabilización, considerando
localidades que cuentan con recolección por alcantarillado tradicional.
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Capítulo IV
Situación Nacional en el Saneamiento de Pequeñas Comunidades
Dentro de la categoría “otros” se cuentan sistemas aeróbicos, anaeróbicos,
físico-químicos u otros antes no mencionados.
Si se realiza una segmentación de los tipos de tratamiento de acuerdo a la
población equivalente (P.E.), se obtienen los resultados de la Figura 4.2.
)LJXUD
7LSRGH7UDWDPLHQWR
VHJ~Q5DQJR3REODFLRQDOHQ$35¶V
7LSRGH7UDWDPLHQWRGH$FXHUGRDOD3(
V
D
W
Q
D
O
3
V
D
O
H
G
O
D
W
R
7
O
H
G
/
$
7
2
7
6
$
7
1
$
/
3
6
$
7
1
$
/
3
6
$
7
1
$
/
3
/
$
7
/
$
7
2
7
2
7
727$/
3(
3/$17$6
Biodiscos
Lombricultura
Otros
Aireación Extendida
SBR
Lagunas Estabilización
Decantación primaria
)XHQWH(ODERUDFLyQSURSLD
De la Figura 4.2 se observa que para poblaciones de hasta 1000 habitantes el
sistema más instalado es el de aireación extendida. En el caso de poblaciones
entre 1000 y 3000 habitantes, la situación es variada y se reparte principalmente
entre los sistemas de decantación primaria, aireación extendida y lagunas de
estabilización. Finalmente, para el caso de poblaciones entre 3000 y 6000
habitantes el sistema predominante es el de biodiscos, seguido de aireación
extendida y lagunas de estabilización.
6(/(&&,Ï1'(37$6(1$35¶6
Luego de evaluar el catastro de plantas de tratamiento de aguas servidas a nivel
nacional, se seleccionaron cinco plantas de tratamiento, dos de ellas ubicadas
en la Región Metropolitana y tres de ellas en la VII Región., para ser evaluadas.
En la Región Metropolitana, las plantas de tratamiento de aguas servidas
elegidas están ubicadas en las localidades de 0DUtD 3LQWR (localidad cuyo
abastecimiento de agua potable es suministrado por la Cooperativa de APR de
María Pinto) y 6DQ(QULTXH (agua potable suministrada por Comité de APR de
Los Rulos), comuna de María Pinto. La ubicación de ambas se muestra en la
Figura 4.3.
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Capítulo IV
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)LJXUD8ELFDFLyQ37$6HQ50
En la VII Región, las plantas de tratamiento de aguas servidas elegidas están
ubicadas en las localidades de 6DQWD (OHQD (agua potable suministrada por el
Comité de APR de Los Niches), 6DQWD&ODXGLD (agua potable suministrada por
el Comité de APR de Los Niches) y &RUGLOOHULOOD(agua potable suministrada por
el Comité de APR de Cordillerilla), comuna de Curicó. La ubicación exacta se
muestra en la Figura 4.4.
)LJXUD8ELFDFLyQ37$6HQ9,,5HJLyQ
Se optó por estas P.T.A.S. por considerarse que son representativas de
sistemas de tratamiento instalados en varias localidades a nivel nacional,
además susceptibles a seguir siendo instalados en el futuro. Adicionalmente se
consiguieron las facilidades en cuanto a movilización, alojamiento y permisos
para realizar los estudios en las localidades escogidas.
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Capítulo IV
Situación Nacional en el Saneamiento de Pequeñas Comunidades
'(6&5,3&,Ï137$6
,QWURGXFFLyQ
De las cinco plantas de tratamiento de aguas servidas elegidas, tres de ellas
corresponden al sistema de tratamiento biológico por biodiscos y dos al sistema
de aireación extendida. Por tratarse de plantas muy similares entre sí para un
mismo tipo de tratamiento biológico, las descripciones se harán comunes al tipo
de tratamiento.
Los sistemas de tratamiento de aguas servidas, a grandes rasgos, están
compuestos por una etapa preliminar de rejas, un tratamiento secundario de
aireación extendida o biodiscos y una desinfección final con cloro. Además, se
cuenta con una línea de tratamiento aeróbico de lodos. La línea de tratamiento
general se esquematiza en la Figura 4.5.
)LJXUD/tQHDGH7UDWDPLHQWR*HQHUDO
Ingreso Agua Cruda
Tratamiento Preliminar
Tratamiento Secundario
Desinfección
Efluente Tratado
línea lodos
Espesamiento
Tratamiento Lodo
Deshidratado
Disposición Final Lodos Tratados
Las distintas etapas del proceso de tratamiento se detallan en los Puntos 4.5.2 y
4.5.3 a continuación, donde se diferencian los procesos según corresponda al
sistema de biodiscos o al de aireación extendida.
6LVWHPDVGH%LRGLVFRV
'HVFULSFLyQGHODV37$6FRQ%LRGLVFRV
Las distintas etapas del proceso, en orden con respecto al flujo normal del agua,
se presentan a continuación. El detalle de las unidades se puede ver en el
Anexo Fotográfico.
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Capítulo IV
Situación Nacional en el Saneamiento de Pequeñas Comunidades
1. Separación de Sólidos Gruesos
El tratamiento preliminar está compuesto por una unidad de rejas gruesas
(25mm) de limpieza manual, donde se remueve material como pueden ser
envases de plástico, restos de ropa, pequeños juguetes, objetos flotantes, etc.
2. Elevación
A fin de elevar el caudal hasta la unidad de tratamiento, se cuenta con un pozo
de elevación inmediatamente después de la cámara de rejas. Este consta de un
equipo de impulsión con 3 bombas sumergibles para 10 [l/s] a 12 m.c.a.
3. Separación de Sólidos Finos
Posteriormente, el agua ingresa a un filtro rotatorio autolimpiante, de acero
inoxidable, y con separación entre barras de 0.75mm. En éste se remueve
material más fino que en la etapa anterior, como pueden ser semillas, hojas,
pelos y restos de comida entre otros.
4. Tratamiento Biológico
A continuación, sigue el tratamiento secundario compuesto por una unidad de 5
biodiscos (discos rotatorios de contacto) de eje horizontal, donde se produce la
degradación biológica de la materia orgánica disuelta y la oxidación de sólidos
suspendidos remanentes.
Un reactor biológico rotativo de contacto consiste en una serie de discos
circulares de poliestireno, o cloruro de polivinilo, situados sobre un eje, a corta
distancia unos de otros. Los discos están parcialmente sumergidos en el agua
residual y giran lentamente en el seno de la misma. Estos se pueden apreciar
en la Figura 4.6.
)LJXUD6LVWHPDGH%LRGLVFRV
)RWR: Planta Sarmiento, VII Región (2002)
En el funcionamiento de un sistema de este tipo, el cultivo bacteriano se
desarrolla adherido a la superficie de los discos, hasta formar una película
biológica sobre la superficie mojada de los mismos. La rotación de los discos
pone la biomasa en contacto, de forma alternativa, con la materia orgánica
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Situación Nacional en el Saneamiento de Pequeñas Comunidades
presente en el agua residual y con la atmósfera, para la adsorción de oxígeno.
La rotación del disco induce la transferencia de oxígeno y mantiene la biomasa
en condiciones aerobias. La rotación también es el mecanismo de eliminación
del exceso de sólidos en los discos, por medio de los esfuerzos de corte que
genera. Los sólidos que se desprenden son arrastrados luego hacia el
clarificador secundario.
5. Sedimentación Secundaria
Luego se tiene un sedimentador secundario, circular y de fondo cónico, donde el
efluente es clarificado y de donde los lodos son extraídos hacia la línea de lodos.
6. Sistema de Desinfección
Posteriormente el efluente clarificado es llevado a una cámara de cloración cuyo
objetivo es remover elementos patógenos remanentes del tratamiento
secundario. Las cámaras de cloración son de tipo floculador (“around the end”)
con dosificación de cloro líquido.
7. Tratamiento de Lodos
Estas plantas cuentan con una línea de tratamiento de lodos, compuesta por un
espesador gravitacional, un digestor aeróbico mecánico y finalmente 3 canchas
de secado de lodos.
El proceso de las PTAS con tratamiento biológico de biodiscos se puede
sintetizar en el siguiente esquema de la Figura 4.7.
)LJXUD(VTXHPDWL]DFLyQ3URFHVR%LRGLVFRV
rejas
bombeo
Sed.Sec.
Biodiscos
cloración con
cloro líquido
efluente clarificado
espesamiento
gravitacional
Digestión aeróbica
(aireación mecánica)
canchas
secado
6LVWHPDVGH$LUHDFLyQ([WHQGLGD
'HVFULSFLyQGHODV37$6FRQ$LUHDFLyQ([WHQGLGD
La secuencia de las unidades de tratamiento es la siguiente:
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Capítulo IV
Situación Nacional en el Saneamiento de Pequeñas Comunidades
1. Separación de Sólidos Gruesos
El tratamiento preliminar está compuesto por una unidad de rejas gruesas
(25mm), de limpieza manual, donde se remueve material grueso arrastrado por
las aguas servidas.
2. Elevación
A continuación se tiene un pozo de elevación, que consta de un equipo de
impulsión con 3 bombas sumergibles.
3. Regulador de Flujo
El caudal de aguas servidas que eleva el sistema de bombeo ingresa a un
estanque regulador de flujo, el cual permite que ingrese un caudal constante a la
planta, enviando el exceso de flujo nuevamente a la cámara de elevación.
4. Cámara de Repartición
Luego el agua ingresa a una cámara de repartición cuya función es dividir el flujo
en partes iguales, de manera de formar dos líneas de tratamiento paralelas que
pasan al tratamiento secundario.
5. Tratamiento Biológico
El sistema de aireación extendida corresponde a una variante del proceso de
lodos activados convencionales, en donde se utiliza la fase endógena de la
respiración microbiana, con períodos de aireación prolongados. El residuo
orgánico se introduce en un reactor, donde se mantiene un cultivo aerobio en
suspensión. El contenido del reactor se conoce con el nombre de “licor
mezclado”.
En este caso, la unidad de tratamiento secundario consta de cuatro estanques
de aireación, dos en cada una de las líneas, seguidos de un estanque de
sedimentación secundaria en cada una de las líneas de tratamiento.
6. Sistema de Desinfección
Posteriormente, el agua ya clarificada ingresa a una cámara de contacto de cloro
en pastillas, donde el efluente es desinfectado. Su utilización posterior es en
acequias de riego de viñedos y frutales.
7. Tratamiento de Lodos
La línea de lodos está compuesta por tanques de digestión aeróbica mediante la
inyección de aire y canchas de secado con fondo de material graduado y
sistemas de drenaje.
El proceso de tratamiento biológico con aireación extendida se puede sintetizar
en el siguiente esquema que se muestra en la Figura 4.8 a continuación.
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Capítulo IV
Situación Nacional en el Saneamiento de Pequeñas Comunidades
)LJXUD(VTXHPDWL]DFLyQ3URFHVR$LUHDFLyQ([WHQGLGD
rejas
bombeo
Sed.Sec.
Aireación
extendida
cloración con
pastillas
efluente clarificado
Digestión Aeróbica
(aireación por inyección de aire
canchas
secado
5HVXPHQ6LVWHPDVGH7UDWDPLHQWR(OHJLGRV
En la Tablas 4.2 y 4.3 se resumen las características principales de los sistemas
elegidos.
7DEOD5HVXPHQ&DUDFWHUtVWLFDV6LVWHPDV(OHJLGRV/tQHD$JXD
5HJLyQ
/RFDOLGDG
R.M.
María Pinto
San Enrique
7LSR
3REODFLyQ
7UDWDPLHQWR
6DQHDGD
6HFXQGDULR
670
1100
Biodiscos
Los Niches-Sta.Claudia
VII
Los Niches-Sta.Elena
1650
Aireación
extendida
Cordillerilla
1175
7UDW
3UHOLPLQDU
'LVSRVLFLyQ
,PSXOVLyQ
Rejas 25mm
3 bombas
Filtro Rotatorio para 10lps a
12m.c.a.
0,75mm
Rejas 25mm
2 bombas
1965
7UDW6HFXQGDULR
'HVLQIHFFLyQ
)LQDO(IOXHQWH
/tTXLGR
5 Biodiscos
A=9300m2
Sedimentador
circular 6,6mt
diámetro y 3,5mt
profundidad
Cloro líquido
Aireación extendida
Sedimentador
rectangular
Cloro en
pastillas
Estero Puangue
Canal Riego
Canal Riego
Canal Riego
Canal Riego
*de acuerdo a info. del organismo administrador.
7DEOD5HVXPHQ&DUDFWHUtVWLFDV6LVWHPDV(OHJLGRV/tQHD/RGRV
7LSR
5HJLyQ
/RFDOLGDG
7UDWDPLHQWR
/LQHDORGRV
'LVSRVLFLyQ)LQDO/RGRV
6HFXQGDULR
R.M.
María Pinto
San Enrique
Biodiscos
Los Niches-Sta.Claudia
VII
Los Niches-Sta.Elena
Aireación
extendida
Cordillerilla
Espesador Gravitacional
Digestor aeróbico mecánico
Disposición en canchas de
secado
Relleno para compost
Relleno para compost
Abono para Frutales
Digestor aeróbico(inyección)
Terreno planta tratamiento
Disposición en canchas de
secado
Terreno planta tratamiento
$'0,1,675$&,Ï1<7$5,)$6
En el caso de las Plantas de Tratamiento ubicadas en la VII Región, es decir
Cordillerilla, Santa Elena y Santa Claudia, los organismos responsables de la
administración son los Comités de Agua Potable Rural correspondientes a cada
localidad, tal como se muestra en Figura 4.9.
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)LJXUD(VTXHPD$GPLQLVWUDWLYR37$69,,5HJLyQ
Comité de APR
Cordillerilla
Comité de APR
Los Niches
Planta de Tratamiento de
Cordillerilla
Planta de Tratamiento de Planta de Tratamiento de
Santa Elena
Santa Claudia
Para el caso de las plantas de tratamiento ubicadas en la Región Metropolitana,
es decir María Pinto y San Enrique, el organismo responsable es la I.
Municipalidad de María Pinto, tal como se aprecia en la Figura 4.10.
)LJXUD(VTXHPD$GPLQLVWUDWLYR37$650
Con respecto a la tarifa que se les cobra a los usuarios, estas son las que se
muestran en las Tablas Tabla 4.4 y Tabla 4.5, para el agua potable y para la
recolección y tratamiento respectivamente.
&RQVXPR
0HQVXDO>P@
0 (cargo fijo $)
1-10
11-20
21-40
41-50
51-75
76-100
101-200
201 en adelante
7DEOD7DULIDV$JXD3RWDEOH
7DULIDV$JXD3RWDEOH>P@
0DUtD3LQWR
6DQ(QULTXH
&20$3, $35/RV5XORV /RV1LFKHV
1300
1200
1100
90
100
150
110
120
150
150
150
150
200
200
150
260
250
150
310
300
150
360
350
150
400
400
150
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&RUGLOOHULOOD
800
160
160
160
160
160
160
160
160
44
Capítulo IV
Situación Nacional en el Saneamiento de Pequeñas Comunidades
7DEOD7DULIDVSRU$OFDQWDULOODGR\7UDWDPLHQWR
2UJDQLVPR
&DUJR
&DUJR
5HVSRQVDEOH
)LMR>@
9DULDEOH>P@
Comité APR Los Niches
0
120
Comité APR Cordillerilla
1300
100
COMAPI
0
95
Comité APR Los Rulos
0
103
En la Tabla 4.4 se puede observar que la estructura tarifaria consiste de un
cargo fijo y otro variable. Los Comité de la VII Región no diferencian en el cargo
variable del agua potable de acuerdo al consumo.
De la Tabla 4.5, se observa que el Comité de APR de Cordillera se distingue del
resto, en el sentido de que tiene un cargo fijo por alcantarillado y tratamiento. El
costo variable, en tanto, para las distintas localidades, oscila alrededor de los
100 [$/m³].
3/$1'(08(675(2
Con el objeto de realizar una evaluación cuantitativa acerca del funcionamiento
de las PTAS en cuestión, se realizó un plan de muestreo consistente en
muestras a la entrada y a la salida de cada planta, de manera de verificar las
eficiencias de los distintos sistemas de tratamiento.
El plan de muestreos se dividió en cuatro campañas, separadas a intervalos de
dos y media semanas aproximadamente.
Se analizaron un total de 40 muestras (afluente y efluente de cada una de las 5
plantas, en cada una de las cuatro campañas), cada una de ellas con 6
parámetros a caracterizar, los cuales se detallan en el Anexo Plan de Muestreo.
5HVXPHQ3ODQGH0XHVWUHRV
La información resumida se presenta en la siguiente Tabla 4.6.
7DEOD5HVXPHQ3ODQGH0XHVWUHR
)HFKD,QLFLR
)HFKD7pUPLQR 3DUiPHWURV$QDOL]DGRV 7RWDO0XHVWUDV
14/10/02
SST, SSV, SSF, DBO,
DQO, NKT y Coliformes
Fecales.
17/12/02
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40
45
&$3Ë78/29
',$*1Ï67,&2'(23(5$&,Ï13/$17$6
'(75$7$0,(172
',$*1Ï67,&2'(23(5$&,Ï13/$17$6'(75$7$0,(172
Capítulo V
Diagnóstico de Operación Plantas de Tratamiento
,1752'8&&,Ï1
En este capítulo se presenta inicialmente un diagnóstico cualitativo, es decir lo
atribuible a observaciones de las visitas a terreno, acerca del funcionamiento de
las plantas de tratamiento de aguas servidas. Posteriormente se presentan los
resultados de los análisis de laboratorio y con ello el diagnóstico de la parte
cuantificable de la evaluación a la que fueron sometidas las plantas de
tratamiento.
',$*1Ï67,&2&8$/,7$7,92
3ODQWDGH7UDWDPLHQWRGH$JXDV6HUYLGDVGH0DUtD3LQWR
El tratamiento preliminar, compuesto por una unidad de rejas y un posterior filtro
rotatorio, funcionaba de manera correcta ya que el efluente de esta unidad no
presentaba sólidos gruesos en suspensión al momento de las visitas.
Siguiendo la línea de tratamiento, en la etapa de tratamiento secundario se
observó durante las sucesivas visitas crecimiento de biomasa bacteriana sólo en
los primeros biodiscos, ya que los últimos (en el sentido del flujo del agua)
presentaban gran cantidad de algas, atribuibles a distintas condiciones de
sustrato, oxígeno disuelto y cantidad de luz con respecto del biofilm adherido al
inicio de los biodiscos.
El sedimentador secundario se observaba funcionando de manera adecuada,
con un mínimo de resuspensión de lodos.
La dosificación con cloro líquido no se realizó durante los meses octubrediciembre 2002 por razones de costos.
A pesar de algunos problemas operativos ya mencionados, el efluente producido
por la planta se observaba bien clarificado al momento de las visitas.
En la línea de lodos, tanto el espesador gravitacional como el digestor aeróbico
mecánico se encontraban funcionando de manera adecuada. El lodo en las
canchas de secado no emitía malos olores, lo cual indicaría que éstos fueron
bien estabilizados durante el proceso. Sin embargo, no se encuentra resuelta
aún la disposición final de éstos.
Según conversaciones sostenidas con el operador, esta planta estaría operando
prácticamente a plena capacidad recién al tercer año de su puesta en marcha, lo
cual indicaría que el período de previsión de la obra civil habría sido corto.
La cercanía al estero Puangue representaba un riesgo de inundación en la
planta, con los consiguientes daños materiales y detención de la operación de
ésta, hecho que se ha presentado durante el invierno del 2002 según
conversaciones sostenidas con el operador.
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50
Capítulo V
Diagnóstico de Operación Plantas de Tratamiento
3ODQWDGH7UDWDPLHQWRGH$JXDV6HUYLGDVGH6DQ(QULTXH
El tratamiento preliminar funcionaba de manera adecuada, con características
similares a la Planta de María Pinto, es decir, no se presentaban sólidos gruesos
posteriores a esta etapa.
Los biodiscos funcionaban con un cultivo adherido un tanto escaso a comienzos
de septiembre del 2002, presuntamente como resultado de haber estado
detenida la planta durante 2 meses por un problema con el rotor del biodisco.
No se detectó formación de algas en ninguno de los biodiscos durante las
visitas. Recién para noviembre/diciembre del 2002 se observaba un cultivo de
biomasa adherido más importante.
El sedimentador secundario se observaba funcionando de manera adecuada en
todas las visitas, salvo la del 25/11/02 cuando se observaron problemas de
resuspensión.
La desinfección con cloro líquido inicialmente (visita 14/10/02) no funcionaba por
razones de costos.
Para la visita del 4/11/02 la planta de tratamiento se
encontraba efectuando cloración, sin embargo se le habían removido los
tabiques de la cámara de contacto con cloro por presentar daños materiales.
Posteriormente, en la visita del 25/11/02, la cloración se encontraba nuevamente
suspendida.
La línea de lodos funcionaba de manera adecuada, ya que el lodo no emitía
olores desagradables en las canchas de secado.
Se notó un descuido en la mantención general de la planta, es decir pastos
largos en el terreno y malezas en las canchas de secado.
3ODQWDGH7UDWDPLHQWRGH$JXDV6HUYLGDVGH6DQWD(OHQD
La etapa de tratamiento preliminar compuesto por rejas funcionaba de manera
adecuada para su diseño.
En la etapa de aireación del tratamiento secundario se observó gran cantidad de
espuma color café oscuro, viscosa, durante todas las visitas, lo cual delata la
presencia de bacterias filamentosas, tal como se explica en detalle más adelante
en el Capítulo VI, en el seguimiento en terreno realizado a Santa Elena (sección
6.5.4).
Además, se notaron diferencias entre las líneas paralelas, las cuales deberían
funcionar en forma similar. Los flocs formados no eran de igual consistencia, la
cantidad y densidad de la espuma tampoco era la misma. En terreno se
efectuaron pruebas de sedimentación de cono con licor mezclado de un tanque
de aireación de cada línea, obteniendo diferencias notables entre una línea y
otra.
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51
Capítulo V
Diagnóstico de Operación Plantas de Tratamiento
Las unidades de sedimentación secundaria no funcionaban de manera
adecuada, ya que el nivel del agua fluctuaba mucho dependiendo de si las
bombas en el pozo de impulsión estaban en funcionamiento. Por esta misma
razón, se notó que las tuberías recolectoras del sobrenadante tampoco
funcionaban de manera adecuada.
En la cámara de contacto con cloro se detectó resuspensión, producto de la
acumulación de lodos en su fondo. Según conversaciones con el operador y
observaciones de terreno, se habría perforado la losa para poder extraerlos
cada cierto tiempo, descargándolos directamente al receptor final.
El espesador gravitacional de lodos se encontraba en desuso. La unidad de
digestión aeróbica de lodos se encontraba funcionando de manera adecuada,
para luego dar paso al secado en las canchas. La disposición final del lodo era
el terreno de la planta de tratamiento.
Cabe señalar que antiguamente se utilizaban pequeños estanques cónicos para
el secado de los lodos mediante el uso de sacos de arena como filtro (sin arena
en su interior), como los de la Figura 5.1. Sin embargo, este sistema se
encontraba en desuso y fue reemplazado por las canchas de secado, ya que los
poros de los sacos de arena se obstruyeron rápidamente, impidiendo el paso del
agua a través de ellos.
)LJXUD
'HVKLGUDWDGRGH/RGRVHQ'HVXVR
3ODQWDGH7UDWDPLHQWRGH$JXDV6HUYLGDVGH6DQWD&ODXGLD
El tratamiento preliminar, compuesto por una unidad de rejas y un posterior filtro
rotatorio, funcionaba de manera correcta ya que el efluente de esta unidad no
presentaba sólidos gruesos en suspensión. Las rejas presentaban óxido.
En el tratamiento secundario se pudo observar formación de algas en las últimas
unidades de biodiscos, en el sentido del flujo. Sin embargo, el resto de los
biodiscos presentaban un cultivo adherido adecuado. Algunos de éstos
presentaban fatiga de material producto del uso. Durante las visitas del mes de
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52
Capítulo V
Diagnóstico de Operación Plantas de Tratamiento
noviembre del 2002 se observaron problemas serios con el rotor del biodisco, el
cual presentó fallas mecánicas en el sistema de rodamientos.
En el sedimentador secundario se observó resuspensión de lodo del fondo. A
pesar de esto, el efluente estaba bien clarificado la mayoría del tiempo.
En la línea de lodos, la digestión aeróbica se observaba funcionando
adecuadamente. El lodo en las canchas de secado no emitía malos olores.
Cabe resaltar que el espesador gravitacional no se encontraba en
funcionamiento, básicamente por un problema de cotas según lo que dio a
entender el operador de la planta. Éste debía ser elevado por lo menos 1 metro
más para que operara correctamente.
Se apreció un muy buen cuidado de la planta por parte del operador, es decir
unidades bien mantenidas, terreno sin basuras, y en general un lugar limpio y
ordenado.
3ODQWDGH7UDWDPLHQWRGH$JXDV6HUYLGDVGH&RUGLOOHULOOD
La etapa de tratamiento preliminar compuesto por rejas funcionaba de manera
adecuada para su diseño.
En la etapa de aireación del tratamiento secundario se observó una buena
formación de floc. No se observó formación de espumas en estas unidades.
En las unidades de sedimentación secundaria se observó que al momento en
que entraban en funcionamiento las bombas aireadoras en el tanque de
aireación, se producían amplias fluctuaciones del nivel del agua, a tal punto que
los vertederos recolectores del efluente clarificado se ahogaban totalmente. En
uno de los tanques de sedimentación se observó resuspensión de lodos,
produciendo que el lodo escapase hacia la cámara de contacto con cloro. Se
observó además, en esta unidad, un problema con el diseño del sistema
recolector del sobrenadante, ya que éste no se adaptaba a las fluctuaciones del
nivel del agua en el sedimentador, por lo que la remoción de sólidos flotantes no
era completamente efectiva.
En la cámara de contacto con cloro se detectó resuspensión de lodo, producto
de la acumulación de éste en su fondo.
La unidad de digestión aeróbica de lodos se encontraba funcionando de manera
adecuada, para luego dar paso al secado en las canchas. Cabe señalar que
esta planta, al igual que la planta de Santa Elena, poseía pequeños estanques
cónicos para el secado de los lodos, los cuales se encontraban en desuso por
las mismas razones que en el caso de Santa Elena.
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Capítulo V
Diagnóstico de Operación Plantas de Tratamiento
',$*1Ï67,&2&8$17,7$7,92
&DUDFWHUtVWLFDV$IOXHQWHV
&DXGDOHV
Durante las sucesivas visitas a terreno se aforaron, mediante el uso de un
recipiente graduado y un cronómetro, los caudales de entrada a las plantas de
tratamiento, a distintas horas del día según la hora en que se efectuara la visita.
Dado que los datos obtenidos representan valores puntuales y no una medición
continua a través de un período de tiempo prolongado (para una misma
P.T.A.S., se aforó siempre durante horas de la tarde o durante horas de la
mañana), la información es muy escasa y no se pueden inferir mayores
conclusiones con respecto a las variaciones horarias que presentan los caudales
afluentes a lo largo del día, salvo que la tendencia es que los caudales
aumenten hacia las horas de la tarde. Los caudales aforados fluctuaron
aproximadamente entre los 2 y los 10 [l/s].
6yOLGRV6XVSHQGLGRV9ROiWLOHV
Si se analiza la composición de la parte volátil de los sólidos suspendidos
afluentes al tratamiento (detalles en Anexo Resultados Análisis de Laboratorio),
se obtiene que en promedio el contenido de sólidos volátiles con respecto de los
sólidos totales es de un 81%. Sin embargo estos valores medios fluctúan entre
74.8% y 86.6% dependiendo de la planta de tratamiento que se considere, por lo
que a futuro (capítulo VI) serán tratados por separado de acuerdo a la planta que
corresponda.
5DQJRVGHORV3DUiPHWURV
Además, se han establecido los valores medios para los parámetros de entrada
a las PTAS de acuerdo a las mediciones de terreno. Cada valor mostrado en la
Tabla 5.1 corresponde al promedio de 20 muestras. Detalles de los resultados
de las mediciones de terreno se encuentran en el Anexo Resultados Análisis de
Laboratorio.
7DEOD5DQJRV3DUiPHWURV$IOXHQWHV
3DUiPHWUR
SST
NKT
DBO5
DQO
Coli Fecales
9DORU0HGLR
>PJO@
199
56
158
406
7.5 x 106
V
>PJO@
154
27
110
337
3.3 x 106
* σ corresponde a la desviación estándar de las
mediciones.
)XHQWH: Elaboración propia (2003)
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Capítulo V
Diagnóstico de Operación Plantas de Tratamiento
De los valores anteriores se desprende que existen amplias fluctuaciones en los
contaminantes que ingresan a las plantas de tratamiento, principalmente debido
a que se trata de muestras puntuales y no compuestas.
(ILFLHQFLDVGHORV6LVWHPDVGH7UDWDPLHQWR
En la siguiente sección se presentan los resultados correspondientes a las
eficiencias de remoción de contaminantes, para los parámetros DBO5, SST,
NKT y Coliformes Fecales.
3ODQWDGH7UDWDPLHQWRGH0DUtD3LQWR
Se puede apreciar en la Figura 5.2 que la planta posee un nivel medio de
remoción del orden del 80% para los parámetros DBO5 (eficiencia c/r a DBO5
total) y SST, en tanto que para el NKT es un tanto más bajo y alcanza un valor
cercano al 50%.
)LJXUD(ILFLHQFLDV0HGLDVGH5HPRFLyQ3ODQWD0DUtD3LQWR
90
160
80
140
70
120
60
100
50
80
40
60
30
20
40
10
20
0
&RQF>PJO@
5HPRFLyQ
(ILFLHQFLDV0HGLDVGH5HPRFLyQ0DUtD3LQWR
0
DBO5
remoción
SST
conc. media afluente
NKT
conc. media efluente
En cuanto a la eficiencia bacteorológica, se puede apreciar en la Figura 5.3, que
las eficiencias son de aproximadamente 2 ordenes de magnitud (o ciclos
logarítmicos), y se deben al tratamiento previo a la etapa de cloración ya que al
momento de las visitas no se estaba clorando el efluente. A pesar de tener 2
ordenes de magnitud en remoción de coliformes fecales, ésta no es suficiente
como para cumplir con la norma de 1000 [NMP/100ml]. El análisis del
cumplimiento de la norma para coliformes fecales, al igual que para el resto de
las plantas, se hará con más detalle en la Sección 5.3.3.2.
)LJXUD(ILFLHQFLD%DFWHULROyJLFD0DUtD3LQWR
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Capítulo V
Diagnóstico de Operación Plantas de Tratamiento
&ROLIRUPHV)HFDOHV0DUtD3LQWR
&)>103PO@
1,E+08
1,E+07
1,E+06
1,E+05
1,E+04
>10 3P O@
1,E+03
1,E+02
1,E+01
1,E+00
*
14-10-2002
afluente
*
04-11-2002
*
25-11-2002
efluente
norma
*16/12/2002
nota: * sin cloro
3ODQWDGH7UDWDPLHQWRGH6DQ(QULTXH
Para el caso de la Planta de Tratamiento de San Enrique, las eficiencias medias
de remoción de DBO5, SST y NKT se muestran en la Figura 5.4. Se observa
que las remociones medias son superiores en todos los casos al 90%, con lo
que se demuestra que el tratamiento es altamente eficiente para estos
parámetros. Los niveles de remoción de NKT son elevados, lo cual indica que
en la planta se está llevando a cabo el proceso de nitrificación.
)LJXUD(ILFLHQFLDV0HGLDVGH5HPRFLyQ3ODQWD6DQ(QULTXH
(ILFLHQFLDV0HGLDVGH5HPRFLyQ6DQ(QULTXH
140
120
80
70
60
100
80
50
40
30
20
60
40
&RQF>PJO@
5HPRFLyQ
100
90
20
10
0
0
DBO5
remoción
SST
conc. media afluente
NKT
conc. media efluente
Con respecto de la eficiencia bacteriológica, expuesta en la Figura 5.5, lo
interesante es notar que se obtuvieron diferencias notables entre la segunda y la
cuarta campaña de muestreo, debido a que para la segunda campaña, la
cámara de contacto con cloro tenía los tabiques de separación rotos, situación
que fue corregida para la cuarta campaña. Para la primera y tercer campaña la
cámara de contacto se encontraba en reparación, por lo que no se estaba
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56
Capítulo V
Diagnóstico de Operación Plantas de Tratamiento
clorando el efluente. Se concluye por lo tanto que el sistema de cloración es
efectivo siempre y cuando los tabiques se encuentren en buenas condiciones.
)LJXUD(ILFLHQFLD%DFWHULROyJLFD6DQ(QULTXH
&ROLIRUPHV)HFDOHV6DQ(QULTXH
1,E+08
&)>103PO@
1,E+07
1,E+06
1,E+05
1,E+04
>10 3P O@
1,E+03
1,E+02
1,E+01
1,E+00
*
14-10-2002
afluente
04-11-2002
*
25-11-2002
efluente
16/12/2002
nota: * sin cloro
norma
3ODQWDGH7UDWDPLHQWRGH&RUGLOOHULOOD
Para el caso de la Planta de Tratamiento de Cordillerilla, la eficiencia en cuanto a
la remoción de DBO5 es del orden de un 50%, principalmente asociado a
problemas con el sistema de cañerías del sedimentador secundario, lo cual
producía que ingresara aire o una corriente de agua con velocidad por el fondo
del sedimentador, resuspendiendo de esta forma el floc que pudiera haber
sedimentado. Las eficiencias en remoción de SST y NKT son aproximadamente
de 75% y 65% respectivamente, tal como se aprecia en la Figura 5.6.
)LJXUD(ILFLHQFLDV0HGLDVGH5HPRFLyQ3ODQWD&RUGLOOHULOOD
(ILFLHQFLDV0HGLDVGH5HPRFLyQ&RUGLOOHULOOD
200
180
5HPRFLyQ
70
160
140
60
50
120
100
80
40
30
60
40
20
10
&RQF>PJO@
80
20
0
0
DBO5
remoción
SST
conc. media afluente
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NKT
conc. media efluente
57
Capítulo V
Diagnóstico de Operación Plantas de Tratamiento
En cuanto a la eficiencia bacteriológica del tratamiento, se observan en la Figura
5.7 disminuciones de 2 a 3 ordenes de magnitud, sin llegar al cumplimiento de la
norma, salvo para el caso de la cuarta campaña (17/12/02), en donde la
reducción es bastante más significativa y se cumple la norma.
)LJXUD(ILFLHQFLD%DFWHULROyJLFD3ODQWD&RUGLOOHULOOD
&ROLIRUPHV)HFDOHV&RUGLOOHULOOD
1,E+08
&)>103PO@
1,E+07
1,E+06
1,E+05
1,E+04
>10 3P O@
1,E+03
1,E+02
1,E+01
1,E+00
15-10-2002 05-11-2002 26-11-2002
afluente
efluente
17/12/02
norma
3ODQWDGH7UDWDPLHQWRGH6DQWD(OHQD
La Planta de Tratamiento de Santa Elena demostró tener eficiencias medias
superiores al 90% para los parámetros SST y DBO5, y superior al 80% para el
parámetro NKT, tal como se observa en la Figura 5.8.
)LJXUD(ILFLHQFLDV0HGLDVGH5HPRFLyQ3ODQWD6DQWD(OHQD
(ILFLHQFLDV0HGLDVGH5HPRFLyQ6DQWD(OHQD
120
400
5HPRFLyQ
300
80
250
60
200
150
40
&RQF>PJO@
350
100
100
20
50
0
0
DBO5
remoción
SST
conc. media afluente
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NKT
conc. media efluente
58
Capítulo V
Diagnóstico de Operación Plantas de Tratamiento
Con respecto a la eficiencia bacteriológica, se logran disminuciones de 1 ó 2
ordenes de magnitud, salvo para el caso de la 1er campaña en que la
disminución es del orden de 3 ciclos logarítmicos, tal como se aprecia en la
Figura 5.9 .
)LJXUD(ILFLHQFLD%DFWHULROyJLFD3ODQWD6DQWD(OHQD
&ROLIRUPHV)HFDOHV6DQWD(OHQD
1,E+08
&)>103PO@
1,E+07
1,E+06
1,E+05
1,E+04
>10 3P O@
1,E+03
1,E+02
1,E+01
1,E+00
15-10-2002
afluente
*
05-11-2002
efluente
26-11-2002
norma
17/12/02
nota: * sin cloro
Las remociones bacteriológicas no son suficientes para el cumplimiento de la
norma. Cabe señalar, además, que para la segunda campaña la muestra se
tomó sin cloro para ver la efectividad del sistema de cloración. En la Figura 5.9
se puede observar que las diferencias en disminución de patógenos con o sin
cloración son del orden de 1.5 ciclos logarítmicos, comparando la primera y
segunda campañas.
Dados los antecedentes presentados tanto por la P.T.A.S. de Cordillerilla como
por la P.T.A.S. de Santa Elena en cuanto a eficiencias de desinfección (Figura
5.7 y Figura 5.9), se concluye que HOVLVWHPDGHFORUDFLyQFRQSDVWLOODVQRHV
ORVXILFLHQWHPHQWHHILFLHQWH como para cumplir con los requisitos de la norma
en cuanto a coliformes fecales. La razón fundamental detrás de esto es que la
pastilla de cloro tiene propiedades higroscópicas, lo cual permite que ésta
absorba humedad y pierda efectividad.
3ODQWDGH7UDWDPLHQWRGH6DQWD&ODXGLD
La Planta de Tratamiento de Aguas Servidas de Santa Claudia posee eficiencias
de remoción cercanas al 85-90% para los parámetros que se observan en la
Figura 5.10.
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59
Capítulo V
Diagnóstico de Operación Plantas de Tratamiento
)LJXUD(ILFLHQFLDV0HGLDVGH5HPRFLyQ3ODQWD6DQWD&ODXGLD
100
200
90
180
80
160
70
140
60
120
50
100
40
80
30
60
20
40
10
20
0
&RQF>PJO@
5HPRFLyQ
(ILFLHQFLDV0HGLDVGH5HPRFLyQ6DQWD&ODXGLD
0
DBO5
remoción
SST
NKT
conc. media afluente
conc. media efluente
En cuanto a las eficiencias bacteriológicas, éstas llegan hasta los 7 ciclos
logarítmicos, tal como se observa en la Figura 5.11. El sistema de cloración con
cloro líquido en estanque tipo floculador demuestra ser eficiente, además de
cumplir la norma de 1000 coliformes fecales [NMP/100ml] en todas las
ocasiones.
)LJXUD(ILFLHQFLD%DFWHULROyJLFD3ODQWD6DQWD&ODXGLD
&ROLIRUPHV)HFDOHV6DQWD&ODXGLD
1,E+08
&)>103PO@
1,E+07
1,E+06
1,E+05
1,E+04
1,E+03
>103P O@
1,E+02
1,E+01
1,E+00
15-10-2002 05-11-2002 26-11-2002
afluente
&DUDFWHUtVWLFDV(IOXHQWHV
efluente
17/12/02
norma
Los gráficos con los resultados del análisis de laboratorio para las muestras de
los efluentes pueden ser consultados en el Anexo Resultados Análisis de
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Capítulo V
Diagnóstico de Operación Plantas de Tratamiento
Laboratorio. En la siguiente sección se presenta la situación resumida con la
calidad de los efluentes analizados.
6yOLGRV6XVSHQGLGRV9ROiWLOHV
Se obtuvo un contenido medio de 78.98% de sólidos suspendidos volátiles con
respecto a los sólidos suspendidos totales en el efluente de las plantas de
tratamiento. Los valores fluctúan entre 71.8% y 84.5%, de tal forma que se
considerarán a futuro (capítulo 4) los valores específicos por planta.
5HVXPHQ&XPSOLPLHQWR1RUPDV
En la Tabla 5.2 se muestra la situación resumida en cuanto al cumplimiento del
Decreto Supremo Nª90 del Ministerio Secretaría General de la Presidencia, que
regula contaminantes por descargas de residuos líquidos a aguas continentales
y superficiales. No se considera capacidad de dilución en los cuerpos
receptores.
7DEOD&XPSOLPLHQWR1RUPD'61
&XPSOLPLHQWR'61
3ODQWD
3DUiPHWUR
&DPSDxD &DPSDxD &DPSDxD &DPSDxD
María Pinto
DBO5
NO
SI
SI
SI
NKT
SI
SI
SI
SI
SST
SI
SI
SI
SI
Coliformes Fecales
NO
NO
NO
NO
San Enrique DBO5
SI
SI
SI
SI
NKT
SI
SI
SI
SI
SST
SI
SI
SI
SI
Coliformes Fecales
NO
NO
NO
SI
Cordillerilla
DBO5
NO
SI
SI
SI
NKT
SI
SI
SI
SI
SST
NO
SI
SI
SI
Coliformes Fecales
NO
NO
NO
SI
Santa Elena
DBO5
SI
SI
SI
SI
NKT
SI
SI
SI
SI
SST
SI
SI
SI
SI
Coliformes Fecales
NO
NO
NO
NO
Santa Claudia DBO5
SI
SI
SI
SI
NKT
SI
SI
SI
SI
SST
SI
SI
SI
SI
Coliformes Fecales
SI
SI
SI
SI
Se puede apreciar, de la Tabla 5.2, que las normas no son cumplidas en 17 de
las 80 ocasiones en que se analizaron muestras, es decir una cifra cercana al
21% de las ocasiones. Al analizar el detalle por planta, se tienen las siguientes
situaciones.
0DUtD3LQWR
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61
Capítulo V
Diagnóstico de Operación Plantas de Tratamiento
La Planta de Tratamiento de María Pinto no cumplió con la norma en 5 de las 16
muestras analizadas, lo cual se ve reflejado en porcentajes en la Figura 5.12.
En la mayoría de los casos la falla se produjo para el parámetro coliformes
fecales, es decir en 4 muestras de un total de 5, en tanto que el límite para el
parámetro DBO5 fue sobrepasado en 1 muestra, lo cual se muestra nuevamente
como porcentajes en la Figura 5.13.
0 DUtD3LQWR
0 DUtD3LQWR
&XP SOLP LH QWR1RU P D
3DUiP H WU RH QTXH )DOOD
