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Sistemas combinados para el tratamiento de aguas residuales basados en tanque septico--filtro anaerobio y humedales subsuperficiales.

1. Introduccion

Las aguas residuales domesticas y las agroindustriales contienen diversos compuestos potencialmente daninos. La descarga de aguas residuales crudas en el ambiente acuatico causa danos considerables a muchas formas de vida presentes en los ecosistemas. Igualmente, esta situacion genero un riesgo potencial para la salud asociado a un gran numero de enfermedades que son responsables del 80% de la morbilidad y mortalidad en los paises del Tercer Mundo (CEPIS, 2000).

Feachem y Cairncross (1993) y Moscoso y Leon (1994) reportaron que solo el 40% de la poblacion total de America Latina y el Caribe contaba con servicio de alcantarillado. Esto represento una produccion diaria de 40 millones de m3 de aguas residuales descargadas directamente en los rios, lagos y mares. Se estimo que para el ano 2000, se podria alcanzar una cobertura del 90% en alcantarillado, lo que significaria que cerca de 100 millones de m3 de aguas residuales serian vertidos a las fuentes receptoras. El panorama era incierto si se tiene en cuenta que para ese ano, menos del 10 % de los alcantarillados descarga a un sistema de tratamiento de aguas residuales. El CEPIS (2000) reporto que menos del 6% de la poblacion total de America Latina tiene tratamiento de aguas residuales. En Colombia del 100% de las aguas residuales domesticas (ARD) producidas, solo el 12% era tratada antes de descargarse en las fuentes superficiales (CEPIS, 2000).

Teniendo en cuenta la problematica mencionada, se hace necesario buscar alternativas tecnologicas sostenibles. El presente articulo analiza los resultados obtenidos en una investigacion realizada en dos sistemas de tratamiento compuestos por Tanque Septico (TS) + Filtro Anaerobio (FA) + Humedal de Flujo Subsuperficial (HFS), ubicados en las localidades de Ginebra y La Voragine, Valle del Cauca, Colombia. Esta alternativa presenta un buen desempeno en el tratamiento de aguas residuales domesticas y por tanto podria ser aplicada en comunidades medianas y pequenas, en la perspectiva de generar proyectos sostenibles, altamente eficientes y de bajo costo.

2. Metodologia

El presente estudio involucro la evaluacion de dos sistemas de tratamiento de aguas residuales, uno a escala piloto y otro a escala real. El primero de ellos se ubica en la Estacion de Investigacion y Transferencia en Tratamiento y Reuso de Aguas Residuales Domesticas (EITG), del municipio de Ginebra, (Valle del Cauca). El segundo sistema es la planta de tratamiento de ARD de la comunidad rural La Voragine, del municipio de Cali. La ubicacion geografica de ambos proyectos se muestra en la Figura 1.

[FIGURA 1 OMITIR]

Las unidades basicas que conforman cada sistema de tratamiento son Tanque septico (TS) + Filtro Anaerobio de Flujo Ascendente (FA) + Humedal de Flujo Subsuperficial (HFS) sembrado con Papiros (Cyperus, sp.). La Tabla 1 presenta las caracteristicas principales de las diferentes unidades y la Figura 2 muestra las unidades estudiadas.

En el periodo comprendido entre noviembre de 1999 a diciembre de 2000, se realizaron dos investigaciones en el sistema de Ginebra. En ellas se estudio la influencia del caudal y por ende la variacion del TRH en el funcionamiento global del sistema respecto a remocion de DQO, DB[O.sub.5], SST, NTK, N-N[H.sub.3], P-P[O.sub.4], coliformes fecales y huevos de helmintos. El caudal (Q, 1.36 [m.sup.3]/d) aplicado fue modificado desde su valor de diseno hasta 3 veces dicho valor y para cada condicion de operacion se muestreo por un periodo de 30 dias en estado estable. Se tomaron muestras a la entrada y salida del sistema, dos veces por semana (miercoles y sabados), a intervalos de una hora e integrando cada 6 horas durante un periodo de muestreo entre las 6:00 a.m. y 6.00 p.m. para cada dia de muestreo.

[FIGURA 2 OMITIR]

En la planta de tratamiento de ARD de la comunidad de la Voragine, se realizo una investigacion en el periodo junio - agosto de 1998, la cual comprendio la variacion del caudal aplicado asi: Qd, 1.33Qd y 2Qd, (Qd : Caudal de diseno del sistema, 104 [m.sup.3]/d). Durante este tiempo se monitoreo en cada una de las unidades de tratamiento el caudal, temperatura, pH, DQO, DBO, SST, NTK, N[O.sub.3.sup.-], P-total. A partir del estudio de la variacion de caudales y de carga organica durante diferentes dias de la semana, se determino realizar la toma de muestras de manera compuesta los dias miercoles y domingos entre las 9:00 y las 17:00 horas, integrando cada hora y tomando una alicuota proporcional al caudal medido en ese instante. La muestra colectada se almaceno en recipientes plasticos y fue preservada en una nevera portatil con gel a [+ ou -] 4[grados]C.

