DISENO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE A

DISEÑO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
DOMÉSTICAS TIPO FILTRO ANAEROBIO DE FLUJO ASCENDENTE
(FAFA) CON LENTEJA DE AGUA
SILVIA MARGARETH CARRERA VARGAS
ANA MARIA FLORIAN SANCHEZ
UNIVERSIDAD SURCOLOMBIANA
FACULTAD DE INGNIERÍA
ESPECIALIZACIÓN EN INGENIERÍA AMBIENTAL
NEIVA
2013
1
DISEÑO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
DOMÉSTICAS TIPO FILTRO ANAEROBIO DE FLUJO ASCENDENTE
(FAFA) CON LENTEJA DE AGUA
SILVIA MARGARETH CARRERA VARGAS
ANA MARÍA FLORIÁN SÁNCHEZ
Trabajo de seminario de grado presentado como requisito para optar al
título de Especialista en Ingeniería Ambiental
Director.
Msc. Eduardo Valencia Granada
UNIVERSIDAD SURCOLOMBIANA
FACULTAD DE INGNIERÍA
ESPECIALIZACIÓN EN INGENIERÍA AMBIENTAL
NEIVA
2013
2
Nota de aceptación
________________________________________
________________________________________
________________________________________
________________________________________
________________________________________
________________________________________
_______________________________________
Firma del presidente del jurado
______________________________________
Firma del jurado
______________________________________
Firma del jurado
Neiva, 03 de Mayo de 2013.
3
Dedicatoria
A mi Dios, por la fortaleza y sabiduría, a mi amado esposo, de quien he
recibido todo el apoyo para lograr este triunfo.
Ana María Florián Sánchez
Dedico este logro a Dios quien me ha proveído de salud y fortaleza. A mí
amada familia que con su paciencia, amor y apoyo han hecho que este paso
haya sido más fácil y en especial a mis padres que han sido mis guías y
soportes en no rendirme cuando se presentaban dificultades.
Silvia Margareth Carrera Vargas
4
CONTENIDO
Pág.
INTRODUCCIÓN
11
1.
12
MARCO CONCEPTUAL
1.1 ANTECEDENTES
14
2.
16
METODOLOGÍA
2.1 LOCALIZACIÓN
16
2.2 MÉTODOS
17
3.
RESULTADOS
19
3.1 CALCUALOS BASICOS
19
3.2 DISEÑO CONCEPTUAL
19
3.2.1 Características del afluente
19
3.2.2 Descripción del Sistema
20
3.2.3 Diagrama de unidades y procesos
21
3.2.4 Remoción teóricas esperadas del sistema
21
3.2.5 Características del efluente del sistema.
22
3.3
23
DISEÑO FISICO
3.3.1 Dimensionamiento de las unidades del sistema
23
3.3.2 Aspectos constructivos
27
3.3.3 Presupuesto
18
3.3.4 Manejo de los subproductos del sistema
30
3.3.6 Operación y Mantenimiento de las unidades de la PTAR
31
5
Pág.
3.3.6 Fortaleza Y Debilidades de la Propuesta
33
4.
34
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
BIBLIOGRAFÍA
35
ANEXOS
37
6
LISTA DE TABLAS
Pág
Tabla 1. Composición de las aguas Grises
20
Tabla 2. Caracterización de aguas negras
20
Tabla
3. Remociones Esperadas en la trampa de grasas ( Tratamiento
preliminar aguas Grises)
22
Tabla 4. Remociones Esperadas en el Sedimentador y FAFA
(Tratamiento primario y secundario)
22
Tabla 5. Eficiencia teórica de grasas
22
Tabla 6. Caracterización del efluente (Ef)
22
Tabla 7. Parámetros para el funcionamiento del FAFA
25
Tabla 8. Presupuesto de la PTAR
28
Tabla 9. Manual de operaciones
31
Tabla 10. Manual del mantenimiento
32
Tabla 11. Fortalezas y debilidades de la propuesta
33
7
LISTA DE FIGURAS
Pág
Figura 1 Plántulas de lenteja de agua (Lemna minor)
Figura 2 Mapa del Municipio de Neiva-Huila y
Surcolombiana
12
la Universidad
16
Figura 3 Laguna facultativa de la PTAR El Matadero de Palermo –Huila
17
Figura 4 Muestra Inicial
17
Figura 5 Muestra Final
17
Figura 6 Esquema del sistema propuesto
21
Figura 7 Diagrama de unidades del sistema propuesto
21
Figura 8 Corte longitudinal de la trampa de grasas
24
Figura 9 Corte longitudinal del Sedimentador
25
Figura 10 Corte longitudinal FAFA con lenteja de agua
26
Figura 11 Roseta con hélice para lecho filtrante
27
Figura 12 Reusó de efluente, lodos y Lenteja de agua
31
8
LISTA DE ANEXOS
Pág
Anexo A. Plano trampa de grasas
37
Anexo A. Plano Sedimentador
38
Anexo A. Plano Filtro anaerobio de flujo ascendente con lenteja de
agua
39
9
RESUMEN
Diseño un sistema descentralizado e integrado para aguas residuales
domesticas de viviendas urbanas o rurales de 5 habitantes, separando las
aguas negras de las grises en el tratamiento. El sistema está compuesto por
una trampa de grasas para las aguas grises, como tratamiento preliminar; el
efluente de las aguas grises se une con el afluente de las aguas negras en un
sedimentador y llegan a un filtro anaerobio de flujo ascendente (FAFA) con
lenteja de agua (Lemna minor). Se esperan remociones teóricas de SS (84%),
BOD (79%), G y A (70%), N (40%) y P (30%), que pueden considerarse
buenas, sin embargo, se considera deficiente para CF con un 97%. La calidad
del efluente permite su reusó, para riego de cultivos ornamentales.
Palabras clave: Aguas residuales, Filtro anaerobio de flujo ascendente,
Lenteja de agua.
ABSTRACT
Design of a decentralized and integrated system for domestic wastewater of
urban or rural dwellings of 5 habitants, separating the wastewater from the gray
water in the treatment. The system comprises a grease trap gray water as
preliminary treatment, the gray water effluent is joined with the influent sewage
in a settler and reach an upflow anaerobic filter (AFAF) with lentil of water
(Lemna minor). Theoretical expected SS removal (84%), BOD (79%), F and O
(70%), N (40%) and P (30%), which can be considered good, however, is
considered deficient FC with 97%. The effluent quality allows reused for
irrigation of ornamental crops.
Key Words: Wastewater, Anaerobic filter of ascending flow, Duckweed.
10
INTRODUCCIÓN
El incremento de la población en zonas rurales y urbanas ha forjado el
agotamiento de los recursos naturales y el aumento de la contaminación
hídrica, generada por las descargas de aguas residuales provenientes de los
alcantarillados. Según el Plan de Manejo de Aguas Residuales Municipales
(Ministerio de Ambiente y Vivienda.2004):
Colombia no ha estado atrás en las gestiones relacionadas con el
control de la contaminación hídrica, y se han adelantado a nivel
nacional diferentes esfuerzos para reducir los impactos ambientales.
Sin embargo, estos han resultado insuficientes, y se evidencia
prioritario evaluar las diferentes alternativas institucionales, financieras,
normativas y técnicas, que coordinen una gestión unificada, y permitan
alcanzar metas razonables en el mediano y largo plazo.
Bajo el enfoque anterior, los sistemas de tratamiento de aguas residuales
convencionales son de alto costo e insuficientes para el incremento de la
población urbana; además en el sector rural la cobertura de alcantarillado y
sistemas de tratamiento es aun más baja. Es por esto necesario tomar
acciones particulares, donde cada vivienda tanto urbana como rural intervenga
en la depuración de la contaminación hídrica que generan. Por lo que este
estudio propone un sistema descentralizado integrado sostenible, funcional y
adecuado, para viviendas de 5 personas, el cual es el encargado de recolectar
y tratar de una manera sencilla y ecológica las aguas residuales. Este sistema
cuenta con varios procesos desde el mismo alcantarillado donde se dividen las
aguas negras de las grises, se realiza un tratamiento primario y posteriormente
pasan a un filtro anaerobio de flujo ascendente (FAFA) encargado de reducir la
materia orgánica disuelta, cuenta con una cobertura de la planta acuática:
lenteja de agua, ella es la encargada de depurar especialmente en las aguas
residuales el amonio, nitrato y metales.