20%
31%
69%
80%
% del tiempo que no cumple
% del tiempo que cumple
)LJXUD&XPSOLPLHQWR'61
3ODQWD0DUtD3LQWR
% fallas que corresponden a DBO5
% fallas que corresponden a C. Fecales
)LJXUD(VSHFLILFDFLyQ3DUiPHWUR)DOOLGR
3ODQWD0DUtD3LQWR
La falla en coliformes fecales es absolutamente predecible ya que en ninguna de
las ocasiones el efluente había sido clorado.
La falla en DBO5 no era de esperar, y corresponde a un valor de 47[mg/l] para
un límite máximo de 35[mg/l], tal como se puede apreciar en la fecha 14/10/02
de la Figura 5.14. Lo anterior se explica a causa de una elevada concentración
de SST, de 73 [mg/l], para esa misma fecha, atribuible a la resuspensión de
lodos en el clarificador secundario, lo cual causaba que aumentase la cantidad
de material orgánico en suspensión en el efluente.
)LJXUD0DWHULD2UJiQLFD0DUtD3LQWR
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62
Capítulo V
Diagnóstico de Operación Plantas de Tratamiento
'%20DUtD3LQWR
'%2>PJO@
200
150
100
50
>P JO@
0
14/10/02
4/11/02
afluente
25/11/02
efluente
16/12/2002
norma
6DQ(QULTXH
Para la Planta de Tratamiento de San Enrique el porcentaje de incumplimiento
de la norma es de un 19%. El 100% de las fallas corresponden al parámetro
Coliformes Fecales. Estos resultados se muestran en las Figuras 5.15 y 5.16.
6DQ(QULTXH 6DQ(QULTXH &XP SOLP LH QWR1RUP D
3DUiP H WURH QTXH )DOOD
19%
81%
100%
% del tiempo que no cumple
% del tiempo que cumple
)LJXUD&XPSOLPLHQWR'61
3ODQWD6DQ(QULTXH
% fallas que corresponden a C. Fecales
)LJXUD(VSHFLILFDFLyQ3DUiPHWUR)DOOLGR
3ODQWD6DQ(QULTXH
El hecho de que esta planta no haya cumplido con la norma de coliformes
fecales se debe principalmente a una de las siguientes razones:
• No se estaba clorando por decisión de la I. Municipalidad de María Pinto
• Sí se estaba clorando, pero los tabiques de la cámara de contacto con
cloro se encontraban dañados.
&RUGLOOHULOOD
La Planta de Tratamiento de Cordillerilla demostró tener problemas de
incumplimiento de la norma el 31% del tiempo. De las muestras fallidas, los
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Capítulo V
Diagnóstico de Operación Plantas de Tratamiento
porcentajes fueron DBO5:20% ; SST:20% y Coliformes Fecales:60%, tal como
se aprecia en las Figuras 5.17 y 5.18.
&RU GLOOH ULOOD
&RU GLOOH ULOOD
&XP SOLP LH QWR1RU P D
3DUiP H WURH QTXH )DOOD
20%
31%
60%
69%
% fallas que corresponden a DBO5
% fallas que corresponden a SST
% fallas que corresponden a C. Fecales
% del tiempo que no cumple
% del tiempo que cumple
)LJXUD&XPSOLPLHQWR'613ODQWD
&RUGLOOHULOOD
20%
)LJXUD(VSHFLILFDFLyQ3DUiPHWUR
)DOOLGR3ODQWD&RUGLOOHULOOD
La falla en los parámetros DBO5 y SST es atribuible al problema detectado con
las cañerías de aire en el sedimentador secundario, el cual producía una
resuspensión del floc sedimentado, aumentando de esta manera la
concentración de dichos contaminantes en el efluente. Esta falla es apreciable
en la primer campaña solamente, ya que para el resto de las campañas ya se
había corregido el problema. Se llegó a la conclusión, después de ver los
resultados que se muestran en las Figuras 5.19 y 5.20, donde se observa que
para las campañas segunda a cuarta se cumplen las normas para DBO5 y SST,
que efectivamente el problema pasaba por la resuspensión en el clarificador
secundario.
)LJXUD6yOLGRV6XVSHQGLGRV7RWDOHV3ODQWD&RUGLOOHULOOD
667&RUGLOOHULOOD
600
667>PJO@
500
400
300
200
100
>P JO@
0
15/10/02
5/11/02
afluente
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26/11/02
efluente
17/12/02
norma
64
Capítulo V
Diagnóstico de Operación Plantas de Tratamiento
)LJXUD'%23ODQWD&RUGLOOHULOOD
'%2>PJO@
'%2&RUGLOOHULOOD
80
70
60
50
40
30
20
10
0
>P JO@
15/10/02
5/11/02
afluente
26/11/02
efluente
17/12/02
norma
Con respecto a los Coliformes Fecales (ver Figura 5.7), las fallas son atribuibles
al sistema de cloración con cloro en pastillas, tal como se verificó para el caso de
la Planta de Santa Elena que utiliza el mismo sistema de cloración y para la cual
se realizaron pruebas con y sin cloro como se explica en el Punto 5.3.2.4.
6DQWD(OHQD
La Planta de Tratamiento de Aguas Servidas de Santa Elena presenta
problemas con la calidad bacteriológica del agua, tal como se aprecia en las
Figuras 5.21 y 5.22.
6DQWD(OH QD
&XP SOLP LH QWR1RU P D
6DQWD(OH QD
3DUiP H WURH QTXH )DOOD
25%
75%
100%
% del tiempo que no cumple
% del tiempo que cumple
)LJXUD&XPSOLPLHQWR'613ODQWD
6DQWD(OHQD
% fallas que corresponden a C. Fecales
)LJXUD(VSHFLILFDFLyQ3DUiPHWUR
)DOOLGR3ODQWD6DQWD(OHQD
Las causas del incumplimiento de la norma para Coliformes Fecales se atribuyen
al sistema de cloración en pastillas, anteriormente explicado en el punto 5.3.2.4.
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65
Capítulo V
Diagnóstico de Operación Plantas de Tratamiento
6DQWD&ODXGLD
La Planta de Tratamiento de Aguas Servidas de Santa Claudia no presenta
problemas con el cumplimiento de las normas para ningún parámetro, como se
observa en la Figura 5.23.
6DQWD&ODXGLD
&XP SOLP LH QWR1RU P D
100%
% del tiempo que cumple
)LJXUD&XPSOLPLHQWR'613ODQWD
6DQWD&ODXGLD
&RPSDUDFLyQ'LVWLQWRV6LVWHPDV
En primer lugar se debe señalar que la Planta de Tratamiento de Cordillerilla
muestra eficiencias medias más bajas en comparación con el resto de la Plantas
de Tratamiento, debido a que se encuentra considerado en ese promedio la 1er
campaña, en donde se obtuvo una bajísima eficiencia por el problema de
resuspensión en el clarificador secundario. Esta situación se ve reflejada en las
Figuras 5.24, 5.25 y 5.26.
Por ello, resulta lógico realizar la comparación con el resto de las Plantas de
Tratamiento, de donde se desprende que no hay una tecnología que predomine
por sobre la otra. Los niveles de eficiencia alcanzados son similares entre las
tecnologías de biodiscos y aireación extendida, para los distintos parámetros en
comparación.
)LJXUD&RPSDUDFLyQ7HFQRORJtDVSDUDHO3DUiPHWUR'%2
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66
Capítulo V
Diagnóstico de Operación Plantas de Tratamiento
(ILFLHQFLDVPHGLDVGH5HPRFLyQGH'%2
120
5HPRFLyQ
100
80
60
40
20
0
María Pinto
(Biodiscos)
San Enrique
(Biodiscos)
Cordillerilla
(air. ext.)
Santa Elena
(air. ext.)
Santa Claudia
(Biodiscos)
)LJXUD&RPSDUDFLyQ7HFQRORJtDVSDUDHO3DUiPHWUR667
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Capítulo V
Diagnóstico de Operación Plantas de Tratamiento
5HPRFLyQ
(ILFLHQFLDVPHGLDVGH5HPRFLyQGH667
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
María Pinto
(Biodiscos)
San Enrique
(Biodiscos)
Cordillerilla
(air. ext.)
Santa Elena
(air. ext.)
Santa
Claudia
(Biodiscos)
)LJXUD&RPSDUDFLyQ7HFQRORJtDVSDUDHO3DUiPHWUR1.7
(ILFLHQFLDVPHGLDVGH5HPRFLyQGH1.7
100
5HPRFLyQ
80
60
40
20
0
María Pinto
(Biodiscos)
San Enrique
Cordillerilla
Santa Elena
(Biodiscos)
(air. ext.)
(air. ext.)
Santa
Claudia
(Biodiscos)
A modo de ejemplo se presenta la siguiente Tabla 5.3 en donde se aprecia que
las diferencias entre una tecnología y otra, en términos de eficiencia, son
inferiores al 15%. Se ha comparado la Planta de Tratamiento de Santa Elena
versus la planta de tratamiento que presente la más elevada eficiencia de las
restantes, sin incluir Cordillerilla, que por coincidencia resultó ser siempre San
Enrique.
7DEOD'LIHUHQFLDVHQ(ILFLHQFLDVGH
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Capítulo V
Diagnóstico de Operación Plantas de Tratamiento
5HPRFLyQSDUDODV'LVWLQWDV$OWHUQDWLYDV
(ILFLHQFLDV0HGLDV5HPRFLyQ>@
3DUiPHWUR
6DQWD(OHQD 6DQ(QULTXH 'LIHUHQFLD
$LU([W
%LRGLVFRV NKT
84
94,6
13%
DBO5
96,9
91,6
5%
SST
95,2
93,1
2%
Si para el caso del parámetro NKT, el cual presenta la mayor diferencia en la
Tabla 5.3, se compara Santa Elena (aireación extendida) versus Santa Claudia
(biodiscos), la diferencia se reduce a tan sólo un 0.6%, lo cual reafirma la
hipótesis de que estos resultados de eficiencias no permiten decidir por una
tecnología en particular por sobre la otra.
),&+$7e&1,&$23(5$&,21$/
A continuación se presenta, a modo de resumen, la ficha técnica con las
condiciones de operación recopiladas durante el diagnóstico, para los distintos
sistemas de tratamiento.
%LRGLVFRV
Ma. Pinto
7DEOD)LFKD7pFQLFD2SHUDFLRQDO6LVWHPDV%LRGLVFR
&DUJD
&DUJD
7DVD
'%2
3ULQFLSDOHV
4
'%2
667
6HGLP
WRWDOHIO
2EVHUYDFLRQHV
>OV@
>.JG@
>.JG@ >PPG@ >PJO@
5,1
65
62
12,9
29
Efluente falla en calidad
bacteriológica; Falla
bomba dosificación cloro
líquido.
San
Enrique
5,3
46
60
13,4
9,8
Efluente falla en calidad
bacteriológica;
Mantención general
descuidada.
Sta.
Claudia
4,2
46
66
10,6
16,8
Efluente de buena
calidad; Falla asociada
al rotor del Biodisco.
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Capítulo V
Diagnóstico de Operación Plantas de Tratamiento
7DEOD)LFKD7pFQLFD2SHUDFLRQDO6LVWHPDV$LUHDFLyQ([WHQGLGD
&DUJD &DUJD
7DVD
'%2
WRWDO
3ULQFLSDOHV
$LUHDFLyQ
4
'%2 667
6HGLP
)0
TF
HIO
2EVHUYDFLRQHV
([WHQGLGD >OV@ >.JG@ >.JG@ >PPG@ >G@ >G@ >PJO@
Efluente falla en
calidad
bacteriológica;
Sta. Elena
2,5
74
77
33
0,29
7,9
10,5
Formación
excesiva espumas
en tanques
aireación.
Efluente falla en
calidad
bacteriológica;
Cordillerilla
5,5
75
87
90
0,11
24
14,7
Resuspensión en
clarificador
secundario.
&20(17$5,26<&21&/86,21(6
3ULQFLSDOHV$VSHFWRVGHORV6LVWHPDV(YDOXDGRV
En la sección a continuación se dará el resultado de los principales aspectos de
la evaluación a la que fue sometida cada P.T.A.S.
6DQWD(OHQD
•
El funcionamiento general de la planta es regular. Desde el punto de vista
del análisis de resultados de laboratorio, la planta falla solamente en
coliformes fecales. Sin embargo, se observaron durante las sucesivas visitas
formación excesiva de espumas en los tanques de aireación, además de
resuspensión importante en los clarificadores. El aseo de la planta demostró
ser deficiente y se percibían malos olores a sus alrededores.
•
En la línea de lodos, las canchas de secado de la planta no daban abasto, lo
cual hacía que éstos fuesen extraídos con poca frecuencia, repercutiendo en
la calidad final del efluente.
•
Hay que resaltar que el problema con la formación de exceso de espumas en
los tanques de aireación es muy importante, pues delata la presencia de
organismos filamentosos como se verá con más detalle en el Capítulo 6.
(Punto 6.5.4 acerca del seguimiento en terreno de Santa Elena).
•
Se observó acumulación de lodos en la cámara de contacto con cloro.
•
El sistema de cloración en pastillas no es lo suficientemente eficiente.
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70
Capítulo V
Diagnóstico de Operación Plantas de Tratamiento
&RUGLOOHULOOD
• El funcionamiento en general es bueno, la planta cumple con la mayoría de
las normas, salvo para la calidad bacteriológica, y posee una mantención
general muy buena.
•
Nuevamente el sistema de cloración con pastillas de cloro no es
suficientemente eficiente.
•
Se destaca el problema de resuspensión en el clarificador secundario,
producto de fallas en el sistema de cañerías, detectado durante la 1er
campaña de muestreo.
6DQWD&ODXGLD
• De las plantas de tratamiento sometidas a evaluación, ésta resultó ser la
mejor desde el punto de vista de la calidad del efluente, ya que es la única
que cumple la norma en todas las ocasiones.
•
Se podría decir que la planta funciona muy bien, pero que posee un gran
potencial de falla asociado a la tecnología de los biodiscos (fallas en el rotor).
Además, ya ha presentado fallas de este tipo en ocasiones anteriores.
0DUtD3LQWR
• Funcionamiento general bueno, se cumplen las normas en la mayoría de los
casos salvo para el caso de la calidad bacteriológica. La mantención de la
planta es buena.
•
En el sistema de cloración la planta presenta serias fallas en la bomba
dosificadora de cloro líquido, a tal punto que la cloración no se lleva a cabo.
6DQ(QULTXH
• El funcionamiento general es bueno, ya que se cumplen las normas
ampliamente salvo para la desinfección, en donde el sistema presenta fallas
por la rotura de los tabiques separadores en la cámara de contacto con cloro.
•
La mantención de la planta estuvo descuidada durante las sucesivas visitas.
Cabe destacar, para todas las P.T.A.S. evaluadas, el gran esfuerzo realizado por
los Comité de APR o las Municipalidades involucradas, en sacar adelante estos
proyectos de saneamiento, mediante los cuales se eliminan focos de infección,
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71
Capítulo V
Diagnóstico de Operación Plantas de Tratamiento
malos olores, y se contribuye a la no-contaminación de los cursos de agua
superficiales. En general estas son iniciativas muy bien acogidas por la
comunidad local.
Durante el transcurso de la evaluación se dieron recomendaciones a los
organismos responsables de la operación de las plantas, de manera de dar
solución a los problemas que se diagnosticaron.
$IOXHQWHVD/DV3ODQWDVGH7UDWDPLHQWR
Del análisis de los resultados de los afluentes a las Plantas de Tratamiento se
desprende que, tal como está documentado a nivel mundial para pequeñas
comunidades, las variaciones tanto en las concentraciones de los parámetros
que ingresan a las plantas de tratamiento como en los caudales son amplias.
Para el caso específico de Santa Claudia, se pudo constatar en conversaciones
sostenidas con el operador de la P.T.A.S., que la causa principal del aumento
del caudal afluente a la planta de tratamiento era la infiltración de agua desde
predios agrícolas cercanos, durante los meses de riego.
Es por esta razón que se podría considerar la incorporación de un estanque
ecualizador al comienzo de la línea de tratamiento, con el fin de darle el tiempo
de detención necesario al agua de manera de amortiguar las fluctuaciones tanto
de caudales como de concentraciones que se producen. De esta manera se
logra que la operación de la planta esté más de acorde a su diseño y que las
eficiencias por lo tanto sean mayores.
&RQWDPLQDQWHV\&DOLGDGGH(IOXHQWHV
Luego de realizar el análisis de los resultados se puede concluir que ninguna de
las P.T.A.S. tiene problemas en cumplir la norma para el parámetro NKT. Los
efluentes están en la mayoría de los casos muy por debajo del límite máximo de
la norma, que es de 50[mg/l]. El nivel más alto alcanzado es el de la Planta de
Tratamiento de María Pinto, con un valor de 28.3 [mg/l].
Los efluentes de las Plantas de Tratamiento tampoco tienen problemas en el
cumplimiento de la norma para el parámetro DBO5. Sólo dos excepciones lo
constituyen María Pinto, muestra del 14/10/02, sin justificación, y Cordillerilla,
muestra del 14/10/02, situación en que se excede la norma por un problema de
resuspensión en el clarificador secundario atribuible posiblemente a una falla en
el sistema de cañerías del sedimentador.
La norma para el parámetro SST se cumplió en todos los casos, salvo para la
primer campaña con Cordillerilla, nuevamente debido al problema de
resuspensión en el clarificador secundario.
Cabe señalar que la calidad del efluente no delata la acumulación de lodos en la
cámara de contacto con cloro observada en Santa Elena.
Según
conversaciones sostenidas con el operador, el fondo de la cámara había sido
perforado (situación no contemplada en el diseño) para poder extraer los lodos
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72
Capítulo V
Diagnóstico de Operación Plantas de Tratamiento
que no sedimentaban en el clarificador secundario producto del bulking
filamentoso. Sin embargo, esta situación es insostenible en el largo plazo ya
que la P.T.A.S. no está diseñada para operar de esa forma
La falla más frecuente resultó ser la calidad bacteriológica del efluente, ya que
en 14 de las 80 muestras no se cumplió con la norma de 1000 Coliformes
Fecales [NMP/100ml]. Se puede concluir, por las razones antes expuestas en el
Punto 5.3.2.4, que el sistema de cloración en pastillas no es suficientemente
eficiente, y que para los sistemas con cámaras de cloración tipo floculador es
necesario que los tabiques estén en buenas condiciones, de manera de que se
cumplan los tiempos de contacto necesarios.
2SHUDFLyQGHODV3ODQWDVGH7UDWDPLHQWR
Desde el punto de vista de los resultados de laboratorio se puede decir que las
plantas funcionan bien, con la excepción de la eficiencia en la desinfección.
Al comparar las tecnologías de aireación extendida versus biodiscos, se
concluye que no hay una tecnología que sea significativamente más eficiente
que la otra, ya que las eficiencias alcanzadas son prácticamente las mismas.
Las normas no son cumplidas en varias ocasiones, sin embargo no se han
clausurado las PTAS en ninguna ocasión, presuntamente a juicio del autor para
evitar tener un problema mayor como sería el tener que by-pasear las plantas y
descargar directamente a los cursos receptores.
Con respecto a la capacitación de los operadores, se constató en terreno que
ninguno de ellos posee una capacitación adecuada para el trabajo que realizan.
Todos han aprendido sus labores con el transcurso del tiempo y a través del
método de ensayo y error. Queda en evidencia, entonces, la falta de cursos de
capacitación para los operadores al momento de ser contratados, y de asesoría
por parte de expertos para eventuales problemas que puedan surgir durante la
operación.
(YDOXDFLyQSRU3ODQWD
En la Tabla 5.6 se resume la situación para cada planta de tratamiento. La
evaluación ha consistido en incorporar a la planta a la categoría que más le
acomode, de acuerdo al siguiente criterio.
Muy Bueno: Cumple todas las normas, buen aseo de la planta, no emite olores
desagradables.
Bueno: Cumple las normas en la mayoría de los casos, falla puntual en sistema
cloración o falla reparable de algún sistema, buen aseo.
Regular: Falla en uno o más parámetros, exceso de espumas, aseo deficiente.
Malo: No cumple las normas, descuido general mantención.
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73
Capítulo V
Diagnóstico de Operación Plantas de Tratamiento
7DEOD
)XQFLRQDPLHQWR*HQHUDO3ODQWDVGH7UDWDPLHQWR
3ODQWDGH7UDWDPLHQWR )XQFLRQDPLHQWR
María Pinto
Bueno
San Enrique
Bueno
Cordillerilla
Bueno
Santa Elena
Regular
Santa Claudia
Bueno
Cabe destacar que el rendimiento de Santa Claudia podría haber sido clasificado
como “muy bueno” si no fuese por las fallas mecánicas que presentó la
tecnología de biodiscos durante el período de evaluación.
&RPHQWDULRV\&RQFOXVLRQHV)LQDOHV
De modo muy sintético se presentan a continuación las principales conclusiones
derivadas del estudio de casos.
•
Escaso seguimiento y asesoría: Una vez que se instalan los sistemas de
tratamiento, se deja de lado su seguimiento en el tiempo.
•
Falta mantenimiento preventivo: No se realizan mantenciones orientadas a
prolongar o mantener la vida útil de los equipos.
•
Escaso presupuesto Comités: No existen fondos de donde se pueda disponer
dinero para emergencias o para mantención preventiva.
•
Capacidad hidráulica de las PTAS: Las PTAS operan a mayor capacidad
respecto del diseño, principalmente producto de la infiltración de aguas
proveniente de predios agrícolas o de la incorporación de sectores de
población no contemplados inicialmente en el proyecto.
•
Falta capacitación de operadores: No se entrena de manera adecuada al
personal a cargo de la planta.
•
Problemas asociados a la tecnología de biodiscos: Los rotores de los
biodiscos han presentado fallas mecánicas en reiteradas oportunidades, lo
cual representa un problema grave para las comunidades.
•
Sistemas de aireación extendida no son necesariamente la alternativa más
adecuada para comunidades rurales. Existe la necesidad de innovar con
tecnologías de tratamiento de diseño simple, costo-eficientes, con bajo costo
de O&M y de operación sencilla.
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&$3Ë78/29,
02'(/$0,(1720$7(0È7,&2$,5($&,Ï1
(;7(1','$
02'(/$0,(1720$7(0È7,&2$,5($&,Ï1(;7(1','$
Capítulo VI
Modelamiento Matemático Aireación Extendida
,1752'8&&,Ï1
Una herramienta muy útil a la hora de diseñar o evaluar la operación de una
Planta de Tratamiento de Aguas Servidas son los modelos matemáticos, ya que
en ellos se pueden simular una serie de escenarios que resultan de gran interés
para el ingeniero o persona a cargo de la planta, como pueden ser variaciones
de parámetros tales como carga, concentraciones, caudales de entrada, tiempos
de retención de sólidos, caudales de extracción y recirculación, etc.
Dentro de los modelos matemáticos se encuentran los modelos analíticos, semi
analíticos y numéricos. Los modelos analíticos corresponden a aquellos
modelos en que la solución analítica a las ecuaciones del modelo existe, de
manera que no se hace necesario la utilización de métodos numéricos para su
resolución. Los modelos semi-analíticos, tal como su nombre lo indica,
corresponden a un estado intermedio entre los modelos analíticos y numéricos.
Los modelos numéricos, en tanto, involucran la resolución de un problema
matemático mediante la discretización y la incorporación de técnicas tales como
diferencias o elementos finitos para poder resolver numéricamente las
ecuaciones que describen el comportamiento del sistema.
En este capítulo se presenta el modelamiento matemático analítico del proceso
de aireación extendida en las Plantas de Tratamiento de Santa Elena y
Cordillerilla, basado principalmente en el modelo de Lawrence & McCarty con la
incorporación de algunas modificaciones recientes propuestas en el modelo de
Nannig (2001) [5], con el fin de profundizar en la evaluación de las mismas. Cabe
destacar que se ha utilizado un modelo cuya conceptualización esta bien
fundada, además de poseer información de entrada de alta confiabilidad, con lo
cual se logra que los resultados obtenidos sean confiables.
El modelo será utilizado con dos propósitos fundamentales, entre los cuales se
distinguen:
•
•
Utilización para la evaluación de plantas que existen actualmente y se
encuentran en funcionamiento.
Utilización para el diseño de una planta de tratamiento en una PTAS
modelo.
El modelo es lo suficientemente flexible como para permitir al usuario la
variación de algunos de sus parámetros de manera de visualizar la respuesta del
sistema ante distintos escenarios. Con ello, se puede llevar un control de los
tiempos de retención, relación F/M, suministros de oxígeno, tasas de
recirculación y descarte, producción de lodos, y en general todos los parámetros
más importantes involucrados, si es esto lo que se desea.
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77
Capítulo VI
Modelamiento Matemático Aireación Extendida
02'(/235238(672
0RWLYDFLyQ
Existen, en la actualidad,
modelos comercialmente disponibles para la
simulación del proceso de lodos activados. La adquisición de estos software,
entre ellos los modelos ASM1, ASM2 y ASM3 [12], significa costos económicos
elevados e incorporación de procesos tales como la descomposición del sustrato
en sus partes soluble y particulada que quedan fuera de los alcances de esta
tesis.
Es por ello que se propone alternativamente un modelo que opere de manera
similar en cuanto a las ecuaciones que rigen el comportamiento del sistema y en
el cual se pueda simplificar la representación de los procesos.
$OFDQFHV\/LPLWDFLRQHVGHO0RGHOR
Las principales limitaciones del modelo son básicamente las que se arrastran del
modelo Lawrence & McCarty, las cuales, de acuerdo a Nannig (2001), son las
siguientes:
•
El modelo, no contempla explícitamente el aporte de sustrato (DBO)
debido a los Sólidos Suspendidos Volátiles presentes en las aguas
servidas tanto afluentes como efluentes. En modelos más complejos, se
considera la separación del sustrato afluente en sus partes soluble y
particulada, cada una sometida a una cinética propia.
•
El modelo no es consistente para diseños de procesos de aireación
extendida basados en la razón F/M. Por ejemplo, basado en la ecuación
28, si se considera Kd=0.05 e Y=0.5 en procesos de alta eficiencia, no se
podría diseñar para F/M<0.1 ya que esto conduciría a una edad del lodo
infinita y una generación de biomasa en exceso nula. Esto último no
resulta razonable para procesos de aireación extendida en donde se
suele diseñar para valores menores que 0.1.
•
El modelo no considera los sólidos suspendidos fijos en el afluente, lo
cual altera el cálculo del volumen del reactor, que debe ser realizados
sobre la base de los SSVLM y no de SSLM.
•
Se considera que una de las principales limitaciones está asociada al
cálculo de la Biomasa. En general, se estima la concentración de
microorganismos o Biomasa activa, X, como los Sólidos Suspendidos
Volátiles del Licor Mezclado. De acuerdo con Lawrence&McCarty, ello
puede ser razonable si se considera un sustrato soluble, pero no para
aguas servidas domésticas, en que hay un aporte de SSV inertes en el
afluente. Adicionalmente, una parte de la Biomasa que desaparece por
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78
Capítulo VI
Modelamiento Matemático Aireación Extendida
respiración endógena permanece en el sistema como un residuo no
biodegradable, que agrega un término a los Sólidos Suspendidos Volátiles
Inertes en el reactor.
•
La biomasa en el afluente es considerada despreciable.
•
El cálculo de los requerimientos de oxígeno considera un factor de
conversión de SSV a DBOU de 1,42, que es válido para DQO
biodegradable.
El modelo propuesto por Nannig (2001) incorpora los siguientes aspectos:
•
Se consideran en la producción total de lodos los siguientes aportes:
1. Sólidos suspendidos fijos en el afluente.
2. Sólidos suspendidos volátiles no degradables en el afluente.
3. Residuo endógeno generado en el tanque de aireación.
• Se incorpora el cálculo de los Sólidos Suspendidos Fijos en el tanque de
aireación a partir de los Sólidos Suspendidos Fijos afluentes.
• Se incorpora el cálculo de los Sólidos Suspendidos Volátiles Inertes en el
tanque de aireación a partir de los Sólidos Suspendidos Volátiles Inertes en
el afluente y la generación de SSVI por respiración endógena.
• Se considera la DBO5 total efluente como la suma de la DBO5 soluble
más el aporte de los sólidos suspendidos volátiles en el efluente.
•
Al igual que en el modelo de Lawrence & McCarty, se considera la
biomasa afluente despreciable, además no se separa el sustrato afluente
en sus fracciones soluble y particulada.
•
Los sólidos suspendidos aeróbicamente degradables del afluente se
asumen completamente degradados en el reactor, de manera que estos
no influyen en los balances de masas.
(FXDFLRQHV%iVLFDVGHO0RGHOR3URSXHVWR
En esta sección se presentan las ecuaciones básicas que utiliza el modelo, y la
derivación de algunas de ellas en base a balances de masas o definiciones
comúnmente aceptadas en la literatura [2, 7] del tratamiento biológico de aguas
servidas.
El proceso biológico en el cual se basa el modelo se presenta esquematizado en
la Figura 6.1, donde se muestra el tanque de aireación, el sedimentador
secundario, y los respectivos caudales y concentraciones a tener en cuenta a
futuro.
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79
Capítulo VI
Modelamiento Matemático Aireación Extendida
)LJXUD(VTXHPDWL]DFLyQ3URFHVR/RGRV$FWLYDGRV
El significado de cada uno de los parámetros se presenta a continuación.
6LJQLILFDGRGHORV3DUiPHWURV
En la siguiente Tabla 6.1 se muestra el significado de las variables, coeficientes
cinéticos, cuocientes, tasas, caudales, etc., con sus respectivas unidades, que
serán utilizados en el modelo.
7DEOD3DUiPHWURVGHO0RGHOR
3DUiP
6LJQLILFDGR
8QLG
F/M
Relación alimento/microorganismos
d-1
kd
Coeficiente de decaimiento endógeno
d-1
Ks
Concentración del sustrato a la mitad de la tasa máxima mg/l
de crecimiento
k
Tasa máxima de utilización del sustrato por masa unitaria
d-1
de microorganismos
O2
Requerimiento teórico de oxígeno, incluída nitrificación, Kg/d
para los tanques de aireación.
PxV
Producción de lodos volátiles
Kg/d
PxT
Producción de lodos total
Kg/d
Q
Caudal afluente de aguas servidas
m3/d
Qr
Caudal de recirculación
m3/d
Qe
Caudal efluente de agua tratada
m3/d
Q´w
Caudal de descarte de lodos desde línea recirculación
m3/d
So
Concentración de DBO5 soluble afluente
mg/l
S
Concentración de DBO5 soluble efluente
mg/l
Tiempo de retención hidráulico
d
θ
Tiempo de retención celular medio basado en los sólidos
d
θc
en el tanque de aireación
U
Tasa específica de utilización del sustrato
d-1
XT, XTO, Concentración de sólidos suspendidos totales en el tanque mg/l
XTR, XTE, de aireación (SSLM), en el afluente, en la línea de
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Capítulo VI
Modelamiento Matemático Aireación Extendida
recirculación y en el efluente respectivamente.
XV, XVO, Concentración de sólidos suspendidos volátiles en el
XVR, XVE, tanque de aireación (SSVLM), en el afluente, en la línea
de recirculación y en el efluente respectivamente.
V
Volumen del tanque de aireación
Y
Coeficiente de producción
Yobs
Producción observada
mg/l
m3
g/g
g/g
Una vez identificados los parámetros del modelo se pueden reconocer entonces
las ecuaciones que describen el comportamiento del sistema y que explican
dichos parámetros, las cuales se presentan a continuación.
&DXGDOGH$JXDV6HUYLGDV
El caudal medio diario de aguas servidas que ingresa a la planta puede ser
calculado mediante la siguiente expresión:
Qas [l / d] = Dotación ⋅ Población ⋅ FRas + Qinf + Qall (6.1)
donde,
Dotación=
Población=
FRas=
Qinf=
Qall=
Dotación media de agua potable [l/hab-d]
# de habitantes
Factor de Recuperación de aguas servidas (0.8-0.9)
Caudal de infiltración desde la napa subt.
Caudal proveniente de aguas lluvias.
Para efectos de verificación del funcionamiento de algunas de las unidades, los
caudales máximos diarios y horarios se pueden calcular de la siguiente manera:
Qmax imo diario = Qmedio diario ⋅ F (6.2)
donde F corresponde al factor de conversión de caudal medio diario a máximo
diario, y varía en el rango 2 a 5 según los factores de escalamiento presentados
en el Capítulo 2.
Para el cálculo del caudal máximo horario se requiere del coeficiente de Harmon,
M, que está determinado por la siguiente expresión:
M = 1+
14
(6.3)
Pob[hab]
4+
1000
Luego,
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Qmax imo horario = Qmedio diario ⋅ M (6.4)
7LHPSRGH5HWHQFLyQ+LGUiXOLFR
El tiempo de retención hidráulico se define como el tiempo promedio que
permanece una partícula de agua en el sistema.
V
(6.5)
Q
θ=
7LHPSRGH5HWHQFLyQ&HOXODU
El tiempo de retención celular se define como el tiempo que permanece una
partícula de lodo en el sistema. Corresponde a la cantidad de lodo en el sistema
dividido por la cantidad de lodo que abandona el sistema por unidad de tiempo.
Si la purga de lodos ocurre desde la línea de recirculación y el balance se realiza
para los sólidos suspendidos totales, se tendrá:
θc =
VX T
Q´w X TR + (Q − Q´w )X TE
(6.6)
Normalmente se asume que XTE << XTR , sin embargo en sistemas de aireación
extendida la cantidad de sólidos evacuados por el efluente puede ser
significativo con respecto a la producción total de lodos. Reordenando la
ecuación (6), tenemos
VX T
− QX TE
θc
´
Qw =
X TR − X TE
(6.7)
Si se realiza un balance de masas para los microorganismos en el proceso
biológico con los límites que se muestran en la Figura 6.1, se tiene lo siguiente.
V
[
]
∂X V
= Q ⋅ X VO − Q´w X VR + (Q − Q´w )X VE + V ⋅ rg* (6.8)
∂t
Para condiciones estacionarias y asumiendo que la concentración de
microorganismos (biomasa) que entra al sistema es despreciable, es decir,
dX V
= 0 y X VO → 0
dt
se obtiene
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Capítulo VI
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*
Q´w X VR + (Q − Q´w )X VE rg
=
VX v
Xv
(6.9)
donde se observa que el lado izquierdo de la ecuación corresponde al inverso
del tiempo de retención celular calculado a partir de los SSV, como se aprecia en
la ecuación 5.6, por lo que queda entonces,
rg*
Xv
=
1
(6.10)
θc
En cuanto al crecimiento neto, rg* , éste es igual a la diferencia entre el
crecimiento bacteriano y el decaimiento endógeno, es decir,
rg* = rg − k d X v (6.11)
donde la fase de crecimiento logarítmico queda representada como
rg = µ X v
(6.12) con µ = µ m
S
(6.13) correspondiente a la expresión de
Ks + S
Monod.
Si se combinan (6.12) y (6.13) se obtiene
⇒ rg =
µm X v S
(6.14)
Ks + S
con lo cual, reemplazando (6.14) en (6.11), se obtiene
rg* =
µmXvS
− kd Xv (6.15)
Ks + S
rg
Si consideramos que la tasa de crecimiento es proporcional a la tasa de
consumo del sustrato pero con signo contrario, es decir,
rg = − Yrsu (6.16) , y que la tasa de consumo de sustrato puede ser escrita como
rsu =
− µm XvS
− µm
= k (6.18),
(6.17), donde el cuociente
Y(K s + S)
Y
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Capítulo VI
Modelamiento Matemático Aireación Extendida
luego (6.18) en (6.17)
⇒ rsu =
− kX v S
(6.19)
Ks + S
Si consideramos el factor específico de utilización del sustrato
U=
kS
(6.20)
Ks + S
entonces reemplazando (6.20) en (6.19) se obtiene
rsu = −U ⋅ X v (6.21)
con lo cual reemplazando (6.21) en (6.16) se tiene
rg = Y ⋅ U ⋅ X v (6.22)
Ahora, sustituyendo (6.22) en (6.15) se obtiene
rg* = Y ⋅ U ⋅ X v − k d ⋅ X v (6.23)
Si la ecuación (6.23) se reemplaza en (6.10), se obtiene
1
= Y ⋅ U − k d (6.24)
θc
donde U es el factor específico de utilización del sustrato, que también se puede
escribir como:
U=
Q(S o − S)
(6.25)
Xv V
con lo que finalmente combinando (6.24) y (6.25) se obtiene
Xv =
θ c Y( S o − S )
(6.26)
θ(1 + k d θ c )
ecuación que será utilizada para relacionar las variables en el modelo.
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Modelamiento Matemático Aireación Extendida
5HODFLyQ)0
La relación alimento/microorganismos corresponde al cuociente entre la carga
orgánica y la cantidad de microorganismos en el sistema, es decir,
F QSo
=
(6.27)
M Xv V
Para eficiencias superiores al 90%, la relación fundamental entre el tiempo de
retención celular y la razón F/M queda dada por:
1
F
≈ Y ⋅ − k d (6.28)
θc
M
0LFURRUJDQLVPRVHQHO7DQTXHGH$LUHDFLyQ
El modelo considera, de manera análoga al modelo propuesto por Nannig, los
microorganismos totales en el tanque de aireación compuestos por:
(1) sólidos suspendidos fijos y
(2) sólidos suspendidos volátiles tanto inertes como biológicamente degradables.
En términos de ecuaciones, se tiene lo siguiente.
XF = XFO
XI = XIO
θc
(6.29)
θ
θc
+ (1 − fd )k d Xθc (6.30)
θ
XV
XT = X
X
+
, +
,I
biomasa
sólidos suspendido s volátiles inertes
XF
,
(6.31)
sólidos suspendido s fijos
donde,
fd= Fracción de Sólidos Suspendidos degradables resultantes de la
respiración endógena, adimensional, considerado = 0.8=1-f
XFO= Sólidos Suspendidos Fijos en el afluente.
XIO= Sólidos Suspendidos Volátiles Inertes (no degradables) en el
afluente.
XF,XI,XV,XT = Sólidos Suspendidos Fijos, Volátiles Inertes, Volátiles Totales y
Totales, respectivamente, en el tanque de aireación.
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Modelamiento Matemático Aireación Extendida
7DVDGHUHFLUFXODFLyQU
Si se realiza un balance de masas, sobre el sedimentador secundario, para los
sólidos suspendidos totales, se obtiene lo siguiente:
(Q + Qr )XT = Qe XTe + (Q´w + Qr )XTR (6.32)
Si se considera XTE despreciable, se obtiene la siguiente relación para la tasa de
recirculación:
r=
XTR Q´w
XT Q
XTR
−1
XT
1−
Qr
=
Q
(6.33)
lo cual escrito de otra forma queda:
1−
r=
θ
θc
XTR
−1
XT
(6.34)
&DUJD2UJiQLFD9ROXPpWULFD7DQTXH$LUHDFLyQ
Corresponde al cuociente entre la carga de DBO5 que ingresa al tratamiento
biológico y el volumen total de los tanques de aireación.
c arg a orgánica volumétric a =
QSo
(6.35)
V
0DWHULD2UJiQLFD(IOXHQWH
La DBO5 total en el efluente corresponde a la suma de la DBO5 soluble más un
aporte de los Sólidos Suspendidos Volátiles en el efluente, es decir,
DBO5total efl = DBO5so lub le efl + α ⋅ SSVefl (6.36)
El coeficiente α se puede expresar de la siguiente manera.
α = 1.42 ⋅
DBO5
⋅ fd (6.37)
DBOult
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Modelamiento Matemático Aireación Extendida
Si se realiza un cálculo rápido considerando DBO5/DBOult=0.68 y fd=0.8, se
obtiene un valor para α de 0.77. Sin embargo, dado que tanto la razón
DBO5/DBOult como el factor fd pueden variar, se obtienen normalmente valores
para el coeficiente α del orden de 0.6-0.8.
3URGXFFLyQGH/RGRV
La producción de lodos neta será considerada como la diferencia entre la
producción de lodos total (considerando los Sólidos Suspendidos Volátiles
Inertes afluentes y los Sólidos Suspendidos Fijos afluentes) y los sólidos que
escapan en el efluente. Es decir,
SSTdescarte = PXT − SSTefl (6.38)
Para la producción total de lodos, se han considerado tres términos aportantes
luego de revisar la bibliografía al respecto y utilizar la expresión dada por Nannig
(2001), en la cual se salvan algunas de las limitaciones del modelo Lawrence &
McCarty. Los términos que aportan a la producción total de lodos son los
siguientes:
•
•
•
Incremento en sólidos volátiles producto de la generación de biomasa
Incremento en sólidos volátiles producto del residuo endógeno generado
(sólidos suspendidos volátiles inertes o no degradables)
Aporte de los sólidos suspendidos fijos y sólidos suspendidos volátiles
inertes en el afluente.
Lo anterior se puede expresar de la siguiente manera.
PXT
con
XV
P


