APUNTES SOBRE CONTAMINACIN Y TRATAMIENTO DE AGUAS
Material preparado por:Pablo Ortiz Muoz Fiscalizador SISS,
Oficina Regional OHiggins Ingeniero en Ordenacin Ambiental (INACAP)
Licenciado en Ciencias de la Ingeniera (U. Central) Diplomado en
Contaminacin de Aguas ( U. de Chile)
Rancagua, julio de 2010.
INDICE DE CONTENIDOS
1. EL RECURSO AGUA Y SU IMPORTANCIA
......................................................................................
2 1.1. El Ciclo del agua
...........................................................................................................................
2 1.2. Disponibilidad del agua
.................................................................................................................
4 2. CONCEPTO GENERAL DE CONTAMINACIN Y FUENTES CONTAMINANTES
.......................... 5 3. CONCEPTO GENERAL DE NORMAS DE
EMISIN Y CALIDAD
.................................................... 5 4. CONCEPTO
DE USOS Y CALIDAD DEL AGUA
...............................................................................
6 5. CONTAMINACIN DEL
AGUA...........................................................................................................
8 5.1. Causas de la contaminacin del agua
..........................................................................................
8 5.2. Clasificacin de los Contaminantes del Agua
...............................................................................
9 5.3 Qu parmetros debemos monitorear en
terreno........................................................................
11 5.4. Otros parmetros relevantes a monitorear en aguas residuales
................................................ 12 6.
CARACTERIZACN DE LAS AGUAS RESIDUALES
.....................................................................
14 7. AUTODEPURACIN DE UN CAUSE
...............................................................................................
15 8. EUTROFIZACIN
..............................................................................................................................
17 9. PASOS PARA DEFINIR LA ALTERNATIVA DE TRATAMIENTO A
IMPLEMENTAR ................... 18 10. TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES
...................................................................................
21 11. TRATAMIENTO
BIOLGICO..........................................................................................................
22 11.1. Clasificacin tratamiento
biolgico............................................................................................
24 11.2. Tratamientos biolgicos naturales
............................................................................................
24 11.3. Tratamientos biolgicos convencionales
..................................................................................
25 12. DISEO DE UN SISTEMA NATURAL BASADO EN PLANTAS EMERGENTES
......................... 27 13. LOMBRIFILTRO (SISTEMA
TOH)................................................................................................
31 14. FILTROS
VERDES...........................................................................................................................
35 15. REFERENCIAS
BIBLIOGRFICAS................................................................................................
37
Preparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz
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1. EL RECURSO AGUA Y SU IMPORTANCIA
El agua es un elemento fundamental para la vida, no es raro
entonces que gran parte de sta se haya desarrollado cerca de ros y
lagos. Por mucho tiempo se asumi que la naturaleza poda deshacerse
de todos nuestros desechos y, mientras la cantidad de estos
desechos era razonable y su composicin era natural, as sucedi. Sin
embargo, con la aparicin de la agricultura y ms an con el
desarrollo industrial, la cantidad de residuos se increment
dramticamente y su composicin se modific para incluir compuestos
extraos, creados por el hombre. Si bien la naturaleza tiene una
gran capacidad de asimilacin y autodepuracin, degradando una serie
de compuestos e incorporndolos 1 nuevamente al ciclo de vida, esta
capacidad es limitada y las actividades antropognicas la han
rebasado en varias ocasiones. El agua tiene varias caractersticas
que la hacen nica al otorgarle la capacidad para regular el clima
terrestre, mantener la vida en los cuerpos de agua bajo condiciones
de temperatura extremas o permitindole transportar nutrientes a los
tejidos y rganos de los seres vivos, gracias a su caracterstica de
disolvente universal. A pesar de que el 75% de la Tierra est
compuesta por agua, slo se puede tener acceso al 0,003% 13 (4,08 x
10 m3) para consumo humano; el resto es, en su mayora, agua salada,
subterrnea inaccesible, contaminada o congelada. Aun as, el
problema no es la falta de agua, sino su distribucin inequitativa,
el derroche irresponsable que hacemos de ella y su contaminacin. La
preocupacin por la contaminacin de los cuerpos de agua surgi cuando
comenzaron a observarse problemas a la salud por el consumo de agua
contaminada. Hoy da, la calidad del agua potable y de los cuerpos
de agua es un tema que recibe gran inters y ya se han establecido
lmites mximos permisibles para una amplia gama de compuestos que
pueden estar presentes en ella.
Si el 100% del agua de la tierra fuesen 100 litros: 97 litros
sera agua salada 3 litros seria agua dulce 0,5 litros sera agua
dulce disponible. cucharadita (0,003 litros) sera agua dulce
utilizable
Algunas formas de derrochar agua: Lavar auto con manguera 161
litros Ducha 10 minutos 95 119 litros Tia de bao promedio 136
litros Goteo de una llave 95 111 litros / da Afeitarse con agua
corriendo 76 litros Cepillado de dientes con agua corriendo 8
litros
Fuente: Miller, 1994
Fuente: Miller, 1991
1.1. El Ciclo del agua El ciclo hidrolgico o ciclo del agua es
el proceso de circulacin del agua entre los distintos
compartimentos de la hidrsfera. Se trata de un ciclo biogeoqumico
en el que hay una intervencin mnima de reacciones qumicas, y el
agua solamente se traslada de unos lugares a otros o cambia de
estado fsico.
1
Actividades desarrolladas por el hombrePgina 2 08/07/2010
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Figura 1. Ciclo hidrolgico
Fuente: www.webquest.es/wq/ciclo-del-agua
Los principales procesos implicados en el ciclo del agua son: 1
Evaporacin y transpiracin. El agua se evapora en la superficie
ocenica, sobre la superficie terrestre y tambin por los organismos,
en el fenmeno de la transpiracin en plantas y sudoracin en
animales. Los seres vivos, especialmente las plantas, contribuyen
con un 10% al agua que se incorpora a la atmsfera. En el mismo
captulo podemos situar la sublimacin, cuantitativamente muy poco
importante. 2 Condensacin. El agua en forma de vapor sube y se
condensa formando las nubes, constituidas por agua en pequeas
gotas. 3 Precipitacin. Es cuando las gotas de agua que forman las
nubes se enfran acelerndose la condensacin y unindose las gotitas
de agua para formar gotas mayores que terminan por precipitarse a
la superficie terrestre en razn a su mayor peso. La precipitacin
puede ser slida (nieve o granizo) o lquida (lluvia). 4 Infiltracin.
Ocurre cuando el agua que alcanza el suelo, penetra a travs de sus
poros y pasa a ser subterrnea. La proporcin de agua que se infiltra
y la que circula en superficie (escorrenta) depende de la
permeabilidad del sustrato, de la pendiente y de la cobertura
vegetal. 5 Escorrenta. Este trmino se refiere a los diversos medios
por los que el agua lquida se desliza cuesta abajo por la
superficie del terreno. En los climas no excepcionalmente secos,
incluidos la mayora de los llamados desrticos, la escorrenta es el
principal agente geolgico de erosin y de transporte de
sedimentos.Preparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz
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6 Circulacin subterrnea. Se produce a favor de la gravedad, como
la escorrenta superficial, de la que se puede considerar una
versin. 7 El proceso se repite desde el inicio, consecutivamente
por lo que nunca se termina, ni se agota el agua.
1.2. Disponibilidad del agua La Tabla 1 muestra la distribucin
de agua en la Tierra, parte de la cual es almacenada en distintos
lugares de la naturaleza. Como se mencion anteriormente, ms del 97%
de los 1.36 x 1018 m3 de agua en la Tierra se encuentra en los
ocanos; el resto es agua dulce, de la cual el 75% se encuentra
atrapada en bancos de hielo polares, en el suelo, rocas y en la
atmsfera y el 25% restante se encuentra disponible como agua
superficial y subterrnea. Sin embargo, de este porcentaje, slo se
puede acceder al 0,5% para abastecimiento humano (ya sea por difcil
acceso o por tratarse de agua contaminada). Miller, 1994, ilustra
esta situacin de la siguiente manera: si el 100% del agua en la
Tierra fuesen 100 litros, tres de ellos (3%) son agua dulce, 0,5L
(0,5%) corresponden a agua dulce disponible y slo 1/2 cucharadita
(0,003L) representa la cantidad de agua dulce utilizable. Tabla 1.
Provisin de agua en la tierra
Depsito
Volumen (en millones de km)
Porcentaje
Ocanos
1 370
90,40386
Casquetes y glaciares
546
8,90
Agua subterrnea
9,5
0,68
Lagos
0,125
0,01
Humedad del suelo
0,065
0,005
Atmsfera
0,013
0,001
Arroyos y ros
0,0017
0,0001
Biomasa
0,0006
0,00004
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_hidrol%C3%B3gico
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2. CONCEPTO GENERAL DE CONTAMINACIN Y FUENTES CONTAMINANTES
Una definicin ampliamente aceptada del trmino contaminacin se
refiere a un cambio no deseado en las caractersticas fsicas,
qumicas o biolgicas del aire, el agua, el suelo o los alimentos,
que tenga o pueda tener un impacto nocivo en la salud, la
sobrevivencia o las actividades de los organismos vivos, incluyendo
al ser humano. La contaminacin ambiental puede definirse como el
empobrecimiento de todo aquello que podemos ver, or, oler, tocar y
saborear, es decir, del entorno fsico, la flora y la fauna que nos
rodea. Con relacin a la contaminacin del agua, podemos encontrar la
siguiente clasificacin de sus fuentes contaminantes: Tabla 2.