El efluente del sistema, se propone utilizar en tareas de jardinería, logrando
con esto la disminución del consumo de agua potable y por ende se
conservaría el recurso hídrico y bajarían los costos en el tratamiento de la
misma.
11
1. MARCO CONCEPTUAL
Las plantas acuáticas, también denominadas macrófitos acuáticos o hidrófitos,
no son organismos especialmente atractivos porque, en general, carecen de
flores llamativas, son poco vistosos, no sirven de alimento, y necesitan estar en
el agua para poder vivir, donde permanecen enraizados al sustrato o flotando
libremente. Se distinguen tres tipos biológicos: Macrófitos flotantes. Aquellos
que no se encuentran adheridos al substrato, como el jacinto de agua
(Eichhornia crassipes), o la lenteja de agua (Lemna minor). Macrófitos
enraizados-flotantes. Aquellos que se mantienen enraizados al sustrato y
tienen hojas, que pueden ser de gran tamaño, que flotan en la superficie, como
los nenúfares (Nuphar luteum y Nymphea alba). Macrófitos sumergidos.
Aquellas especies enraizadas que tienen todas sus estructuras sumergidas
dentro del agua, como las especies del género Zannichellia, o a lo sumo con
flores o inflorescencias emergentes, como las espigas de agua (Potamogeton
lucens). (García y otros, 2009)
Los tratamientos de aguas residuales que involucran macrófitas flotantes han
demostrado ser eficientes en la remediación de aguas con contenido de
nutrientes, materia orgánica y sustancias toxicas arsénico, zinc, cadmio, cobre,
plomo, cromo y mercurio. Su importancia radica en su aptitud para ser
empleados en núcleos rurales debido a su bajo consumo de energía
convencional y la practicidad en el montaje y operación de los sistemas de
tratamiento. (Martelo y Lara, 2012)
La lenteja de agua (Lemna minor), comprende un grupo de pequeñas plantas
acuáticas de rápido crecimiento, que se caracterizan por formar extensos
mantos sobre cuerpos de agua con movimiento lentico. El contenido de
proteína que se reporta oscila entre 13-41%, y depende del contenido de
nitrógeno en el medio en el cual se desarrolla. Tiene preferencia por el
consumo de amonio sobre el nitrato, y oscila una variedad de metales, razón
por la cual se ha utilizado para el tratamiento de guas negras con excelentes
resultados. La figura 1 muestra plántulas de lentejas de agua.
Figura 1. Plantulas de lenteja de agua (Lemna minor). Fuente: García y
otros, 2009.
La familia Lemnaceae comprende un grupo de pequeñas plantas acuáticas
vasculares monocotiledóneas que flotan libremente sobre la superficie del
agua, crecen en colonias y frecuentemente desarrollan densos y uniformes
12
mantos, de unos milímetros a algunos centímetros de grosor, en charcas,
lagos, lagunas y cuerpos de agua con movimiento léntico. Son las más
reducidas y simples de todas las plantas con flores, tienen una morfología
relativamente sencilla, no tienen tallo ni hoja verdadera, consisten de una o
algunas frondas planas de forma ovoide que rara vez, dependiendo de la
especie, exceden 12 mm de longitud; la fronda es una fusión de hojas y tallos,
esto representa la máxima reducción de una planta vascular entera; cada
fronda puede o no presentar raíces, que en condiciones de bajas disponibilidad
de nutrientes, pueden variar de unos milímetros a algunos centímetros; estas
plantas raramente florean. (Zetina Córdoba y otros, 2010).
El amonio es uno de los mayores constituyentes de las aguas negras
domésticas, las concentraciones oscilan entre 10 a 50mg de N amoniacal total
l-1, pero puede ser tan alto como 200mg de N amoniacal total l-1, sobre todo en
aguas negras de las industrias. El consumo de amonio es importante en las
aguas negras, debido a que este aumenta la eutrofización y puede resultar en
la formación de nitratos, que se filtran a las aguas subterráneas. Debido a su
alto consumo de nutrientes, esta planta es capaz de tolerar los altos niveles de
nutrientes comúnmente encontrados en las aguas negras provenientes del uso
doméstico y de explotaciones ganaderas. Los mantos formados por esta familia
soportan una mezcla de población microbial de cianobacterias diazotróficas y
bacterias heterotróficas, las cuales son capaces de fijar N2, en condiciones de
oscuridad o luz; al menos 15 o 20% del N2 requerido por las plantas para
crecimiento puede ser provisto a través de estas asociaciones. (Zetina Córdoba
y otros, 2010).
Actualmente, el problema medioambiental derivado del vertido de las aguas
residuales ha suscitado un creciente interés tanto científico como legal. Las
autoridades gubernamentales a nivel mundial han endurecido las normativas
que exigen el tratamiento de dichas aguas y los límites de vertido. Este hecho,
ha obligado a varios sectores empresariales a optimizar los procesos de
tratamiento de aguas, para así cumplir con lo estipulado en las normativas.
(Murillo, 2011)
En las tecnologías de tratamiento de aguas residuales por sistemas biológicos
son los microorganismos que, una vez en contacto con el agua residual, actúan
para remover los contaminantes presentes en ella. La variedad de
microorganismos desarrollada en dicha agua depende de la contaminación y
carga que ésta posea, así como de las condiciones dadas para su desarrollo,
de ser éstas las apropiadas, más eficiente será la remoción de contaminantes.
En los filtros anaerobios de flujo ascendente (FAFA) existe un medio filtrante al
cual se adhieren los organismos anaeróbicos responsables de consumir una
buena parte de la materia orgánica, cuando entran en contacto con el agua que
asciende lentamente. Es así como esta película de material biológico que se
forma alrededor del medio filtrante es la encargada de darle el tratamiento final
a las aguas residuales. Conforme pase el tiempo, dicha película aumentará de
espesor, y por ende los intersticios libres por los que circula el agua
presentarán una disminución gradual de tamaño. De manera general, las aguas
13
residuales se alimentan al reactor a través de un falso fondo por donde el flujo
se distribuye uniformemente, luego éstas circulan sobre o a través de la masa
de sólidos biológicos suspendidos (o cerca al estado coloidal) contenidos
dentro del sistema por el medio fijo de soporte. Los microorganismos se
adhieren a la superficie del medio en forma de fina biopelícula, o bien se
agrupan en forma de una masa de lodo floculado o granulado dentro de los
intersticios del medio. La materia orgánica soluble que pasa a través del filtro,
se difunde dentro de las superficies de los sólidos adheridos o floculados,
donde se realiza el proceso de degradación anaerobia (Murillo, 2011)
1.1 ANTECEDENTES
La efectividad de las macrófitas como sistema de depuración de aguas
cargadas con nutrientes ha sido estudiada por varios investigadores. Dentro de
los estudios realizados en el departamento del Huila con plantas acuáticas se
encuentra el proyecto realizado por Ferro (2008), donde propuso diseñar un
sistema de tratamiento para las aguas residuales de la Institución Educativa
Guacirco que consistió en un tratamiento preliminar conformado por una rejilla
y un desarenador, un tratamiento primario con dos Albercas biológicas
sembradas con buchón de agua y unas escaleras de oxigenación, un
tratamiento secundario con tres albercas biológicas, dos de ellas con lenteja de
agua y una con buchón de agua, y un tratamiento terciario que consta de
cuatro filtros biológicos con papiro. La eficiencia teórica de remoción del
sistema, dio como resultado 91% de DBO, 88% de SS, 99.99 % de CF, 73% de
N y 64% P, las cuales pueden considerarse altas
Por otro lado, Pinzón y Vélez (2008), emplearon una alberca biológica que está
en operación en la finca la Choza, vereda el Porvenir del Municipio de Pitalito
en el departamento del Huila. El sistema está compuesto de tres
compartimentos iguales de 1m de ancho, 1m de largo y 0.70m de profundidad;
los dos primeros compartimentos están sembrados con una planta acuática
(Eichhornia crassipes) y el tercero es un filtro de arena de flujo descendenteascendente. Para la evaluación se tomaron tres muestras del afluente y
efluente del sistema, y se analizaron en el laboratorio de aguas de la
Universidad Surcolombiana los siguientes parámetros: Temperatura, pH, ST,
SS, DBO, DQO, CE, Fosfatos, Grasas y Aceites. Después de realizada la
evaluación se lograron remociones de: DBO= 36%, DQO= 33%, SS= 48%, ST=
62%, Fosfatos= 89%, Grasas y Aceites= 73% inferiores a las eficiencias
teóricas esperadas y apenas aceptables como sistema de tratamiento de aguas
residuales.