+( X + X
= YobsQ(So − S) ⋅ 
1
+
f
⋅
k
⋅
θ
) ⋅ Q (6.39)
d
IO
,


c
FO
 generación biomasa aporte residuo endógeno  aporte sólidos afluentes
Yobs =
1
1 + k dθc
(6.40)
donde,
f= Fracción de Sólidos Suspendidos Inertes (no biodegradable)
resultantes de la respiración endógena, adimensional, considerado =
0.2
XFO= Sólidos Suspendidos Fijos en el afluente.
XIO= Sólidos Suspendidos Volátiles Inertes (no degradables) en el afluente.
PXV= Producción de Sólidos Volátiles (biomasa + residuo endógeno)
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Los sólidos suspendidos del afluentes, tanto fijos como volátiles inertes, quedan
representados de mejor manera por las siguientes expresiones.
XFO = fSSF ⋅ SSTafl (6.41)
XIO = fSSVI ⋅ SSTafl (6.42)
donde,
fSSF= Fracción de Sólidos Suspendidos Fijos en el afluente,
[mgSSF/mgSST].
Fracción
de Sólidos Suspendidos Volátiles Inertes en el afluente,
=
fSSVI
[mgSSVI/mgSST], considerado = 0.2
Adicionalmente, se puede calcular la producción específica de lodos,
adimensional, definida a partir de la siguiente ecuación 6.43.
PL =
PXT
Q ⋅ So
(6.43)
donde el numerador representa la producción total de lodos definida
anteriormente y el denominador la carga orgánica afluente.
5HTXHULPLHQWRVGH2[tJHQRHQ7DQTXH$LUHDFLyQ
El requerimiento de oxígeno teórico para el proceso biológico puede ser
determinado utilizando la DBO5 del afluente y del efluente y la producción de
sólidos volátiles. La demanda teórica de oxígeno para la oxidación de la materia
orgánica carbonosa queda determinada en forma similar al modelo Lawrence &
McCarty por:
O 2 [Kg / d] =
Q(So − S) ⋅ (103 g / Kg)−1
⋅ (1.15) − 1.42PXV (6.44)
(DBO5 / DBOult )
donde la razón DBO5/DBOult se considera constante e igual a 0.68 (válido para
aguas servidas domésticas), y el factor 1.15 (DQO biodegradable/DBOult)
también es considerado constante, a pesar de que estos puedan variar
dependiendo del agua servida que se trate. El factor 1.42 representa la relación
entre la biomasa (SSV) y la DBOult.
En los casos en que se considere el proceso de nitrificación, es decir la
conversión del nitrógeno de amoníaco a nitrato, el requerimiento teórico de
oxígeno se puede calcular según la expresión [2]:
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O 2 [Kg / d] =
Q(So − S) ⋅ (10 3 g / Kg)−1
⋅ (1.15 ) − 1.42PXV
+
5 / DBOult )
(DBO
4.57Q(No − N) ⋅ (103 g / Kg)−1
nitrificación
oxidaciónmateria orgánica
(6.45)
donde No y N representan las concentraciones, en mg/l, de NKT al comienzo y
al final del tratamiento secundario.
Sin embargo, el requerimiento teórico de oxígeno debe ser ajustado por las
condiciones de terreno. Para ello, se calcula el requerimiento estándar de
oxígeno (SOR) bajo condiciones de terreno con la siguiente ecuación:
SOR[Kg / d] =
O2
(6.46)
 C β Fa − C 
T − 20

(1.024) α
C
sw


´
sw
donde,
O2=
Csw=
C´sw=
C=
β=
α=
Fa=
T=
Requerimiento teórico de oxígeno [Kg/d]
Solubilidad del oxígeno en agua limpia, a 20ªC = 9.15[mg/l]
Solubilidad del oxígeno en agua limpia a Temp. De operación [mg/l]
Concentración mínima de oxígeno disuelto a mantener en el tanque
aireación [mg/l]
Factor de tensión superficial (usualmente= 0.9 para aguas servidas)
Factor de corrección para la transferencia de oxígeno(usualmente = 0.80.9 para aguas servidas)
Factor de corrección por altitud de la solubilidad del oxígeno
Temp. Media en tanque de aireación [ªC]
Con la corrección por altitud como sigue:
altitud[m]

Fa = 1 −
 (6.47)
9450 

)OXMRVGH$LUHHQ7DQTXH$LUHDFLyQ
Para el cálculo del flujo de aire se utiliza la siguiente expresión:
[
]
Flujo aire bajo cond terreno m3 / d =
SOR
(6.48)
γ aire ⋅ Po 2
donde,
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Modelamiento Matemático Aireación Extendida
SOR= Requerimiento estándar de oxígeno bajo condiciones de terreno [Kg/d]
γ aire= Densidad del aire =1.2 [Kg/m3]
Po2= Contenido de oxígeno en el aire =0.232[g O2/g aire]
Sin embargo, este flujo de aire debe ser corregido según la eficiencia en la
transferencia de oxígeno de los difusores de aire (OTE) en condiciones de
terreno de acuerdo a la siguiente expresión:
[
]
Flujo aire bajo condiciones de terreno m3 / d
Flujo aire requerido m / d =
(6.49)
OTE[tan to por uno]
[
]
3
Ahora, si se diseña para un flujo de aire superior en 50% al flujo de aire teórico,
es decir un factor de seguridad igual a 1.5, se tendrá:
[
]
[
]
Flujo aire total de diseño m3 / d = Flujo aire teórico requerido m3 / d x 1.5 (6.50)
Una vez calculado el flujo total de aire, el número de difusores se calcula de la
siguiente manera:
Número de difusores =
flujo total aire[m3 / d]
(6.51)
flujo individual difusores[m3 / d / difusor ]
6RSODGRUHV
La potencia de los sopladores se calcula según la siguiente expresión:
wRTo
Pw =
8.41e
 P 0.283 
 