Clasificacin de fuentes contaminantes.Tipo de Fuente De origen
antrpico De origen natural Puntuales Descripcin Corresponde a la
contaminacin generada por la actividad humana Corresponden a la
contaminacin de origen natural. tienen un origen bien definido y
son fciles de identificar y controlar en la mayora de los casos Las
fuentes no puntuales son fuentes que estn dispersas en grandes
reas, lo que hace difcil su identificacin y control. Ejemplos
Descarga de aguas servidas Emanaciones volcnicas Descargas de una
industria
Difusas
Uso de fertilizantes en la agricultura
Fuente: Elaboracin propia
3. CONCEPTO GENERAL DE NORMAS DE EMISIN Y CALIDAD Las normas de
calidad ambiental establecen las metas de la gestin ambiental en
cuanto definen las caractersticas y composicin de los medios, agua,
aire y suelo que el pas espera tener (Borregaard et al, 1997). La
ley 19.300, sobre bases generales del medio ambiente, define dos
tipos de normas de calidad ambiental. Las normas primarias, que
tienen por objeto proteger la salud de la poblacin, y las normas
secundarias, cuya finalidad es proteger el patrimonio ambiental del
pas. Las normas primarias son de aplicacin en todo el territorio de
la Repblica, mientras que las secundarias pueden tener un carcter
regional. Por otro lado, las normas de emisin establecen la
cantidad mxima permitida para un contaminante medido en el efluente
de la fuente emisora.
Preparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz
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Tabla 3. Tipos de normas vigentes en Chile.Tipo de Norma Norma
Primaria Norma Secundaria Norma de emisin Objetivo Proteger la
salud de la poblacin Proteger el medio ambiente y conservacin de la
naturaleza Prevenir la contaminacin Donde medir En el curso de agua
En el curso de agua En el punto de descarga
Fuente. Elaboracin propia En nuestro pas, segn lo establece la
Ley 18.902/1990, el organismo encargado de fiscalizar el
cumplimiento de las normas de emisin relacionadas con la descargas
de residuos lquidos industriales es la Superintendencia de
Servicios Sanitarios (SISS). A la fecha se encuentran vigentes las
siguientes normas de emisin:
Decreto 609 de 07 de mayo de 1998. Norma que regula las
descargas de residuos industriales lquidos a sistemas de
alcantarillado. Decreto 90 de 30 de marzo de 2000. Norma que regula
las descargas de residuos lquidos a aguas marinas y continentales
superficiales. Decreto 46 de 08 de marzo de 2002. Norma que regula
las descargas de residuos lquidos a aguas subterrneas. En materia
de calidad del agua se encuentran vigentes las siguientes normas:
Norma Chilena N1.333, aprobada por el Ministerio de Obras Pblicas,
DS N867 del 7 de Abril de 1978. Fija criterio de calidad del agua
de acuerdo a requerimientos cientficos, referidos a aspectos
fsicos, qumicos y biolgicos, segn el uso determinado. Norma Chilena
N409, parte 1, 2004. Establece los requisitos de calidad que debe
cumplir el agua potable en todo el territorio nacional.
4. CONCEPTO DE USOS Y CALIDAD DEL AGUA El agua dulce es empleada
por los seres humanos para consumo directo y coccin de los
alimentos; para limpieza personal, de las ropas y del hogar en
general; para la agricultura y la ganadera; para usos industriales;
para recreacin; como medio de transporte y para la produccin de
energa. De acuerdo con los estudios realizados por la Direccin
General de Aguas (documento Poltica Nacional de Recursos Hdricos),
el uso del agua en el pas alcanza a un valor aproximado a los 2.000
m3/s de caudal continuo, de los cuales el 67.8 por ciento
corresponde a usos hidroelctricos y el 32.2 por ciento a usos
consuntivos (aquellos no obligados a restituir los caudales a los
cauces, como por ejemplo el uso agrcola. El concepto de
consuntividad es slo aplicable a las aguas superficiales. Entre los
usos consuntivos, el riego representa el 84.5 por ciento a nivel
nacional, con un caudal medio de 546 m3/s, utilizado en el
abastecimiento de aproximadamente 2 millones de hectreas, que se
localizan casi completamente de la IX Regin al norte, de las cuales
se estima que 1.3 millones de hectreas tienen una seguridad de
riego razonable. El uso domstico equivale al 4.4 por ciento de los
usos consuntivos, con unos 35 m3/s, y es utilizado para dar
abastecimiento al 98 por ciento de la poblacin urbana y
aproximadamente al 80 por ciento de la poblacin rural
(concentrada). Los usos mineros e industriales representan el 11
por ciento del uso consuntivo total.Preparado por: Ing. Pablo Ortiz
Muoz Pgina 6 08/07/2010
Grfico 1. Demanda actual usos consuntivos
Dependiendo del uso que se le pretenda dar al agua, se han
establecido una serie de estndares de calidad del agua que incluyen
caractersticas fsicas, qumicas y microbiolgicas. Estos estndares
sirven para determinar si el agua requiere de un tratamiento previo
al uso al que sera destinada y permiten vigilar los procesos de
tratamiento de aguas. En la siguiente tabla se muestran los
estndares para aguas destinadas a uso recreativo sin contacto
directo, con contacto directo y vida acutica
Preparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz
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Tabla 4. Estndares de calidad del agua para diferentes
usos.INDICADOR Aceites y grasas flotantes Aceites y grasas
emulsificadas Alcalinidad total (Ca co3) Claridad Coliformes
fecales Color Oxigeno Disuelto PH Petrleo e Hidrocarburos Slidos
flotantes visibles y espumas no naturales Slidos sedimentables
Sustancias que produzcan olor y sabor inconveniente Temperatura en
flujo de agua Turbiedad debido a descargas mg/l C Unidades de
escala slice 50 Ausentes Ausentes 30,00 (1) V. N. + 3 V. N. +3
Ausentes Ausentes UNIDAD mg/l mg/l mg/l Metros NMP/100 ml Unidades
de escala Pt-Co mg/l 6,5 8,3 > 1,20 (1) (2) USOS B 5,00 10,00
(1) (1) 20,00
A 5,00 (1) 10,00 (1)
C
1000 (1) 100 (1) Ausencia de colorantes art. Ausente 5,00 6,0
9,0 (3) Ausentes < V. N.
USOS: A : Uso recreativo sin contacto directo, B: Uso recreativo
con contacto directo, C : Aguas destinadas a vida acutica NOTAS:
V.N: Valor Natural (1): Podr ser modificado por autoridad
competente. (2): Visualizacin de Discos Secchi. (3): No debe haber
olor perceptible, deteccin visual o cubrimiento de fondo, orilla o
ribera. Fuente: Norma Chilena N1.333, aprobada por el Ministerio de
Obras Pblicas, DS N867 del 7 de Abril de 1978.
5. CONTAMINACIN DEL AGUA En este apartado se presenta un resumen
de las principales causas de la contaminacin del agua, los
contaminantes ms caractersticos y se entregan algunas
recomendaciones respecto de los parmetros que, de acuerdo a la
experiencia del autor, se deben medir. 5.1. Causas de la
contaminacin del agua El agua se contamina fundamentalmente por las
siguientes causas: Contaminacin industrial: es producida por los
vertidos que las industrias realizan directamente a los ros o a la
atmsfera a travs de chimeneas de expulsin de humos (gasesPreparado
por: Ing. Pablo Ortiz Muoz
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o partculas que reaccionan o se depositan con la lluvia llegando
al suelo y finalmente se filtran hacia los acuferos). Contaminacin
agrcola y ganadera: Es aquella que se produce por el tratamiento de
los productos con herbicidas, pesticidas y fertilizantes, los que
por escurrimiento o infiltracin llegas hasta cursos o masas de
agua. Contaminacin domstica o urbana: Es la producida por los
hogares al descargar por el desage gran cantidad de residuos
orgnicos e inorgnicos. Contaminacin marina: el agua de mar con alto
contenido en sal es responsable de la contaminacin de los acuferos
cercanos a la costa por salinizacin del agua. Este fenmeno ocurre
cuando los acuferos bajan su nivel, lo que facilita que el agua de
mar penetre en el agua dulce ocasionando una prdida de las
cualidades del agua por adicin de sales. 5.2. Clasificacin de los
Contaminantes del Agua Los contaminantes del agua se clasifican en
tres categoras: Contaminantes Qumicos Estos componen tanto
productos qumicos orgnicos como inorgnicos. El aspecto fundamental
de la contaminacin de productos orgnicos es la disminucin del
oxigeno como resultante de la utilizacin del existente en le
proceso de degradacin biolgica, llevando con ello a un desajuste y
a serias perturbaciones en el medio ambiente. En el caso de
compuestos inorgnicos el resultado ms importante es su posible
efecto txico, mas que una disminucin de oxigeno. Sin embargo, hay
casos en los cuales los compuestos inorgnicos presentan una demanda
de oxigeno, contribuyendo a la disminucin del mismo. Figura 2.