Bedoya y Muñoz (2012), diseñaron un Sistema descentralizado integrado y
sostenible para el tratamiento de las aguas residuales empleando tres especies
de plantas acuáticas: lentejas de agua (Lemma sp), Jacinto acuático
(Eichhornia crassipes) y lechuga de agua (Pistia stratiotes). El sistema incluye
tratamiento preliminar con trampa de grasas, un tratamiento primario con
sedimentador de alta tasa con lenteja de agua y material plástico a lo largo de
14
la columna de agua; un tratamiento secundario el cual contiene una alberca
biológica sembrada con Jacinto de agua, un canal con lechuga de agua, un
tanque microbiológico y unas escaleras de oxigenación.
Osorio y Vásquez (2007), con el propósito de degradar la materia orgánica de
un agua residual sintética construyeron un sistema piloto compuesto de dos
unidades en serie de filtros anaerobios de flujo ascendente (FAFAs) y tres
humedales artificiales de flujo superficial (HASFF) con diferentes medios
(Grava, arena) arreglados en paralelo. El trabajo se enfoco en evaluar el
impacto de los incrementos de carga orgánica volumétrica en la eficiencia de
las FAFAs.
Vargas y Silva (2013), para el estudio del uso de trozos de guadua (Angustifolia
kunth) como lecho filtrante de FAFAs en sistemas de tratamiento de aguas
residuales para zonas rurales, el laboratorio de Construcciones de la Facultad
de Ingeniería de la Universidad Surcolombiana, se determinaron los siguientes
características físicas: peso específico, contenido de humedad, porosidad y
area específica de contacto de anillos y semicírculos de guadua de 1,2,3,4,5 y
10cm de longitud; posteriormente en la granja experimental de la Universidad
Surcolombiana, en un prototipo de sistema de tratamiento de aguas residuales
compuesto por pretratamiento y FAFAs, se evaluaron eficiencias de remoción
del lecho seleccionado en términos de DBO, SS y CF.
15
2. METODOLOGÍA
2.1 LOCALIZACIÓN
El estudio se realizó en la Facultad de Ingeniería de la Universidad
Surcolombiana, ubicada en Neiva departamento del Huila, pero su ámbito de
aplicación es el departamento del Huila. La ciudad de Neiva se encuentra
ubicada en las cordenadas 2°59′55″N 75°18′16″O, su extensión territorial de
1533 km², su altura de 442 metros sobre el nivel del mar y su temperatura
promedio de 32°C. (Figura 2)
Figura 2. Mapa del Municipio de Neiva-Huila y la
Universidad Surcolombiana. Fuente: Neiva Huila
Colombia.
Mapas
Neiva.
[En
línea].
<http://colombianeivahuila.blogspot.com/2011/07/mapa
s-neiva.html> [Citado en 16 de marzo de 2013].
16
2.2. METODOS.
Fase 1. Consecución de la lenteja de agua.
Etapa 1: Toma de la muestra. De una de las lagunas facultativas de la planta
de tratamiento de aguas residuales El Matadero del municipio de Palermo, se
tomó una muestra de lenteja de agua, en un recipiente de 30cm x 22cm con
agua de la misma laguna. La figura 3 muestra la laguna donde se tomó la
muestra.
Figura 3. Laguna Facultativa de la PTAR El Matadero Palermo-Huila
Etapa 2: Desarrollo de la lenteja de agua. La muestra recolectada fue colocada
en una vivienda de la ciudad de Neiva, en un sitio donde recibía luz solar
durante las mañanas; con el fin de reproducirla.
La figuras 4 y 5 muestra el estado inicial y final de la muestra.
Figura 4. Muestra Inicial
Figura 5. Muestra final.
Fase 2. Revisión de documentos
Etapa 1: Documentación. Se realizó una revisión de documentos relacionados
con temas de sistemas descentralizados integrados y sostenibles para aguas
residuales, plantas acuáticas, aguas residuales y plantas de tratamiento de
aguas residuales domésticas con plantas acuáticas. Esta información se obtuvo
en libros, revistas, trabajos de grado, tesis de la Facultad de Ingeniería y la
biblioteca de la Universidad Surcolombiana, al igual que artículos científicos
publicados en Internet.
17
Etapa 2: Análisis de la información. Se realizó el análisis de la información
recolectada, se sistematizó; información que sirvió de base para la elaboración
de la propuesta.
Fase 3. Cálculos básicos.
Etapa 1. Se realizaron los cálculos de población y caudales para la propuesta.
Fase 4. Diseño conceptual.
Etapa 1. Caracterización de afluente. Se realizó con base a la composición
típica de aguas residuales domesticas no tratadas de concentración media de
Metcalf-Eddy (1998).
Etapa 2. Descripción del sistema. Donde se presenta cada una de las unidades
del sistema y un esquema general del mismo.
Etapa 3. Diagrama de procesos y unidades. Se elaboró un esquema que
presenta las unidades y sus respectivos procesos que se realizan
Etapa 4. Remociones teóricas esperadas del sistema. Mediante la elaboración
de un cuadro donde se presenta las remociones esperadas de la unidades del
sistema y otro donde se presenta las remociones totales del sistema.
Etapa 5. Caracterización del efluente. Donde se muestra las concentraciones
teóricas esperadas de contaminantes en el efluente del sistema.
Fase 5. Diseño físico
Etapa 1. Dimensionamiento de las unidades del sistema.
Etapa 2. Aspectos constructivos. Donde se presentan los materiales con que se
pretende construir cada una de las unidades.
Etapa 3. Presupuesto.
Etapa 4. Planos. Se elaboró una planta y un corte trasversal de cada una de las
unidades.
Etapa 5. Manejo de los subproductos del sistema.
Etapa 6. Operación y mantenimiento del sistema.
Etapa 7. Fortalezas de la propuesta.
18
3. RESULTADOS
3.1 CÁLCULOS BÁSICOS
3.1.1 Población beneficiaria (P)
La población objeto de esta propuesta, son las viviendas rurales y urbanas en
las cuales por el crecimiento de la población no están conectadas al sistema
de alcantarillado. La capacidad máxima es de cinco (5) personas por vivienda
P= 5 Habitantes.
3.1.2 Dotación y caudal
Para el cálculo de caudal se empleó la siguiente fórmula:
D= Dotación
CR= Coeficiente de retorno
QAR= Caudal agua residual
De acuerdo al RAS 2000 titulo B y D, se asume una dotación con un nivel de
complejidad del sistema medio y un coeficiente de retorno de 0.8
D= 175 L(hab-d)-1
CR= 0,8
QAR= 5 hab X 175 L.hab-1.d-1 X 0,8
QAR= 700 L.d-1
3.2 DISEÑO CONCEPTUAL
3.2.1 Características del afluente.
Para la caracterización de las aguas negras se tuvo en cuenta las
concentraciones reportadas por Metcalf y Eddy (1998), para aguas residuales
de concentración media. Para la caracterización de las aguas grises, se
tomaron valores reportados por la Organización Wash, Escuela de Honduras.
Las tablas 1 y 2, resumen las características de los afluentes.