− 1 (6.52)
 Po 

donde,
Pw=
w=
R=
8.41=
To=
Po=
P=
e=
Potencia total de los sopladores [KW]
Flujo de aire [Kg/s]
Constante de los gases, 8.314 [kJ/k mole °K]
Constante para el aire [kg/k mole]
Temp. ambiente del aire [°K]
Presión absoluta de entrada [atm]
Presión absoluta de salida [atm]
Eficiencia del soplador (0.7-0.8)
El flujo de aire, w, corresponde al flujo total de aire de diseño calculado en la
ecuación 6.50 multiplicado por la densidad del aire, γaire=1.2[Kg/m3], es decir,
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Capítulo VI
Modelamiento Matemático Aireación Extendida
[
w = flujo aire[m3 / s]⋅ γ aire Kg / m3
]
(6.53)
Si se desea incorporar los requerimientos de aire de un sistema de digestión
aeróbica con inyección de aire por ejemplo, se debe considerar en el flujo de aire
“w” el flujo de aire total, es decir el requerido en los tanques de aireación más el
requerido en la digestión aeróbica, tal como se hace en el diseño de una PTAS
modelo en la sección 6.3. Esto con el fin de dimensionar un solo soplador que
cumpla con los requerimientos de aire de toda la planta.
La presión absoluta de salida, P, corresponde a la presión atmosférica más la
presión que se debe proveer para suplir las pérdidas en la conducción, ∆ , que
dependen de las pérdidas en tuberías, válvulas, uniones, profundidad de
sumergencia de los difusores, y en general de la configuración que se adopte
para el sistema de aireación. De esta forma,
P = 1 [atm]+ ∆[atm] (6.54)
La presión absoluta de entrada, Po , puede ser calculada, como se vio
anteriormente, mediante la siguiente expresión.
Po = 1 −
altitud[m]
(6.47)
9450
/tQHDGH/RGRV
Para el cálculo de el peso específico de los sólidos en una línea de lodos se ha
utilizado la siguiente expresión:
S=
Ww + Ws
(6.55)
Ww
Ws
(
)+(
)
1.00
Ss
para lo cual es necesario calcular Ss de la ecuación 6.56,
Ws
W
W
= f + v (6.56)
Ss γ S f γ S v γ
donde,
Ws=
Ww=
Wv=
Wf=
Fracción sólida =1 (ec. 6.56) ó contenido de sólidos [%] (ec.6.55)
Contenido de agua [%]
fracción volátil (0.7-0.8)
fracción inerte (0.2-0.3)
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Capítulo VI
Modelamiento Matemático Aireación Extendida
Ss=
Sf=
Sv=
γ=
S=
Peso específico sólidos secos
Peso específico sólidos inertes=2.2
Peso específico sólidos volátiles=1
Densidad del agua 1000[Kg/m3]
Gravedad específica lodo húmedo
Dentro de la línea de lodos, los pesos específicos de los lodos pueden
perfectamente ser asumidos como S=1 para concentraciones de sólidos
inferiores al 10% sin cometer mayores errores.
'LJHVWLyQ$HUyELFD569
$IOXHQWHVDOGLJHVWRUDHUyELFR
El caudal de descarte de lodos se calcula con la siguiente aproximación:
VX T
− QXTe
θc
´
Qw =
(6.57)
X Tr − XTe
Los sólidos suspendidos totales corresponden al aumento en sólidos del reactor
biológico menos los sólidos totales que escapan en el efluente de la planta, tal
como lo indica la ecuación 6.31.
La DBO5 en tanto, se calcula de manera análoga al caso de la DBO5 en el
efluente de la línea de agua de la planta, representado por la ecuación 6.36.
(IOXHQWHVGLJHVWRUDHUyELFR
Los sólidos suspendidos totales se calculan como:
SSTefl = SSVremanentes + SSFafl dig − SSTsobrenadan te (6.58)
donde ,
 RSV[%]
SSVremanentes = SSVafl dig ⋅ 1 −
 (6.59)
100 

donde,
SSFafl dig=
SSVafl dig=
RSV=
Sólidos Suspendidos Fijos afluentes al digestor [Kg/d]
Sólidos Suspendidos Volátiles afluentes al digestor [Kg/d]
Reducción de Sólidos Volátiles en el digestor [%]
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Capítulo VI
Modelamiento Matemático Aireación Extendida
El caudal se calcula mediante la siguiente expresión:
Q=
SST[Kg / d]
(6.60)
s[%]
3
S ⋅ γ Kg / m ⋅
100
[
]
donde,
SST=
S=
s=
γ=
Sólidos Suspendidos Totales efluentes de la digestión aeróbica
peso específico del lodo húmedo
concentración de sólidos en el lodo húmedo
Densidad del agua=1000[Kg/m3]
La DBO5 es la DBO5 que ejercen los sólidos, y se calcula según la ecuación
6.36 mencionada anteriormente.
6REUHQDGDQWHGLJHVWRUDHUyELFR
El caudal es simplemente la diferencia entre el caudal que entra y el caudal que
sale del digestor.
Qsobrenadan te = Qafl dig − Qefl dig (6.61)
Las cargas (caudal multiplicado por concentración) de sólidos totales y de DBO5
en el sobrenadante se calculan en base a concentraciones típicas dadas en la
literatura [2, 7], utilizando el caudal previamente calculado.
&DQFKDVGH6HFDGR
$IOXHQWHVDODVFDQFKDVGHVHFDGR
Las características del afluente a las canchas de secado corresponden a las
características del efluente de la digestión aeróbica.
/tQHDGHUHWRUQR
El caudal se calcula como un 30% del afluente a las canchas, en tanto que los
sólidos suspendidos y la DBO5 se consideran despreciables.
(IOXHQWHVFDQFKDVGHVHFDGR
El caudal corresponde a la diferencia entre lo que entra a las canchas y lo que
se devuelve por la línea de retorno, es decir,
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93
Capítulo VI
Modelamiento Matemático Aireación Extendida
Qefl = Qafl − Qretorno (6.62)
Las cargas de sólidos y de DBO5 son iguales a las cargas afluentes, por
conservación de masa ya que se consideran despreciables las cargas en la línea
de retorno.
5HVXPHQ)yUPXODVGHO0RGHOR
Las principales fórmulas que incorpora el modelo se presentan a continuación.
VX T
− QXTe
θc
´
Qw =
(6.7)
X Tr − XTe
XV =
θc Y (S o − S )
(6.26)
θ(1 + k dθc )
F QSo
=
(6.27)
M XV V
1−
r=
θ
θc
XTr
−1
XT
(6.34)
DBO5total efl = DBO5so lub le efl + α ⋅ SSVefl (6.36)
O [Kg / d] =
2
Q(So − S) ⋅ (10 3 g / Kg)−1
(DBO5 / DBOult )
⋅ (1.15 ) − 1.42P
XV
+
4.57Q(No − N) ⋅ (103 g / Kg)−1
oxidaciónmateria orgánica
nitrificación
(6.45)
SOR[Kg / d] =
O2
(6.46)
 C β Fa − C 
T − 20

(1.024) α
C
sw


´
sw
wRTo
Pw =
8.41e
 P 0.283 
 
− 1 (6.52)
 Po 

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Capítulo VI
Modelamiento Matemático Aireación Extendida
PXT
XV
P