Contaminantes qumicos de las aguas residuales.
Contaminantes FsicosPreparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz Pgina 9
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Las caractersticas fsicas ms importantes que se determinan en
las aguas residuales son: Slidos totales Turbidez Temperatura
Densidad Espumas Color
Figura 4. Densidad del agua en funcin de la temperatura.
Fuente: Masters, 1991. Contaminantes Biolgicos Esta se refiere
fundamentalmente a microorganismos patgenos (virus y bacterias)
responsables de las transmisiones de enfermedades que se contagian
por la va hdrica (tifus, clera, etc), o a la proliferacin excesiva
de algas, plantas y animales no deseados. Figura 5. Componentes
biolgicos de las aguas residuales
Preparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz
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5.3 Qu parmetros debemos monitorear en terreno Temperatura La
elevacin de la temperatura del agua como resultado de descargas de
aguas templadas puede tener impactos ecolgicos significativos, por
ejemplo: Reduccin contenido de oxigeno disuelto(OD) del agua
Aumento actividad biolgica, produciendo disminucin del OD,
especialmente en aguas con materia orgnica Alteracin en solubilidad
de diversas sales, condiciones y velocidades de reaccin Alteracin
de equilibrio de flora y fauna
Normativas ambientales de pases desarrollados prohben descargas
que aumenten en ms de 2C la temperatura natural del agua receptora.
pH El pH indica el balance entre cidos y bases del agua. El pH en
aguas naturales se relaciona con la geologa del terreno por donde
escurre el agua y est = gobernado por el equilibrio CO2/HCO3 /CO3 .
El pH es importante en: Disolucin de minerales Ionizacin de cidos y
bases Especiacin de metales Biodisponibilidad de metales
Transparencia La transparencia o claridad del agua es funcin de
la concentracin de slidos suspendidos en la columna de agua. En
aguas turbias se produce una marcada disminucin de la intensidad de
la luz con la profundidad que origina una mayor absorcin de energa
solar cerca de la superficie. La reduccin de la penetracin de la
luz disminuye la fotosntesis y tiene una influencia directa en la
cantidad de produccin biolgica que ocurre en un cuerpo de agua. La
transparencia se mide con el disco Secchi. En lagos la
transparencia es una medida indirecta de la cantidad de biomasa
algal en suspensin en el agua. Oxgeno Disuelto El oxigeno disuelto
(OD) es importante para los sistemas acuticos. Todos los animales
acuticos necesitan oxgeno para sobrevivir. Las aguas naturales que
poseen altos niveles de oxigeno disuelto son probablemente los
ambientes ms estables y pueden albergar una gran diversidad de
organismos acuticos. Los cambios producidos por la naturaleza o por
el hombre al ambiente acutico pueden afectar la disponibilidad de
oxgeno disuelto
Preparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz
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Los microorganismos que degradan la materia orgnica requieren de
grandes concentraciones de oxgeno para transformar esta materia en
compuestos estables. Esto provoca una disminucin en la concentracin
de oxgeno disuelto (OD) en el agua, poniendo en peligro a peces y
otras formas de vida acutica. Adicionalmente, la reduccin de oxgeno
disuelto en el agua genera olores, sabores y colores no deseables,
disminuyendo su aceptabilidad para consumo humano y su atractivo
para uso recreativo. La oxidacin de algunas substancias inorgnicas
y la presencia natural de hojas y desechos animales, que son
degradados por accin microbiana, tambin reducen la cantidad de OD
en el agua.Fuentes Aeracin Fotosntesis Consumo Respiracin de
organismos Demanda de materias orgnicas Oxidacin de inorgnicos
Solubilidad Temperatura Presin Salinidad
El porcentaje de saturacin del OD en el agua es una importante
medicin de la calidad del agua. En trminos generales el agua fra
presenta ms oxgeno disuelto que el agua caliente, ya que la
solubilidad del oxgeno aumenta al disminuir la temperatura. Cuando
el agua est saturada de O2 la concentracin de oxgeno es llamada
concentracin de equilibrio. Su valor depende de la presin parcial
del oxgeno en la fase gaseosa, de la temperatura del agua y de la
concentracin de sales en el agua. Tabla 5. Concentracin de oxgeno
disuelto en funcin de la temperatura. Temperatura agua (C) 0 8 16
24 30 Concentracin de Saturacin de oxgeno en agua (mg/l) 14,6 11,9
10,0 8,5 7,6 Porcentaje saturacin (%) 100 100 100 100 100
5.4. Otros parmetros relevantes a monitorear en aguas residuales
Nutrientes en aguas Hay muchos macro y micronutrientes necesarios
para la vida, pero los nutrientes ms importantes en aguas son Carbn
(C), Nitrgeno (N) y Fsforo (P), stos son nutrientes esenciales para
el crecimiento de formas de vida. Otro nutriente muy importante es
el Azufre (S). Desde el punto de vista de calidad del agua, los
nutrientes pueden convertirse en contaminantes cuando su
concentracin en los cuerpos de agua es suficientemente alta como
para provocar un crecimiento excesivo de las algas; este proceso se
conoce como eutrofizacin. La muerte y descomposicin de las algas
remueve oxgeno disuelto del agua (utilizado por los microorganismos
para degradar la materia orgnica) hasta niveles insuficientes para
muchas formas de vida acutica. Las algas y la materia orgnica en
descomposicin tambin pueden aadir color, turbidez, olores y sabores
desagradables, hacindola no apta para consumo humano. Cuando se
depositan nutrientes en el terreno, stos pueden producir
contaminacin de las aguas subterrneas.Preparado por: Ing. Pablo
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Slidos totales La caracterstica fsica ms importante del agua
residual est en su contenido total de slidos, ya que sus
componentes orgnicos e inorgnicos se presentan en forma soluble e
insoluble, dentro de los cuales se reconocen tres tipos de acuerdo
con su tamao: slidos sedimentables, slidos suspendidos y slidos
disueltos. La suma de slidos suspendidos y disueltos se conoce como
slidos totales. Figura 6. Slidos totales en aguas residuales.
Materia orgnica La materia orgnica es uno de los principales
componentes de las aguas servidas y en consecuencia es uno de los
principales contaminantes de los cuerpos de agua superficiales. Los
componentes de la materia orgnica de las aguas residuales estn
constituidos por un gran nmero de compuestos, que tienen en comn la
posesin de al menos un tomo de carbono, los cuales pueden ser
oxidados qumica y biolgicamente para obtener bixido de carbono
(CO2). Las reacciones de oxidacin producen energa y en consecuencia
los compuestos carbonceos son oxidados por la mayora de los
microorganismos, de donde obtienen la energa necesaria para su
desarrollo. La materia orgnica presente en el agua puede ser
degradable por accin de microorganismos que demandan o consumen
oxgeno y no degradable cuando es resistente a la accin microbiana.
Para evaluar la cantidad de materia orgnica en las aguas servidas
se utilizan pruebas que miden la demanda de oxgeno. Las pruebas ms
comunes son: Demanda Bioqumica de Oxgeno (DBO): es una prueba muy
utilizada para determinar el grado de contaminacin de las aguas
servidas que se define como una medida del oxgeno consumido por los
microorganismos durante la degradacin de la materia
orgnica.Preparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz
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Dado que la oxidacin de la materia orgnica por accin de los
microorganismos es un proceso lento, esta prueba se ha
estandarizado para un tiempo de cinco das, perodo en el cual la
materia orgnica se oxida en aproximadamente un 70%, por tal motivo,
la prueba de DBO para cinco das se representa como DBO5. Demanda
Qumica de Oxgeno (DQO) es una medida del oxgeno equivalente a la
materia orgnica contenida en una muestra de agua, que es
susceptible a ser oxidada por un agente qumico fuerte. Durante la
determinacin de DQO, la materia orgnica es transformada a dixido de
carbono (CO2) y agua, sin importar si es asimilable o no por los
microorganismos, por esta razn, el valor de DQO es siempre mayor
que el valor de DBO. Substancias inorgnicas txicas La presencia de
substancias inorgnicas txicas en el agua se debe generalmente a
vertidos industriales o a la adicin de substancias desinfectantes
al agua. Existe un gran nmero de substancias inorgnicas txicas que
pueden estar presentes en el agua y cada una puede generar
alteraciones distintas y requerir de un tratamiento distinto. Entre
las substancias de este tipo se encuentran los metales pesados, que
se van acumulando en los organismos hasta causar graves daos; en el
hombre pueden afectar el sistema nervioso y daarlos riones, generar
mutaciones e inducir tumores. El cloro, utilizado como
desinfectante, tambin puede causar graves daos a la salud, si no es
manejado adecuadamente. Tabla 6. Potenciales efectos negativos de
substancias txicas. Elemento Arsnico (As) Efectos potenciales en la
salud Piel, sistema nervioso, cncer Efecto en aguas para uso en
riego El nivel toxico para las plantas vara ampliamente. Se
recomiendan lmites bajos debido a su acumulacin potencial en suelos
y plantas, a nivel peligroso para seres humanos. Entre 0.1 a 1.0
mg/l es toxico para ciertas plantas Entre 0.5 y 1.0 mg/l toxico
para ciertas plantas; su toxicidad es reducida en medios de pH
>7.0 En altas concentraciones, puede inhibir crecimiento
celular
Cadmio (Cd)
Dao renal
Cobre (Cu)
Irritante gastrointestinal
Nquel (Ni)
Efectos en vejiga Efectos en rin y sistema nerviosos
Plomo (Pb)
Fuente: Jour. American Water Works Association, March 1998.