19
Tabla 1. Composición de las Aguas Grises
PARÁMETRO
SS
DBO5
GyA
N Total
P Total
CF
UNIDADES
mg.L-1
mg.L-1
mg.L-1
mg.L-1
mg.L-1
UFC.100 mL-1
VALOR
190
170
100
12
12
105
Fuente:Quantification and Characterization. Organización Wash en Escuelas. Agua,
Saneamiento e Higiene en las Escuelas, una Prioridad para el Desarrollo de la Niñez.
[En línea]. <http://www.washenescuela.org/phocadownload/instalaciones-de-agua/10geywater-in-schools/5-greywater-quantification-2.pdf> [Citado en 04 de abril de 2013]
Tabla 1. Caracterización de las agua negras
PARAMETRO
DBO5
SS
GyA
N
P
CF
UNIDADES
mg.L-1
mg.L-1
mg.L-1
mg.L-1
mg.L-1
UFC.100 mL-1
VALOR
220
220
5
40
12
109
Fuente: Metcalf y Eddy, 1998
3.2.2 Descripción del sistema
Es un sistema descentralizado, integrado y sostenible, empleando como
Tratamiento Secundario un filtro anaerobio de flujo ascendente (FAFA) con
lentejas de agua (Lemma minor).
Las aguas grises (lavaplatos, lavamanos, lavadero y ducha) provenientes de la
vivienda pasan inicialmente por una trampa de grasas que cumple la función de
atrapar grasas, aceites y detergentes. Las aguas negras ingresan a un
sedimentador y se mezclan con el efluente de la trampa de grasas, el cual tiene
como objetivo principal la remoción de los sólidos suspendidos (SS).
Finalmente, el efluente del sedimentador pasa a un filtro anaerobio de flujo
ascendente (FAFA) el cual tiene en la superficie una capa de lentejas de agua
(Lemma minor), aumentando la remoción de la demanda bioquímica de
oxigeno (DBO) y adicionalmente removiendo Nitrógeno (N), fosforo (P) y
coliformes fecales (CF). El efluente del Sistema se reutilizará para riego de los
jardines de la vivienda. La figura 6 ilustra el esquema de sistema propuesto.
20
Figura 6. Esquema del sistema propuesto
3.2.3 Diagrama de Unidades y Procesos
La figura 7, ilustra cada una de las unidades propuestas y los procesos
principales y secundarios que se espera ocurran en cada uno de ellas.
Figura 7. Diagrama de unidades del sistema propuesto.
3.2.4 Remoción teóricas esperadas del sistema.
La tabla 3 presenta las remociones teóricas esperadas en la trampa de grasas
y la tabla 4 las remociones teóricas en el sedimentador y en el FAFA. En la
tabla 5 muestra las remociones teóricas del sistema de cada parámetro.
21
Tabla 3. Remociones esperadas en la trampa de grasas (tratamiento preliminar
aguas grises)
UNIDAD
Trampa
Grasas
DBO
SST
GyA
N
(mg.L )
(mg.L )
(mg.L )
(mg.L )
-1
PARAMETRO
-1
-1
P
-1
CF
-1
(mg.L )
-1
(UFC.100 ml )
Af
%
Ef
Af
%
Ef
Af
%
Ef
Af
%
Ef
Af
%
Ef
Af
%
Ef
170
0
170
190
0
190
100
70
30
12
0
12 12
0
12
1^5
0
1^5
Tabla 4. Remociones esperadas en el sedimentador y FAFA (Tratamiento
primario y secundario).
DBO
PARAMETRO
SST
(mg.L-1)
GyA
(mg.L-1)
N
(mg.L-1)
P
(mg.L-1)
CF
(mg.L-1)
(UFC.100 ml-1)
UNIDAD
Af
%
Ef
Af
%
Ef
Af
%
Ef
Af
%
Ef
Af
%
Ef
Af
%
Ef
Sedimentador
188
30
131
201
60
80
21
0
21
22
0
22
11
0
11
4^7
90
4^6
FAFA con
lenteja de agua
131
70
39
80
60
32
21
0
21
22
40
13
11
30
7
4^6
70
1^6
Tabla 5. Eficiencia teórica del sistema.
PARÁMETRO
UNIDADES
Af
Ef
% REMOCIÓN
DBO
SS
GyA
N
P
CF
mg.L-1
mg.L-1
mg.L-1
mg.L-1
mg.L-1
UFC.100ml-1
188
201
100
22
11
4,E+07
39
32
21
13
7
1E+06
79
84
79
40
30
99
3.2.5 Características del efluente del sistema. La tabla 6, presenta los valores
de los parámetros en el efluente del sistema
Tabla 6. Características del efluente (Ef)
PARÁMETRO
UNIDADES
mg.L-1
DBO
mg.L-1
SS
mg.L-1
GyA
mg.L-1
N
mg.L-1
P
CF
UFC.100ml-1
VALOR
39
32
21
13
7
1^6
De acuerdo a los resultados las eficiencias de remoción de DBO; SS y G y A,
se pueden considerar buenas, de N y P apenas aceptable y de CF baja. Sin
embargo la calidad del efluente es tal que se puede reutilizar para riego de
jardines, teniendo los cuidados del caso por su riesgo microbiológico.
22
3.3 DISEÑO FÍSICO
3.3.1 Dimensionamiento de las unidades del sistema
Para el diseño de las unidades del sistema, se tuvieron en cuenta los
siguientes criterios: un sistema no convencional, de bajo costo, fácil operación
y mantenimiento y estéticamente.
a)
Trampa de grasas (Tratamiento preliminar)
Parámetro: TRH> 5 min, según el RAS 2000. Se proponen dimensiones (por
construcción) y se chequea el TRH
Dimensiones:
L= 0,4m; a = 0,4m; h= 0,4m (Borde libre 0,05m y espesor 0,1m)
Cálculo del Volumen (V):
V= VTG = LX a X h
Donde:
VTG = Volumen de la trampa de grasas (m3)
L= Largo (m)
a = Ancho (m)
h = Altura (m)
V= 0,4m x 0,4m x 0,4m
V= 0,064 m3
QAR = QAG
Se asume que las aguas grises (AG) son el 65% de las aguas residuales (AR).
QAG= QAR * 0,65
QAG= 700 Ld-1 * 0,65
QAG= 455 L.d-1
Cálculo del tiempo de retención hidráulica (TRH):
Donde:
V= Volumen (m3)
QAG = Caudal de aguas residuales (L.d-1)
TRH = 203min = 3,4h
23
Según, el RAS 2000 para el dimensionamiento de una trampa de grasas, esta
daría dimensiones muy pequeñas, por ende se procede a aumentar la
capacidad de la trampa que facilite su construcción, operación y
mantenimiento. El TRH = 3.4 h > 5 min. La figura 8, muestra un corte
longitudinal de la Trampa de Grasas.
Figura 8. Corte longitudinal de la trampa de grasas.
b) Sedimentador (Tratamiento primario)
Parámetro: TRH > 1 h. según el RAS 2000. Se proponen dimensiones (por
construcción) y se chequea el TRH
Dimensiones:
L= 0,8m, a = 0,6m, h=0,6m. Borde libre 0,05m
Cálculo del Volumen (V):
V= VS = LX a X h
VS = Volumen del sedimentador (m3)
V= 0,8m x 0,6m x 0,6m
V= 0,288 m3
QAR= 700 L.d-1
Cálculo del tiempo de retención hidráulica (TRH):
24
Donde:
V= Volumen (m3)
QAR = Caudal de aguas residuales (L.d-1)
TRH = 592,5min = 10h
TRH = 10 h > 1 h. Cumpliendo con lo estipulado por el RAS 2000. La Figura 9,
muestra un corte longitudinal del Sedimentador.
Figura 9. Corte longitudinal del Sedimentador.
c) FAFA con Lenteja de Agua (Tratamiento secundario).