+( X + X
= YobsQ(So − S) ⋅
1
+
f ⋅ k d ⋅ θc
) ⋅ Q (6.39)
IO
,


FO
generación
biomasa
aporte residuo endógeno 
aporte sólidos afluentes

XF = XFO
XI = XIO
θc
(6.29)
θ
θc
+ (1 − fd )k d Xθc (6.30)
θ
XV
XT = X
+
X
+
,
,I
biomasa
sólidos suspendido s volátiles inertes
X
,F
(6.31)
sólidos suspendido s fijos
2SHUDFLyQGHO0RGHOR
La manera en que opera el modelo dependerá básicamente si se trata de una
evaluación del funcionamiento de alguna planta de tratamiento, o del diseño de
una planta de tratamiento en particular. Sin embargo, para ambos casos el
modelo funciona realizando balances de masas en una planilla tipo Excel,
iterando hasta converger con algún criterio predeterminado, en este caso que los
resultados entre la última iteración y la inmediatamente anterior no difieran en
más de un 0.1%. En cada unión o bifurcación de líneas de agua o de lodos se
hacen los respectivos balances de caudales y de cargas de contaminantes
según corresponda.
Hay que recordar siempre que la carga de contaminante se define como el
caudal multiplicado por la concentración del contaminante, es decir,
 m3   mg  1
 Kg 
C arg a   = Q   ⋅ C
(6.63)
⋅
d
 d   lt  1000
donde C representa la concentración del contaminante.
8WLOL]DFLyQSDUDOD(YDOXDFLyQ
Cuando el modelo es utilizado para evaluar el funcionamiento de una planta ya
existente, se le proporcionan datos acerca de los parámetros a la entrada y a la
salida de la planta, y el modelo entrega resultados acerca de los parámetros de
operación de la planta. En la siguiente Figura 6.2 se resume el funcionamiento
del modelo. Cada uno de los parámetros se explica con detalle a continuación.
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Capítulo VI
Modelamiento Matemático Aireación Extendida
)LJXUD3DUiPHWURVGH(QWUDGD\6DOLGDGHO0RGHOR(YDOXDFLyQ
Q, Concentraciones,
Temperaturas,
Volumen Tanque aireación
Modelo
Y, Kd
Parámetros de Operación
Dimensionamiento Sist. Aireación
'DWRVGHHQWUDGD
En la siguiente Tabla 6.2 se resumen los parámetros de entrada al modelo.
7DEOD3DUiPHWURVGH(QWUDGDDO0RGHOR(YDOXDFLyQ
3DUiPHWUR
Q
DBO5, SST,NKT
V
Tºaire
Tºagua
XT (SSLM), XV (SSVLM)
XTr
6LJQLILFDGR
Caudal a la entrada de la planta de tratamiento.
Cargas de contaminantes a la entrada y a la salida
de la planta de tratamiento.
Volumen total tanques de aireación
Temperatura del aire tanto en verano como en
invierno [ºC]
Temperatura del agua tanto en verano como en
invierno [ºC]
Concentración de microorganismos en tanque
aireación, tanto totales como volátiles.
Sólidos Suspendidos Totales en la línea de
recirculación.
Adicionalmente, los siguientes factores o razones mostrados en la Tabla 6.3
fueron asumidos para el modelo.
7DEOD
9DORUHV$GRSWDGRVSDUD
)DFWRUHVR5D]RQHVHQHO0RGHOR
)DFWRURUHODFLyQ
9DORU
fd=
0.8
f=1-fd=
0.2
DBO5/DBOult=
0.68
gSSV/gDBOult=
1.42
fssvi (mgSSVI/mgSST)afl=
0.2
fssvi (mgSSVI/mgSST)efl=
0.2
DQObiod/DBOult=
1.15
)XHQWH Lawrence & McCarty, Nannig (2001)
&DOLEUDFLyQGHORVFRHILFLHQWHVFLQpWLFRV
Los coeficientes cinéticos Kd e Y influyen fuertemente en el diseño de los
procesos de lodos activados. Estos valores dependen de las características del
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96
Capítulo VI
Modelamiento Matemático Aireación Extendida
agua servida, y pueden ser obtenidos de estudios con plantas piloto. Dada la
imposibilidad de realizar dichos estudios en esta tesis, tanto por tiempo como por
recursos económicos, se ha optado por calibrar dentro de los rangos típicos de
la literatura para estos coeficientes, los cuales se muestran a continuación.
7DEOD9DORUHV7tSLFRVSDUD&RHILFLHQWHV&LQpWLFRV
&RHILFLHQWH 8QLGDGHV
Kd
d-1
Y
SSV/DBO5
5DQJR
0.025-0.075
0.4-0.8
7tSLFR
0.06
0.6
Para la calibración de las constantes cinéticas, se utilizaron las mediciones de
contaminantes de terreno, tanto a la entrada como a la salida de la planta. El
criterio utilizado para calibrar ha sido el de iterar con las constantes cinéticas
hasta obtener en la salida de la planta los valores correspondientes a los
realmente medidos en terreno. Además, se analiza que los resultados que
entrega el modelo tengan sentido físico y sean concordantes con lo observado
en terreno.
Cabe señalar que el proceso de calibración se ha realizado con el promedio de
sólo cuatro mediciones obtenidas de terreno para cada parámetro (sólidos
suspendidos y DBO5) de manera de representar de alguna manera un régimen
permanente, por lo que se tiene conciencia de que los resultados obtenidos son
sólo una referencia y tal vez no representan necesariamente el comportamiento
del sistema real. Esto último dado que para efectuar una calibración más
confiable es necesario disponer de un set de datos de bastante mayor extensión
en el tiempo, de manera de poder realizar una calibración en régimen transiente
con la correspondiente validación de la calibración. Sin embargo, a pesar de
esta limitación que posee el aplicar el modelo para evaluar en este caso, se ha
optado por realizar esta tarea a modo de ejemplo, sugiriendo que para futuras
evaluaciones se tenga mayor cantidad de datos.
5HVXOWDGRVTXHHQWUHJDHOPRGHOR
El modelo produce una serie de resultados luego de su operación. Estos se
resumen en la Tabla 6.5.
7DEOD3DUiPHWURVGH6DOLGDGHO0RGHOR(YDOXDFLyQ
3DUiP
6LJQLILFDGR
8QLG
Tiempo de retención hidráulico
d
θ
Tiempo de retención celular medio basado en los sólidos
d
θc
en el tanque de aireación
F/M
Relación alimento/microorganismos
d-1
PxT
Producción de lodos total
Kg/d
PxV
Producción de lodos volátiles
Kg/d
PL
Producción específica de lodos
Kg/d
Q´w
Caudal de descarte de lodos desde línea recirculación
m3/d
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Capítulo VI
Modelamiento Matemático Aireación Extendida
r
Qr
O2
Pw
invierno
Pw
verano
E
Carga
orgánica
volumétri
ca
Tasa de recirculación Qr/Q
Caudal de recirculación
m3/d
Requerimientos de Oxígeno en tanque aireación
[Kg/d]
Potencia total sopladores en invierno para cumplir [HP]
requerimientos tanque aireación
Potencia total sopladores en verano para cumplir [HP]
requerimientos tanque aireación
Eficiencia en remoción de DBO5
[%]
Razón entre la carga de DBO5 y el volumen del tanque de [KG
aireación.
DBO5/
m3-d]
Los datos utilizados para el cálculo del sistema de aireación pueden ser
consultados en el Anexo Datos Sistema Aireación.
Además de los parámetros que se muestran en la Tabla 6.5, el modelo entrega
como resultado los caudales y cargas de contaminantes en los distintos puntos
de interés luego de realizar los balances, tanto en la línea de agua como en la
línea de lodos.
8WLOL]DFLyQSDUDHO'LVHxR
Al momento de utilizar el modelo con fines de diseño, los datos de entrada
corresponden a las características del agua servida afluente a la planta y a la
calidad de efluente deseado, en tanto que los resultados que entrega el modelo
son las dimensiones y características de las obras civiles, además de las
características de operación que tendrá el sistema.
En la siguiente Figura 6.3 se esquematizan los parámetros de entrada y salida
del modelo, los cuales se detallan a continuación.
)LJXUD3DUiPHWURVGH(QWUDGD\6DOLGDGHO0RGHOR'LVHxR
Población,
Dotación, Factor de Recup.,
Qinf, Qall, Concentraciones,
Temperaturas, Elevación
Tiempo de retención celular
Modelo
Y, Kd
Parámetros de Operación
Dimensión Tanque Aireación
Dimensionamiento Sist. Aireación
'DWRVGHHQWUDGD:
En la Tabla 6.6 se resumen los parámetros de entrada al modelo.
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Capítulo VI
Modelamiento Matemático Aireación Extendida
7DEOD3DUiPHWURVGH(QWUDGDDO0RGHOR'LVHxR
3DUiPHWUR
P
Dot
FR
Qinf
Qall
Elevación
Tºaire
Tºagua
Factor máximo diario
DBO5, SST,NKT
θc
XT (SSLM), XV (SSVLM)
XTr
6LJQLILFDGR
Población a Futuro (20años) [hab]
Dotación de Agua Potable.
Factor de recuperación, adimensional.
Caudal de Infiltración [l/s]
Caudal de aguas lluvias [l/s]
Elevación media de las obras, medido respecto nivel
medio del mar [m.s.n.m.].
Temperatura del aire tanto en verano como en
invierno [ºC]
Temperatura del agua tanto en verano como en
invierno [ºC]
Factor para el cálculo del caudal máximo diario,
adimensional.
Carga unitaria o concentración de contaminante
objetivo, a la entrada y a la salida de la planta de
tratamiento respectivamente [Kg/d] ó [mg/l]
Tiempo de retención celular [d]
Concentración de microorganismos en tanque
aireación, tanto totales como volátiles [mg/l].
Sólidos Suspendidos Totales en la línea de
recirculación [mg/l].
donde,
•
La SREODFLyQ de diseño corresponde a la proyección de la población del año
2003, utilizando una tasa de crecimiento del 3% anual.
•
La GRWDFLyQ de agua potable corresponde a la estimada en el Capítulo 2,
sección 2.1.3.1.
•
El IDFWRUGHUHFXSHUDFLyQcorresponde a un valor típico de literatura=0.85.
•
Las localidades rurales muchas veces tienen infiltración proveniente de la
napa subterránea producto de la recarga que sufre el acuífero en sectores de
riego cercanos a la población. Al momento de cuantificar este efecto se
pueden tomar valores referenciales que hablan de >OV+D]
(considerando el área que abarca el sistema de colectores), o de >OV.P@ [considerando la longitud total del sistema de colectores, sin
embargo en la práctica se han observado valores desde 0 a 2[l/s/Km] [5]. Se
ha optado estimar este valor en 0.5[l/s], considerando un valor de 0.2 [l/s/Km]
para una red colectora de 5 Km de largo total, ya que la infiltración se
produce sólo en los meses de riego (octubre a marzo) que corresponden a la
mitad de los meses del año. En estricto rigor debiera considerarse la
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99
Capítulo VI
Modelamiento Matemático Aireación Extendida
variación estacional de este aporte, es decir 0 [l/s/Km] en invierno y 1[l/s/Km]
en verano, sin embargo para efectos de simplificación se ha considerado un
valor constante igual a 0.5 [l/s/Km], teniendo conciencia de que éste no es un
valor fijo y queda sujeto básicamente a la experiencia del diseñador.
•
El caudal de aguas lluvias en localidades rurales se considera depreciable ya
que, a diferencia de zonas urbanas, las localidades no cuentan en general
con pavimentación en las calles ni sistemas de alcantarillado separado para
las aguas provenientes de lluvias.
•
Además, se asumen las siguientes composiciones de los sólidos
suspendidos totales: (SSV/SST) afluentes=0.75 y (SSV/SST) efluentes=0.80.
Adicionalmente, se suponen válidos los mismos factores o relaciones mostradas
en la Tabla 6.3 anteriormente.
&RHILFLHQWHVFLQpWLFRV:
Para efectos de diseño se han utilizado valores dentro del rango de la literatura
para estos coeficientes, presentados anteriormente en la Tabla 6.4, ya que
dichos coeficientes dependen de las características del agua servida de cada
localidad en particular.
5HVXOWDGRVTXHHQWUHJDHOPRGHOR
El modelo produce una serie de resultados luego de su operación. Estos se
resumen en la Tabla 6.7.
3DUiP
θ
V
F/M
PxT
PxV
PL
Q´w
r
Qr
O2
Pw invierno
7DEOD3DUiPHWURVGH6DOLGDGHO0RGHOR'LVHxR
6LJQLILFDGR
8QLGDG
Tiempo de retención hidráulico
d
Volumen tanques de aireación
m3
Relación alimento/microorganismos
d-1
Producción Total de lodos
Kg/d
Producción de lodos volátiles
Kg/d
Producción específica de lodos
Kg/d
Caudal de descarte de lodos desde línea recirculación
m3/d
Tasa de recirculación Qr/Q
3
Caudal de recirculación
m /d
Requerimientos de Oxígeno en tanque aireación
[Kg/d]
Potencia total sopladores en invierno para cumplir
[HP]
requerimientos tanque aireación
Pw verano Potencia total sopladores en verano para cumplir
[HP]
requerimientos tanque aireación
E
Eficiencia en remoción de DBO5
[%]
Carga
Razón entre la carga de DBO5 y el volumen del tanque
[KG
orgánica
de aireación.
DBO5/m3volumétrica
d]
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100
Capítulo VI
Modelamiento Matemático Aireación Extendida
Los datos utilizados para el cálculo del sistema de aireación pueden ser
consultados en el Anexo Datos Sistema Aireación.
Además de los parámetros que se muestran en la Tabla 6.7, el modelo entrega
como resultado los caudales y cargas de contaminantes en los distintos puntos
de interés luego de realizar los balances, tanto en la línea de agua como en la
línea de lodos.
',6(f237$602'(/2
*HQHUDOLGDGHV
Se diseñó una planta de tratamiento de lodos activados modalidad aireación
extendida a modo de ejemplo, para una localidad modelo. El diseño se efectuó
en dos etapas. Primero, se utilizó el modelo antes propuesto con el fin de
obtener el dimensionamiento y los parámetros de mayor interés en la operación
del tratamiento secundario. En segunda instancia, se procedió a diseñar el resto
de las unidades más importantes que conforman una planta de tratamiento
modalidad aireación extendida, como son el sedimentador secundario, la cámara
de desinfección, el digestor aeróbico de lodos y finalmente las canchas de
secado.
8VRGHO0RGHOR
&DXGDOHV\&DUJDVGH&RQWDPLQDQWHV
Los parámetros de entrada al modelo son los que se muestran en la Tabla 6.8.
7DEOD3DUiPHWURVGH(QWUDGD37$60RGHOR
Población año 2023[hab]=
Dotación[l/hab-d]=
Factor de Recuperación=
Caudal de Infiltración[l/s]=
Elevación[m.s.n.m.]=
Temp.agua verano[ºC]=
Temp. Agua invierno[ºC]=
Temp.aire verano[ºC]=
Temp.aire invierno[ºC]=
Qmax diario/Qmedio diario=
•
3610
150
0.85
0.5
750
20
6
22
12
1.3
Concentración DBO5 afluente=
Concentración SST afluente=
Concentración NKT afluente=
Concentración DBO5 efluente=
Concentración SST efluente=
Concentración NKT efluente=
θc=
XV (SSVLM)=
XT (SSLM)=
Xr=
272[mg/l]
251[mg/l]
57[mg/l]
30[mg/l]
30[mg/l]
15[mg/l]
25d
2000[mg/l]
3350[mg/l]
8500[mg/l]
La población de diseño está basada en una población de 2000 habitantes en
el año 2003, con su respectiva proyección para 20 años más.
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101
Capítulo VI
Modelamiento Matemático Aireación Extendida
•
Cabe señalar que para efectos prácticos, los datos de diseño se reducen, y
corresponden son sólo los de la primer columna de la Tabla 6.8, ya que los
de la segunda columna se pueden estimar como se explica a continuación.
•
Las concentraciones de contaminantes afluentes fueron estimadas según las
cargas unitarias presentadas en la caracterización de aguas servidas
domésticas del Decreto N°609 del Ministerio de Obras Públicas [6], las cuales
se presentan en la Tabla 6.9.
7DEOD&DUJDV8QLWDULDV'HFUHWR1q
&RQWDPLQDQWHV &DUJD8QLWDULD
$IOXHQWHV
>JKDEG@
DBO5
38
SST
35
NKT
8
•
Las concentraciones de contaminantes efluentes pueden ser establecidas
según el objetivo de calidad de agua que se desee, los cuales se muestran
en la Tabla 6.10.
7DEOD&DOLGDGGHVHDGDHQHO(IOXHQWH
2EMHWLYRV &RQFHQWUDFLyQ
(IOXHQWH
>PJO@
DBO5
30
SST
30
NKT
20
•
El tiempo de retención celular se ha establecido en 25 días, valor dentro del
rango establecido en la literatura para procesos de aireación extendida; este
tiempo de retención celular permitiría que ocurriese nitrificación y por lo tanto
reducción en el NKT.
•
Las concentraciones de microorganismos, tanto en los tanques de aireación
como en la línea de recirculación, pueden ser estimadas según
recomendaciones dadas para el diseño en la bibliografía más reciente
especializada al respecto (Nannig, 2001), dado que alcanzar valores más
elevados de microorganismos resulta difícil en la práctica.
•
Con los datos de la Tabla 6.8, mediante las ecuaciones 6.1, 6.2, 6.3 y 6.4, se
pueden calcular los caudales afluentes. Estos se muestran en la Tabla 6.11.
7DEOD&DXGDOHV$IOXHQWHV
&DXGDOHV$IOXHQWHV
>OV@
Caudal medio diario
5.83
Caudal maximo diario
7.58
Caudal máximo horario
19.66
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102
Capítulo VI
Modelamiento Matemático Aireación Extendida
6LVWHPDGH$LUHDFLyQ
Se consideraron para el tanque de aireación discos difusores de burbuja fina,
con las características que se muestran en la Tabla 6.12.
7DEOD&DUDFWHUtVWLFDV6LVWHPD$LUHDFLyQ
7LSR'LIXVRU
Discos porosos
)OXMR,QGLYLGXDO
>OV@
5DQJR
0.25-1.5
9DORU
$GRSWDGR
1
(ILFLHQFLDHQOD
7UDQVIHUHQFLDGH
2[tJHQR27(
>@
5DQJR
9DORU
$GRSWDGR
25-40
26*
)XHQWH EPA
* basado en variación típica de la transferencia de oxígeno (OTE) con la sumergencia,
para burbuja fina: 6.56% por cada metro de sumergencia, difusores a 4m de
sumergencia.
&RHILFLHQWHV&LQpWLFRV
En la siguiente Tabla 6.13 se presentan los valores de los coeficientes cinéticos
utilizados, los cuales corresponden a valores dentro de los rangos establecidos,
por no contar con información específica acerca de las características del agua
servida de la localidad en cuestión.
7DEOD&RHILFLHQWHV&LQpWLFRV8WLOL]DGRVSDUD37$60RGHOR
&RHILFLHQWH 8QLGDGHV
Kd
d-1
Y
SSV/DBO5
9DORU8WLOL]DGR
5DQJR
0.03
0.025-0.075
0.7
0.4-0.8
Cabe señalar que los valores adoptados no son absolutos y quedan a criterio del
diseñador, quien deberá basarse en la experiencia y en el sentido físico de los
parámetros resultantes.
5HVXOWDGRV37$60RGHOR
Los resultados que entrega el modelo para la PTAS modelo se muestran en la
Tabla 6.14.
7DEOD5HVXOWDGRV37$60RGHOR
3DUiPHWUR 9DORU 5DQJR
1.31
0.75-1.5
θ
Vútil
669
F/M
0.10 0.05-0.15
PxT
126.6
PxV
61.5
PL
0.9
Q´w
8.78
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8QLGDG
d
m3
d-1
Kg/d
Kg/d
m3/d
103
Capítulo VI
Modelamiento Matemático Aireación Extendida
r
0.62
Qr
314.6
O2
225
Pw inv
8.5
Pw verano
9.4
E
95
Carga
0.21
orgánica
volumétrica
0.5-1.5
0.16-0.4
m3/d
Kg/d
HP
HP
[%]
[KG
DBO5/m3d]
•
Se puede apreciar que el diseño comprende todos los parámetros resultantes
dentro de los rangos establecidos para los lodos activados modalidad
aireación extendida.
•
Para el sistema de aireación en el tanque de aireación, se deberá contemplar
un total de 104 difusores de burbuja fina para poder cumplir con los
requerimientos de aire en verano.
•
Si se consideran los requerimientos de aire adicionales por concepto de la
digestión aeróbica, se tendrá un potencia total de diseño del soplador de 10.1
[HP] en invierno y 12.5 [HP] en verano.
•
La producción específica de lodos en el tratamiento aeróbico secundario es
de 0.9 [Kg lodo/Kg DBO afluente], lo cual se traduce en una cantidad
aproximada de 62 [Kg/d] de lodo seco en las canchas de secado.
El balance de masas correspondiente se puede consultar en el anexo Balance
de Masas.
'LVHxRGH2WUDV8QLGDGHV
A modo de ejemplo se exponen en esta sección el diseño simplificado de las
unidades de sedimentación, desinfección y digestión de lodos, teniendo en
cuenta que para diseños más sofisticados se debe recurrir a la bibliografía
especializada al respecto [2, 7].
(VWDQTXHVGH6HGLPHQWDFLyQ
El diseño de los tanques de sedimentación secundaria debiera realizarse en
estricto rigor a partir de datos obtenidos en ensayos en columnas de
sedimentación. Dada la imposibilidad en este caso de contar con dichos datos,
se diseña de acuerdo a criterios aceptados normalmente en la literatura [2, 7].
El diseño comprende estanques circulares, con puentes barredores de lodos en
el fondo y recolector de espumas y grasas en superficie. En la Figura 6.4 se
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104
Capítulo VI
Modelamiento Matemático Aireación Extendida
puede apreciar un esquema simplificado de la vista en planta y perfil de una
unidad de sedimentación.
)LJXUD(VTXHPD(VWDQTXH6HGLPHQWDGRU
rotor
afluente
H
efluente
D
0.0m
extracción lodos
a)Perfil
b)Planta
La dimensión adoptada para cada uno de los módulos diseñados se presenta en
la Tabla 6.15. Como se verá en la Tabla 6.18, el criterio de la tasa superficial
máxima a caudal de emergencia es el que prevalece por sobre el criterio de
carga de sólidos para efectos del área del módulo a considerar.
7DEOD'LPHQVLRQHV&ODULILFDGRUHV6HFXQGDULRV
Diámetro D[m]=
8
Profundidad total H[m]=
4
Profundidad del agua [m]=
3.5
Altura max lodos[m]=
1
Largo total vertederos[m]=
8
Número de módulos=
2
La profundidad total adoptada corresponde aproximadamente a 2 metros para
las zonas de clarificación y sedimentación, 0.3 metros para la zona de
espesamiento, 1 metro para la zona de almacenamiento de lodos, 0.2 metros
para fluctuaciones y 0.5 metros para la revancha.
Con los datos anteriores es posible realizar el cálculo del área, el volumen y el
largo de vertedero por cada unidad clarificadora, cuyos resultados se muestran
en la Tabla 6.16. Para el volumen útil se considera un manto máximo de lodo
acumulado de 1m, además de considerar despreciable el volumen que conforma
el piso inclinado del sedimentador, ya que éste posee una pendiente muy
pequeña.
7DEODÈUHD\9ROXPHQ6HGLPHQWDGRU
Área módulo[m2]=
50.3
Volumen útil modulo[m3]=
125.7
Largo vertederos por clarificador [m]=
4
Para la verificación de las unidades de sedimentación se hace fundamental la
incorporación del caudal de recirculación. Los caudales de interés son los que
se muestran en la Tabla 6.17.
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105
Capítulo VI
Modelamiento Matemático Aireación Extendida
7DEOD&DXGDOHVGH,QWHUpV'LVHxR6HGLPHQWDGRUHV
Qmedio[m3/d] a c/unidad
255
Qmedio+Qr[m3/d] a c/unidad
412
Qpeak horario+Qr[m3/hr] a c/unidad
42.0
Con ello, la verificación del funcionamiento de las unidades es la que se muestra
en la Tabla 6.18.
7DEOD9HULILFDFLyQ8QLGDGHVGH6HGLPHQWDFLyQ
D
D
D
XQLGDG 4PHGLR4U 5DQJR 4PD[KRU4U 5DQJR
4HPHUJ
hrs
7.3
3
1.5
3DUiPHWUR
5DQJR
T.R.H.
Tasa
superficial
m3/m2/d
8.2
<15
20
<40
40.1
<40
Carga de
a
sólidos
Kg/m2/d
27.5
<50
67.1
<150
134.2
<150
Tasa
vertimiento
m3/m/d
103.1
<124
251.7
503.4
a= en base a una concentración de SSLM=3351[mg/l].
b= Q emergencia corresponde a Qmax horario+Qrecirculación cuando 1 sola unidad se
encuentra en funcionamiento.
[7]
c=basado en bibliografía .
F
F
E
F
De la tabla anterior se desprende que las unidades de sedimentación funcionan
adecuadamente, incluso bajo condiciones de emergencia, situación bajo la cual
sólo una de las dos unidades se encuentra en funcionamiento.
'HVLQIHFFLyQ
Se considera un tiempo de retención hidráulico mínimo de 30 minutos, con el fin
de lograr el tiempo de contacto necesario para remover los agentes patógenos.
Las dimensiones adoptadas para una cámara de contacto se muestran en la
Tabla 6.19.
7DEOD'LPHQVLRQHV&iPDUD&RQWDFWR&ORUR
'LPHQVLRQHV
Altura útil[m]
0.8
Largo[m]
4
Ancho[m]
3.4
# tabiques
separadores
7
Volumen [m3]
11
Con este volumen útil, el tiempo de contacto a caudal medio es de PLQXWRV.
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106
Capítulo VI
Modelamiento Matemático Aireación Extendida
(VWDQTXH'LJHVWRU\$OPDFHQDGRUGH/RGRV
7LHPSRGH5HWHQFLyQ&HOXODU\5HGXFFLyQGH6yOLGRV9ROiWLOHV569
El diseño del digestor aeróbico se basa en suponer una cinética de primer orden,
que queda representada por la siguiente ecuación.
dC
= −k dC (6.64)
dt
donde,
dC/dt= variación de sólidos volátiles biodegradables por unidad de
tiempo[variación de masa/tiempo]
kd= constante de reacción [tiempo-1]
t= Tiempo de retención celular [tiempo]
C= concentración de sólidos volátiles biodegradables remanente en el
tiempo t en el interior del digestor aerobio [masa/volumen]
Si se integra la ecuación anterior y se incorpora el concepto de Reducción de
Sólidos Volátiles (R.S.V), tendremos
1 − RSV = e −k d ⋅t (6.65)
con RSV expresado en [tanto por uno], kd en [1/d] y t en [días].
Para evaluar la constante kd se utiliza la siguiente expresión.
k d (T ) = k d ( 20º C) ⋅ θT − 20 (6.66)
donde,
θ=1.02-1.10
kd(20ºC)=0.04
5HGXFFLyQGH6yOLGRV9ROiWLOHV
SSVreducidos[Kg / d] = SSVafluentes[Kg / d]⋅
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RSV[%]
(6.67)
100
107
Capítulo VI
Modelamiento Matemático Aireación Extendida
5HTXHULPLHQWRVGH2[tJHQRHQ&RQGLFLRQHV(VWiQGDU
O2[Kg / d] = SSVreducidos[Kg / d]⋅ f (6.68)
donde f representa
[KgO2/KgSSVdestruido].
el
consumo
de
oxígeno,
expresado
como
Una vez calculado el requerimiento de oxigeno en condiciones estándar (O2),
éste debe ser ajustado a las condiciones de terreno (SOR) mediante la ecuación
6.46 presentada anteriormente.
9ROXPHQGHDLUHUHTXHULGRHQFRQGLFLRQHVWHUUHQR
Volumen aire[m3 / d] =
γ[Kg / m3]⋅ PO 2
SOR[Kg / d]
tan to por uno ⋅ e tan to por uno
[
] [
]
(combinación ecs. 6.48 y 6.49)
donde,
γ = densidad del aire
PO2 = fracción de oxígeno en el aire
e= eficiencia en la transferencia de oxígeno
9ROXPHQGHO'LJHVWRU
V=
Qi( Xi + Yi ⋅ Si)
(6.69)
1
X(k d ⋅ Pv + )
θc
donde,
V=
Qi=
Xi=
Yi=
Si=
X=
Kd=
Pv=
θc=
Volumen del digestor [m3]
Caudal medio afluente al digestor [m3/d]
Sólidos suspendidos totales afluentes al digestor [mg/l]
Fracción de la DBO5 afluente en el lodo primario [tanto por uno]
DBO5 afluente [mg/l]
Sólidos suspendidos totales en el digestor [mg/l]
Constante de reacción [1/d]
Fracción volátil de los sólidos suspendidos del digestor [tanto por uno]
Tiempo de retención celular [d]
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108
Capítulo VI
Modelamiento Matemático Aireación Extendida
Para el caso de lodo proveniente del tratamiento secundario exclusivamente, se
el parámetro Yi se considera igual a cero.
5HVXOWDGRV2EWHQLGRV
El digestor aeróbico diseñado tiene las características mostradas en la Tabla
6.20. Los datos utilizados para el diseño pueden ser consultados en el Anexo
Diseño Digestor Aeróbico.
7DEOD&DUDFWHUtVWLFDV'LJHVWLyQ$HUyELFD
3DUiPHWUR
9DORU
θc invierno[d]=
27
RSV[%]invierno=
38
RSV[%]verano=
66
Volumen Digestor [m3]=
245
Vol aire[m3/m3/min] verano=
0.006
Vol aire[m3/m3/min] invierno=
0.003
Carga de Sólidos[KgSSV/m3/d]=
0,23
Los requerimientos de aire de la digestión aeróbica incrementan la potencia del
soplador (calculado anteriormente sólo para cumplir los requerimientos del
tanque de aireación) aproximadamente en un 31% en verano y en un 18% en
invierno para las condiciones de diseño dadas.
&DQFKDVGH6HFDGR
Las canchas de secado se han diseñado en base al criterio de carga de sólidos,
ya que el criterio basado en población resulta más impreciso en este caso y
arroja resultados sobredimensionados.
El criterio basado en la carga de sólidos sugiere valores para el diseño entre \ >.J /RGRV VHFRPDxR@.
De esta manera, considerando una
producción de lodo seco de 61.5 [Kg/d] resultante del balance de masas, las
áreas resultantes son las que se muestran en la Tabla 6.21.
7DEOD$UHD&DQFKDVGH6HFDGR
$UHD>P@
$PLQ
$PD[
&DQFKDVGHVHFDGR
75
225
Se opta, para ser conservador, por el área máxima de 225 [m2].
&RPHQWDULRV'LVHxR37$60RGHOR
•
La eficiencia de la PTAS diseñada es de un 95% en remoción de DBO5 total.
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109
Capítulo VI
Modelamiento Matemático Aireación Extendida
•
El modelo contempla un volumen útil de 669m3 para los tanques de
aireación. Si se considera que el volumen útil corresponde al 87.5% del
volumen total, se tendría un volumen total de 764m3.
•
Con respecto a la producción de lodos, se ha obtenido una producción
específica de 0.9 [(Kg SST/d)/(Kg DBO5/d)]. Estudios recientes confirman
que hasta un 60% de los costos de operación y manteniminento
corresponden al tratamiento y disposición de estos, de manera que minimizar
la producción es la tendencia a nivel mundial. Un mayor tiempo de retención
celular significa en la práctica menor producción de lodos, eso sí con
mayores requerimientos de oxígeno en los tanques de aireación. Además,
para tiempos de retención celular excesivos, la calidad del efluente líquido de
la planta se puede ver perjudicada. Es por esto que el tiempo de retención
celular debe buscar un balance entre estos aspectos. En este caso, dada la
escasez de tiempo para realizar un análisis detallado al respecto, se adoptó
para el diseño un tiempo de retención celular de 25 días, valor que se
encuentra dentro de los rangos normalmente establecidos para el proceso de
aireación extendida.
•
Con respecto a la concentración de microorganismos en los tanques de
aireación, se optó por diseñar para un valor de SSLM de 3350[mg/l], valor
que se encuentra por debajo de los rangos normalmente establecidos (30006000), pero que es un reflejo más fiel de lo que comúnmente se obtiene en la
práctica. Consecuentemente, luego de realizar la descomposición de los
sólidos suspendidos en sus distintas fracciones (biomasa, volátiles inertes y
fijos), se obtuvo una razón F/M=0.1, la cual se encuentra dentro de los
límites esperados.
•
Con respecto al sistema de aireación, la capacidad instalada debe ser de
12.5[HP], suficiente para suplir las necesidades de oxígeno, tanto de los
tanques de aireación como de la digestión aeróbica, en la temporada de
mayor demanda (verano).
•
Para los tanques de sedimentación secundaria, se optó por un diseño de
tanques circulares dados los antecedentes del bajo rendimiento que
exhibieron los tanques rectangulares visitados durante la evaluación de las
plantas de tratamiento. El diseño fue verificado para las condiciones de
caudal medio, caudal peak, y caudal de emergencia, obteniéndose resultados
satisfactorios.
•
En el caso de la desinfección, la cámara de contacto diseñada es de tipo
“around the end”, pensada para ser utilizada con dosificación de cloro líquido,
dado los buenos resultados que este tipo de cámara mostró luego de la
evaluación.
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110
Capítulo VI
Modelamiento Matemático Aireación Extendida
•
Con respecto de la digestión de lodos, el tiempo de retención celular obtenido
es de 27 días, con una reducción de sólidos volátiles en invierno de un 38%.
Si se desea disminuir de alguna forma este tiempo de retención celular, se
podría pensar en que el diseño contemple algún tipo de estructura que
mantenga el calor en el digestor, ya que el diseño es muy sensible a la
constante de decaimiento (Kd) que varía con la temperatura. De elevar la
temperatura en el digestor, se lograría reducciones considerables en el
volumen de éste.
•
Las canchas de secado diseñadas comprenden un área total de 225 [m2].
$QiOLVLV&UtWLFR0HPRULDVGH&iOFXOR5HYLVDGDV
Sin la intención de desmerecer a nadie, y es por ello que se realizará de forma
anónima, se expondrán a continuación una serie de aspectos relevantes a la
hora de diseñar una planta de tratamiento que a veces no se han considerado o
se han considerado erróneamente en las plantas sometidas a evaluación, con el
fin de contribuir con el desarrollo de esta actividad en las zonas rurales de Chile.
3ODQWDVGH$LUHDFLyQ([WHQGLGD
•
•
•
•
•
La producción de lodos está subestimada, es decir, no considera los
sólidos suspendidos fijos ni sólidos suspendidos volátiles inertes
afluentes, tampoco el residuo endógeno generado en el tanque de
aireación, por lo que las unidades que siguen posteriormente en la línea
de lodos se encontrarían subdimensionadas. Generalmente se utiliza el
término que considera sólo la producción de lodos biológicos, o
simplemente un factor estimativo del tipo [Kg lodo/Kg DBOremovida].
Los estanques de sedimentación se han calculado sin considerar el
caudal de recirculación, lo cual produce que estén subdimensionados y
además constituye un error conceptual, ya que esta unidad forma parte
fundamental del tratamiento al concentrar los microorganismos al nivel
que se requiere.
En el diseño no se contemplan unidades de remoción de grasas y
espumas, fundamentales para el control de la formación excesiva de
espumas.
No se contempla explícitamente el tiempo de retención celular ni las
concentraciones de microorganismos que se requieren tanto en los
tanques de aireación como en la línea de recirculación, ambos
parámetros fundamentales en el diseño de este tipo de tratamiento.
El volumen de los tanques de aireación se encuentra subdimensionado
producto de la no-integración de parámetros tales como la concentración
de microorganismos, el tiempo de retención celular y la razón F/M. El
cálculo es más bien simplificado y se basa sólo en el criterio de carga
orgánica volumétrica, lo cual no es suficiente.
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111
Capítulo VI
Modelamiento Matemático Aireación Extendida
•
Para el sistema de aireación no se hace una clara distinción entre los
requerimientos de invierno y verano.
3ODQWDVGH%LRGLVFRV
•
•
•
No se consideran explícitamente como aporte a la producción de lodos los
sólidos suspendidos fijos ni los sólidos suspendidos volátiles inertes
afluentes.
Para el cálculo del volumen del digestor aeróbico no se considera la
temperatura de los lodos ni su correspondiente coeficiente de decaimiento
endógeno, lo cual lleva a que a temperaturas de operación bajas el
digestor probablemente quede subdimensionado.
Simplemente se
utilizan criterios globales de diseño tales como tiempo de retención o
carga de sólidos
En algunos casos, para el cálculo de los requerimientos de oxígeno, la
condición más desfavorable considerada es la situación en invierno, lo
cual es erróneo ya que ésta se produce en verano.
&RP~QDDPEDV7HFQRORJtDV
•
•
•
•
No se contempla la incorporación de una unidad uniformadora de caudal
al comienzo del tratamiento, tal como lo sugiere la bibliografía
especializada al respecto.
Con ello se amortiguan las amplias
fluctuaciones propias de pequeñas comunidades.
No se considera en algunos casos el aporte de infiltración al caudal de
diseño, probablemente por la dificultad que existe en estimarlo, sin
embargo en zonas rurales cercanas a grandes predios de riego el aporte
por infiltración puede ser importante durante la temporada de riego.
La tasa de crecimiento poblacional utilizada normalmente es de un 2%
anual, sin embargo datos más actualizados (Rodríguez, 1996) sugieren
considerar para zonas rurales un crecimiento del 3% anual, a no ser que
esté debidamente justificado con un estudio para la localidad en
particular.
El diseño no contempla el techado de las canchas de secado con algún
sistema tipo invernadero para evitar las aguas provenientes de lluvias,
aspecto importantísimo durante la temporada invernal donde los lodos
presentan problemas para el secado en los tiempos que se requieren.
(9$/8$&,Ï1&25',//(5,//$
3DUiPHWURVGH(QWUDGD
Los parámetros de entrada utilizados en el modelo se resumen en la siguiente
Tabla 6.22.
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112
Capítulo VI
Modelamiento Matemático Aireación Extendida
7DEOD3DUiPHWURVGH(QWUDGD&RUGLOOHULOOD
Caudal Medio Aforado de Aguas Servidas=
Concentración DBO5 afluente=
Concentración SST afluente=
Concentración NKT afluente=
Concentración DBO5 (total) efluente=
Concentración SST efluente=
Concentración NKT efluente=
V=
XV (SSVLM)=
XT (SSVLM)=
XTr=
Tambiente verano=