6. CARACTERIZACN DE LAS AGUAS RESIDUALES Las cuatro fuentes
fundamentales de aguas residuales son: Aguas domsticas o urbanas
Aguas residuales industriales Escorrentas de uso agrcola
PluvialesPgina 14 08/07/2010
Preparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz
Normalmente al hablar de aguas residuales nos referimos a aguas
domsticas, aguas industriales, o la mezcla de ambas. Los
contaminantes de las aguas residuales generalmente son una mezcla
compleja de compuestos orgnicos e inorgnicos, siendo en trminos
prcticos y econmicos muy difcil de lograr un anlisis completo de
ellas. En la siguiente tabla, a modo referencial se incluye, una
orientacin para la clasificacin de aguas residuales urbanas. Tabla
7. Caractersticas de las aguas residuales urbanas Concentracin mg/l
Constituyente Fuerte Slidos totales Slidos disueltos totales Slidos
suspendidos totales DBO5 DQO Oxgeno disuelto Nitrgeno total
Amoniaco libre Fsforo total Grasas pHFuente: Hernndez, 1996.
Media 500 200 300 200 450 0,1 50 30 7 20 6-9
Dbil 200 100 100 100 160 0,2 25 15 2 0 6-9
1000 500 500 300 800 0 86 50 17 40 6-9
Para conocer las composicin de las aguas residuales debemos
efectuar campaas de monitoreo, en las cuales se determina el caudal
de la descarga y se toman muestras que se analizan en terreno y/o
se envan a laboratorios especializados para conocer su composicin
en funcin de los contaminantes que se haya estimado pertinente
analizar.
7. AUTODEPURACIN DE UN CAUSE Las aguas superficiales son muy
susceptibles a la contaminacin e histricamente se han utilizado
como vertederos para la industria y las aguas residuales domsticas,
al mismo tiempo que sirven de suministro de agua para satisfacer
todas nuestras necesidades. A travs de las aguas corrientes
superficiales se realiza el transporte unidireccional del agua,
desde el nacimiento de la corriente hasta su desembocadura en el
mar.
Preparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz
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Idealmente, cualquier vertido a una corriente de agua debera
recibir un tratamiento previo para evitar la contaminacin del
cuerpo de agua. Sin embargo, debido a los altos costos que esto
puede significar, el enfoque ha sido permitir el vertido de
contaminantes en cuerpos de agua en una concentracin que permita al
cauce receptor su autodepuracin, la cual estar determinada por las
caractersticas fsico-qumicas y biolgicas del cauce mismo. Con esto,
las necesidades de tratamiento de un efluente, antes de ser
descargado a un cuerpo de agua, dependern de los siguientes
factores, entre otros: Relacin de caudales entre el cauce receptor
y el cauce vertido. Calidad de las aguas del cauce receptor antes
del vertido. Caractersticas del cauce receptor corriente abajo del
vertido (pendiente, presencia de rpidos y cascadas que puedan
facilitar la aireacin, etc.). Posibilidad de otros vertidos
corriente abajo. Posibilidad de tomas de agua cerca del vertido
Con el fin de evitar un desequilibrio biolgico irreversible en
los cuerpos de agua, es importante conocer las constantes de
desoxigenacin y reoxigenacin de la corriente. Para evaluar la
calidad del agua de una corriente, se deben tomar muestras de
distintos parmetros, como oxgeno disuelto, sulfatos, fosfatos,
nitratos, slidos suspendidos, etc. Al tener un vertido en dicha
corriente, se recomienda tomar muestras de estos parmetros a
intervalos dados de distancia o de tiempo desde el punto de la
descarga, para determinar la recuperacin del cuerpo de agua.
Normalmente, despus de una descarga con alto contenido de materia
orgnica (por ejemplo, de aguas servidas), la corriente pasar por
las siguientes fases consecutivas, que conforman el proceso de
autodepuracin de un cauce:
a) zona de degradacin b) zona de descomposicin activa c) zona de
recuperacin d) zona de aguas limpiasZona de degradacin En la zona
de degradacin, las bacterias descomponen la materia orgnica,
consumiendo rpidamente el oxgeno disuelto en el agua (disminucin
del OD y aumento de la DBO). Las formas de vida superiores son
sustituidas por formas inferiores ms tolerables a la contaminacin.
Las aguas presentan un aspecto sucio y los vegetales verdes, sobre
todo las algas, tienden a desaparecer. Zona de descomposicin activa
En la zona de descomposicin activa o zona sptica, ocurre el
desprendimiento de gases como el metano (CH4); hay una disminucin
importante de OD (pudiendo incluso desaparecer) y se dan
condiciones spticas o de putrefaccin. Como resultado, las aguas
adquieren un aspecto pardusco o negro y surgen lodos flotantes;
como resultado de la falta de oxgeno se presenta la descomposicin
anaerobia de la materia, con la aparicin de olores desagradables
por la generacin de sulfuro de hidrgeno (H2S). Zona de recuperacin
En la zona de recuperacin, gradualmente el curso de agua recupera
sus condiciones normales, gracias a la oxidacin de los materiales.
El movimiento del agua permite una mayor disolucin de oxgeno del
aire en el agua y se recupera el nivel de OD. Las aguas se tornan
ms claras y reaparecen los vegetales verdes.
Preparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz
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Zona de aguas limpias Finalmente, ocurre la recuperacin del
curso de agua, el cual va adquiriendo caractersticas similares a
las que tena antes del vertido de aguas contaminadas. En la zona de
aguas limpias, las poblaciones vegetales y animales se recuperan.
En la figura 7 es posible observar cmo despus de una descarga de
aguas contaminadas a una corriente, el oxgeno disuelto (OD)
disminuye rpidamente mientras que la demanda bioqumica de oxgeno
(DBO) se incrementa, por el acelerado consumo de oxgeno por los
microorganismos que degradan la materia orgnica. A medida que la
concentracin de materia orgnica disminuye, la DBO se reduce y el
nivel de OD en el agua se recupera. Figura 7. Proceso de
autodepuracin de un cauce
Fuente: Miller, 1994
8. EUTROFIZACIN
La eutrofizacin es un proceso natural de envejecimiento de los
lagos, en el cual la materia orgnica y los sedimentos se van
acumulando con el tiempo como resultado del incremento en el
crecimiento acutico (por ejemplo algas). Este fenmeno natural puede
demorar miles de aos, sin embargo las actividades humanas aceleran
dramticamente este proceso debido al aporte de nutrientes (eutrfico
significa rico en nutrientes), dando origen al concepto de
eutrofizacin acelerada o de origen humano, que corresponde al caso
que actualmente afecta por ejemplo al embalse Rapel. Si bien la
lista dePreparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz Pgina 17
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nutrientes es larga, el crecimiento explosivo de las algas se
encuentra limitado a dos: fsforo (como fosfato) y nitrgeno (como
nitrato). En la gran mayora de los ecosistemas de agua dulce el
factor limitante es el fosfato, pero en muchos mares el factor
limitante es el nitrgeno. Las principales fuentes de eutrofizacin,
como se grfica en la siguiente figura, son las aguas servidas
generadas en los centros urbanos, que llevan detergentes y desechos
orgnicos, los vertidos agroindustriales que aportan fsforo y
nitrgeno, y los vertidos ganaderos y agrcolas que aportan desechos
orgnicos, fertilizantes y otros residuos ricos en fosfatos y
nitratos. Figura 8. Fuentes causantes de la eutrofizacin.
9. PASOS PARA DEFINIR LA ALTERNATIVA DE TRATAMIENTO A
IMPLEMENTAR
Para definir la alternativa de tratamiento a implementar se
sugieren los siguientes pasos. Alternativas de descarga o uso del
agua residual Se debern verificar los posibles puntos de descarga,
los usos posteriores de los potenciales cursos receptores y la
factibilidad de utilizar el agua residual fuera del proceso
productivo, por ejemplo en riego. Para las alternativas ms viables
se deber efectuar un anlisis de la normativa aplicable.
Preparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz
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Tabla 8. Normas o regulacin aplicable segn alternativa de uso o
disposicin. Alternativa de uso o disposicin Curso de agua
superficial Infiltracin Alcantarillado Norma/ regulacin aplicable
D.S. 90/2000 Fiscalizador Requisitos para su aplicacin
SISS Directemar
Capacidad de dilucin DGA Autorizacin canalistas Vulnerabilidad
del acufero DGA Factibilidad otorgada por la empresa sanitaria
Establecidos en la RCA Establecidos en la RCA
D.S. 46/2002 D.S. 609/98
SISS Concesionaria SISS
Riego Aplicacin al suelo
NCh 1333 / Gua SAG Gua SAG
SAG /SISS SAG /SISS
Diagrama del proceso industrial Se deber conocer las distintas
lneas del proceso industrial, considerando los consumos de agua de
cada lnea y los potenciales materiales o insumos que puedan
repercutir en la calidad del agua finalmente descargada. Lo
anterior deber ser representado mediante diagramas de flujo.