Para el debido funcionamiento y mejorar la eficiencia del FAFA, se tuvieron en
cuenta los parámetros y valores que aparecen en la Tabla 7:
Tabla 7. Parámetros para el funcionamiento del FAFA
valor
Parámetro
Unidad
TRH
Día
1
-1
QAR
L.día
700
3
VAR
m
0,7
AEsp
m2.m-3
100
Porosidad
%
70
Volumen del Filtro:
Parámetro: TRH = 1 d. Mayor al recomendado por el RAS 2000, con el objetivo
de aumentar la eficiencia en remoción de DBO por el lecho filtrante, así como
por el agua residual presente en los poros y para que actué la planta acuática.
El volumen total del FAFA es la suma del volumen del agua residual y el
ocupado por las hélices (medio filtrante):
25
VAR= 0,7 m3
VH (volumen Hélices)= VAR x ((100%-Porosidad)/100%)
VH=0,7 m3x ((100%-70%)/100%)= 0,21 m3
VTotal (VOLUMEN TOTAL)=0,7 m3+0,21 m3
VTotal =0,91 m3
Obteniendo el volumen teórico total de la unidad se determina las dimensiones
del FAFA:
L (largo)= 1,5 m, a (ancho)= 0,8 m, h (altura)= 0,8 m, Borde libre: 0,1m
Cálculo del Volumen (V):
V= VF = LX a X h
VF = Volumen del Filtro (m3)
V= 1,5m x 0,8m x 0,8m
V= 0,96 m3
Siendo V = 0.96 m3 > 0.91 m3. Como los volúmenes son similares, el TRH = 1d.
La Figura 10, muestra un corte longitudinal del FAFA con Lenteja de Agua.
Figura 10. Corte longitudinal del FAFA con Lenteja de Agua .
Como lecho filtrante se propone utilizar una roseta (Forma de hélice), con un
diámetro D = 15 cm y una altura de h = 8 cm, construido en un material plástico
con una densidad mayor a la del agua (Figura 11), colocadas aleatoriamente
en el FAFA. Utilizar está roseta permite un material filtrante liviano, facilitando
las actividades de operación y mantenimiento, así las áreas específicas y
porosidades presentadas en la Tabla 8, aumentando la eficiencia del FAFA
propuesto a los tradicionalmente construidos con lechos de arenas y gravas.
26
Figura 11. Roseta con hélices para el lecho filtrante
Colocar Lenteja de Agua sobre la superficie del FAFA, tiene como objetivos
principales: minimizar malos olores y mejorar su estética. Sin embargo colabora
en remoción de contaminantes: DBO, N, P y CF, principalmente.
3.3.2 Aspectos constructivo
a) Trampa de Grasas
Las paredes de la trampa de grasas, se construirán en placas de 10 cm de
espesor de concreto de 3000 psi y como refuerzo una malla electrosoldada. La
placa del fondo, en concreto de 3000 psi, reforzada con barrillas cada 10 cm en
ambos sentidos de acero No.3. La tapa en fibra de vidrio. Las tuberías de
entrada y salida en PVC de 3” de diámetro (Ver anexo A).
b) Sedimentador
Las paredes del Sedimentador, se construirán en placas de 10 cm de espesor
de concreto de 3000 psi y como refuerzo una malla electrosoldada. La placa
del fondo, en concreto de 3000 psi, reforzada con barrillas cada 10 cm en
ambos sentidos de acero No.3. La tapa en fibra de vidrio. Las tuberías de
entrada y salida en PVC de 3” de diámetro (Ver anexo B).
c) Filtro Anaerobio de Flujo Ascendente.
Las paredes del FAFA, se construirán en placas de 10 cm de espesor de
concreto de 3000 psi y como refuerzo una malla electrosoldada. La placa del
fondo, en concreto de 3000 psi, reforzada con barrillas cada 10 cm en ambos
sentidos de acero No.3. Las tuberías de entrada y salida en PVC de 3” de
diámetro El lecho filtrante estarán conformadas por rosetas en fibra de vidrio
con forma de hélice. (Ver anexo C).
3.3.3 Presupuesto. El presupuesto para la construcción de la Planta de
Tratamiento de Aguas Residuales propuesto, aparece en la Tabla 8.
27
Tabla 8. Presupuesto de la PTAR
ITEM
PRODUCTO
UNIDAD
1.0
1.1
2.0
CANTIDAD
VALOR
UNITARIO
VALOR
TOTAL
PRELIMINARES
Replanteo y
trazado manual
m
2
11
$
7.000
$ 77.000
T. PRELIMINAR - TRAMPA DE GRASAS
2.1
Excavación a
mano
m
3
0,18
$
12.600
$ 2.268
2.2
Concreto de 3000
psi para placas de
grasa e = 0,10 m
m
3
0,116
$
404.000
$ 46.864
2.3
Impermeabilizante
integral para
concreto SIKA.
Kg
5
$
2.500
$ 12.500
2.4
Tubería sanitaria
de 3"
M
0,6
$
2.883
$ 1.730
2.5
Codos sanitarios
pvc de 3"
UND
2
$
900
$ 1.800
2.6
Tapa en fibra de
vidrio para trampa
de grasas
UND
1
$
120.000
$ 120.000
M
6
$
2.833
$ 16.998
UND.
1
$
32.000
$ 32.000
2.7
2.8
Barrilla de acero
de No. 3
Malla
Electrosoldada
28
Continuación Tabla 8. Presupuesto de la PTAR
ITEM
PRODUCTO
UNIDAD
CANTIDA
D
VALOR
UNITARIO
VALOR
TOTAL
T. PRIMARIO –SEDIMENTADOR
3.0
3.1
Excavación a
mano
m
3
1,53
$
12.600
$ 19.278
3.2
Concreto de 3000
psi para placas de
grasa e = 0,10 m
m
3
0,57
$
404.000
$ 230.280
3.3
Impermeabilante
integral para
concreto SIKA.
Kg
7
$
2.500
$ 17.500
3.4
Tubería sanitaria
de 3"
M
1,8
$
2.883
$ 5.189
3.5
Codos sanitarios
pvc de 3"
UND
2
$
900
$ 1.800
3.6
Tapa en fibra de
vidrio para trampa
de grasas
UND
1
$
120.000
$ 120.000
3.7
Barrilla de acero
de No.3
M
14,2
$
2.883
$ 40.939
3.8
Malla
Electrosoldada
UND.
1
$
32.000
$ 32.000
4.0
T. SECUNDARIO-FAFA
4.1
Excavación a
mano
m
3
1,53
$
12.600
$ 19.278
4.2
Concreto de 3000
psi para placas de
grasa e = 0,10 m
m
3
0,57
$ 404.000
$ 230.280
29
Continuación Tabla 8. Presupuesto de la PTAR
VALOR
UNITARIO
VALOR
TOTAL
7
$
2.500
$ 17.500
M
2,5
$
2.883
$ 7.208
Codos sanitarios
pvc de 3"
UND
3
$
900
$ 2.700
4.6
Barrilla de acero
No.3
M
31,3
$
2.883
$ 90.238
4.7
Malla
Electrosoldada
UND
1,5
$
32.000
$ 48.000
4.8
" y" sanitarios pvc
de 3"
UND.
2
$
900
$ 1.800
ITEM
PRODUCTO
UNIDAD
CANTIDAD
4.3
Impermeabilante
integral para
concreto SIKA.
Kg
4.4
Tubería sanitaria
de 3"
4.5
$ 1.195.149
TOTAL
En la parte social hay mejoras en la calidad de vida de los habitantes por los
Impacto directos los cuales son positivos tanto las áreas beneficiarias y
alrededores donde hay disminución en enfermedades de salud pública tales
como las parasitarias provenientes del contacto directo con la materia fecal;
hepatitis y varias enfermedades gastrointestinales, incluyendo el cólera y
tifoidea la cual es generada por la contaminación en la fuente hídricas y los
alimentos. La disminución de la contaminación de las aguas receptoras, mejora
su calidad y hay aumentos en los usos beneficiosos de estas fuentes
receptoras
Finalmente con un paisaje y ambiente más limpio generan el aumento de
actividades turísticas y recreativas, mayor productividad agrícola y forestal y/o
menores requerimientos para los fertilizantes químicos.