Tambiente invierno=
Tagua verano=
Tagua invierno=
5.5[l/s]
157[mg/l]
183[mg/l]
30.18[mg/l]
14.7[mg/l]
22.7[mg/l]
10.2[mg/l]
202m3
3408[mg/l]
4324[mg/l]
7120[mg/l]
22[ºC]
12[ºC]
20[ºC]
6[ºC]
•
El caudal corresponde a la media de los valores medidos en terreno.
•
Las concentraciones de SST y NKT corresponden al promedio de los datos
obtenidos en terreno, salvo para la concentración de DBO5 afluente en
donde se ha utilizado una carga unitaria de 38[g/hab-d], lo cual equivale a
una concentración de 157[mg/l] para el caudal en cuestión. Esta carga
unitaria fue obtenida de la caracterización de aguas servidas domésticas del
Decreto N°609 del Ministerio de Obras Públicas, por considerar que el valor
medio medido en terreno es excepcionalmente bajo, de tan solo 56[mg/l], lo
cual se presume no representa las condiciones reinantes durante la mayor
parte del tiempo.
•
El volumen corresponde al volumen útil de los tanques de aireación, es decir
el 87.5% del volumen total.
Las concentraciones de microorganismos son las obtenidas de terreno. Se
observa una relación Xv/Xt=0.79.
•
&RHILFLHQWHV&LQpWLFRV
El resultado de la calibración de los coeficientes cinéticos se muestra en la Tabla
6.23.
7DEOD&RHILFLHQWHV&LQpWLFRV&RUGLOOHULOOD
&RHILFLHQWH 8QLGDGHV
Kd
d-1
Y
SSV/DBO5
9DORU&DOLEUDGR
5DQJR
0.023
0.025-0.075
0.59
0.4-0.8
Como se puede observar en la tabla anterior, el valor obtenido para el
coeficiente de decaimiento endógeno, Kd, se encuentra fuera de rango. El valor
obtenido está por debajo del límite inferior, lo cual indicaría que el proceso de
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113
Capítulo VI
Modelamiento Matemático Aireación Extendida
decaimiento endógeno es más lento de lo esperado. Sin embargo la diferencia
con el límite inferior es de tan solo dos milésimas, por lo que se considera
aceptable trabajar con este valor.
5HVXOWDGRV0RGHOR&RUGLOOHULOOD
En la siguiente Tabla 6.24 se muestran los resultados obtenidos del modelo de
la Planta de Tratamiento de Aguas Servidas de Cordillerilla.
7DEOD5HVXOWDGRV0RGHOR&RUGLOOHULOOD
3DUiPHWUR 9DORU 5DQJR
0.42
0.75-1.5
θ
24
20-30
θc
F/M
0.11 0.05-0.15
PxT
73.1
PxV
31.7
PL
0.97
Q´w
3.58
r
1.52
0.5-1.5
Qr
725
O2
126
Pw invierno 4.8
Pw verano
5.4
E
91
Carga
0.37
0.16-0.4
orgánica
volumétrica
8QLGDG
d
d
d-1
Kg/d
Kg/d
m3/d
m3/d
Kg/d
[HP]
[HP]
[%]
[KG
DBO5/m3d]
Se puede concluir, de la tabla anterior, que la Planta de Tratamiento de Aguas
Servidas de Cordillerilla funciona con los parámetros de mayor relevancia θc y
F/M dentro del rango establecido para procesos de lodos activados modalidad
aireación extendida.
Se desprende que el único parámetro fuera de rango es el tiempo de retención
hidráulico, lo cual es aceptable sin que signifique mayores problemas. La tasa
de recirculación se encuentra muy cercana a su límite superior.
Además, las concentraciones de microorganismos medidas tanto en los tanques
de aireación como en la línea de recirculación son las adecuadas para el
proceso.
Con respecto al sistema de aireación, la potencia instalada del soplador (9HP)
tiene capacidad suficiente, en la actualidad, como para cumplir con los
requerimientos de aire en el tanque de aireación en verano (5.4HP), incluida la
nitrificación. Ahora, si a este requerimiento se le suma el de la digestión
aeróbica, la potencia requerida se incrementa aproximadamente en un 31% en
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114
Capítulo VI
Modelamiento Matemático Aireación Extendida
verano, según se verá más adelante en el diseño del digestor aeróbico de una
localidad modelo (sección 6.3.3.3), llegando a un total de 7.1 [HP], con lo cual se
verifica que la potencia instalada es suficiente para cumplir con ambos
requerimientos antes mencionados. Por lo demás, estos requerimientos pueden
verse disminuidos por el efecto de la desnitrificación que ocurre en los
momentos en que los aireadores se encuentran en la fase de descanso.
La eficiencia global con respecto a la remoción de materia orgánica
(considerando la DBO5 total en el efluente) alcanza el 91%. Si se mide con
respecto a la DBO5 soluble del efluente, ésta es de un 99%.
Con respecto a los lodos, la producción específica alcanza los 0.97 [Kg lodo/Kg
DBO afluente]. Si se consulta el Anexo Balances de Masas, se notará una
producción de lodo seco de aproximadamente 40[Kg/d] en las canchas de
secado, los cuales están siendo acumulados en terrenos sin tener clara la
disposición final de estos.
6HJXLPLHQWRHQ7HUUHQR
Durante las sucesivas visitas a terreno la planta no presentó mayores
problemas, presuntamente debido a mejoramientos realizados en base al
diagnóstico preliminar realizado en el Capítulo V. Más específicamente, se
corrigió el problema de resuspensión de material sedimentado en el clarificador
secundario.
En cuanto al sistema de desinfección, éste no se ha mejorado aún (junio 2003),
presuntamente por problemas de financiamiento del Comité de APR de
Cordillerilla.
(9$/8$&,Ï16$17$(/(1$
3DUiPHWURVGH(QWUDGD
Los parámetros de entrada utilizados en el modelo se resumen en la siguiente
Tabla 6.25.
7DEOD3DUiPHWURVGH(QWUDGD6DQWD(OHQD
Caudal Medio Aforado de Aguas Servidas=
Concentración DBO5 afluente=
Concentración SST afluente=
Concentración NKT afluente=
Concentración DBO5 (total)efluente=
Concentración SST efluente=
Concentración NKT efluente=
V=
XV (SSVLM)=
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2.5[l/s]
344[mg/l]
357[mg/l]
93.4[mg/l]
10.5[mg/l]
17[mg/l]
15.0[mg/l]
202m3
1376[mg/l]
115
Capítulo VI
Modelamiento Matemático Aireación Extendida
XT (SSLM)=
XTr=
Tambiente verano=
Tambiente invierno=
Tagua verano=
Tagua invierno=
1868[mg/l]
3620[mg/l]
22[ºC]
12[ºC]
20[ºC]
6[ºC]
•
El caudal corresponde a la media de los aforos realizados en terreno.
•
Las concentraciones de SST y DBO5 corresponden al promedio de los datos
obtenidos en terreno.
•
El volumen corresponde al volumen útil de los tanques de aireación, es decir
el 87.5% del volumen total.
•
Las concentraciones de microorganismos son las obtenidas de terreno, de
las cuales se obtiene una razón Xv/Xt=0.74.
&RHILFLHQWHV&LQpWLFRV
El resultado de la calibración de los coeficientes cinéticos se muestra en la Tabla
6.26.
7DEOD&RHILFLHQWHV&LQpWLFRV6DQWD(OHQD
&RHILFLHQWH 8QLGDGHV
Kd
d-1
Y
SSV/DBO5
9DORU&DOLEUDGR
5DQJR
0.023
0.025-0.075
0.52
0.4-0.8
Como se puede observar en la tabla anterior, el valor obtenido para el
coeficiente de decaimiento endógeno, Kd, se encuentra muy cercano al límite
inferior del rango, lo cual es aceptable. El valor para el coeficiente de
producción, Y, se encuentra dentro de los límites esperados.
5HVXOWDGRV0RGHOR6DQWD(OHQD
En la siguiente Tabla 6.27 se muestran los resultados obtenidos del modelo de
la Planta de Tratamiento de Aguas Servidas de Santa Elena.
7DEOD5HVXOWDGRV0RGHOR6DQWD(OHQD
3DUiPHWUR 9DORU 5DQJR
0.89
0.75-1.5
θ
7.9
20-30
θc
F/M
0.29 0.05-0.15
PxT
82.5
PxV
36.6
PL
1.02
Q´w
12.3
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8QLGDG
d
d
d-1
Kg/d
Kg/d
Kg/d
m3/d
116
Capítulo VI
Modelamiento Matemático Aireación Extendida
r
Qr
O2
Pw invierno
Pw verano
E
Carga
orgánica
volumétrica
0.95
215
165
6.2
6.9
99.7
0.4
0.5-1.5
0.16-0.4
m3/d
Kg/d
[HP]
[HP]
[%]
[KG DBO5/m3d]
Luego de observar los resultados del modelo, presentados en la Tabla 6.27, se
concluye que la Planta de Tratamiento de Aguas Servidas de Santa Elena
funciona con dos de sus parámetros fuera de rango, estos son el tiempo de
retención celular y la razón F/M.
La principal causa del tiempo de retención celular bajo es la extracción excesiva
de los lodos, en este caso debido al elevado contenido de sólidos que escapa en
el efluente. El caudal de descarte corresponde aproximadamente a un 5.4% del
caudal afluente, cifra que debería ser normalmente del orden de un 2-3%[2].
En cuanto a la razón F/M, la causa de este funcionamiento deficiente es la pobre
sedimentación que efectúan los floc en los sedimentadores, producto de la
presencia de bacterias filamentosas, sospechadas desde un principio por la
excesiva cantidad de espumas y confirmada su presencia bajo ensayos de
microscopía. Debido a esta situación, denominada bulking filamentoso, los lodos
no logran concentrarse a un nivel adecuado para ser recirculados y mantener
una población de microorganismos concentrada en los tanques de aireación. En
consecuencia, se recircula prácticamente agua (concentración de sólidos del
orden de un 0.4%), haciendo que la concentración de microorganismos en los
tanques de aireación sea baja y con ello que la razón F/M se eleve.
Con respecto al sistema de aireación, la potencia instalada del soplador (9HP)
estaría cercana al límite como para cumplir con los requerimientos actuales de
aire en verano (total tanque aireación + digestión aeróbica = 6.9 + 2.4 = 9.3HP)
incluida la nitrificación.
La eficiencia global con respecto a la remoción de materia orgánica
(considerando la DBO5 total en el efluente) alcanza el 97%. Si se mide con
respecto a la DBO5 soluble del efluente, ésta es de un 99%. Sin embargo, estos
valores no deben ser tomados como un buen indicador, ya que en la práctica lo
que sucede es que los flóculos que no logran sedimentar en el clarificador
secundario (por el problema del bulking filamentoso) se estaban acumulando en
el fondo de la cámara de contacto con cloro, la cual, según conversaciones
sostenidas con el operador, había sido perforada para extraer los lodos. Con
esto, las muestras tomadas en el efluente (posterior a la cámara de contacto con
cloro) efectivamente son de buena calidad, sin embargo la situación es
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117
Capítulo VI
Modelamiento Matemático Aireación Extendida
insostenible en el largo plazo ya que la cámara de contacto con cloro no está
diseñada para acumular lodo. De hecho, si previo al momento de las visitas la
cámara de contacto con cloro no hubiese sido limpiada, lo más probable es que
el lodo acumulado se hubiese resuspendido, producto del vertedero que se tiene
en esa unidad, haciendo disminuir notoriamente la calidad del efluente y con ello
la eficiencia en remoción de materia orgánica de la planta.
Con respecto a los lodos, la producción específica alcanza 1 [Kg lodo/Kg DBO
afluente]. La producción de lodo seco en las canchas de secado (ver Anexo
Balances de Masas) es del orden de 16[Kg/d], material que está siendo
depositado en el terreno de la planta misma.
6HJXLPLHQWRHQ7HUUHQR
El principal problema detectado en la Planta de Tratamiento de Santa Elena es
el del bulking filamentoso antes mencionado. Los ensayos de microscopía
revelaron la presencia de bacterias filamentosas. En la Figura 5.4 se observan
bacterias filamentosas del tipo Nocardia, tal como se verían observadas bajo un
microscopio.
)LJXUD1RFDUGLD;
)XHQWH: Michael Richard, Ph.D.
of The Sear-Brown Group, Fort Collins, Colorado
Al consultar la literatura especializada al respecto[13], este problema puede tener
diversas causas y posibles soluciones, las cuales se detallan en la Tabla 6.28.
7DEOD&DXVDV\5HPHGLRVDO3UREOHPDGHO%XONLQJ)LODPHQWRVR
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Capítulo VI
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&DXVDV
3RVLEOHV6ROXFLRQHV
Tiempos de Retención Celular
Elevados
Disminuir TRC 2-9días (aumentar descarte)
Razón F/M fuera de rango
Monitorear cambios en F/M
No-evacuación de grasas y espumas
Remover físicamente espumas y grasas del sistema
Bajos niveles de O.D. en tanque
aireación
Aumentar aireación, realizar mantención a los aireadores.
Eliminar Descarga Industrial?
pH<6.5 en tanque aireación
Disminuir nitrificación (aumentando descarte)
Agregar agente alkalino (bicarbonato, soda cáustica)
Cloración aumentando gradualmente (0.5-5 Kg cloro/d/500Kg
SSVLM). Frecuencia: 1-3 veces/día. Sedimentación debiera
mejorar en 1-3días.
)XHQWHBibliografía
[13]
"Selector" al inicio del tratamiento.
De las causas mencionadas en la Tabla 6.28, en Santa Elena se detectaron la
razón F/M fuera de rango y la no evacuación de grasas y espumas del sistema.
Para el control de las espumas se cuentan métodos como el rociado de ésta con
agua limpia, para romper físicamente la espuma mientras ésta se forma, o la
adición de pequeñas cantidades de productos químicos antiespumantes a la
entrada del tanque de aireación o en el agua de rociado.
La razón F/M se verá corregida indirectamente una vez que se logren
concentraciones de microorganismos adecuadas en los tanques de aireación.
Además, se intentó abordar el problema desde el punto de vista de la aireación,
sin embargo una serie de hechos que se explican a continuación imposibilitaron
que se tuviera un seguimiento coherente en el tiempo.
A pesar de que el problema del bulking filamentoso ya estaba plenamente
identificado y se pretendía abordar desde el punto de vista de la aireación en
primera instancia, sucedieron en terreno una serie de eventos que no hicieron
posible corregir este problema. En menos de 2 meses se reemplazó al operador
2 veces, lo cual significó que entrara a operar la planta una persona con absoluto
desconocimiento de los procesos y que se fueran perdiendo los esfuerzos que
se habían realizado con el antiguo plantero. Además, se tuvo la falla de una de
las bombas en el pozo de impulsión por más de 2 semanas, lo cual llevó a la
planta al estado que se aprecia en las siguientes fotografías.
)LJXUD(VWDGRGH³&DRV´HQ3ODQWD6DQWD(OHQD
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119
Capítulo VI
Modelamiento Matemático Aireación Extendida
a) tanque aireación
b)pozo impulsión
c)cámara de rejas
Adicionalmente, falló el bombeo del caudal de recirculación hacia uno de los
tanques de aireación, produciendo nuevamente diferencias enormes entre las
líneas paralelas de tratamiento.
En resumen, producto del cambio de operadores la operación de la planta
presentó deficiencias enormes, y la línea lógica bajo la cual se estaban
abordando los problemas se perdió, de manera que se optó por recomendar una
completa mantención de la planta antes de seguir con cualquier otra medida.
Obviamente, debido principalmente a escasez de recursos, esto significó que la
planta operara en codiciones muy desfavorables durante un período de tiempo
prolongado (aprox. 1 mes).
&20(17$5,26<&21&/86,21(6
0RGHOR3URSXHVWR
El modelo propuesto es un modelo matemático analítico, diseñado para operar
los procesos de aireación extendida de manera simplificada en una planilla tipo
Excel. Las limitaciones que posee son básicamente las que se arrastran del
modelo de Lawrence & McCarty, específicadas en el Punto 6.2.2. El modelo
propuesto incorpora los siguientes aspectos:
•
Se consideran en la producción total de lodos los siguientes aportes:
1. Sólidos suspendidos fijos en el afluente.
2. Sólidos suspendidos volátiles no degradables en el afluente.
3. Residuo endógeno generado en el tanque de aireación.
• Se incorpora el cálculo de los Sólidos Suspendidos Fijos en el tanque de
aireación a partir de los Sólidos Suspendidos Fijos afluentes.
• Se incorpora el cálculo de los Sólidos Suspendidos Volátiles Inertes en el
tanque de aireación a partir de los Sólidos Suspendidos Volátiles Inertes en
el afluente y la generación de SSVI por respiración endógena.
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120
Capítulo VI
Modelamiento Matemático Aireación Extendida
• Se considera la DBO5 total efluente como la suma de la DBO5 soluble
más el aporte de los sólidos suspendidos volátiles en el efluente.
•
Al igual que en el modelo de Lawrence & McCarty, se considera la
biomasa afluente despreciable, además no se separa el sustrato afluente
en sus fracciones soluble y particulada.
•
Los sólidos suspendidos aeróbicamente degradables del afluente se
asumen completamente degradados en el reactor, de manera que estos
no influyen en los balances de masas.
El modelo propuesto es lo suficientemente flexible como para permitir su
operación con fines de diseño o con fines de evaluación de algún sistema
existente, tal como se ha hecho para las P.T.A.S. de Cordillerilla y Santa Elena,
lo cual se expone a continuación.
'LVHxR37$60RGHOR
La aplicación del modelo para el diseño de una PTAS genérica, considerando
tratamiento biológico por aireación extendida, entregó resultados satisfactorios.
Para un caudal de diseño de 5.83 [l/s] (población de aproximadamente 3600
habitantes), el volumen útil de los tanques de aireación calculado es de 669[m³].
La potencia instalada requerida para el soplador es de 12.5 [HP], de manera de
cumplir con los requerimientos de aire en la estación más desfavorable, es decir,
en verano. Lo anterior significa un total de 104 difusores de burbuja fina
distribuidos dentro de los tanques de aireación.
La eficiencia global con respecto a la remoción de materia orgánica
(considerando la DBO5 total en el efluente) alcanza el 89%. Si se mide con
respecto a la DBO5 soluble del efluente, ésta es de un 95%. Estas eficiencias
son suficientes como para cumplir con los requerimientos del efluente, el cual se
diseñó para una DBO5 total de 30 [mg/l], valor inferior al límite máximo de la
normativa actual vigente (35[mg/l]). Para los parámetros SST y NKT, las
concentraciones del efluente son de 30[mg/l] y 20 [mg/l] respectivamente.
En cuanto al diseño de los sedimentadores, se contemplan 2 unidades
circulares, con puente barredor de espumas y grasas, de 8 m de diámetro y
3.5m de profundidad. La verificación de la tasa superficial, tasa de carga de
sólidos y tasa de vertimiento se realizó a caudal medio, caudal peak, y caudal de
emergencia, siempre considerando el caudal de recirculación. El caudal de
emergencia corresponde al Qmax horario + Qrecirculación cuando 1 sola unidad
se encuentra en funcionamiento. Del análisis anterior se concluyó que las
unidades funcionan bien incluso bajo condiciones de emergencia.
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121
Capítulo VI
Modelamiento Matemático Aireación Extendida
Para la desinfección, se consideró una cámara de contacto con cloro líquido con
un tiempo de contacto de 30 minutos.
El diseño del digestor aeróbico de lodos se realizó para una RSV del 38% en
invierno, lo cual se tradujo en un tiempo de retención celular de 27 días para esa
misma estación del año. El volumen del digestor resultó de 245 [m³]. En cuanto
a los requerimientos de aire del digestor, estos aumentan la potencia de
soplador requerida en aproximadamente un 31% en verano y en un 18% en
invierno, con respecto a los requerimientos de los tanques de aireación.
Con respecto a los lodos, la producción específica alcanza los 0.9 [Kg lodo/Kg
DBO afluente], lo cual se traduce en aproximadamente 62 [Kg/d] de lodo seco en
las canchas de secado. Esto significa un área superficial de las canchas del
orden de los 225 [m2], basado en el criterio de carga de sólidos.
0HPRULDVGH&iOFXOR5HYLVDGDV
La falta de criterios o guías de diseño estandarizado producen que para un
mismo tipo de tecnología de tratamiento se hayan instalado plantas de
tratamiento distintas a lo largo del país, traduciéndose lo anterior en una mayor
variedad y cantidad de problemas en la operación.
(YDOXDFLyQ&RUGLOOHULOOD
El modelo indica que la planta estaría operando en buenas condiciones para sus
parámetros más relevantes, estos son el tiempo de retención celular y la razón
Alimento/Microorganismos (θc y F/M). El tiempo de retención hidráulico es un
tanto bajo, de 10 horas, lo cual no significa mayores problemas.
Con respecto al sistema de aireación, la potencia instalada del soplador (9HP)
tiene capacidad suficiente, en la actualidad, como para cumplir con los
requerimientos totales de aire que demanda la P.T.A.S. en las condiciones más
desfavorables, es decir en los meses de verano.
La eficiencia global con respecto a la remoción de materia orgánica
(considerando la DBO5 total en el efluente) alcanza el 91%. Si se mide con
respecto a la DBO5 soluble del efluente, ésta es de un 99%.
Con respecto a los lodos, la producción específica alcanza los 0.97 [Kg lodo/Kg
DBO afluente], lo cual se traduce en aproximadamente 40 [Kg/d] de lodo seco en
las canchas de secado.
(YDOXDFLyQ6DQWD(OHQD
El modelo indica que la Planta de Tratamiento de Aguas Servidas de Santa
Elena funciona con dos de sus parámetros fuera de rango, estos son el tiempo
de retención celular y la razón F/M. El tiempo de retención celular bajo se
explica producto de que gran parte de los sólidos se elimina en el efluente (en
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122
Capítulo VI
Modelamiento Matemático Aireación Extendida
este caso se retienen los sólidos en la cámara de cloración, por lo que no
necesariamente se pueden medir a la salida de la PTAS). Para el parámetro
F/M, en tanto, la situación era de esperar producto de la baja concentración de
microorganismos detectada en los tanques de aireación.
La principal causa de que los sólidos escapasen en el efluente y que no se
lograran concentrar microorganismos para la recirculación es el bulking
filamentoso detectado en los tanques de aireación.
Con respecto al sistema de aireación, la potencia instalada del soplador (9HP)
estaría al límite como para cumplir con los requerimientos totales de aire que
demanda la P.T.A.S. en las condiciones más desfavorables, es decir en los
meses de verano (9.3HP).
La eficiencia global con respecto a la remoción de materia orgánica
(considerando la DBO5 total en el efluente) alcanza el 97%. Si se mide con
respecto a la DBO5 soluble del efluente, ésta es de un 99%. Sin embargo, estos
valores no deben ser tomados como un buen indicador Lo anterior puesto que el
modelo no considera la acumulación de lodos en la cámara de contacto con
cloro, situación que se hace insostenible en el largo plazo y que además no está
contemplada dentro del diseño de la planta (más detalles de esta situación en
Punto 6.5.3). Bajo este punto de vista se hace indispensable entonces el
diagnóstico cualitativo que aportan las visitas a terreno, presentado con detalle
anteriormente en el Capítulo V, para corroborar los resultados del modelo.
Con respecto a los lodos, la producción específica alcanza aproximadamente 1
[Kg lodo/Kg DBO afluente], lo cual se traduce en aproximadamente 16 [Kg/d] de
lodo seco en las canchas de secado.
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123
&$3,78/29,,
$/7(51$7,9$6'(75$7$0,(17212
&219(1&,21$/(6
$/7(51$7,9$6'(75$7$0,(17212&219(1&,21$/(6
Capítulo VII
Alternativas de Tratamiento No Convencionales
/$*81$6$,5($'$6
'HVFULSFLyQ
Las lagunas aireadas corresponden a cuerpos de agua diseñados para recibir,
almacenar y tratar agua servida por un período de tiempo determinado, dotados
de sistemas de aireación de manera de proveer la mezcla (completa o parcial)
necesaria y adicionar oxígeno, con la consiguiente obtención de un tratamiento
más eficiente con menores requerimientos de terreno, en comparación con las
lagunas facultativas. Estas últimas corresponden a lagunas naturalmente
aireadas, compuestas por tres zonas: zona superior aeróbica, zona inferior
anaeróbica y zona intermedia, aeróbica-anaeróbica o facultativa. En la Figura
7.1 se muestra una laguna aireada a modo de ejemplo.
)LJXUD/DJXQD$LUHDGD0XOWLFHOXODU
)XHQWH: www.lagoonsonline.com (2003)
Con respecto al sistema de impermeabilización, de ser necesario, las lagunas
poseen sistemas de impermeabilización en su fondo de manera de evitar
filtraciones hacia aguas subterráneas.
Básicamente las lagunas aireadas se dividen en dos tipos:
$LUHDGDV GH 0H]FOD &RPSOHWD: Esta laguna es un tipo de tratamiento que
permite la depuración de los residuos con baja carga de materia en suspensión,
dentro de estanques con profundidades del orden de los 3 metros, con tiempos
de retención típicamente menores que 5 días. Como no existe una recirculación
de lodos a partir de un decantador (clarificador), se crea un equilibrio entre el
aporte de la materia orgánica biodegradable y la masa bacteriana que se
desarrolla a partir de este sustrato. Los equipos de aireación de la laguna
aireada son calculados sobre la base de las necesidades de oxígeno y de
mezcla, aunque estos últimos generalmente son más restrictivos. Se suministra
el aporte de O2 con difusores o aireadores superficiales y su definición depende
de los requerimientos de mezcla. La densidad de potencia en este tipo de
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125
Capítulo VII
Alternativas de Tratamiento No Convencionales
lagunas es >5-6[W/m3] [2], con el fin de mantener en suspensión los sólidos
dentro de la unidad y provocar la mezcla completa.
$LUHDGDV GH 0H]FOD 3DUFLDO: Este tipo de lagunas prescinde de la mezcla
completa y se diseña para tiempos de retención del orden de 5-12 días, con lo
que el espacio requerido aumenta, produciéndose adicionalmente acumulación
de sólidos y generación de algas en la laguna. Para lagunas en mezcla parcial
no es necesario (el diseño no lo requiere) que los sólidos del sistema estén
completamente suspendidos; se requiere tan sólo entregar (transferir) el oxígeno
necesario para el abatimiento de la DBO5 entrante al sistema (o a cada
subsistema si son lagunas en serie). Ello, trae como consecuencia la
generación de algas y la decantación de parte de los sólidos hacia el fondo de la
laguna. La densidad de potencia en este caso es del orden de 1-2 [W/m3] [14].
Los sistema en mezcla parcial requieren menor potencia pero funcionan a
cinéticas más bajas y, por ende, requieren de un mayor tiempo de retención y
como consecuencia de esto un mayor volumen de tratamiento (es decir, el costo
en terrenos y en construcción son mayores).
El mecanismo de aireación en lagunas aireadas consiste de difusores
sumergidos o aireadores mecánicos superficiales. Los difusores sumergidos
proveen típicamente 3.7-4 [Kg O2/KWh] en tanto que los mecánicos superficiales
varían entre 1.5 a 2.1 [Kg O2/KWh] [15].
Cabe destacar que los requerimientos de energía suelen ser del orden de 10
veces mayores en sistemas de mezcla completa, en relación a una laguna de
igual tamaño con sistema de mezcla parcial.
Algunas configuraciones de lagunas aireadas constan de varias piscinas ó
celdas, en serie o en paralelo. Las lagunas en paralelo se utilizan generalmente
para abatir cargas excesivas de aguas servidas.
Por otro lado, las
configuraciones de lagunas en serie se utilizan para lograr sedimentar los sólidos
antes de ser evacuados por el efluente. Típicamente, la primera celda posee la
aireación más intensa (hasta un 50% del total requerido), seguida de celdas de
mezcla parcial y de sedimentación.
Las lagunas aireadas son muy comunes en pequeñas comunidades. Por lo
general, los costos asociados a los requerimientos de energía de los equipos de
aireación son bastante menores que en otros sistemas mecanizados.
Las principales ventajas y desventajas del sistema se muestran a continuación.
7DEOD9HQWDMDV\'HVYHQWDMDV6LVWHPD/DJXQDV$LUHDGDV
•
•
•
9HQWDMDV
Bajos costos de Inversión.
Bajos costos de O&M.
Resiste cargas shock u operación
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•
'HVYHQWDMDV
En climas fríos la eficiencia es más
baja, requiriéndose más terreno o
mayores tiempos de retención.
126
Capítulo VII
Alternativas de Tratamiento No Convencionales
•
•
•
•
•
intermitente.
Requieren aproximadamente 1/10
a 1/3 del terreno que requieren las
lagunas facultativas.
Operación y Mantenimiento
sencillos. No requiere personal
mayormente capacitado.
Eficientes en remoción de
patógenos.
Alto contenido de nutrientes en el
efluente, puede ser utilizado en
riego.
Se puede lograr un efluente
equivalente en calidad al de los
tratamientos convencionales.
•
•
•
•
•
Puede presentar problemas de
olor, mosquitos e insectos si la
mantención no es la adecuada.
Si la sedimentación no es la
adecuada el efluente puede
contener algas y por ende alto
contenido de SST y DBO5.
No son tan eficientes en remoción
de nutrientes a no ser que estén
especialmente diseñadas para
ello.
Lodos generados no son
directamente aplicables a la tierra.
Se genera mayor cantidad de
lodos que en lagunas de
estabilización, lo cual implica
costos adicionales.
5HQGLPLHQWRV(VSHUDGRV>@
Las lagunas aireadas, adecuadamente diseñadas y operadas, pueden producir
un efluente con niveles por debajo de 30[mg/l] tanto en DBO5 como en SST. Lo
anterior considera la utilización de unidades de sedimentación al final de la línea
de tratamiento, de manera de evitar exceso de material particulado en el
efluente. Se pueden lograr niveles de remoción de DBO5 de hasta 95%.
Durante los meses de verano, se producirá un aumento significativo en el
consumo de oxígeno producto de la nitrificación. Es por ello que los sistemas
que no hayan sido diseñados para nitrificar, probablemente presentarán fallas en
cuanto a los requerimientos de DBO5 en el efluente, producto de una escasez
de oxígeno disuelto en el medio.
Debido a condiciones más estables de pH y alcalinidad, la remoción de fósforo
es menor que en lagunas facultativas. Se pueden esperar remociones de 1525%.
En cuanto a la remoción de patógenos, el sistema requerirá desinfección
adicional si se requieren niveles de coliformes fecales menores que
1000[NMP/100ml] en el efluente.
6LWXDFLyQHQ&KLOH
Las lagunas aireadas han sido instaladas y seguirán siendo construidas, según
proyecciones de la superintendencia de servicios sanitarios, durante los
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127
Capítulo VII
Alternativas de Tratamiento No Convencionales
próximos 7 años como uno de los sistemas de tratamiento preferenciales para
zonas urbanas.
Respecto a la evolución en el uso de la tecnología desde 1998 a la fecha, los
sistemas de lagunas facultativas o estabilización, mayoritarios en el año 1998,
fueron desechados como alternativa tecnológica de tratamiento, y los existentes
se han modificado a lagunas aireadas, mediante la incorporación de
agitación/aireación mecánica superficial, a objeto de aumentar su capacidad de
tratamiento y eficiencia de remoción, evitando la generación de malos olores,
característicos de los sistemas facultativos sobrecargados.
Lo descrito anteriormente corresponde a zonas urbanas. Para comunidades
más pequeñas, específicamente en localidades pertenecientes al Programa de
Agua Potable Rural, no se han contemplado hasta el momento las lagunas
aireadas como una alternativa para el tratamiento de las aguas servidas.
&RQVLGHUDFLRQHVFRQ5HVSHFWRDO'LVHxR
A continuación se destacan una serie de aspectos importantes de tener en
cuenta al momento de diseñar un sistema de tratamiento compuesto por lagunas
de aireación.
• Parámetros de Diseño: Los parámetros básicos de diseño corresponden a
población, caudal de aguas servidas (dotación y coeficiente de
recuperación), carga orgánica, carga de sólidos, temperatura, elevación y
normativa a cumplir en la descarga.
• Mezclado y sedimentación: Se recomienda que se tengan al menos tres
celdas en serie, de manera de ir variando gradualmente la mezcla y con
ello permitir la decantación de los sólidos suspendidos en las últimas
unidades.
• Mezcla completa vs. mezcla parcial: Las ecuaciones de diseño de lagunas
aireadas en mezcla parcial son las mismas que para una laguna aireada
en mezcla completa, pero la cinética y las hipótesis de diseño cambian y,
en consecuencia, cambia la lógica de diseño. Los cálculos de consumo
de potencia de lagunas de mezcla completa se realizan para el sistema
total, ya que se deben mantener mezclados sólidos cuya densidad y
naturaleza no cambia mayormente de una a otra sub laguna en la serie.
Al diseñar para satisfacer los requerimientos de oxígeno, en cambio, la
primera sub laguna tendrá requisitos de potencia superiores a la segunda,
la segunda superiores a la tercera, la tercera superiores a la cuarta
(porque el consumo se relaciona con el oxígeno necesario para la carga
de cada sub laguna, y la carga disminuye progresivamente) y así
sucesivamente (Herrera, L., 2003) [22].
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128
Capítulo VII
Alternativas de Tratamiento No Convencionales
• Requerimientos de oxígeno: Si se requiere nitrificación, el
dimensionamiento y la aireación deben ser adecuados para la remoción
de amoníaco deseada. El dimensionamiento se debe realizar en base a
los requerimientos de invierno, donde las cinéticas de reacción se hacen
más lentas y los tiempos de retención mayores, obteniendo
consecuentemente volúmenes mayores.
• Profundidad: La profundidad de las lagunas varía entre 1.8m y 6m, siendo
3m un valor típico.
• Tiempo de retención: El tiempo de retención para lagunas aireadas de
mezcla completa es bastante reducido, tomando valores del orden de 2-5
días. Para lagunas de mezcla parcial, éste fluctúa entre los 5 y 12 días
aproximadamente.
• Modelo cinético: El modelo de mezcla completa tipo lodos activados de
Michaelis-Menten puede ser utilizado preferentemente en el diseño, ya
que el modelo de mezcla completa con coeficiente global de degradación
de O´Connors y Eckenfelder utiliza un coeficiente global que es altamente
variable, haciendo dificultosa la obtención de buenas aproximaciones
(Mena, 1996). Dentro del modelo de Michaelis-Menten, se deben utilizar
coeficientes cinéticos acordes al tipo de laguna que se esté diseñando
(mezcla parcial o completa), ya que los sistemas a mezcla parcial
funcionan a cinéticas más bajas.
• Correcciones de oxígeno: Se deben realizar las correspondientes
correcciones con respecto a los requerimientos de oxígeno para invierno y
verano, de acuerdo a la misma ecuación utilizada para lodos activados
presentada anteriormente en el Capítulo 6.
• Clima: En climas extremadamente fríos, se recomiendan los difusores
sumergidos por sobre los aireadores mecánicos superficiales, de manera
de evitar el congelamiento de los equipos con temperaturas bajo el punto
de congelamiento.
• Profundidad de la napa subterránea:
De no construir un sistema de
impermeabilización adecuado, se recomienda no instalar este tipo de
sistema de tratamiento en lugares donde la distancia a la napa
subterránea es muy pequeña.
• Composición del suelo: Se recomiendan suelos de baja permeabilidad de
manera de evitar o reducir las filtraciones de agua de la laguna hacia el
agua subterránea.
• Ubicación geográfica: Se recomienda por lo general ubicar las lagunas