Determinacin de caudales y cargas contaminantes Se deber
efectuar la medicin o estimacin de caudal en la totalidad de los
procesos que generen aguas residuales, se tomaran muestras para
analizar lo parmetros que se consideren relevante en funcin del
proceso productivo y finalmente se calcularan las cargas
contaminantes. Figura 9. Determinacin de la carga contaminante.
CC = Ci x VD
CC = Concentracin parmetro i (g/m3) x Caudal (m3/da) = gr/da
Preparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz
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Posibilidad de reducir el consumo de agua. En funcin de la
informacin recopilada se determinar la factibilidad de reducir el
consumo de agua. Posibilidad de reutilizar las aguas dentro del
proceso En funcin de la informacin recopilada se determinar la
factibilidad de reducir el consumo de agua. Objetivos de la
reduccin de la contaminacin Conociendo las caractersticas de las
aguas residuales y teniendo claro las alternativas de descarga o
uso del agua residual y los lmites que establezca la legislacin
vigente se definirn los objetivos de reduccin de la carga
contaminante Alternativas de tratamiento Se debern efectuar un
anlisis tcnico tendiente a definir las tecnologas de tratamiento
disponibles que permitan cumplir con la reduccin de contaminantes
trazada. Tabla 9. Rendimientos de la depuracin % Reduccin Proceso
de Depuracin DBO Slidos Suspendidos
Depuracin Primaria. Sedimentacin
25 - 40
40 - 70
Depuracin secundaria. Precipitacin qumica Depuracin secundaria.
Mtodo convencional de lodos activados, precedidos y seguidos de
sedimentacin Depuracin secundaria. Lecho bacteriano de alta
velocidad precedido y seguido de sedimentacin Depuracin
terciariaFuente: Hernndez, 1996.
50 - 75
70 85
75 - 92
85 - 92
65 - 85
65 90
92 -98
93 - 98
Preparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz
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Evaluacin econmica Comparacin de costos de inversin y operacin
de las diferentes alternativas seleccionadas. Inversin Terreno
Obras civiles Equipos Costos de explotacin Gastos fijos anuales
Mano de obra Mantenimiento Gastos de administracin Gastos variables
anuales Consumo energtico Consumo reactivos Eliminacin de
residuos
10. TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES El tratamiento de las aguas
residuales puede ser de tipo fsico, qumico o biolgico, atendiendo
al vertido segn su composicin sea orgnica, inorgnica o mixta. Estos
tratamientos posibles se muestran en la siguiente figura 10.
Procesos fsicos a) desbaste por rejillas, tamices o filtracin
mecnica. b) Desengrasado. Su misin es la retirada de grasas,
petrleo y elementos flotantes en el agua. c) Sedimentacin para
eliminar los slidos sedimentables en suspensin por su mayor
densidad en relacin a la del agua. d) Flotacin para eliminar
materias en suspensin por su menor densidad con relacin a la del
agua. e) Evaporacin para concentrar materias en algunas
circunstancias. f) Absorcin para eliminacin de microcontaminantes,
como color, fenoles, etc.
Procesos qumicos a) b) c) d) e) Floculacin y coagulacin,
utilizable para las partculas en suspensin no sedimentables.
Neutralizacin para modificar el pH. Oxidacin. Reduccin, como la
utilizacin de sulfato de hierro para eliminar cromo Intercambio
inico, para la eliminacin de cobre, plomo, zinc, etc.
Procesos biolgicos Se busca en ellos una doble accin, la
metablica y la floculacin de las partculas en suspensin. Existen
procesos convencionales y no convencionales (naturales). Los
procesos convencionales son: a) Fangos activos b) Lechos
bacterianos c) Lagunas con aireacin mecnica
Preparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz
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Figura 10. Procesos de tratamiento de aguas
residuales.TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
TIPO VERTIDO
INORGANICO
ORGANICO E INORGANICO
ORGNICO
TRATAMIENTO QUMICO NEUTRALIZACION ADICION COAGULANTES ADICION
OXIDANTES ADICION DE REDUCTORES INTERCAMBIO IONICO
TRATAMIENTO MECANICO TAMIZADO HOMOGENIZACION DILUCION SECADO
SEDIMENTACION FLOTACION FILTRACION CENTRIFUGACION INCINERACION
ULTRAFILTRACION EVAPORACION
TRATAMIENTO BIOLOGICO A) OXIDACION AIREACION LODOS ACTIVADOS
LECHOS BACTERIANOS LAGUNAJE OXIDACION PROLONGADA CAMPOS DE RIEGO
CLORACION B) REDUCCION DIGESTION ANAEROBICA LAGUNAJE FOSAS SEPTICAS
C)SISTEMAS NATURALES INFILTRACION LENTA INFILTRACION RAPIDA
HUMEDALES CULTIVOS ACUATICOS BIOFILTROS D) DESINFECCIN CLORACION
OZONIZCION RADIACION UV
Fuente: Adaptado de Hernndez, 1996.
11. TRATAMIENTO BIOLGICO
Los procesos biolgicos permiten remover la materia orgnica
biodegradable presente en las aguas residuales y son llevados a
cabo por varios microorganismos entre los que se encuentran
bacterias, algas y protozoos. Estos procesos ocurren en forma
natural en la medida que se proporcione el ambiente requerido,
siendo posible desde el punto de vista ingenieril, acelerar y
optimizar los procesos. Para reproducirse y funcionar, los
microorganismos necesitan: Una fuente de energa Una fuente de
carbono para la sntesis de material nuevo Nutrientes inorgnicos
tales como N, P, S, K, Ca y Mg.
En algunos casos los nutrientes, ms que la fuente de energa son
el factor limitante para la sntesis.Preparado por: Ing. Pablo Ortiz
Muoz Pgina 22 08/07/2010
En el tratamiento de aguas servidas los microorganismos
Quimiohetertrofos son los ms importantes debido a sus
requerimientos de carbono para sntesis y energa. Figura 11.
Composicin de las bacterias
Fuente: Mena, 2000.
Las bacterias siempre siguen la ruta que les permite obtener el
mximo de energa (ruta aerbica, metabolismo respiratorio). Procesos
Aerbicos: Metabolismo completo y sntesis del sustrato produciendo
gran cantidad de crecimiento biolgico.
Procesos anaerbicos: Metabolismo incompleto, crecimiento
biolgico menor, produccin de compuestos de alta energa (cido actico
y metano).
El crecimiento bacteriano presenta las siguientes fases: Fase
aclimatacin Fase crecimiento logartmico: existe siempre un exceso
de alimento para los microorganismos. Fase de crecimiento
declinante: tasa de crecimiento disminuye debido a que la comida es
limitada. Fase endgena: los microorganismos se ven forzados a
metabolizar su protoplasma debido a que la comida es mnima.
Preparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz
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08/07/2010
11.1. Clasificacin tratamiento biolgico Los procesos biolgicos
son llevados a cabo por microorganismos variados, especialmente
bacterias y protozoos. Un proceso de tratamiento biolgico es capaz
de remover slo la fraccin biodegradable de la materia orgnica
presente. De acuerdo a sus caractersticas, los procesos biolgicos
pueden ser del tipo Natural o Convencional. Procesos Naturales:
corresponden a procesos extensivos con escasa o nula mecanizacin,
requieren amplias superficies de terreno, pero mnimos costos de
operacin (p.e. Lagunas de estabilizacin, Wetlands). Procesos
Convencionales: son procesos intensivos con alto grado de
mecanizacin, requiere superficies menores, pero costos de
construccin y operacin mayores.
11.2. Tratamientos biolgicos naturales A continuacin se muestran
diferentes configuraciones de tratamientos naturales.
Lagunas de estabilizacin
- Anaerbicas - Aerbicas - Facultativas
Wetlands (humedales)
Filtros verdes
Infiltracin (rpida y lenta)
Lagunas anaerbicas: operan como un sedimentador con fermentacin.
Requiere condiciones especficas de operacin. Generalmente presenta
problemas de olores. Bsicamente se produce remocin de la DBO
particulada; los slidos permanecen largo tiempo en el fondo y se
produce estabilizacin in situ. Lagunas aerobias: corresponden a
grandes estanques de baja profundidad en los cuales se desarrolla
una alta poblacin de algas que mediante fotosntesis aporta oxgeno a
la columna de agua; ste es tomado por las bacterias para oxidar la
materia orgnica. Opera con oxgeno disuelto en todo su volumen.