3.3.4 Manejo de los subproductos del sistema
El efluente del Sistema, se recomienda utilizarlo (Reuso) en riego por
gravedad en el jardín de la vivienda. Los lodos y la lenteja de agua cosechada,
después de compostados se recomienda utilizarlos como abono del jardín
(Figura 12).
30
REUSO
Figura 12. Reúso de efluente, lodos y lenteja de agua.
3.3.5 Operación y Mantenimiento de las Unidades de la PTAR
La Tabla 9, muestran las actividades requeridas para que el sistema funcione
eficientemente. La tabla 10, las requeridas para el mantenimiento preventivo
de cada una de las unidades del sistema, manteniendo la vida útil de este
Tabla 9. Manual de Operación.
UNIDAD
Trampa de Grasas
Sedimentador
FAFA
ACTIVIDAD
FRECUENCIA
Retiro Manual de las
grasas
Quincenal
Extracción de lodos
Trimestral
Despoblar el exceso
Lenteja de agua
Semanal
.
31
Tabla 10. Manual del Mantenimiento.
ACTIVIDAD Y DESCRIPCIÓN
Trampa de Grasas
HERRAMIENTAS
E INSIMOS
UNIDAD
Limpieza

Suspender el ingreso de agua al
sistema.

Abril la llave del drenaje de la
trampa para retirar el agua.

Retirar manualmente o con una
motobomba las grasas xistente.

El agua extraída debe ser
almacenada en canecas y al
terminar la limpieza debe ser
descargada nuevamente en el
primer compartimiento de la
trampa.

Extracción de los lodos presentes
en los dos compartimientos.

lavar profundamente para eliminar
todos los residuos de grasas
pegadas en las paredes y tuberías
Mantenimiento

Revisar
cuidadosamente
para
verificar el buen estado.
Pala
Baldé
Caneca
motobomba
Cepillo
ACTIVIDAD Y DESCRIPCIÓN
Sedimentador
Limpieza
 Abril la llave del drenaje del
sedimenta para retirar el agua.
 Remoción y extracción de lodos
con la pala, depositándolos en un
balde con Cal
 Aplicar en las paredes con un
cepillo una solución de 10 gramos
de sulfato de cobre y 10 gramos
de cal por litro de agua, dejar
actuar por 2 horas y posteriormente
se lava con abúndate agua
Mantenimiento
 Revisar
cuidadosamente
para
verificar el buen estado.
FAFA
HERRAMIENTAS
E INSIMOS
UNIDAD
Limpieza
 Abril la llave o válvula del drenaje
del Filtro para retirar el agua.
 lavar profundamente para retirar las
micro algas adheridas a las
paredes y tuberías
 Lavar los lechos filtrantes
con
agua y cepillo para retirar la
materia adherida en las hélices.
Mantenimiento
 Revisar cuidadosamente para
verificar el buen estado
32
Pala
Baldé
Cepillo
Sulfato de cobre
Cal
Cepillo
Baldé
EPP
PERIODO
-Guantes
-Tapa bocas
-Botas de
caucho
-Camisa
manga larga
Trimestral
EPP
PERIODO
-Guantes
-Tapa bocas
-Botas de
Caucho
Trimestral
-Guantes
-Tapa bocas
-Botas de
caucho
-Camisa
manga larga
Bianual
3.3.6 Fortaleza y Debilidades de la propuesta. En la tabla 11, se presentan
algunas fortalezas y debilidades de la propuesta en lo social. Económico y
ambiental.
Tabla 11. Fortalezas y debilidades de la propuesta
ÁREA DE AFECTACIÓN
SOCIAL
ECONÓMICA
AMBIENTAL
FORTALEZA O DEBILIDAD
Innovación en la utilización de plántulas
acuáticas en tratamiento secundario de aguas
residuales. En este caso, en el filtro anaerobio
de flujo ascendente. Eliminando costos y
áreas en tratamientos terciarios.
El sistema de tratamiento de aguas residuales
domesticas propuesto es de $1.195.149, un
costo económico de fácil acceso para persona
de los estratos más bajos; además de fácil
mantenimiento y operación del mismo.
Aporta a la reducción de la contaminación de
los cuerpos de agua, mejorando la salud de
los habitante de estas zonas
El lecho filtrante empleado en el FAFA,
presenta una porosidad alta a comparación de
los utilizados convencionalmente tale como
grava, arenas entre otros. Además
este
material cuenta con una vida útil larga.
La planta acuática lenteja de agua (lemna
minor) aumenta
en las remociones de
nutrientes (N y P) en aguas grises proveniente
del lavados en las viviendas.
33
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El sistema planteado para el tratamiento de las aguas residuales domésticas
con filtro anaerobio de flujo ascendente con lenteja de agua, se considera
eficiente en las remociones teóricas para SS (84%), DBO (79%), G y A (70%),
N (40%) y P (30%). Sin embargo, se considera deficiente para CF aunque
presenta una remoción del 97%, este incumple lo establecido en el decreto
1594 del 84 para consumo humano, agrícola, pecuario y recreativo. A causa
de los bajos tiempos de retención hidráulica en las unidades.
Se recomienda hacer análisis físico-químicos y microbiológicos en este Filtro
anaerobio de flujo ascendente (FAFA) con lenteja de agua o sistemas análogos
a este, para con estos resultados determinar la viabilidad de su construcción.
Es importante realizar los mantenimientos preventivos descritos en este
documento, en los tiempos estipulados en cada una de las unidades, para así
garantizar la eficiencia de este sistema.
34
BIBLIOGRAFÍA
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Sistema Descentralizado Integrado y Sostenible para el Tratamiento de las
Aguas Residuales Domésticas con Plantas Acuáticas en la Finca Maná Vereda
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Especialización en Ingeniería Ambiental. Universidad Surcolombiana. Neiva,
2012.
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BECERRIL HERRERA, M. Utilización de la Lenteja Agua (Lemnaceae) en la
Producción de Tilapia (Oreochromis spp.). Veracruz, México. 2010.
36
ANEXOS
Anexos A: Plano de la Trampa de grasas
37
ANEXOS
Anexos A: Plano del Sedimentador
38
ANEXOS
Anexos A: Plano del Filtro Anaerobio de flujo Ascendente con lenteja de agua.
39
ARTÍCULO
Depuración de Aguas Residuales Domésticas Usando un Filtro
Anaerobio de Flujo Ascendente (FAFA) con Lenteja de Agua
Purification of Domestic Wastewater Using an Anaerobic Filter
of Ascending Flow (AFAF) with Duckweed
Ana Maria Florian S.1, Silvia Margareth Carrera V.2 y Eduardo Valencia G.3
Resumen
Depuración de aguas residuales domesticas para viviendas urbanas y rurales de 5 habitantes, mediante un sistema
descentralizado e integrado, con pretratamiento para aguas grises, y en el secundario cuenta con un filtro anaerobio
de flujo ascendente con lenteja de agua logrado este sistema remociones teóricas de SS (84%), DBO (79%), G y A
(70%), N (40%),P (30%) y CF ( 97%); la operación y el mantenimiento sencilla, además los costos de construcción
son bajos, por ello es accesibles para todos los niveles económicos.
Palabras clave: Aguas residuales, Filtro anaerobio de flujo ascendente, Lenteja de agua.
Abstract
Purification of domesticate wastewater for urban and rural housings of 5 habitants, by means of a
decentralized and integrated system, with pretreatment for gray waters, and in the secondary one this
system has an anaerobic filter of ascending flow with water lentil achieved SS's theoretical removals (84
%), BDO (79 %), F and O (70 %), N (40 %), P (30 %) and FC (97 %); the simple operation and the
maintenance, in addition the costs of construction are low, for it it is accessible for all the economic
levels.
Keywords: Wastewater, Anaerobic filter of ascending flow, Duckweed.