aguas abajo de las casas o población servida de manera de no incurrir en
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mayores costos de bombeo, a una distancia prudente de las mismas.
Además, se debe buscar una ubicación favorable con respecto al viento
predominante de manera que de producirse, los olores no alcancen las
casas.
• Aguas lluvias: Se debe evitar en lo posible que las aguas provenientes de
escorrentía superficial producto de las lluvias ingrese a las lagunas.
• Vegetación: La zona en donde se emplace una laguna debe estar en lo
posible libre de árboles u otro tipo de vegetación que puedan obstruir el
paso del viento y de la luminosidad que son favorables para el
tratamiento.
&RQVLGHUDFLRQHV$GLFLRQDOHV
&UHFLPLHQWRGH$OJDV
La mayor parte de los SST y DBO5 carbonácea en el efluente de una laguna son
producto del crecimiento de algas en la laguna, y muy poco o nada corresponde
al residual de los SST y de la DBO5 carbonácea afluentes.
En lagunas aireadas se debe prevenir o controlar el crecimiento de las algas, ya
que éstas no juegan un rol primordial en el suministro del oxígeno, el cual es
provisto por aireación artificial, y por el contrario aumentan la cantidad de sólidos
en el efluente. Como medidas de control se puede:
1. Diseñar para un tiempo de retención hidráulico que minimice el
crecimiento de algas. Este tiempo de retención debiera caer entre los
puntos a y b de la Figura 7.2 , preferentemente más cercano al punto b
para minimizar la producción de lodos.
)LJXUD(VTXHPD&RQFHSWXDO75+
2. Utilizar configuraciones de tipo multicelular de manera de disminuir el
crecimiento de algas. Lo anterior se puede lograr utilizando “cortinas”
sintéticas verticales separadoras entre celdas.
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Capítulo VII
Alternativas de Tratamiento No Convencionales
3. Diseñar lagunas con menor área superficial de manera de reducir la
exposición a la luz solar. Para ello es necesario determinar básicamente
la profundidad que tendrá la laguna.
4. Proveer mezclado adecuado de manera de aportar a la turbiedad de los
sólidos suspendidos y con ello reducir la penetración de la luz, además de
evacuar el anhídrido carbónico producido por la respiración de las algas
durante la noche, haciéndolo un factor limitante al crecimiento de las
algas durante el día.
5. Resulta favorable para el tratamiento crear sombra artificial con
cobertores sintéticos o naturales, de manera de impedir el paso de la luz y
con ello la proliferación de las algas.
6. Se pueden utilizar productos químicos como cloro o sulfato de cobre para
matar las algas, o tinturas para el agua de manera de impedir
nuevamente el paso de la luz solar.
/RGRVHQ/DJXQDVGH$OWR5HQGLPLHQWR
Las tasas de acumulación de lodos pueden ser estimadas en base al volumen
de aguas servidas, de acuerdo a estudios realizados en Carolina del Sur, EEUU,
para lagunas de tipo “dual power multicelular” (DPMC) que poseen carga de
sólidos y DBO5 afluentes similares. Los resultados se muestran en la siguiente
Tabla 7.2:
7DEOD7DVDVGH$FXPXODFLyQGH/RGRV
3HUtRGRGH$FXPXODFLyQ 7DVDGH$FXPXODFLyQ
/RFDOLGDG
>DxRV@
>PñORGRDxR@>OV@ Berkeley
7
44
County
Hampton
7
38
Profundidad media de las lagunas=3m
)XHQWH Rich, L.G. Clemson University, USA (1999).
Para la laguna de Berkeley que se muestra en la tabla, no se ha removido lodo
en los 16 años de operación que tiene la laguna, registrándose una acumulación
de estos correspondiente al 58% del volumen total de la laguna (altura de hasta
2.5m de lodo acumulado en la celda número dos, de un total de cuatro). A pesar
de esto, de acuerdo a los resultados de los muestreos realizados en el efluente,
aparentemente el rendimiento de las lagunas no se ha visto afectado por
acumulaciones significativas de lodos (Rich, L.G. 1999).
Sin embargo, con respecto a lo anterior, al parecer no existe consenso, ya que
según estudios realizados en Barcelona, España, el descarte de lodos es una
actividad que se debe llevar a cabo cada 3 a 6 años en una laguna aireada
(García et al., 2000). Por otra parte, este mismo autor señala que la producción
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131
Capítulo VII
Alternativas de Tratamiento No Convencionales
de lodos por volumen unitario de agua servida tratada, para el caso de las
lagunas españolas, ha sido estimada en un valor medio de >OLWURPñ@.
Con respecto a la disposición final de los lodos, estos por lo general no tienen
una calidad bacteriológica adecuada como para ser aplicados a la tierra
directamente, por lo que deben seguir alguno de los tratamientos adicionales
descritos en el Capítulo 2 para poder ser utilizados finalmente como biosólidos. 5HTXHULPLHQWRVGH7HUUHQR
La información más actualizada y relevante se ha encontrado en una publicación
del académico J. García de la Universidad Politécnica de Cataluña[16]. En dicho
estudio se evaluaron 13 lagunas aireadas en zonas con poblaciones
equivalentes entre 1200 y 16000 habitantes, durante los años 1997-1998. Los
resultados, con respecto a los requerimientos de área, se presentan en la Tabla
7.3.
7DEOD5D]yQ6XSHUILFLH3REODFLyQ(TXLYDOHQWH
5D]yQ6XSHUILFLHGH$JXD3REODFLyQ>P SH@
'LVHxR
$FWXDO
3URPHGLR
0,9
1,3 (50)*
5DQJR
0,5-1,2
0,5-3,1
Profundidad media de las lagunas=3m
* coeficiente de variación en %
)XHQWH J. García et al. (2000)
En la tabla anterior se puede observar que los valores de diseño son más bajos
que los valores actuales registrados, lo cual refleja la postura conservativa
utilizada al momento de materializar las obras. Cabe destacar que el coeficiente
de variación muestra una gran dispersión.
De estudios realizados recientemente sobre diseño de lagunas aireadas de
mezcla parcial en Chile (Mena, M.P., 1996), se obtuvo que el terreno que utiliza
una laguna aireada corresponde aproximadamente entre 1/10 y 1/5 del terreno
que utiliza una laguna facultativa. A continuación, en la Tabla 7.4, se muestran
las áreas necesarias correspondientes a tratamiento con lagunas aireadas,
obtenidas según el modelo de mezcla completa de tipo lodos activados de
Michaelis-Menten, de acuerdo a la zona del país que se considere. Las
profundidades de las lagunas varían entre 2.5 y 4 metros, tal como se muestra
en el Anexo Diseño Lagunas Aireadas.
7DEOD5HTXHULPLHQWRVGHÈUHD&KLOH
ÈUHD6XSHUILFLDO1HFHVDULD>P@
&HQWUR
6XU
$XVWUDO
3REODFLyQ 1RUWH
112
154
182
266
500
224
308
364
532
1.000
374
514
607
886
2.000
935
1.285
1.518
2.215
5.000
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Mención Recursos y Medio Ambiente Hídrico
132
Capítulo VII
Alternativas de Tratamiento No Convencionales
2.493
3.426
4.048
5.907
7.479
10.277
12.143
17.722
11.218
15.416
18.215
26.583
18.697
25.694
30.359
44.304
)XHQWH Elaboración propia, adaptado de Mena, M.P., 1996
10.000
30.000
60.000
100.000
Lo anterior implica que el terreno que utiliza una laguna aireada no es
excesivamente grande como para impedir su instalación en una localidad rural
concentrada. Para una comunidad pequeña de 5000 personas, se podría hablar
de una laguna aireada de mezcla parcial con área del orden de los 1200 [m²],
con dimensiones aproximadas de 50 x 25 x 3 (largo x ancho x profundidad,
relación largo : ancho = 2 : 1) diseñada para la zona centro del país. Si a esto
sumamos un terreno de aproximadamente 1000 [m²] para el resto de las
unidades (desinfección, digestión de lodos y canchas de secado), se llega a un
área de aproximadamente 2200[m²], lo cual hace a la laguna aireada un sistema
totalmente accesible paraa localidades con restricciones medianas de terreno.
Si a partir de la Tabla 7.5 se realiza el cálculo de la superficie requerida por
habitante para las distintas zonas del país, se obtienen los valores que se
muestran en la Tabla 7.5.
7DEOD5HTXHULPLHQWRVGHÈUHDSRU+DELWDQWH
5D]yQ6XSHUILFLHGH$JXD3REODFLyQ>P SH@
'LVHxR&KLOH
1RUWH
&HQWUR
6XU
$XVWUDO
3URPHGLR
0,21
0,29
0,34
0,50
5DQJR
0,19-0,25 0,26-0,34 0,3-0,36 0,44-0,59
)XHQWH: Elaboración propia (2003)
De la tabla anterior se desprende que para el caso del diseño de lagunas
aireadas en Chile, los rangos de valores para la razón superficie/población son
bastante estrechos, de manera que se puede tener una buena aproximación al
requerimiento de área de acuerdo a la zona en estudio. Los requerimientos de
terreno aumentan hacia el sur del país.
'HQVLGDGGH3RWHQFLD
Para el caso chileno, las densidades de potencia de diseño, tanto para invierno
como para verano, calculadas en base al mismo estudio mencionado
anteriormente, se presentan en la Tabla 7.6.
7DEOD'HQVLGDGHVGH3RWHQFLD&KLOH
'HQVLGDGGH3RWHQFLD,QYLHUQR>:P@
1RUWH
&HQWUR
6XU
$XVWUDO
7LSRGH'RWDFLyQ
'RWDFLyQUXUDO
'RWDFLyQXUEDQD
'RWDFLyQUXUDO
5,9
4,4
1RUWH
4,3
3,2
3,8
2,8
2,5
1,8
7,2
6,6
8,2
'HQVLGDGGH3RWHQFLD9HUDQR>:P@
&HQWUR
6XU
$XVWUDO
7,6
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Mención Recursos y Medio Ambiente Hídrico
133
Capítulo VII
Alternativas de Tratamiento No Convencionales
'RWDFLyQXUEDQD
5,6
5,3
4,9
6,1
*Norte 128[l/hab-d]; Centro 150[l/hab-d]; Sur 143 [l/hab-d]; Austral 143[l/hab-d].
** Norte 170[l/hab-d]; Centro 200[l/hab-d]; Sur 190[l/hab-d]; Austral 190[l/hab-d].
)XHQWH Elaboración propia 2003, adaptado de MENA, M.P.
Cabe señalar que la densidad de potencia depende de la dotación de agua
potable, es por ello que se ha presentado la información de acuerdo a la
dotación correspondiente a zona rural o urbana. Se asume un coeficiente de
recuperación de aguas servidas de 0.8.
Para la Densidad de Potencia, considerando las distintas zonas del país, los
resultados varían entre los \ >:Pñ@ (ver Tabla 7.6), considerando las
condiciones más desfavorables, es decir, la época de verano.
Para el consumo energético por flujo unitario, en tanto, los resultados varían
entre los \ >.:KPñ@, considerando 24 horas diarias de
funcionamiento de los aireadores. Valores empíricos de PTAS de lodos
activados convencionales funcionando en Chile (R.M. y VII) muestran cifras del
orden de los >.:KPñ@>@.
&RVWRV
Los principales costos de inversión involucrados en el sistema corresponden a:
•
•
•
•
•
Costo del terreno
Excavación y movimientos de tierra
Estructuras de entrada y salida del flujo
Impermeabilización
Equipamiento de aireación
Por otro lado, los costos de O&M corresponden básicamente al consumo
energético, al mantenimiento de los equipos y al sueldo del operador.
Con respecto al consumo energético, García et al. (2000) encontraron en la
evaluación realizada en Cataluña mencionada anteriormente los siguientes
valores que se muestran en la Tabla 7.7.
7DEOD&RQVXPR(QHUJpWLFR/DJXQDV
&RQVXPRGHHQHUJtDSRUIOXMRXQLWDULR>N:KPñ@
'LVHxR
$FWXDO
3URPHGLR
0,38
0,47(50*)
5DQJR
0,19-0,78
0,25-1,62
* coeficiente de variación en %
)XHQWH J. García et al., 2000
Según García, el consumo promedio en energía en lagunas aireadas es mayor
que en sistemas de tratamiento biológico convencionales. El mismo autor cita
un promedio de consumo energético de 0.26 [kWh/m³] para los sistemas
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134
Capítulo VII
Alternativas de Tratamiento No Convencionales
mecanizados convencionales de tratamiento de aguas servidas en Cataluña
(1996).
Con respecto al número de horas dedicado a O&M por parte de los operadores,
éste resultó variar para el caso español entre 0.6 y 8 horas diarias, con un
promedio de 3.2 [hrs/día]. Sin embargo este último valor se considera muy bajo
para el caso chileno, por lo que debieran considerarse cifras del orden de >KUVGtD@.
:(7/$1'6
El tratamiento de aguas servidas domésticas mediante la utilización de pantanos
artificiales o wetlands ha ganado aceptación durante los últimos 10 ó 20 años en
el mundo entero. La tecnología presenta ventajas de costo-eficiencia y se hace
particularmente conveniente para pequeñas comunidades en países en vías de
desarrollo como el nuestro.
'HVFULSFLyQ
Los wetlands están compuestos básicamente por 4 partes:
(VWUXFWXUDGHHQWUDGDRGHGLVWULEXFLyQGHODIOXHQWH Tubería de distribución
inserta en un medio de grava gruesa, encargada de repartir el agua servida a lo
ancho del wetland.
9HJHWDFLyQ Forma parte del medio en el cual ocurre la depuración. Dentro de
las especies más comunes se encuentran Typha sp. (Totora), Scirpus sp.
(Junco) y Phragmites sp. (Caña).
(VWUXFWXUD GH VDOLGD Tubería para la recolección del agua tratada, inserta en
un medio de grava.
,PSHUPHDELOL]DFLyQ Generalmente de material PVC, evita que el agua servida
contamine la napa subterránea y que el agua subterránea ingrese al wetland.
Los dos tipos de wetlands artificiales corresponden a los sistemas de flujo libre
(SF o FWS) y los sistemas de flujo sub-superficial (SSF), los cuales se muestran
en las Figuras Figura 7.3 y Figura 7.4 respectivamente.
)LJXUD
:HWODQG$UWLILFLDOGH)OXMR6XSHUILFLDO
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135
Capítulo VII
Alternativas de Tratamiento No Convencionales
)LJXUD:HWODQG$UWLILFLDOGH)OXMR6XE6XSHUILFLDO
La principal diferencia radica en que, tal como su nombre lo indica, el
escurrimiento en un caso es de superficie libre, en tanto que en el otro el
escurrimiento ocurre bajo el nivel de la superficie del terreno.
De estos dos sistemas, se hace más rentable para pequeñas comunidades el de
flujo sub-superficial, producto del menor requerimiento de área. Esto ocurre para
caudales menores que aproximadamente 2.6 [l/s] [18], lo cual es equivalente a un
volumen diario de aproximadamente 225 m3 (caudal de aguas servidas para una
población de 1762 habitante en base a una dotación de 150[l/hab-d] y un
coeficiente de recuperación de 0.85), valor sobre el cual el elevado costo de la
grava del humedal sub-superficial comienza a tomar mayor importancia,
resultando los costos de construcción comparativamente mayores.
Algunas modalidades consideran que el agua servida afluente al wetland posea
tratamiento previo, ya sea mediante una laguna de estabilización, laguna
aireada, fosa séptica u otras combinaciones. En algunos casos también se
utilizan los wetlands como tratamiento terciario, es decir, a continuación de un
tratamiento secundario ya existente o por construir.
Las principales ventajas y desventajas del sistema se exponen a continuación.
7DEOD9HQWDMDV\'HVYHQWDMDV6LVWHPD:HWODQG
•
•
•
9HQWDMDV
Menores costos de O&M en
comparación con sistemas
mecanizados.
Operación del sistema es muy
sencilla.
Requerimiento de equipamiento
mecánico, energía y capacitación
de los operadores es mínima.
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Mención Recursos y Medio Ambiente Hídrico
•
•
'HVYHQWDMDV
Requerimientos de terreno son un
tanto mayores que para los
tratamientos convencionales
mecanizados y que para las
lagunas aireadas.
Las eficiencias con respecto a la
remoción de metales y de
patógenos
son
relativamente
bajas, en tanto que la remoción de
136
Capítulo VII
Alternativas de Tratamiento No Convencionales
•
•
•
•
Sistema sub-superficial evita el
riesgo de exposición de la
población y animales al agua
servida, además evita la
proliferación de mosquitos.
Sistema sub-superficial se puede
aislar térmicamente de manera de
resistir climas extremadamente
fríos.
No se producen lodos como
subproducto del tratamiento, de
manera que se evita incurrir en
gastos de tratamiento y
disposición de los mismos.
Se pueden lograr calidades en el
efluente equivalentes a los
tratamientos convencionales.
•
•
•
•
•
•
fósforo por lo general es mínima.
El fósforo, los metales y algunos
orgánicos
persistentes
se
acumulan en los sedimentos del
humedal y persisten en el tiempo.
Los niveles de remoción de
patógenos son sólo de 1 ó dos
ciclos logarítmicos, por lo cual se
suele
requerir
posterior
desinfección.
Las condiciones predominantes en
un humedal de flujo sub-superficial
son de tipo anóxicas, lo cual limita
la nitrificación del nitrógeno
amoniacal.
En años secos las plantas pueden
sufrir daños severos.
La efectividad a largo plazo de los
wetlands aún no está bien
determinada. El envejecimiento
del humedal puede significar una
reducción en los niveles de
remoción de contaminantes en el
tiempo.
Pueden requerir tratamiento previo
dependiendo de la calidad de
efluente deseado.
5HQGLPLHQWRV(VSHUDGRV
Los humedales permiten tratar aguas con altos niveles de carga orgánica (DBO),
sólidos suspendidos (SST), y nitrógeno.
Las remociones
dependerán
básicamente del tiempo de retención que se le de al sistema y pueden resultar
altamente variables.
Para los parámetros DBO y SST se pueden esperar concentraciones inferiores a
20 [mg/l] en el efluente, dependiendo del tratamiento previo que se le haya dado
al agua servida. Con respecto al nitrógeno, los niveles dependerán básicamente
de las condiciones de nitrificación que se estén dando en el humedal,
requiriéndose por lo general tiempos de retención mayores que los calculados
para la remoción de la materia orgánica. Las eficiencias con respecto a la
remoción de metales y de patógenos son relativamente bajas, en tanto que la
remoción de fósforo por lo general es mínima.
En EEUU, un estudio de evaluación realizado por la Agencia de Protección
Medioambiental (EPA) con 14 wetlands de flujo sub-superficial arrojó los
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137
Capítulo VII
Alternativas de Tratamiento No Convencionales
siguientes resultados de rendimiento que se muestran a continuación en la Tabla
7.9, donde se pueden apreciar los órdenes de magnitud que toman
generalmente los parámetros:
7DEOD5HVXPHQ5HQGLPLHQWR
:HWODQGVGH)OXMR6XE6XSHUILFLDO
&RQFHQWUDFLRQHV>PJO@
3DUiPHWUR
$IOXHQWH
(IOXHQWH
'%2
28** (5-51)***
8** (1-15)***
667
60 (23-118)
10 (3-23)
1.7
15 (5-22)
9 (2-18)
1+1+
5 (1-10)
5 (2-10)
12
9 (1-18)
3 (0,1-13)
1
20 (9-48)
9 (7-12)
3
4 (2-6)
2 (0,2-3)
*Tiempo de retención medio 3 días (rango de 1 a 5 días)
**Valor medio
***Rango de valores
Fuente: U.S. EPA, 1993
'LVHxR\2SHUDFLyQHQ&OLPDV([WUHPDGDPHQWH)UtRV6:DOODFHHWDO
>@
La adaptación de wetlands artificiales a climas con temperaturas bajo cero
grados celsius requiere alguna estrategia para aislar el sistema del frío. El
mayor problema se produce cuando se tienen inviernos extremadamente fríos,
sin una adecuada cobertura de nieve, ya que esta última ayuda mucho en el
aislamiento del sistema, previniendo que el agua que circula por el wetland se
congele. Contrario a las creencias populares, el hielo es un aislante muy malo y
tiene una conductividad térmica de alrededor de cuatro veces la del agua líquida,
lo cual produce que el sistema pierda energía hacia la atmósfera. Si la situación
descrita anteriormente se mantiene en el tiempo, el wetland inevitablemente se
congela, con lo cual se pierden las nociones básicas del tratamiento, que son
que el agua escurra y que exista una cierta temperatura para que ocurran los
procesos naturales de degradación de contaminantes.
Ante este problema, las investigaciones apuntan hacia la utilización de un
material natural aislante, que puede estar compuesto por corteza de árbol, paja
de pino, chips de madera, juncos (típicos de zonas pantanosas), compost
proveniente de poda de jardines, etc., que se coloque a nivel de superficie para
evitar la exposición a las bajas temperaturas. Valores referenciales hablan de
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138
Capítulo VII
Alternativas de Tratamiento No Convencionales
una capa de 15cm de material aislante, con una capa intermedia de aire (entre el
material aislante y el nivel de terreno) de unos 5cm.
El tipo de material aislante que se utilice puede influenciar fuertemente el
rendiminento del wetland, con respecto a la remoción de materia orgánica, tal
como se puede apreciar en la Figura 7.5.
El material aislante debe cumplir los siguientes requisitos:
•
•
•
•
Estar suficientemente estabilizado, de modo de no introducir una carga
orgánica adicional al sistema.
Tener un contenido de nutrientes balanceado y un pH cercano al neutro.
Tener una estructura “abultada” con elevado contenido de fibra de manera de
proveer buen aislamiento térmico y evitar que se lave o escurra el material
hacia el medio de soporte (grava).
Tener capacidad de almacenamiento de humedad suficiente como para que
las plantas y semillas no estén sometidas a condiciones de sequía.
)LJXUD(IHFWRGHO0DWHULDO$LVODQWHHQHO5HQGLPLHQWR
De la figura anterior se aprecia una diferencia considerable en remoción de
materia orgánica de acuerdo al tipo de aislante utilizado, según un estudio
realizado en Minnesota con 6 Wetlands de flujo sub-superficial. En el caso en
que el material aislante es considerado “bueno”, las remociones son en la
mayoría de los casos superiores al 80%. En caso contrario, éstas fluctúan entre
un 20 y un 70% de remoción aproximadamente, observándose gran dispersión
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139
Capítulo VII
Alternativas de Tratamiento No Convencionales
en los datos a lo largo del tiempo. En el caso en que el aislante es “malo”, el
rendimiento del Wetland mejora considerablemente a través del tiempo producto
de la estabilización del material aislante. Para el caso en que el aislante es
“bueno”, el rendimiento obtenido no sólo es mejor sino que además es bastante
más constante en el tiempo.
Con respecto a la remoción de nitrógeno, las investigaciones demuestran que
en los wetlands de flujo sub-superficial horizontal de diseño estándar no se logra
la transferencia de oxígeno necesaria para satisfacer las demandas tanto
carbonáceas como nitrogenadas. Para estos efectos es necesario tener
configuraciones especiales de reactores en que se tengan tasas más elevadas
de transferencia de oxígeno.
5HTXHULPLHQWRVGH7HUUHQR
Luego de realizar una revisión bibliográfica para estimar los requerimientos de
área de un wetland artificial de flujo sub-superficial, se llega a la conclusión de
que la información publicada por la EPA es la más adecuada y actualizada con
respecto al tema. En base a ello se ha elaborado la
Tabla 7.10 a modo de referencia, considerando las tasas de carga típicas para el
parámetro DBO5 a una temperatura de 20ºC.
7DEOD
5HTXHULPLHQWRVGH7HUUHQRSDUD:HWODQGVGH)OXMR6XE6XSHUILFLDO
Carga[Kg/d]
Área requerida[m2]
Población[hab] Caudal[l/s]
min
max
min
max
500
0,74
1,91
11,16
122
1.659
1000
1,48
3,83
22,31
244
3.318
2000
2,95
7,65
44,63
488
6.635
3000
4,43
11,48
66,94
731
9.953
4000
5,90
15,30
89,25
975
13.271
)XHQWH Elaboración propia, adaptado de EPA SF Wetlands Technology Fact Sheet (2000)
[18]
De la tabla anterior se desprende que el área requerida resulta ser bastante
mayor que en los tratamientos convencionales mecanizados, en donde el terreno
de una planta de tratamiento de aguas servidas para 3000 habitantes puede ser
del orden de los 1000 m2.
Si se calcula el requerimiento de área unitario, a partir de la Tabla 7.10, se
obtiene un valor mínimo de >PðSH@ y un valor máximo de >PðSH@.
Referencias bibliográficas hablan de a m2 por persona [18].
Si se requiere diseñar para remover otros parámetros, como son los nitratos, el
nitrógeno amoniacal, el nitrógeno total y el fósforo total, estos requerimientos de
área pueden verse aumentados significativamente, teniéndose un valor de área
máxima del orden de 160.000 [m2] para 4000 habitantes al considerar el
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140
Capítulo VII
Alternativas de Tratamiento No Convencionales
amoníaco como parámetro de interés (ver Anexo Requerimientos de Area
Wetlands Sub-Superficiales).
&RVWRV
Los principales costos de capital involucrados corresponden a:
•
•
•
•
•
•
•
Costos del terreno
Excavación y movimientos de tierra
Impermeabilización
Rellenos con grava
Compra de plantas
Estructuras de entrada y salida del flujo
Cañerías para interconexiones hidráulicas
De los ítems mencionados anteriormente, la grava y la impermeabilización
pueden ser los más caros. Es por ello que dependiendo de las condiciones del
sitio en particular, los costos pueden variar mucho. A modo de ejemplo, si
cercano al terreno existe disponibilidad de grava, el mayor costo lo representará
entonces la impermeabilización. Por otro lado, si el terreno posee suelos
arcillosos con los que se puede realizar una buena impermeabilización, entonces
el mayor costo lo representará la grava.
La información disponible acerca de costos en Chile es bastante escasa. Es por
ello que lo que se presenta a continuación en la Tabla 7.11 corresponde a
estudios realizados en EEUU para un wetland de 4.38 [l/s], información que debe
servir a modo de referencia y no como valor absoluto, ya que los costos variarán
dependiendo de cada proyecto en particular.
7DEOD
&RVWRVGH&DSLWDO\GH20SDUDXQ:HWODQG6XE6XSHUILFLDOGH>OV@
&RVWRV
,PSHUPHDELOL]DFLyQ
,PSHUPHDELOL]DFLyQ
,WHP
1DWXUDO
FRQ0HPEUDQD3OiVWLFD
&RVWRWHUUHQR
11.200.000
11.200.000
,QYHVWLJDFLyQVXHORVLWLR
2.520.000
2.520.000
/LPSLH]DWHUUHQR
4.620.000
4.620.000
0RYLPLHQWRVGH7LHUUD
23.100.000
23.100.000
,PSHUPHDELOL]DFLyQ
0
46.200.000
*UDYD
99.470.000
99.470.000
3ODQWDV
3.500.000
3.500.000
-DUGLQHUtD
4.620.000
4.620.000
(VWUXFWXUDVHQWUDGDVDOLGD
11.620.000
11.620.000
6XEWRWDO
160.650.000
206.850.000
,QJHQLHUtDWUiPLWHVOHJDOHV
93.100.000
119.840.000
7RWDO&RVWRVGH&DSLWDO
253.750.000
326.690.000
&RVWRVGH20>DxR@
4.200.000
4.200.000
*9.175m3 de grava de 1,9cm
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141
Capítulo VII
Alternativas de Tratamiento No Convencionales
)XHQWH Elaboración propia, adaptado de EPA SF Wetlands Technology Fact Sheet (2000)
[18]
De la información anterior se desprende que, tal como se había mencionado
anteriormente, los costos de la grava y de la impermeabilización son los más
gravitantes en el presupuesto (30% y 14% respectivamente con respecto al total
del presupuesto).
El análisis comparativo de los costos durante el ciclo de vida del Wetland se
presenta en la Tabla 7.12, contrastado con los de un sistema de tratamiento
convencional, consistente de reactores batch secuenciales (SBR), diseñado para
un mismo caudal y calidad del efluente.
7DEOD&RPSDUDFLyQGH&RVWRVHQWUH:HWODQG6XE6XSHUILFLDO\6%5
$OWHUQDWLYD
,WHP
:HWODQG6XE6XSHUILFLDO
6%5
&RVWRVGH&DSLWDO>@
773.150.000
326.690.000
&RVWRVGH20>DxR@
4.200.000
74.620.000
9DORU3UHVHQWH&RVWRV>@
362.446.700
1.408.431.500
&RVWRSRUPWUDWDGR>@
567
135
*Factor del valor presente de la serie uniforme=8,51, a 20 años, 10%interés
)XHQWH Elaboración propia, adaptado de EPA SF Wetlands Technology Fact Sheet (2000)
[18]
De la información presentada en la tabla anterior se desprende que tanto los
costos de inversión como los de O&M son sustancialmente menores en el caso
del Wetland, en comparación con la tecnología SBR. Lo anterior se ve reflejado
tanto en el valor presente de los costos como en el costo del tratamiento, los
cuales son bastante menores para el caso del Wetland.
Al comparar con las tecnologías convencionales (lodos activados, biodiscos), los
costos de capital del wetland son mayores, en tanto que su costo de O&M es
sustancialmente más bajo, tal como se verá más adelante en la evaluación
económica.
%,2),/75$&,Ï15+,=2),/75$&,Ï1</20%5,),/75$&,Ï1
$QWHFHGHQWHV
Las tecnologías no convencionales de Biofiltración + Rhizofiltración y
Lombrifiltración han sido analizadas recientemente por Santibáñez, J. (2002)[20],
en un estudio experimental con plantas piloto, con caudal medio de diseño Q=
1[l/s], construidas en las dependencias de la Planta Cexas de Melipilla, por
Aguas Andinas S.A. La experiencia se llevó a cabo durante el período Agosto
2001 a Junio 2002.
Debido a que estas tecnologías son extensamente evaluadas en dicho estudio,
sólo se presentarán a continuación las principales conclusiones derivadas de
éste.
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142
Capítulo VII
Alternativas de Tratamiento No Convencionales
Se concluye que el período de evaluación es insuficiente como para determinar
de manera cierta la real capacidad de tratamiento de los sistemas en estudio,
por lo que se requiere un horizonte de evaluación más extenso, en especial para
el sistema de Biofiltración + Rhizofiltración. De acuerdo a los antecedentes
operacionales y de la eficiencia del tratamiento mismo, el sistema de
lombrifiltración resultó ser un sistema que puede ser muy atractivo para el
tratamiento de aguas servidas en pequeñas comunidades, dado sus bajos
costos de inversión, O&M, siempre y cuando se optimicen las falencias
detectadas en el estudio (Santibáñez, 2002).
A modo de desafío Santibañez plantea, al finalizar su estudio, la investigación en
una instalación experimental de un sistema de tratamiento alternativo
consistente de Biofiltración + Lombricompostaje de Lodos.
9HQWDMDV\'HVYHQWDMDV
Las principales ventajas y desventajas de los sistemas antes mencionados se
presentan a continuación.
7DEOD9HQWDMDV\'HVYHQWDMDV6LVWHPD/RPEULILOWUDFLyQ
•
•
•
•
•
•
9HQWDMDV
Gran capacidad para adaptarse
rápidamente al tratamiento
Posee potencial de optimización
(aumentar tasa hidráulica)
Responde favorablemente a las
distintas condiciones ambientales
durante la operación.
No genera lodos.
Recuperación rápida ante
aumento de cargas orgánicas no
controladas.
Bajo costo de inversión y de O&M.
mantención.
•
•
•
•
•
)XHQWH Santibáñez (2002)
'HVYHQWDMDV
Deficitario sistema de riego.
Necesidad de horqueteo que
complica su aplicación en grandes
instalaciones.
Necesidad de incorporar viruta de
madera cada 4 meses para no
alterar las bondades del
tratamiento.
Posible proliferación de vectores
sanitarios.
Climas extremadamente fríos
pueden afectar el crecimiento de
las lombrices en el lecho.
7DEOD9HQWDMDV\'HVYHQWDMDV6LVWHPD%LRILOWUDFLyQ5KL]RILOWUDFLyQ
•
•
•
•
9HQWDMDV
Fácil de operar.
Biofiltro es muy utilizado en el
tratamiento de aguas servidas.
Efluente presenta bajos
contenidos de Sólidos
Suspendidos.
Rhizocompostaje de lodos.
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Programa de Magíster en Ciencias de la Ingeniería
Mención Recursos y Medio Ambiente Hídrico
•
•
•
'HVYHQWDMDV
Vulnerable a cambios de
operación.
Potencial saturación del lecho con
elementos inorgánicos.
Phragmites Australis sensible a
clima extremo (altas y bajas
temperaturas) y vulnerable a
143
Capítulo VII
Alternativas de Tratamiento No Convencionales
•
)XHQWH Santibáñez (2002)
plagas de insectos.
Recuperación lenta ante aumento
de cargas orgánicas no
controladas.
$SOLFDFLyQHQ&KLOH
Los resultados de las plantas pilotos sugieren que ambos sistemas cumplen con
las exigencias ambientales vigentes, sin embargo, por problemas de tipo
operativo, se ha visto la necesidad de realizar algunos cambios en los diseños
originales, que hagan posible plantear su aplicación para el tratamiento de aguas
servidas de pequeñas localidades [21].
&20(17$5,26<&21&/86,21(6
$VSHFWRV7pFQLFRV
a) Lagunas Aireadas:
• Con respecto a los rendimientos esperados, las lagunas aireadas,
adecuadamente diseñadas y operadas, pueden producir un efluente con
niveles por debajo de 30[mg/l] tanto en DBO5 como en SST. Lo anterior
considera la utilización de unidades de sedimentación al final de la línea
de tratamiento, de manera de evitar exceso de material particulado en el
efluente. Se pueden lograr niveles de remoción de DBO5 de hasta
95%[14].
Durante los meses de verano, se producirá un aumento significativo en el
consumo de oxígeno producto de la nitrificación. Es por ello que los
sistemas que no hayan sido diseñados para nitrificar, probablemente
presentarán fallas en cuanto a los requerimientos de DBO5 en el efluente,
producto de una escasez de oxígeno disuelto en el medio.
Debido a condiciones más estables de pH y alcalinidad, la remoción de
fósforo es menor que en lagunas facultativas. Se pueden esperar
remociones de 15-25%.
En cuanto a la remoción de patógenos, el sistema requerirá desinfección
adicional si se requieren niveles de coliformes fecales menores que
1000[NMP/100ml] en el efluente.
• Con respecto a los requerimientos unitarios de área, para el caso de
Chile, se obtuvieron valores de , , , y >PðSH@ para las
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Mención Recursos y Medio Ambiente Hídrico
144
Capítulo VII
Alternativas de Tratamiento No Convencionales
zonas Norte, Centro, Sur y Austral respectivamente. Los rangos de
valores para la razón superficie/población son bastante estrechos, de
manera que se puede tener una buena aproximación al requerimiento de
área de acuerdo a la zona en estudio.
• Para la Densidad de Potencia, considerando las distintas zonas del país,
los resultados varían entre los y >:Pñ@ (ver Tabla 7.6),
considerando las condiciones más desfavorables, es decir, la época de
verano. Si se considera que los aireadores funcionan las 24 horas del
día, el consumo de energía por flujo unitario varía aproximadamente entre
\>.:KPñ@.
• Con respecto al número de horas dedicado a O&M, éste se estima para el
caso Chileno en aproximadamente >KUVGtD@
b) Wetlands Sub-Superficiales:
• Con respecto a los rendimientos esperados, los humedales permiten tratar
aguas con altos niveles de carga orgánica (DBO), sólidos suspendidos
(SST), y nitrógeno. Las remociones dependerán básicamente del tiempo
de retención que se le de al sistema y pueden resultar altamente
variables.
Para los parámetros DBO y SST se pueden esperar concentraciones
inferiores a 20 [mg/l] en el efluente. Con respecto al nitrógeno, los niveles
dependerán básicamente de las condiciones de nitrificación que se estén
dando en el humedal, requiriéndose por lo general tiempos de retención
mayores que los calculados para la remoción de la materia orgánica. Las
eficiencias con respecto a la remoción de metales y de patógenos son
relativamente bajas, en tanto que la remoción de fósforo por lo general es
mínima.
• En climas extremadamente fríos, se requiere la utilización de un material
natural aislante, que puede estar compuesto por corteza de árbol, paja de
pino, chips de madera, juncos (típicos de zonas pantanosas), compost
proveniente de poda de jardines, etc., que se coloque a nivel de superficie
para evitar la exposición a las bajas temperaturas. Valores referenciales
hablan de una capa de 15cm de material aislante, con una capa
intermedia de aire (entre el material aislante y el nivel de terreno) de unos
5cm. De esta manera, se evita que el wetland se congele cuando se
encuentra sometido a temperaturas bajo cero.
• Los requerimientos unitarios de área, calculados para la remoción de la
materia orgánica, varían entre los >PðSH@ y los >PðSH@. De