Lagunas facultativas: tienen mayor profundidad lo que permite el
desarrollo de un estrato aerbico en superficie y un estrato
anaerbico en el fondo. Este es el sistema que ms se utiliz en Chile
hasta los 90s. Humedales: reas que se encuentran permanentemente
inundadas por aguas superficiales o subterrneas, de modo que se
desarrolla un ecosistema compuesto por el suelo, agua, vegetacin,
microorganismos e invertebrados acuticos. La vegetacin proporciona
superficies para la formacinPreparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz
Pgina 24 08/07/2010
de pelculas bacterianas, facilita la filtracin y la adsorcin de
los constituyentes del agua residual, permite la transferencia de
oxgeno a la columna de agua y controla el crecimiento de algas al
limitar la penetracin de la luz solar. Filtros verdes: La depuracin
se realiza mediante la accin conjunta del suelo, los
microorganismos, las plantas por medio de una triple accin: fsica
(filtracin), qumica (intercambio inico, precipitacin, oxido
reduccin) y biolgica (degradacin de la materia orgnica). Tiene
lugar en el horizonte superior del terreno, donde se encuentra una
capa biolgica activa. Infiltracin: aplicacin controlada del agua
residual sobre balsas superficiales construidas en suelos de
permeabilidad media a alta. La depuracin se produce mediante los
procesos fsicos, qumicos que tienen lugar al atravesar la zona no
saturada. Por medio de este sistema se consigue la recarga
artificial del acufero y la posibilidad de reutilizar el agua
tratada, recuperndola a travs de pozos o zanjas. 11.3. Tratamientos
biolgicos convencionales En el tratamiento biolgico convencional se
requiere sostener el cultivo biolgico en un ambiente controlado que
promueva el crecimiento de los microorganismos por consumo de la
materia orgnica. Se requiere proporcionar las condiciones adecuadas
de pH, temperatura, presencia de nutrientes y, en la mayora de los
casos, oxgeno disuelto aportado por fuentes mecnicas.
En este tipo de proceso, durante el crecimiento de los
microorganismos, una porcin del substrato es convertida a nuevas
clulas y la otra parte es oxidada a productos orgnicos e
inorgnicos. Para un substrato determinado, las tasas de crecimiento
y de utilizacin de substrato estn relacionadas mediante:
Donde: Y = coeficiente de produccin mxima X = concentracin de
microorganismos, mg/l S = concentracin de sustrato (DBO o DQO),
mg/l Y representa la masa de clulas formadas por masa de substrato
consumido y se relaciona directamente con la produccin de lodos del
sistema; depende de varios factores entre los cuales destacan las
caractersticas del substrato y condiciones operacionales. El tejido
celular formado en un proceso biolgico tiene un peso especfico
mayor que el agua, por tanto las clulas pueden ser removidas del
lquido tratado mediante sedimentacin gravitacional, generndose
lodo, denominado como lodo secundario. El proceso de tratamiento
convencional considera la lnea de tratamiento completa: preliminar,
primario, secundario (biolgico) y procesos de tratamiento de
lodos.Preparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz Pgina 25 08/07/2010
Los procesos biolgicos convencionales incluyen un reactor donde
se produce la transformacin de la materia orgnica y posteriormente,
una unidad de separacin slido-lquido donde se produce la
clarificacin del efluente. Los slidos separados en las distintas
etapas del proceso deben ser tratados separadamente mediante
procesos que pueden ser fsicos, qumicos y/o biolgicos. Para el
tratamiento biolgico convencional es posible utilizar distintas
configuraciones de tratamiento.
Cultivo suspendido
- Lodos activados - Convencionales - Aireacin extendida - SBR -
Zanjas de oxidacin - Filtros percoladores - Biodiscos
Cultivo fijo
Lagunas aireadas
Lagunas aireadas: Corresponden al proceso de transicin entre los
sistemas naturales y convencionales, operan con oxigenacin mecnica,
generalmente entregada por equipos de aireacin superficial,
trabajan con bajas concentraciones de microorganismos y por lo
tanto requieren de mayor tiempo de retencin. El efluente
generalmente se somete a clarificacin en lagunas de sedimentacin. .
Lodos Activados: Un sistema de lodos activados consiste en
desarrollar un cultivo bacteriano disperso en forma de flculos
(lodos activados) en un depsito agitado y aireado (reactor) y
alimentado con agua proveniente del pretratamiento. La agitacin
evita la sedimentacin y homogeniza la mezcla de los flculos
bacterianos y el agua residual (licor de la mezcla). La aireacin
tiene por objeto suministrar el oxgeno necesario a las bacterias y
microorganismos aerobios que realizan el proceso de depuracin
Despus que el lquido tratado sale de la cmara de aireacin, es
dispuesto en la cmara de sedimentacin, en la que permanece en
completa calma. Las partculas tratadas, sedimentan al fondo de la
cmara, desde son devueltas a la cmara de aireacin para garantizar
una biomasa adecuada en el estanque de aireacin Cultivo fijo
(lechos bacterianos): Los Lechos Bacterianos son reactores de
Cultivo Fijo, donde los microorganismos se desarrollan adheridos a
un lecho o medio de soporte (el cual puede ser fijo o mvil) en
forma de superficies de cultivo, asemejando una carpeta biolgica
(muclago o capa mucilaginosa). El material del medio de soporte
puede ser roca, madera o plstico, tenindose entre 45 y 200 m2 de
superficie especfica por cada metro cbico para el desarrollo de la
carpeta biolgica. El sustrato es aplicado en forma intermitente y
alternada con perodos de aeracin en los cuales se produce la fase
de respiracin de los microorganismos. Una de las versiones de lecho
fijo ms difundida, la constituyen los Biofiltros o Filtros
Percoladores, mientras que entre las de lecho mvil destacan los
Biodiscos o Contactores Biolgicos Rotatorios (CBR).Preparado por:
Ing. Pablo Ortiz Muoz
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08/07/2010
Figura 12. Diagrama de flujo simplificado sistema lodos
activados
LODOS ACTIVADOS AIRECIN EXTENDIDA
AFLUENTE PRE TRATAMIENTO REACTOR BIOLGICO SEDIMENTADOR
DESINFECCIN
AGUA CLARA
RECIRCULACIN DE LODO
PURGA DE LODO
12. DISEO DE UN SISTEMA NATURAL BASADO EN PLANTAS EMERGENTES Los
principales mecanismos de depuracin de aguas cloacales por parte de
los Sistemas Naturales basados en plantas emergentes se pueden
sintetizar en (Martines, 1989): Eliminacin de slidos en suspensin
por retencin fsica en el substrato, en los rizomas y en las races.
Eliminacin de materia orgnica retenida en el substrato, por accin
de la microflora acompaante y por adsorcin de las partculas de
arcilla del substrato. Eliminacin de nitrgeno por absorcin directa,
desnitrificacin microbiana y volatilizacin de amonaco. Eliminacin
de fsforo por absorcin directa, por adsorcin por las partculas de
arcilla y por precipitacin de fosfatos insolubles. Eliminacin de
microorganismos patgenos debida a la accin de antibiticos
producidos por las races de las plantas, a la transferencia de
oxgeno hacia la zona de las races y a otras modificaciones del
microhbitat radicular.
El sistema que aqu se propone no requieren el uso de bombas ni
consumo alguno de energa elctrica, siendo los elementos
fundamentales en el proceso de depuracin, la cmara de
pretratamiento y el canal sembrado con plantas emergentes (Typha).
Como puede verse en los croquis en corte, todo el recorrido de las
aguas cloacales es subterrneo, lo que garantiza que no haya
evaporacin de lquidos, emisin de olores, ni otros perjuicios para
el ambiente y las personas.
Preparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz
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Figura 13. Corte y planta de un sistema basado en plantas
emergentes.
Fuente: Ghislieri, 1999
Con la finalidad de facilitar la construccin del sistema, se
considera la DBO5 (Demanda Bioqumica de Oxgeno) como nico parmetro
de diseo ya que el mismo guarda una relacin suficientemente estable
con los parmetros ambientales y sanitarios de inters. A la hora de
construir el sistema se deben tener en cuenta: Orientacin geogrfica
que garantice la mayor cantidad de luz natural por da.
Permeabilidad y granulometra del suelo para definir el tipo de
impermeabilizacin a realizar en el fondo del canal. Existencia de
races de rboles que puedan perforar el canal. Pendientes naturales
del terreno para realizar el menor movimiento de tierra posible.
Integracin esttica del sistema de tratamiento al entorno.