Prof. Salud Ocupacional. SSAC Consultorías y Servicios S.A.S. Clle 25B No 29-11 Neiva. [email protected]
Ingeniero Químico. Construcsuelos Suministros Ltda. Cra 4 No 15-44 Neiva. [email protected]
3
Magíster en Ingeniería Sanitaria y Ambiental. Docente Universidad Surcolombiana. Av. Pastrana Borrero carrera 1 a Neiva. [email protected]
1
2
41
1. Introducción
Actualmente, el problema medioambiental derivado del vertido de las aguas residuales ha suscitado un creciente
interés tanto científico como legal. Las autoridades gubernamentales a nivel mundial han endurecido las normativas
que exigen el tratamiento de dichas aguas y los límites de vertido. Este hecho, ha obligado a varios sectores
empresariales a optimizar los procesos de tratamiento de aguas, para así cumplir con lo estipulado en las
normativas. (Murillo, 2011)
Una de las tecnologías para la depuración de las aguas residuales que han tenido un gran desarrollo en las últimas
décadas ha sido la de los tratamientos biológicos en ambientes anaerobios (Giraldo, 1993). Los filtros anaerobios
consiste en una columna rellena de diversos tipos de medios sólidos que se utilizan para el tratamiento de la
materia orgánica carbonosa del agua residual. El agua a tratar fluye en sentido ascendente, entrando en contacto con
el medio sobre el que se desarrolla y fijan las bacterias anaerobias. Dado que las bacterias están adheridas al medio
y no son arrastradas por el efluente puede obtenerse tiempos medios de retención celular del orden de 100 días. En
consecuencia es posible conseguir grandes valores de ϴ с con bajos tiempos de detención hidráulica; de esta
manera el filtro anaerobio puede utilizarse para el tratamiento de residuos de baja concentración ambiental
(Metcalf- Eddy, 1985).
La variedad de microorganismos desarrollada en las aguas residuales depende de la contaminación y carga que ésta
posea, así como de las condiciones dadas para su desarrollo, de ser éstas las apropiadas, más eficiente será la
remoción de contaminantes. En los filtros anaerobios de flujo ascendente (FAFA) existe un medio filtrante al cual
se adhieren los organismos anaeróbicos responsables de consumir una buena parte de la materia orgánica, cuando
entran en contacto con el agua que asciende lentamente (Murillo, 2011)
Los tratamientos de aguas residuales que involucran macrófitas flotantes han demostrado ser eficientes en la
remediación de aguas con contenido de nutrientes, materia orgánica y sustancias toxicas arsénico, zinc, cadmio,
cobre, plomo, cromo y mercurio. Su importancia radica en su aptitud para ser empleados en núcleos rurales debido
a su bajo consumo de energía convencional y la practicidad en el montaje y operación de los sistemas de
tratamiento. (Martelo y Lara, 2012)
Los sistemas de plantas acuáticas flotantes que usan lenteja de agua se utilizan en el tratamiento de aguas
residuales con variedad de propósito, dentro de los que se incluye el tratamiento secundario, el tratamiento
secundario avanzado y la remoción de nutrientes (Tchobanoglous y Crites, 2000).
Bedoya y Muñoz (2012), diseñaron un Sistema descentralizado integrado y sostenible para el tratamiento de las
aguas residuales empleando tres especies de plantas acuáticas: lentejas de agua (Lemma sp), Jacinto acuático
(Eichhornia crassipes) y lechuga de agua (Pistia stratiotes). El sistema incluye tratamiento preliminar con trampa
de grasas, un tratamiento primario con sedimentador de alta tasa con lenteja de agua y material plástico a lo largo
de la columna de agua; un tratamiento secundario el cual contiene una alberca biológica sembrada con Jacinto de
agua, un canal con lechuga de agua, un tanque microbiológico y unas escaleras de oxigenación.
Vargas y Silva (2013), para el estudio del uso de trozos de guadua (Angustifolia kunth) como lecho filtrante de
FAFAs en sistemas de tratamiento de aguas residuales para zonas rurales, el laboratorio de Construcciones de la
Facultad de Ingeniería de la Universidad Surcolombiana, se determinaron los siguientes características físicas: peso
específico, contenido de humedad, porosidad y área específica de contacto de anillos y semicírculos de guadua de
1,2,3,4,5 y 10cm de longitud; posteriormente en la granja experimental de la Universidad Surcolombiana, en un
prototipo de sistema de tratamiento de aguas residuales compuesto por pretratamiento y FAFAs, se evaluaron
eficiencias de remoción del lecho seleccionado en términos de DBO, SS y CF.
El objetivo del presente trabajo fue idear un sistema descentralizado, integrado e innovador para zonas donde el
acceso al alcantarillado es arduo, minimizando las unidades, costos y área utilizada en un sistema convencional de
42
aguas residuales domésticas para viviendas de máximo 5 habitantes. El filtro anaerobio de flujo ascendente con
lenteja de agua, elimina una unidad terciaria al sistema para la remoción de nutrientes (P y N), los cuales son
consumidos por las lentejas de agua. El filtro consta de un medio filtrante en fibra de vidrio, el cual tiene un área
específica y un porcentaje de humedad, mayor a los filtros tradicionales hechos en gravas y arenas. Por ende el
volumen ocupado es mucho menor a comparación con otros medios filtrantes. Así resolviendo en buena medida
problemas ambientales y de salud pública que generan las aguas residuales.
2.
Metodología
2.1 Localización.
El estudio se realizó en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Surcolombiana, ubicada en Neiva
departamento del Huila, pero su ámbito de aplicación es el departamento del Huila.
2.2 Métodos
Fase 1. Consecución de la lenteja de agua.
Etapa 1: Toma de la muestra. De una de las lagunas facultativas de la planta de tratamiento de aguas residuales El
Matadero del municipio de Palermo, se tomó una muestra de lenteja de agua, la cual se transportó a la ciudad de
Neiva, en un recipiente plástico con agua de la misma laguna.
Etapa 2: Desarrollo de la lenteja de agua. La muestra recolectada fue colocada en una vivienda de la ciudad de
Neiva, en un sitio donde recibía luz solar durante las mañanas; con el fin de reproducirla.
Fase 2. Diseño del FAFA
Etapa 1. Diseño conceptual. Se realizó el Esquema General de un Sistema de Tratamiento de Aguas Residuales
Domésticas (STARD) para una vivienda de 5 habitantes bajo el concepto de sistemas descentralizados y sostenibles
y se calcularon las Eficiencias Teóricas del Sistema. Se propone un FAFA como Unidad Secundaria del Sistema,
con material plástico como medio filtrante y la planta acuática lenteja de agua sembrada en el FAFA con el fin de
remover nutrientes y minimizar malos olores; es la Unidad ventral y novedosa del Sistema de Tratamiento
propuesto.
Etapa 2. Diseño Físico. Se dimensionó la estructura del FAFA, tomando como parámetro de diseño el tiempo de
retención hidráulica TRH, se estimaron los valores de los parámetros Porosidad y Área Específica, se seleccionó la
forma del medio filtrante y se diseñó internamente el FAFA teniendo en cuenta la colocación de la lenteja de agua
Fase 3. Construcción de modelo de FAFA con lenteja de agua.
Etapa 1. Dimensiones del modelo y selección de materiales. Para construir un modelo del FAFA, se tomaron a
escala las medidas reales. Para simular el FAFA se seleccionó como material acrílico transparente, como medio
filtrante se mandó a fabricar una roseta plástica y sobre la superficie del agua se colocó lenteja de agua natural, de
la producida según Etapa 1.
Fase 4. Montaje del modelo. El modelo se montó en el Jardín interior del edificio de Ingeniería de la Universidad
Surcolombiana. Inicialmente su objeto es solamente demostrativo, para luego ser utilizada para diferentes estudios.