acuerdo a referencias bibliográficas[18], estos estarían entre y >PðSH@.
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145
Capítulo VII
Alternativas de Tratamiento No Convencionales
• Se estima que el número de horas dedicado a O&M por parte de los
operadores es similar al caso de las lagunas aireadas, es decir, >KUVGtD@.
c) Biofiltración + Rhizofiltración y Lombrifiltración:
Las tecnologías analizadas por Santibáñez (2002), según se explicó
anteriormente, corresponden a la Biofiltración + Rhizofiltración y Lombrifiltración.
Según este autor, la etapa de evaluación en plantas piloto habría presentado
problemas de tipo operacional, por lo que se requeriría de mayores estudios y
análisis para comprobar su real efectividad y factibilidad para localidades rurales
concentradas. El detalle de los inconvenientes que surgieron durante el
desarrollo de las experiencias pilotos puede ser consultado directamente en el
trabajo de este autor [20].
5DQJRV3REODFLRQDOHV
A continuación se presenta una aproximación, en base a los antecedentes
presentados anteriormente, de los rangos poblacionales sobre los que resultan
convenientes los distintos sistemas de tratamiento.
Los sistemas de Biofiltración + Rhizofiltración fueron evaluados para poblaciones
del orden de los 500-700 habitantes, ya que las experiencias aún se encuentran
a nivel de plantas piloto.
El sistema de Wetland sub-superficial se estima conveniente para poblaciones
menores que del orden de 2.000 habitantes, valor sobre el cual el sistema se
encarece y puede resultar comparativamente desventajoso [18]. Sin embargo, si
cercano al lugar elegido existe grava disponible a bajo costo o si el terreno
mismo posee arcillas que pueden ser utilizadas en la impermeabilización del
fondo del Wetland, se puede pensar en poblaciones mayores que la señalada.
Las lagunas aireadas poseen un rango poblacional bastante amplio, se utilizan
tanto en zonas rurales como urbanas, por lo que la población de diseño puede
variar desde cientos de habitantes (200-800) hasta varios miles (5.000-10.000).
&RPHQWDULRV\&RQFOXVLRQHV)LQDOHV
a) Lagunas Aireadas
•
El sistema es atractivo para pequeñas comunidades rurales en donde no se
cuenta con el terreno suficiente como para construir una laguna de
estabilización o algún otro sistema de tratamiento natural como por ejemplo
un wetland de flujo superficial. Los requerimientos de terreno son un tanto
más elevados que para las tecnologías convencionales mecanizadas
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146
Capítulo VII
Alternativas de Tratamiento No Convencionales
(aireación extendida o biodiscos), sin embargo no son excesivamente
grandes como para impedir su instalación en localidades rurales
concentradas.
•
Resulta ser una alternativa atractiva desde el punto de vista costo-eficiencia,
ya que tanto los costos de inversión como de operación y mantenimiento
resultan ser bajos en comparación con otras tecnologías, tal como se vio con
detalle en la evaluación económica.
•
El diseño en Chile no necesariamente se ha basado en el modelo de
Michaelis-Menten, y no existen criterios estandarizados ni consenso con
respecto a los coeficientes cinéticos involucrados.
•
De ser adecuadamente diseñadas y operadas, las lagunas aireadas de
mezcla parcial pueden ser un tratamiento secundario muy efectivo, tanto
desde el punto de vista de los costos como de la calidad del efluente
deseado, para comunidades rurales o suburbanas.
b) Wetlands de Flujo Sub-Superficial
•
La tecnología de Wetlands artificiales sub-superficiales resulta ser una
alternativa interesante para pequeñas comunidades y, según los
antecedentes revisados, parece ser factible tanto técnica como
económicamente.
•
La alternativa presenta claras ventajas de costos de O&M, frente a los otros
sistemas convencionales de tratamiento, ya que no posee mayor
equipamiento y no se requiere de personal altamente capacitado.
•
Los requerimientos de área, para este tipo de wetlands, no resultan
significativamente mayores que para las lagunas aireadas o que para los
tratamientos mecanizados convencionales. Si se requiere remoción de
nutrientes, entonces estos requerimientos pueden verse aumentados
sustancialmente.
•
En lugares donde naturalmente existan humedales, la alternativa Wetland
artificial toma una ventaja comparativa grande, ya que se puede realizar una
restauración del Wetland existente para lograr el tratamiento deseado,
reduciendo de esta manera las inversiones en vegetación y asegurando que
el clima es propicio para el desarrollo del humedal.
•
Se concluye que los Wetlands artificiales de flujo sub-superficial son una
alternativa real y factible para ser instalada en pequeñas localidades, en
donde, por lo general, no se cuenta con grandes presupuestos ni con mano
de obra calificada para la operación de alternativas convencionales
mecanizadas, evitando de esta manera una serie de inconvenientes tanto en
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147
Capítulo VII
Alternativas de Tratamiento No Convencionales
el tema de los recursos financieros como en el rendimiento de la planta de
tratamiento.
c) Biofiltración más Rhizofiltración y Lombrifiltración
Según se explicó con anterioridad, se requiere de cambios en los diseños de las
plantas pilotos originales, que permitan evaluar si realmente son sistemas
factibles para pequeñas localidades.
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Mención Recursos y Medio Ambiente Hídrico
148
&$3,78/29,,,
(9$/8$&,Ï1(&21Ï0,&$
(9$/8$&,Ï1(&21Ï0,&$
Capítulo VIII
Evaluación Económica
(9$/8$&,21(&21Ï0,&$
El objetivo principal de esta sección es dar a conocer al lector acerca de
inversiones, costos y beneficios actualizados asociados a las distintas
alternativas de tratamiento, de manera de tener una referencia rápida al
momento de tomar en cuenta el aspecto económico al evaluar entre una
tecnología u otra.
,19(56,21(6(162/8&,21(66$1,7$5,$6
La información correspondiente a inversiones en sistemas de alcantarillado no
es muy extensa puesto que no corresponde al objetivo principal de esta tesis,
que son los sistemas de tratamiento. A pesar de esto se han incluído, por
considerar que están muy ligados lo uno con lo otro.
A modo de ejemplo se presenta en la Tabla 8.1 el resumen de tres proyectos ya
construidos con alcantarillado tradicional, correspondientes a la solución
sanitaria de tres villas o poblados, llamados Santa Elena, Santa Claudia y La
Obra, todos ellos ubicados en la VII Región. La información ha sido recopilada
de los estados de pago que efectúan los contratistas a la Municipalidad de
Curicó, considerando los montos totales presupuestados, de manera de
asegurar que los valores corresponden a las obras que finalmente se llevaron a
cabo.
7DEOD
,QYHUVLRQHVHQ6ROXFLRQHV6DQLWDULDV
6ROXFLRQHV
,QYHUVLyQ
&RVWR8QLWDULR
6DQLWDULDV
$FWXDOL]DGD
>VROXFLyQ@
9LOOD
$xR
Santa Elena
1998
210
215.865.064
1.027.929
Santa Claudia
1998
250
331.057.906
1.324.232
La Obra
2001
239
359.813.481
1.505.496
)XHQWH Elaboración propia en base a información de archivos técnicos de la
Municipalidad de Curicó. Montos actualizados en pesos ($) del año 2003.
El año que aparece en la tabla es el año de construcción en tanto que el número
de soluciones sanitarias corresponde al número de sitios o familias saneadas. Al
calcular el costo unitario por solución se obtienen valores en un rango de 10001500 pesos por solución. Este rango no debe ser tomado como un valor
absoluto ya que los valores varían dependiendo del proyecto en particular del
que se trate. Sin embargo, estas cifras pueden ser tomadas como una
referencia actualizada y confiable al respecto. La actualización se realizó en
base a la inflación media anual (IPC) tomada del Instituto Nacional de
Estadísticas (INE).
Las inversiones mostradas anteriormente incluyen instalación de faenas, obras
de construcción de los lotes con servicios, instalaciones domiciliarias de lotes
con servicios, relleno pozos negros y alcantarillado sanitario, es decir, dejar los
Capítulo VIII
Evaluación Económica
sitios conectados al agua potable y con caseta sanitaria conectada al
alcantarillado domiciliario y a la red de alcantarillado sanitario de la villa. Los
detalles de estos presupuestos se pueden consultar en el Anexo Evaluación
Económica.
,19(56,21(6(137$6
La síntesis de la información que se ha logrado recopilar se presenta en la Tabla
8.2. La inversión per cápita que se muestra corresponde a la inversión repartida
bajo un cierto número de beneficiados con la construcción de las obras. Detalles
de los presupuestos y estimaciones se pueden encontrar en el Anexo Evaluación
Económica.
7DEOD,QYHUVLRQHVHQ3ODQWDVGH7UDWDPLHQWRVGH$JXDV6HUYLGDV
,QYHUVLyQSHU
&iSLWD >KDE@
María Pinto
1996
Biodiscos
54.619
San Enrique
1996
Biodiscos
54.619
Santa Claudia
1998
Biodiscos
32.710
Santa Elena
1998 Lodos Act. Aireación Ext.
35.296
La Obra
2001 Lodos Act. Aireación Ext.
32.871
Montos actualizados en pesos ($) del año 2003.
1
considera la población beneficiada con la inversión, ya que se llevan a cabo
inversiones por etapas.
)XHQWH Elaboración propia en base a información de archivos técnicos de
las Municipalidades de María Pinto y Curicó.
3ODQWDGH7UDWDPLHQWR $xR
7LSR
De la información anterior se desprende que la inversión inicial no es
necesariamente más fuerte en una tecnología que en otra (aireación extendida
vs. biodiscos), dado que los montos más elevados que presentan María Pinto y
San Enrique podrían estar asociados a costos más elevados de construcción
puesto que son plantas más antiguas. Para plantas del mismo año, es decir
Santa Claudia versus Santa Elena, los montos son muy parecidos y la diferencia
es despreciable. Los costos de Operación y Mantenimiento se analizan más
adelante.
$1È/,6,6(&21Ï0,&2$/7(51$7,9$6
La evaluación económica se ha realizado desde el punto de vista privado, más
específicamente desde el punto de vista de los Comité de Agua Potable Rural,
con el fin de contar con una herramienta que permita a los Comité tener alguna
referencia acerca de la tarifa a cobrar por el tratamiento de las aguas servidas de
manera de hacer el sistema autosuficiente, sin obtener utilidades ni pérdidas.
El costo unitario [$/m³] es el valor de la tarifa por tratamiento tal que el VPN del
proyecto se hace nulo. Es decir, es la tarifa para la cual los ingresos
actualizados se hacen iguales a los costos actualizados.
Capítulo VIII
Evaluación Económica
Los proyectos de planta de tratamiento correspondientes a aireación extendida y
biodiscos se han evaluado considerando un caudal de diseño de 6[l/s], dado que
la mayor parte de los antecedentes de los que se dispone corresponden a
plantas de este tamaño.
Se consideró una tasa de crecimiento poblacional de un 3% anual, una dotación
de agua potable de 150[l/hab/d] y un coeficiente de recuperación de 0.85.
Los proyectos se han evaluado a precios privados para una vida útil de 20 años,
con una tasa de descuento del 10%.
,QJUHVRV
Los ingresos anuales considerados provienen exclusivamente del cobro de la
tarifa por tratamiento y varían año a año dependiendo de la población que se va
conectando a la PTAS. Detalles se pueden consultar en el Anexo Evaluación
Económica.
&RVWRV
Los costos anuales asociados al tratamiento se han separado de acuerdo a los
siguientes items:
•
&RVWRVGH,QYHUVLyQ:
,QYHUVLyQ,QLFLDO
La inversión inicial presentada en la Tabla 8.3 corresponde al monto total
invertido en la planta de tratamiento en el año 0. Este monto ha sido estimado
en base a los presupuestos que se detallan en el Anexo Evaluación Económica,
a estudios realizados en el extranjero para el caso de las lagunas aireadas
(Dewolfe & Tremblay McHill University, USA, 2001) y a la información de costos
presentada para los Wetlands en la Tabla 7.11. Todas las tecnologías
consideran inversiones en dos etapas, a excepción de los biodiscos, ya que los
presupuestos revisados de estos últimos consideran un tamaño de planta capaz
de satisfacer las necesidades de la población para el año 20.
6LVWHPDGH
7UDWDPLHQWR
Aireación Extendida
Biodiscos
Laguna Aireada
Wetland*
7DEOD1LYHOHVGH,QYHUVLyQ
,QYHUVLyQ,QLFLDO
>00@
70
120
45
197
3REODFLyQ
'LVHxR>KDE@
4066
4066
4066
2968
&DXGDOGH
'LVHxR>OV@
6
6
6
4.38
*Inversión aproximada a realidad chilena (costo ingeniería=1/3 costo ing.
USA y costo grava = ½ costo grava USA)
)XHQWH Elaboración propia (2003)
Capítulo VIII
Evaluación Económica
Estos valores son sólo referenciales y se harán variar más adelante en el
análisis de sensibilidad de la inversión.
,QYHUVLyQGH$PSOLDFLyQ
En la siguiente Tabla 8.4 se muestra el resumen de las inversiones de
ampliación consideradas para la segunda etapa de los proyectos.
7DEOD5HVXPHQ,QYHUVLRQHVGH$PSOLDFLyQ
7LSRGH7HFQRORJtD
Aireación Extendida
Biodiscos
Laguna aireada
Wetland
,QYHUVLyQGH$PSOLDFLyQ
35%
25%
25%
*expresada como % de la inversión total inicial.
)XHQWH Elaboración propia (2003)
Las ampliaciones se realizan en el año 11 del horizonte de evaluación. Para el
caso de biodiscos, no se considera ampliación de la planta puesto que las
inversiones iniciales corresponden a la población de diseño del año 20, es decir,
la planta no requiere ampliación.
,QYHUVLyQ GH 5HHPSOD]R: Se considera una inversión en el año 11 por
reemplazo de equipos que se encuentren depreciados, información que se
presenta en la Tabla 8.5 . La depreciación de los equipos se consideró a 10
años plazo.
7DEOD,QYHUVLRQHVGH5HHPSOD]R
7LSRGH7UDWDPLHQWR
Aireación Extendida
Biodiscos
Lagunas Aireadas
Wetland
,QYHUVLyQGHUHHPSOD]R
70%
90%
70%
-
*expresada como porcentaje de la inversión inicial en equipos.
)XHQWH Elaboración propia (2003)
Para el caso de aireación extendida, al igual que para las lagunas aireadas, el
reemplazo de equipos corresponde a un 70% de la inversión inicial en equipos,
por considerar que existen ciertas partes no móviles en los equipos que no son
necesarias de reemplazar.
Para el caso de los biodiscos esta cifra aumenta a un 90% por considerarse un
sistema más suceptible a fallas mecánicas.
En el caso de los wetlands el equipamiento es mínimo o nulo por lo tanto no se
considera reemplazo de equipos.
Capítulo VIII
Evaluación Económica
,QYHUVLyQHQ2EUDV&LYLOHV\(TXLSRV
Con el fin de establecer más adelante cuáles son los costos de mantenimiento
asociados, se deben conocer los montos invertidos en obras civiles y en
equipos, información que se presenta en la Tabla 8.6.
7DEOD,QYHUVLyQHQ2EUDV&LYLOHV\(TXLSRV
7LSRGH7UDWDPLHQWR
Aireación Extendida
Biodiscos
Lagunas Aireadas
Wetland
,QYHUVLyQHQ
2EUDV&LYLOHV
25%
25%
10%
,QYHUVLyQHQ
(TXLSRV
40%
45%
40%
-
*La inversión tanto en obras civiles como en equipos que requieren mantención
se expresa como % de la inversión total.
)XHQWH Elaboración propia (2003)
• &RVWRVGH2SHUDFLyQ
6XHOGR GHO 2SHUDGRU Para el caso de aireación extendida y biodiscos, se
considera un sueldo de $230.000 por mes, lo cual equivale a un costo anual de
$2.760.000. Para el caso de la laguna aireada y el wetland, este costo se redujo
a la mitad ($1.380.000 por año) producto de la menor atención que requieren
estos sistemas por parte de los operadores.
*DVWRV $GPLQLVWUDWLYRV Incluye los costos del material propio del
funcionamiento administrativo de la planta (artículos de oficina, calefacción, etc.)
Se considera un monto global de $1.500.000 anuales, igual para todos los tipos
de tratamiento.
&DSDFLWDFLyQ\DGLHVWUDPLHQWRGHOSHUVRQDOSe considera un monto global de
$500.000 anuales para aireación extendida y biodiscos. Para laguna aireada y
wetland este costo se redujo a la mitad producto de la simplificación de los
procesos de tratamiento.
9DULRV Este ítem incluye elementos tales como vestuario del plantero,
herramientas, bencina, etc. Se considera un monto global de $500.000 anuales,
igual para todos los tipos de tratamiento analizados.
(QHUJtD(OpFWULFDLos costos por energía eléctrica vienen dados de acuerdo al
consumo que presentan los equipos, considerando un costo de 60[$/KWh]. Se
han estimado los costos por energía eléctrica de acuerdo al siguiente
equipamiento:
Aireación extendida: Bombas pozo de impulsión, soplador (aire tanto para
tanque de aireación como para digestión aeróbica lodos), bombas de lodos,
bomba dosificadora de cloro e iluminación del recinto.
Capítulo VIII
Evaluación Económica
Biodiscos: Bombas pozo de impulsión, filtro rotatorio, biodisco, digestor de lodos
mecánico superficial, bombas de lodos, bomba dosificadora de cloro e
iluminación del recinto.
Laguna Aireada: Aireadores mecánicos superficiales (consumo energético por
flujo unitario estimado en 0.5 [KWh/m3]), bomba dosificadora de cloro e
iluminación del recinto.
Wetland: No posee mayores equipos, se considera sólo bomba dosificadora de
cloro e iluminación del recinto.
'HVLQIHFFLyQ Se considera una dosis media de hipoclorito de 4[mg/l]. Los
bidones disponibles comercialmente son de 50[lt] con un contenido de cloro de
100[gr/l], con un costo aproximado de $4.000 por bidón. Con estos datos más el
caudal del año en cuestión es posible calcular el costo anual de la desinfección.
/RGRVPor concepto de transporte y disposición final de los lodos se considera
un costo de $2500 por m³, salvo para el caso del wetland en donde no se
produce lodo como subproducto. No se consideró la eventual posibilidad de
obtener un beneficio económico por la venta de lodos estabilizados (biosólidos),
situación que se podría producir si se verifica la buena calidad de los lodos o la
incorporación de un tratamiento adicional (como por ejemplo compostaje) en la
línea de lodos.
$QiOLVLV GH /DERUDWRULR Adicionalmente a los costos de operación antes
mencionados, se debiese considerar el costo de muestreos rutinarios y análisis
de laboratorio de dichas muestras.
•
&RVWRVGH0DQWHQLPLHQWR
Los costos anuales totales de mantenimiento se consideran de la siguiente
manera:
0DQWHQLPLHQWR GH OD 2EUD &LYLO 0.5% del costo de inversión de las obras
proyectadas.
0DQWHQLPLHQWRGHORVHTXLSRV2% del costo de inversión de los equipos.
Los detalles tanto de costos de operación como de mantenimiento pueden ser
consultados en el Anexo Evaluación Económica.
5HVXOWDGRV(YDOXDFLyQ(FRQyPLFD
Una vez identificadas las inversiones, costos e ingresos asociados al
tratamiento, es posible realizar la factibilidad económica de los sistemas de
tratamiento mediante la elaboración de los flujos de caja correspondientes. Los
Capítulo VIII
Evaluación Económica
proyectos se han evaluado a precios privados para una vida útil de 20 años, con
una tasa de descuento del 10%.
Recordemos que el costo unitario [$/m³] es el valor de la tarifa por tratamiento
(pesos por m³ de agua servida tratada) tal que el VAN del proyecto se hace nulo.
Es decir, es la tarifa para la cual los ingresos actualizados se hacen iguales a los
costos actualizados (proyecto sin fines de lucro). El costo mensual por habitante
corresponde al valor que deberá pagar cada persona a fin de mes por concepto
de tratamiento de agua servida, calculado en base a una dotación media de
150[l/hab-d] y un coeficiente de recuperación de 0.85.
Cabe señalar que las localidades pertenecientes al Programa de Agua Potable
Rural están exentas de impuestos, tanto de IVA como de impuesto a las
utilidades, por lo que no se consideran los impuestos en el flujo de caja. De esta
manera, el tema de las depreciaciones se simplifica ya que no tiene sentido
considerar depreciaciones si en el flujo de caja no se consideran los impuestos.
Con respecto al ítem Ganancias/Pérdidas de Capital en el flujo de caja, éste ha
sido despreciado ya que se considera que el valor de reventa (valor económico)
de las inversiones fijas es igual al valor libro (valor contable) al momento de
liquidar la inversión [23].
Con respecto a los ítems Capital de trabajo y Recuperación del Capital de
Trabajo, también se desprecian puesto que la valoración de los recursos
monetarios y físicos que requiere el proyecto para mantenerse en
funcionamiento son muy escasos o más bien nulos. Se supone que no existe
desfase entre los pagos de costos y los flujos de ingresos.
Para el ítem valor residual se ha considerado el valor residual del terreno, puesto
que éste no se deprecia. Se ha verificado eso sí, que la incidencia de este ítem
en la tarifa es despreciable, del orden de 1[$/m3].
Los resultados obtenidos de los flujos de caja, cuyos detalles se pueden ver en
el Anexo Evaluación Económica, son los que se muestran en la Tabla 8.7.
7DEOD
5HVXOWDGRV)OXMRGH&DMD
&DXGDO
&RVWR
&RVWR
3REODFLyQ
'H
8QLWDULR
0HQVXDOSRU
6LVWHPD
GLVHxR
'LVHxR 7UDWDPLHQWR
+DELWDQWH
>KDE@
>OV@
>Pñ@
>KDEPHV@
Aireación Extendida
4066
6
161
616
Biodiscos
4066
6
206
788
Laguna Aireada
4066
6
112
429
Wetland
2968
4.38
302
1155
)XHQWH Elaboración propia (2003)
Capítulo VIII
Evaluación Económica
$QiOLVLVGH6HQVLELOLGDG
Respecto de la sensibilidad de la rentabilidad frente a variaciones de aquellas
variables más relevantes, se concluyó que dadas las cifras de inversión
requeridas por los proyectos, dicha variable resulta ser la inversión, de modo que
se analizó el comportamiento del costo unitario (VAN=0) frente a variaciones de
ésta, cuyos resultados se muestran en la Tabla 8.8. Adicionalmente se muestra,
en la misma tabla, el costo mensual que representa cada tipo de tratamiento por
habitante. Las poblaciones de diseño (o su equivalente en caudal de diseño)
son las mismas que las presentadas en la Tabla 8.7.
7DEOD$QiOLVLVGH6HQVLELOLGDG&RVWRV
/DJXQD
:HWODQG
9DULDFLyQ $LU([W %LRGLVFRV $LUHDGD
,QYHUVLyQ
>
>
>
>
>
>
>
>
>@
KDE
KDE
KDE
KDE
P@
P@
P@
P@
PHV@
PHV@
PHV@
PHV@
+50
201 769 270 1033 137 524 431 1648
+25
181 692 238 910 124 474 366 1400
+10
169 646 219 838 117 448 328 1255
0
161 616 206 788 112 429 302 1155
-10
153 585 193 738 107 409 276 1056
-25
141 539 173 662 100 383 237
907
-50
121 463 141 539
87
333 172
658
)XHQWH Elaboración propia (2003)
La comparación debe efectuarse considerando la variación de inversión que el
interesado estime más conveniente para cada tipo de tratamiento con respecto a
los valores presentados en la Tabla 8.3, además teniendo en cuenta que el
Wetland está diseñado para una población menor que el resto de las
tecnologías.
Dado que el financiamiento de las inversiones, en el caso de las localidades
consideradas APR’s, no es realizado generalmente por la comunidad, sino más
bien por fondos provenientes del Gobierno de Chile, conviene resaltar entonces
el costo unitario del tratamiento [$/m³] suponiendo una inversión nula, es decir
suponiendo que las inversiones fueron un regalo para la comunidad, pero que se
deben cubrir los gastos de O&M. Bajo este escenario, los costos unitarios son
los que se muestran en la Tabla 8.9, de donde se desprende que los costos de
O&M de la laguna aireada y del wetland son prácticamente la mitad que los de
aireación extendida y biodiscos. Nuevamente se presentan, en la misma tabla,
los costos mensuales por habitante.
7DEOD&RVWRVVLQ&RQVLGHUDU,QYHUVLyQ
&RVWRXQLWDULR>P@
9DULDFLyQ,QYHUVLyQ>@
$LU([W %LRGLVFRV /DJXQD$LUHDGD :HWODQG
-100
85
84
63
41
9DULDFLyQ,QYHUVLyQ>@
&RVWR0HQVXDOSRU+DELWDQWH>KDEPHV@
Capítulo VIII
Evaluación Económica
$LU([W %LRGLVFRV /DJXQD$LUHDGD :HWODQG
-100
325
321
241
157
)XHQWH Elaboración propia (2003)
Bajo este escenario los sistemas de Lagunas Aireadas y Wetland evidentemente
presentan ventajas por sobre los otros.
&RPSDUDFLyQFRQ%LRILOWUDFLyQ5KL]RILOWUDFLyQ\/RPEULILOWUDFLyQ
En el trabajo realizado por Santibáñez (2002) se evaluaron las tecnologías no
convencionales de Biofiltración + Rhizofiltración y Lombrifiltración. La evaluación
económica realizada por Santibañez considera un flujo de caja a 10 años plazo y
con impuesto a las utilidades de un 15%, ambos factores elevan el costo del
tratamiento con respecto a la metodología utilizada en este trabajo en que el
horizonte es a 20 años y no se consideran impuestos. Los criterios utilizados
varían dependiendo del objetivo que se persiga: en el trabajo de Santibañez la
evaluación es privada desde el punto de vista de la empresa Aguas Andinas
S.A., en cambio, en este trabajo el período de previsión es el utilizado en las
recomendaciones de Mideplan y la tasa de impuesto cero corresponde a la
realidad de los Comité de Agua Potable Rural que están exentos de impuestos.
De manera de poder hacer comparables las tecnologías, se evaluaron las
tecnologías no convencionales con un horizonte de 20 años y considerando una
tasa nula de impuestos, utilizando los datos de los flujos de caja presentados por
Santibañez. Los resultados se muestran en la Tabla 8.10.
7DEOD&RVWR8QLWDULR$OWHUQDWLYDV7UDWDPLHQWR
6LVWHPD
3REODFLyQ &RVWR
GLVHxR
8QLWDULR
>KDE@
>Pñ@
4066
Aireación Extendida
4066
Biodiscos
4066
Laguna Aireada
2968
Wetland
565
Biofiltración + Rhizofiltración
565
Lombrifiltro
)XHQWH Elaboración propia (2003)
161
206
112
302
416
237
&RVWR0HQVXDO
SRU+DELWDQWH
>KDEPHV@
616
788
429
1155
1591
907
Se puede notar, de la tabla anterior y de los resultados presentados por
Santibáñez, que al hacer comparables las metodologías, el costo unitario del
tratamiento para la Biofiltración bajó de 588[$/m³] a 416[$/m³] para el nivel de
inversión base, en tanto que para la lombrifiltración bajó de 329[$/m³] a
237[$/m³].
De lo anterior se desprende que la tecnología más conveniente sería la de
Lagunas Aireadas, en tanto que la más desfavorable sería la de Biofiltración +
Rhizofiltración. La lombrifiltración parece ser atractiva, sin embargo, según lo
Capítulo VIII
Evaluación Económica
anticipado por Santibáñez, quizás no sería rentable, al igual que la Biofiltración +
Rhizofiltración, para caudales mayores que 1[l/s].
El resultado del análisis de sensibilidad de las alternativas, incluyendo la
información presentada anteriormente en la Tabla 8.8, es el que se muestra en
la Tabla 8.11.
7DEOD
&RVWR8QLWDULR&RPSDUDEOH$OWHUQDWLYDV7UDWDPLHQWR
/DJXQD
$LU([W %LRGLVFRV
:HWODQG
%5
$LUHDGD
9DULDFLyQ
,QYHUVLyQ
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>@
KDE
KDE
KDE
KDE
KDE
P@
P@
P@
P@
P@
PHV@
PHV@
PHV@
PHV@
PHV@
+50
201 769 270 1033 137
524 431 1648 584 2233
+25
181 692 238 910 124
474 366 1400 500 1913
+10
169 646 219 838 117
448 328 1255 450 1721
0
161 616 206 788 112
429 302 1155 416 1591
-10
153 585 193 738 107
409 276 1056 382 1461
-25
141 539 173 662 100
383 237
907
332 1270
-50
121 463 141 539
87
333 172
658
249 952
*Biofiltración + Rhizofiltración
)XHQWH Elaboración propia (2003)
/RPEU
>
>
KDE
P@
PHV@
328 1255
283 1082
256 979
237 907
219 838
192 734
147 562
Si lo que interesa es nada más que el autofinanciamiento del tratamiento,
considerando la inversión como un regalo hacia la comunidad (inversión nula en
el flujo de caja), los costos unitarios son los que se presentan en la Tabla 8.12.
7DEOD
&RVWRV&RPSDUDEOHVVLQ&RQVLGHUDU,QYHUVLyQ
&RVWRXQLWDULR>P@
9DULDFLyQ
,QYHUVLyQ>@ $LU([W %LRGLVFRV /DJXQD$LUHDGD :HWODQG %5 /RPEULI
-100
85
84
63
41
79
55
&RVWR0HQVXDOSRU+DELWDQWH>KDEPHV@
9DULDFLyQ
,QYHUVLyQ>@ $LU([W %LRGLVFRV /DJXQD$LUHDGD :HWODQG %5 /RPEULI
-100
325
321
241
157
302
210
*Biofiltración + Rhizofiltración
)XHQWH Elaboración propia (2003)
Es de vital importancia señalar que la evaluación de las tecnologías de aireación
extendida, biodiscos y laguna aireada se realizaron para plantas de tratamiento
con caudales de diseño de 6[l/s], en tanto que la tecnología wetland se evaluó
para un caudal de diseño de 4.38[l/s] y las tecnologías no convencionales se
evaluaron por Santibáñez para un caudal de diseño de 1[l/s]. Los resultados
pueden variar dependiendo del tamaño de planta que se considere, de manera
que estos no son directamente aplicables a otros tamaños de planta.
Capítulo VIII
Evaluación Económica
&20(17$5,26<&21&/86,21(6
La utilización del indicador económico VAN en la evaluación señala que para un
proyecto sin fines de lucro (VAN=0), el sistema de aireación extendida significa
un costo unitario de 161[$/m³], el sistema biodiscos significa un costo de
206[$/m³], la laguna aireada 112[$/m³] y el wetland 302[$/m³], para el nivel de
inversiones base.
Al efectuar la comparación con tecnologías no convencionales, el costo unitario
obtenido para la Biofiltración + Rhizofiltración es de 416[$/m³], en tanto que para
el sistema de Lombrifiltro el valor es de 237[$/m³].
Al hacer un análisis de sensibilidad considerando el caso extremo en que no se
toma en cuenta la inversión inicial por considerar que ésta puede ser un regalo
para la comunidad, los costos disminuyen significativamente a 85[$/m³],
84[$/m³], 63[$/m³] 41[$/m³], 79[$/m³] y 55[$/m³] para las tecnologías de aireación
extendida, biodiscos, laguna aireada, wetland, B+R y Lombrifiltración
respectivamente, presentandose una clara ventaja en las tecnologías de lagunas
y wetland con un costo unitario del orden de la mitad del de aireación extendida,
biodiscos y B+R.
Desde el punto de vista económico, dados los antecedentes presentados, la
tecnología de lagunas aireadas pareciese ser la más conveniente para
localidades rurales concentradas, dado que el costo unitario del tratamiento
resulta ser el más bajo de todas las tecnologías en el caso que se considera
nivel de inversión base, y cercano al más bajo (Wetland) para el caso en que se
consideran las inversiones como un regalo para la comunidad. Bajo este último
escenario el Wetland parece ser una alternativa muy conveniente.
Cabe resaltar que la información que se presenta con respecto a los costos
unitarios de tratamiento no debe ser malinterpretada, ya que las poblaciones (o
caudales) de diseño de estos sistemas no son en todos los casos equivalentes, y
no se han homologado producto de la no-linealidad de la información de costos.
Para proyectos de distintas características (población de diseño) puede darse el
caso de que el orden de preferencia por las alternativas no se mantenga. Por
ejemplo, para capacidades mayores que 1[l/s], es posible que el sistema de
Biofiltración + Rhizofiltración resulte más conveniente que la Lombrifiltración
(Santibañez, 2002) y para poblaciones mayores que 3.000 habitantes, es
probable que el sistema wetland sub-superficial se encarezca y su costo unitario
sobrepase por ejemplo a la Biofiltración + Rhizofiltración, etc.
Los costos unitarios mencionados corresponden únicamente a los
correspondientes a Plantas de Tratamiento de Aguas Servidas y no incluyen
costos por alcantarillado dado que el objetivo principal es comparar las
alternativas de tratamiento. Si se quisieran tener valores referenciales para las
tarifas a cobrar por el retiro y tratamiento de las aguas servidas, se debiera
Capítulo VIII
Evaluación Económica
incluir además del costo del tratamiento, el costo unitario por el servicio de
alcantarillado.
&$3,78/2,;
&21&/86,21(6
<
5(&20(1'$&,21(6
&21&/86,21(6<5(&20(1'$&,21(6
Capítulo IX
Conclusiones y Recomendaciones
37$6620(7,'$6$(9$/8$&,Ï1
Las principales conclusiones del estudio de casos son las siguientes.
• El funcionamiento general con respecto a los parámetros DBO5, SST y
NKT, de las P.T.A.S. de aireación extendida y biodiscos evaluadas, es
bueno.
• Se debe poner énfasis en los sistemas de desinfección, ya que el mayor
incumplimiento de la normativa es en Coliformes Fecales. Para ello se
recomienda no utilizar cloro en pastillas, sino más bien cloro líquido.
• Falta capacitación para los operadores, además de mantenimiento
preventivo, seguimiento y asesoría para los sistemas de tratamiento.
• Se debe insistir fuertemente por parte de los Comité de APR en obtener
los recursos económicos, tanto para efectuar capacitación de los
operadores como para poder contratar, de ser necesario, el seguimiento y
asesoría de los sistemas de tratamiento por parte de expertos.
• A pesar de que el rendimiento de las P.T.A.S. convencionales evaluadas
en general es bueno, su operación no es simple, sus costos de O&M no
son bajos, y los recursos económicos de los que se dispone en este tipo
de zonas rurales no hacen posible la contratación de personal calificado
que requieren este tipo de tecnologías.
)8785$637$6
• Las tecnologías de Biofiltración+Rhizofiltración y Lombrifiltración
estudiadas en plantas piloto necesitan cambios en los diseños originales,
producto de problemas en la operación que se han sucitado, por lo que se
recomienda no considerarlos aún como una alternativa adecuada, hasta
contar con mayores antecedentes que lo respalden.
• Se pone en duda la consideración de los sistemas de tratamiento por
medio de biodiscos, para futuras instalaciones, principalmente producto
de las reiteradas fallas mecánicas que se han detectado durante la
evaluación y que significan un problema mayor para los Comité de APR.
• Si bien la alternativa de lodos activados modalidad aireación extendida
podría seguir siendo considerada como una de las alternativas factibles
para pequeñas localidades, se debe tener en cuenta que no es la única,
que tal vez no es la más adecuada y que más vale la pena poner a
prueba las tecnologías naturales que se mencionan a continuación en la
recomendación final. Si se insiste en los lodos activados modalidad
Universidad de Chile
Programa de Magíster en Ciencias de la Ingeniería
Mención Recursos y Medio Ambiente Hídrico
162
Capítulo IX
Conclusiones y Recomendaciones
aireación extendida, el uso de un modelo como el expuesto en el Capitulo
VI puede ser de gran ayuda en el diseño y evaluación de tales sistemas.
5(&20(1'$&,Ï1),1$/
• Se recomienda a las autoridades competentes (MOP), que prefieran los
sistemas naturales (lagunas aireadas y wetlands), siempre y cuando sea
posible, por sobre los convencionales (lodos activados y biodiscos), como
alternativa de tratamiento adecuada para localidades rurales
concentradas. Esto producto de la simplicidad en la operación, los bajos
costos de O&M y la calidad de efluente equivalente que se puede lograr.
Cabe recordar que la O&M serán fundamentales en el éxito de un
proyecto y que el sistema se debe autofinanciar mediante el cobro de una
tarifa a los usuarios.
• Se sugiere entonces, promover e impulsar toda iniciativa que busque
desarrollar e investigar con más profundidad acerca de este tipo de
tratamientos naturales para zonas rurales concentradas en Chile.
Universidad de Chile
Programa de Magíster en Ciencias de la Ingeniería
Mención Recursos y Medio Ambiente Hídrico
163
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