Diseo cmara de pretratamiento La cmara de pretratamiento tiene
como finalidad principal la fragmentacin y remocin parcial de los
slidos orgnicos contenidos en las aguas residual. Esta funcin se
realiza principalmente por sedimentacin de dichas materias en la
cmara, consiguindose as que de la misma salga un lquido sin
materiales grandes en suspensin. Sin embargo, este proceso no
culmina con la sedimentacin, sino que ocurre un proceso de
degradacin biolgica de los sedimentos en el interior del tanque, lo
que provoca la descomposicin parcial de los mismos (Ghislieri D. et
al. 1999.). Este proceso biolgico transcurre en condiciones de
ausencia de oxgeno (proceso anaerobio) y produce la transformacin
de la materia orgnica en compuestos solubles ms simples y gases que
se liberan. Estos gases pueden presentar olores desagradables, por
lo que es importante que la cmara de pretratamiento posea una
ventilacin bien ubicada y con suficiente elevacin para que dichos
olores se diluyan naturalmente en el aire.Preparado por: Ing. Pablo
Ortiz Muoz Pgina 28 08/07/2010
Se propone construir la cmara de pretratamiento en secciones o
mdulos, utilizando anillos de hormign de 1,00 m de dimetro. Esta
construccin modular permite agregar anillos de hormign en forma
sencilla hasta alcanzar el volumen deseado. Para el
dimensionamiento de la cmara de pretratamiento (clculo de volumen)
se considera que el tiempo de residencia hidrulica (TRH) necesario
para reducir la DBO mxima esperada de las aguas residual (se asume
300 mg/l) a una DBO apta para ingresar al canal con las plantas
emergentes (150 mg/l) en un clima templado medio es de 1,5 das
(Ghislieri D. et al. 1999.). As, el volumen de la cmara de
pretratamiento depender solo del caudal de entrada (Q), segn la
frmula: V = Q x TRH La cmara estar construida con cilindros de un
volumen conocido (segn la frmula V = * r *h), por lo que podremos
determinar fcilmente la cantidad de anillos necesarios para que la
cmara de pretratamiento tenga un TRH de 1,5 das y la DBO se reduzca
en un 50 % (de 300 a 150 mg/l). Tanto la comunicacin entre las
secciones de la cmara como la salida de la misma debern estar
provistas de tees conectadas como se muestra en la figura, para
evitar la salida de materiales flotantes hacia el canal de
depuracin. Las tapas ubicadas en cada seccin de la cmara debern
permitir la inspeccin visual de la misma, as como la limpieza o
mantenimiento. Durante el proceso de degradacin de las materias
sedimentadas, es posible que algunas de ellas floten, por lo que
tambin es necesario que la cmara tenga dispositivos de retencin de
slidos flotantes para evitar que stos salgan de la misma sin
culminar el proceso de degradacin. Figura 14. Cmara de
pretratamiento2
Fuente: Latchinian, 2002
En el caso de efluentes domiciliarios, es indispensable que las
aguas provenientes de la cocina pasen previamente a su ingreso al
sistema, por una cmara de retencin de grasas (grasera) y que la
misma cuente con un mantenimiento adecuado (limpiezas regulares).
Diseo del canal con plantas emergentes El canal de flujo subterrneo
sembrado con plantas emergentes, ubicado a continuacin de la cmara
de pretratamiento, cumple la funcin de depuracin final de las aguas
descargadas.
Preparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz
Pgina 29
08/07/2010
Los materiales orgnicos solubles, y aquellos que se formaron
durante la digestin de los slidos sedimentados en la cmara de
pretratamiento, son degradados naturalmente durante su flujo a
travs del lecho con Typhas (totora), por el ecosistema formado en
torno a las races de las plantas. Como resultado de este
tratamiento, se obtiene agua de calidad adecuada para su
reutilizacin en riego. Para la construccin del lecho o canal se
elegir un lugar soleado y de ser posible con pocas races de rboles.
Para el dimensionamiento del canal se considera la ecuacin
propuesta por Reed, 1993, para calcular el rea superficial del
canal, ya que la profundidad media ser de 0,50 m y el ancho ser la
tercera parte del largo:
Donde: As = El rea superficial del canal expresada en metros 3 Q
= El caudal de efluente que entra al canal expresado en metros /da
Co = La DBO de entrada al canal que ser de 150 mg/l Ce = La DBO
esperada3 a la salida del canal, que ser de 50 mg/l Kt = La
constante de temperatura, que para las peores condiciones (6 C) es
de 0,36 d = La profundidad media del canal que se estima en 0,50
metros (pendiente de 1%) n = La porosidad del substrato para
pedregullo de diametro medio de 16 mm es de 38 % As, conociendo el
rea superficial y sabiendo que la relacin entre largo y ancho es de
3:1, podemos obtener las dimensiones del canal, despejando la
frmula: As = L * (L/3) El canal tendr una pendiente aproximada de 1
% y a sus paredes se les dar suficiente pendiente como para evitar
que se desmoronen. El canal comenzar con una profundidad de 40 cm y
terminar con una profundidad siempre inferior a 80 cm. Figura 15.
Canal con plantas emergentes2
Fuente: Latchinian y Ghislieri.
Debe tenerse presente la importancia de la impermeabilizacin del
canal, para evitar toda posibilidad de infiltracin de agua hacia el
terreno durante el proceso de depuracin. Una vez excavado el pozo
se cubrir el fondo con una capa de 5 cm de tosca, la cual ser
compactada con un pisn o un rodillo.Preparado por: Ing. Pablo Ortiz
Muoz Pgina 30 08/07/2010
Por lo general se deber revestir el canal (fondo y paredes) con
suelo cemento o membrana asfltica para asegurar su impermeabilidad.
Una vez revestido el canal y colocados los caos de entrada y de
salida, el primer metro y el ltimo metro (por 1,5 m de ancho) del
canal ser rellenado con canto rodado de 10 cm de dimetro
aproximadamente. El resto del canal se llenar de pedregullo (de
aproximadamente 1,5 cm de dimetro) hasta una altura de 35 cm. En
este lecho de pedregullo se sembrarn las plantas segn se describe
ms adelante. Una vez que las Typhas hayan crecido 40 o 50 cm se
rellenar el resto del canal con arena gruesa. A la salida del canal
se podr colocar un tanque de colecta si se desea emplear el agua
para riego, o en su defecto se podr realizar directamente
disposicin a terreno. Transplante y mantenimiento del sistema a)
Extraccin de plantas emergentes: Se extrae la planta en el terrn
con una pala, sin daar rizomas ni cortar races. Se cortan las hojas
dejando solo brotes nuevos y yemas. Se cortan los rizomas en trozos
de aproximadamente 20 cm. Se enjuagan los trozos de rizoma en un
recipiente con agua del lugar. Se los transporta en ambiente hmedo
y sombreado (envueltos en papel peridico mojado). b) Procedimiento
de siembra: Se riega abundantemente el pedregullo del canal hasta
el encharcado del agua. 2 Se plantan los rizomas a razn de 4
plantas por m , en la posicin en que se encontraban en su medio
natural (arriba y abajo). Se cubren los rizomas con una fina capa
de pedregullo, dejando yemas y tallos afuera. Se agrega agua al
canal hasta inundar las races que salen de los rizomas. c)
Mantenimiento del sistema: Una vez que las hojas de las plantas se
hayan elevado cerca de 50 cm del nivel del canal se cubrir la
superficie del mismo con 10 cm de arena gruesa y se dejar que las
plantas continen creciendo. Se dejar crecer las plantas libremente,
sin necesidad de realizar manejo alguno, hasta que se verifique una
reduccin en el caudal de salida del sistema. Al constatarse la
reduccin del caudal (obstruccin por exceso de races) se extraern
algunos rizomas para recuperar caudal. Una vez que se establezca la
densidad ptima de plantas, el sistema se equilibrar siendo la
cosecha muy espordica y slo se debern considerar los aspectos
paisajsticos. Eficiencia del sistema DBO5: 65 77% Coliformes
fecales: 99% (aprox.)
13. LOMBRIFILTRO (SISTEMA TOH)
Desde el ao 1994, se ha ido implementando en nuestro pas un tipo
de tecnologa nica en el mundo llamada biofiltro (lombrifiltro) o
Sistema Toh. Este sistema tiene el mrito de ser 100% creado y
patentado en Chile por el doctor Jos Toh en conjunto con un grupo
de acadmicos y alumnos de la Facultad de Ciencias Fsicas y
Matemticas de la Universidad de Chile.Preparado por: Ing. Pablo
Ortiz Muoz Pgina 31 08/07/2010
El lombrifiltro est compuesto, fundamentalmente, por 3 capas y
lombrices del tipo Eisenia Foetida. Esto es, una base filtrante de
bolones, sobre la cual se agrega una capa de ripio o grava. La
parte superior se cubre con aserrn o viruta de madera de ulmo o
tepa (principalmente) sobre el cual se mantiene un alto nmero de
lombrices (Quezada, 2001). El funcionamiento del lombrifiltro
considera las siguientes etapas: El efluente es enviado a una
planta elevadora, para luego ser impulsada y asperjada en la
superficie del Biofiltro, compuesto por los distintos estratos,
conteniendo en los superiores un alto nmero de lombrices. El Ril o
agua servida escurre por el medio filtrante quedando retenida la
materia orgnica. La materia orgnica del efluente es consumida por
las lombrices, oxidndola y transformndolas en anhdrido carbnico y
agua, pasando una parte menor de ella a constituir masa corporal de
las lombrices y otra mayor de deyecciones de las mismas; estas
ltimas, constituyen el llamado humus de lombriz. Los
microorganismos presentes en el agua servida, son reducidos en dos
rdenes de magnitud, debido a sustancias que son generadas por las
lombrices y los dems microorganismos consumidores de materia
orgnica que viven junto con las lombrices.
Figura 16 : Esquema general del sistema lombrifiltro.
Parmetros de diseo El diseo del lombrifiltro se basa en la
realizacin de un balance de masas que considera: el nmero de
lombrices que puede cohabitar por unidad de rea, cantidad de
materia orgnica que stas son capaces de digerir y la tasa mxima de
riego que puede soportar el lecho para evitar la muerte de
lombrices por falta de oxgeno, que corresponde a 1 m3/m2/da (A.V.F.
Ingeniera Ambiental, 2003). De esta manera se considera para el
diseo:
Conocido el caudal de diseo, y asumiendo una tasa de riego se
puede determinar el rea requerida para el tratamiento.