43
3. Resultados
3.1. Diseño conceptual
El STARD propuesto, está compuesto por un Tratamiento Preliminar con una Trampa de Grasas para las Aguas
Grises, un Tratamiento Primario con un Sedimentador a donde llega el efluente del Preliminar y el afluente de las
Aguas Negras y un Tratamiento Secundario con un FAFA con Lenteja de Agua. El efluente del Sistema se propone
ser reusado en riego de jardines de la vivienda. (Ver figura 1)
Figura 1. Esquema del sistema propuesto
Las eficiencias teóricas de remoción de algunos contaminantes aparecen en la Tabla 1. Los eficiencias en
DBO, SS, G y A, se consideran altas, las de N y P aceptables y las de CF, baja. El mayor porcentaje de
remoción de DBO, N y P, así como la unidad logarítmica de CF, los realiza el FAFA con lenteja de agua;
ahí radica la importancia de esta Unidad. Así mismo las características químicas del efluente (Ver
columna Ef de la Tabla 1), nos permiten utilizarlo para riego de jardines, teniendo los cuidados necesarios
por su riesgo microbiológico.
Tabla 1. Eficiencias Teóricas de Remoción de contaminantes del Sistema
PARÁMETRO
Af
Ef
% REMOCIÓN
-1
188
39
79
-1
201
32
84
GyA
-1
mg.L
21
21
70
N
mg.L-1
22
13
40
P
mg.L-1
11
7
30
4,E+07
1E+06
97
DBO
SS
CF
UNIDADES
mg.L
mg.L
-1
UFC.100ml
3.1. Diseño físico
La población a la que es objeto son las viviendas rurales y urbanas en las cuales por el crecimiento de la población
no son beneficiarias de alcantarillado y no están conectadas al sistema de alcantarillado. Además la capacidad
máxima por vivienda que se albergue es de cinco (5) personas. Con el fin de optimizar el recurso hídrico para la
disminución de la dotación medio diario por habitante, se estimó una dotación de 175 L.hab-1.d-1 y un caudal
promedio de agua residual de 700 L.d-1.
Se ajustó para el filtro un tiempo de retención hidráulica (THR) de 24 horas; tiempo suficiente para que las lentejas
de agua remuevan parte de los nutrientes presentes en las aguas residuales y para el medio filtrante un área
44
específica de 100 m2.m-3 y porcentaje de humedad del 70%. Por ende se determinaron las dimensiones del filtro y
volumen total de este.
Profundidad interna: 0,8m
Largo interno: 1,5m
Ancho interno: 0,8m
Espesor: 0,1m
Borde libre: 0,1m
Distancia entre la superficie y medio filtrante: 0,15m
Diámetro de la tubería: 3 pulgadas
Volumen ocupado por el agua residual: 0,91m3
El filtro está diseñado para ser construido en concreto de 3000psi para placas de grasas con un espesor de 0,1m,
utilizando impermeabilizante integral para concreto, tubería de 3” para la entrada y salida del agua residual, varillas
de acero No. 3 para la base del filtro y mallas electrosoldadas de 5x5 cm para refuerzo de las paredes del filtro.
Figura 2. Vista en plata del FAFA
Figura 3. Corte transversal del FAFA
El medio filtrante son rosetas o hélices en fibra de vidrio con un diámetro de 6 cm y una longitud de 8 cm. La fibra
de vidrio es corrugada y esto facilita que los microorganismos se adhieran a sus paredes. Además es un material
fácil de conseguir y económico. La forma del medio filtrante es especial ya que tiene un área específica mayor a de
los filtros convencionales de arena y grava e igualmente pasa lo mismo con su porcentaje de humedad, la cual
también es mayor, haciendo que disminuya el tamaño del filtro y a su vez aumente la eficiencia de este.
Figura 4. Roseta o Hélice del medio filtrante
3.3. Modelo del FAFA
El prototipo del filtro anaerobio de flujo ascendente (FAFA) con lenteja de agua, se montó en vidrio calibre 5 con
unas dimensiones de 0,75m de largo, 0,4m de ancho y 0,45m de profundo. El afluente es conducido por una tubería
sanitaria de PVC de 3/4”, como se muestra en la figura 5. Esta tubería tiene forma de espina de pescado y presenta
unos orificios para que el agua entre a la base del filtro de forma homogénea (Ver figuras 6), hasta alcanzar el nivel
de salida del efluente. Posteriormente se depositan la plántula lenteja de agua en la superficie del prototipo (ver
figura 7).
45
Figura 5. Tubería en forma de espina de pescado
Figura 6. Ubicación de la tubería en el FAFA
Figura 7. Ubicación de la lenteja de agua en el FAFA
El lecho filtrante se elaboró en fibra de vidrio en forma de hélices o rosetas de 6cm de diámetro por 8cm de
longitud (Ver figura 8 y 9).
Figura 6. Roseta del filtro prototipo
Figura 8. Ubicación de los lechos filtrantes en el FAFA
4. Conclusiones
El sistema planteado para el tratamiento de las aguas residuales domésticas con filtro anaerobio de flujo
ascendente con lenteja de agua, se considera eficiente en las remociones teóricas para SS (84%), DBO (79%), G y
A (70%), N (40%) y P (30%). Sin embargo, se considera deficiente para CF aunque presenta una remoción del
97%, este incumple lo establecido en el decreto 1594 del 84 para consumo humano, agrícola, pecuario y recreativo.
A causa de los bajos tiempos de retención hidráulica en las unidades.
Innovación en la utilización de plántulas acuáticas en tratamiento secundario de aguas residuales. En este caso, en
el filtro anaerobio de flujo ascendente. Eliminando costos y áreas en tratamientos terciarios.
El lecho filtrante empleado en el FAFA, presenta una porosidad alta a comparación de los utilizados
convencionalmente tale como grava, arenas entre otros. Además este material cuenta con una vida útil larga.
La planta acuática lenteja de agua (lemna minor) aumenta en las remociones de nutrientes (N y P) en aguas grises
proveniente del lavados en las viviendas.
5. Referencias Bibliográficas
BEDOYA OSORIO, Carolina y MUÑOZ DÍAS, Diana Mercedes. Diseño de un sistema descentralizado integrado
y sostenible para el tratamiento de las aguas residuales domésticas con plantas acuáticas en la finca Maná, vereda
Lagos de Rosario, corregimiento de Betania, Palermo. Neiva, 2012. Trabajo de grado. Universidad Surcolombiana.
Especialización en Ingeniería Ambiental.
GIRALDO GOMEZ, Eugenio. Tratamiento anaerobio de las aguas residuales domésticas. Limitaciones y
potencialidades. Bogotá, Septiembre de 1993. Universidad de los Andes. Facultad de ingeniería. Disponible en
Revista de ingeniería No. 4 de la Universidad de los Andes: < https://revistaing.uniandes.edu.co/pdf/rev4art1.pdf>
METALCALF-EDDY. Ingeniería sanitaria, tratamiento, evacuación y reutilización de aguas residuales. Labor S.A.
Segunda edición 1985.
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Estado del Arte. En: Ingeniería y Ciencia, ing. Cienc. No. 15. (Enero-Junio 2012).
MURILLO ROJAS, Marlen. Evaluación del proceso biológico anaerobio, en el sistema de tratamiento de aguas
residuales de una compañía dedicada a la fabricación de galletas. Cartago, Costa Rica, 2011. Trabajo de Grado
Instituto Tecnológico de Costa Rica. Escuela de Biología.
TCHOBANOGLOUS, G. tes, R. 2000. Sistema de manejo de aguas residuales para núcleos pequeños y
descentralizados; Mc Graw Hill. Santa Fe de Bogotá. Tomo II.
VARGAS TAMAYO, Gabriela y SILVA MANCHOLA, Jorge Eliecer. Caracterización física de dos lechos
filtrantes en guadua y evaluación preliminar del lecho con forma semicirculo en filtro anaerobio de flujo
ascendente. Neiva, 2013. Trabajo de grado. Universidad Surcolombiana. Programa de Ingeniería Agrícola.
ZETINA CÓRDOBA, P.; RETA MENDIOLA, J.L.; ORTEGA CERRILLA, M.E.; ORTEGA JIMÉNEZ, E.,
SÁNCHEZ-TORRES, M.T.E; HERRERA HARO, J.G. y BECERRIL HERRERA, M. Utilización de la lenteja
agua (Lemnaceae) en la producción de tilapia (Oreochromis spp.). En: Archivos de zootecnia. Vol. 59. Sep. 2010.
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