Recomendaciones generales a considerar en el diseo. El pH debe
mantenerse idealmente en el rango 6,5 7.5Pgina 32 08/07/2010
Preparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz
Humedad 70 80% Temperatura 15C 24C Densidad de lombrices 20.000
m2 (rango 4.000 a 50.000) Se debe mantener baja luminosidad. La
lombriz ingiere una cantidad de comida equivalente a su propio peso
(0,4 gr. - 0,6 gr.)
En esos trminos, para un caudal de agua residual de 10 m3, con
una DBO5 de 300 mg/, que se pretende depurar hasta un nivel de 35
mg/litro, considerando una tasa de aplicacin de 400 lt/m2/da, se
requiere: A= 10 m3/d / 0,5 m/d = 20 m2 Eficiencia del Tratamiento
Segn informacin recopilada un lombrifiltro presenta los siguientes
niveles de remocin de contaminantes: Tabla 10. Eficiencia
lombrifiltro Parmetros Coliformes fecales DBO5 Slidos Totales
Slidos suspendidos voltiles Nitrgeno Total. Aceite y Grasas Fsforo
Total Fuente: http.//www.sistematoha.cl Descripcin de las capas del
lombrifiltro El lombrifiltro estar compuesto de un medio filtrante
y un soporte (ver figura13). Figura 17. Capas del Lombrifiltro.
Eficiencia 99% 95% 95% 93% 60 a 80% 80% 60 a 70%
Fuente: A.V.F. Ingeniera Ambiental, 2003. Preparado por: Ing.
Pablo Ortiz Muoz Pgina 33 08/07/2010
El medio filtrante ser una capa de humus de espesor terico 2 cm.
de profundidad, en el cual habitan en mancomunin microorganismos y
lombrices de la especie Eizenia Foetida. El soporte estar
constituido por tres capas, la primera de ellas de aserrn o viruta
(debajo del humus), la segunda, ripio o grava y la tercera de
bolones. La primera capa de soporte y que tambin sirve de filtro,
el aserrn o viruta, puede ser de ulmo o tepa (principalmente), cuyo
espesor debe ser, por lo menos, de 25 cm. para lograr la franja
operativa necesaria de la lombriz. Adems, tiene como finalidad
principal servir de alimento a las lombrices en el eventual caso
que la carga contaminante del afluente no sea suficiente. La
segunda capa estar constituida por ripio o grava y la tercera capa
ser de bolones con un espesor aproximado de 25 cm., las piedras de
mayor tamao van en la parte inferior y las de menor en la parte
superior, esta capa esta destinada al drenaje y aireacin del
sistema. En las piedras tambin se forma flora bacteriana que
digiere la materia orgnica del agua que pasa por ella y que no fue
retenida en las capas superiores del lombrifiltro. Entre los
estratos de aserrn y arena se dispone una malla tipo Raschell, que
sirve como elemento de separacin y retencin para el estrato de
aserrn y las lombrices (A.V.F. Ingeniera Ambiental, 2003). El piso
del filtro, tambin denominado falso fondo, consiste en un radier
con cierta pendiente (aproximadamente de un 1%) para que fluya el
agua hacia la canaleta de evacuacin, la cual tambin posee cierta
pendiente (0.50%). En el permetro interno del lombrifiltro se
instalan tubos de PVC de 110 mm. de dimetro, cada 2 metros
aproximadamente, los cuales van en forma vertical, apoyados en su
parte inferior en el radier y su parte superior sobresale 20 cm. de
lecho filtrante (humus). Estos tubos se perforan con orificios (10
mm. de dimetro) los 20 cm. de su parte inferior y 8 cm. de la
superior. Los tubos perforados permitirn airear el sector del falso
fondo y la capa inferior del soporte. Ventaja en relacin a los
sistemas convencionales No produce lodos inestables. Altos ndices
de eficiencia: El lecho filtrante no se permeabiliza.. Bajos costos
de operacin, mantencin y limpieza. Sistema modulares ampliables.
Produce un subproducto que puede ser utilizado como abono natural.
Los perodos de puesta en marcha son relativamente rpidos. Genera un
valor en su proceso de tratamiento.
Mantencin del sistema Para procurar el correcto funcionamiento
del sistema del sistema Toh, se requiere realizar las siguientes
labores de mantencin (A.V.F. Ingeniera Ambiental, 2003): Extraccin
de slidos retenidos en el canastillo, se recomienda al menos una o
2 veces a la semana, pero en caso de ser necesario debe aumentarse
la frecuencia. Se debe realizar el horqueteo de la viruta
superficial del lecho, para mejorar la permeabilidad de ste
evitando aposamiento de aguas, se recomienda realizarlo al menos
una vez por semana, pero en caso de ser necesario debe
incrementarse la frecuencia. Para el correcto funcionamiento del
lombrifiltro, el sustrato debe estar en un estado de saturacin, sin
llegar a tener aposamientos superficiales, los cuales no son
recomendados debido a que la lombriz se aleja de estas zonas,
haciendo perder la homogeneidad delPgina 34 08/07/2010
Preparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz
sistema. Este estado de saturacin permanente es logrado a travs
de la descarga, a tasas controladas, de aguas residuales.
Desmalezar el lecho al detectarse el crecimiento de algn tipo de
plantas. Con una frecuencia de 4 meses debe realizarse la adicin de
viruta al lecho, ante la disminucin de este estrato debido al
fraccionamiento alcanzado. Limpieza peridica de regadores para
garantizar en todo momento una uniformidad de riego en la
superficie.
14. FILTROS VERDES Consiste bsicamente en la aplicacin de un
caudal controlado de agua residual sobre la superficie del terreno,
donde previamente se ha instalado una masa forestal o un cultivo.
Con ello se consigue, adems de la depuracin del efluente, el
crecimiento de especies vegetales, generalmente arbreas maderables,
y la recarga artificial del acufero. La depuracin se realiza
mediante la accin conjunta del suelo, los microorganismos y las
plantas por medio de una triple accin: fsica (filtracin), qumica
(intercambio inico, precipitacin y coprecipitacin, fenmenos de
xido-reduccin) y biolgica (degradacin de la materia orgnica); tiene
lugar en los horizontes superiores del terreno, donde se encuentra
una capa biolgica activa. Para mantener en el terreno condiciones
predominantemente aerobias el agua residual se aplica en ciclos
intermitentes, generalmente variables, de entre 4 y 10 das. Las
cargas hidrulicas del agua residual aplicadas sobre la superficie
activa de tratamiento varan, dependiendo de la naturaleza del
terreno, de la poca del ao y del tipo de cultivo entre 0,5 y 6
m/ao. (Metcalf y Heddy, 1995). Tras su infiltracin, el agua
residual percola vertical y lateralmente a travs del suelo. La
cubierta vegetal juega un importante papel en el proceso de
tratamiento. Su seleccin y cuidado dependen principalmente del
grado de tratamiento perseguido y de las caractersticas de los
suelos. El filtro verde tiene uno de los mayores potenciales de
tratamiento de todos los sistemas de depuracin en el terreno,
debido a la aplicacin de cargas relativamente bajas sobre el suelo
vegetado y a la existencia de un ecosistema muy activo en el suelo,
a escasa distancia de la superficie. Para la instalacin de un
filtro verde se requieren una serie de condiciones relacionadas con
el terreno y el agua residual (Metcalf y Heddy, 1995): Terrenos con
caractersticas de permeabilidad y granulometra determinados. Los ms
idneos son los terrenos franco-arcillosos y franco-arenosos. Nivel
piezomtrico a ms de 1,5 m de la superficie (aunque generalmente
este valor debe ser aumentado al doble o triple). Superficie del
orden de 1 ha por cada 250 habitantes (10 Kg DBO5), dependiendo de
la climatologa (por ejemplo, en zonas ms lluviosas la necesidad de
terreno ser mayor) y de las caractersticas hidrogeolgicas de la
zona. El efluente no debe contener sustancias nocivas para los
cultivos.
Preparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz
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Foto 1. Los filtros verdes consisten generalmente en el cultivo
de masas forestales, chopos, que adems de favorecer la depuracin de
las aguas residuales permiten la explotacin maderera del cultivo,
con lo que se consigue de forma indirecta la proteccin de los
bosques y la mejora de la calidad de la atmsfera.
Con este sistema se consiguen reducciones de DBO5 del orden del
90% y de slidos en suspensin del 95% destacando, adems, el alto
rendimiento en eliminacin de microorganismos patgenos, fsforo y
compuestos nitrogenados (ms del 80%). Presenta, adems, la ventaja
de no producir fangos. El principal inconveniente de este sistema
de depuracin es la gran extensin de terreno que requiere para su
instalacin. Otro inconveniente es que en climas de invierno fro se
produce una parada vegetativa en el crecimiento de los cultivos
instalados en el filtro (el cultivo ms extendido son los chopos)
disminuyendo sensiblemente el rendimiento del sistema, si a esto se
une la disminucin de los procesos de evapotranspiracin se corre el
riesgo de afectar al agua subterrnea si el filtro no ha sido
correctamente sobredimensionado y la distancia al nivel piezomtrico
no es suficiente en previsin de esta circunstancia.
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15. REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS
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www.webquest.es/wq/ciclo-del-agua http://www.siss.cl
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Preparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz
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