Los analisis de laboratorio se desarrollaron con base en el manual Standard Methods (APHA, 1992). El estudio del comportamiento de los sistemas de tratamiento se llevo a cabo fijando puntos de muestreo tanto a la entrada como a la salida de las diferentes unidades de tratamiento y los datos obtenidos se analizaron mediante el uso de estadistica descriptiva (i.e., coeficiente variacion, media aritmetica y desviacion estandar), todo ello con el proposito de establecer el comportamiento de las unidades respecto a las variaciones de caudal. Se analizo el comportamiento de los parametros mencionados a traves del tiempo. El paquete Excel 2000 (Microsoft Corporation) se utilizo para el analisis estadistico de los datos.

3. Resultados y Discusion

Caracteristicas del Agua Residual

La Tabla 2 muestra la composicion del agua residual cruda afluente a los dos sistemas. Para el caso de Ginebra, con base en la materia organica (DBO5) el agua cruda se puede calificar como de carga media, ya que esta por encima del promedio para un agua residual domestica tipica, y para La Voragine la composicion corresponde a un agua de concentracion baja (Metcalf & Eddy, 1995).

Comportamiento de la eficiencia de remocion

La eficiencia de remocion de materia organica en el sistema de Ginebra no vario considerablemente a pesar de las variaciones de caudal. La Tabla 3 relaciona las eficiencias de remocion para las distintas sobrecargas de trabajo bajo las cuales opero el sistema y la Figura 3 ilustra el comportamiento general del sistema. Los resultados obtenidos en esta unidad, permiten plantear que este tipo de tecnologia integrada es flexible, ya que puede trabajar bajo distintas condiciones operacionales (valores de caudal) y la capacidad de remocion expresada como DQO, DBO5 y SST no se ve afectada considerablemente.

A partir de los datos obtenidos para el sistema de Ginebra se observa que para los valores de sobrecarga extremos, equivalentes a 1.25 Q y 3Q, la remocion de DQO solo se reduce en promedio en un 9%, mientras que para SST las eficiencias permanecen constantes. Estas altas eficiencias se obtuvieron en las dos unidades anaerobicas de tratamiento (TS + FA).

[FIGURA 3 OMITIR]

En el caso de La Voragine el comportamiento fue similar al de la unidad piloto de Ginebra, ya que la eficiencia no se afecto ostensiblemente ante el aumento del caudal. En general las mayores remociones de DQO se observaron en las dos primeras unidades de tratamiento (TS y FA), situacion que se mantuvo durante las tres etapas de operacion del sistema. La Tabla 4 resume los resultados de remocion para los diferentes parametros estudiados y la Figura 4 ilustra el comportamiento general del sistema respecto a la DQO.

La Figura 4 muestra las remociones de materia organica en cada unidad de tratamiento. En el caso del tanque septico se obtuvieron eficiencias promedio de remocion de DQO para las tres condiciones de variacion de caudales de 56.2% [+ ou -] 17.7; 57.2% [+ ou -] 9.7 y 49.3% [+ ou -] 10.1, respectivamente.

[FIGURA 4 OMITIR]

Analizando el comportamiento de los componentes del sistema, se tiene que en el FA, la eficiencia de remocion de DQO es afectada por la variacion de caudal, disminuyendo la eficiencia cuando este parametro se incrementa, situacion que puede estar asociada a menor tiempo de contacto entre la fase liquida y solida, conllevando esto a un menor grado de conversion de la materia organica afluente. Es asi como para la condicion correspondiente a un tiempo de retencion de 6.9 h, la remocion de este parametro solo alcanza el 39%.

El humedal entre tanto, contribuyo a pulir el efluente del FA a pesar de que la remocion de materia organica es menor, esto se puede explicar por el bajo tiempo de retencion hidraulico con que trabajo el sistema y la baja carga organica aplicada al mismo. Esta condicion en el humedal fue igual para los dos sistemas, mostrando que esta unidad cuando opera a valores pequenos de TRH sufre reducciones considerables en la eficiencia de remocion de materia organica , lo cual confirma lo reportado previamente en la literatura (Haberl et al., 2003).

En general se puede afirmar que el sistema de tratamiento de aguas residuales TS+FA+HFS, en ambos estudios tanto a nivel piloto como a escala real fue flexible a los cambios de caudal. Lo anterior es importante en la definicion de criterios de diseno, ya que al operar el sistema a mayores cargas se logra una reduccion efectiva en el area necesaria de tratamiento, lo que se revierte en una disminucion de los costos de inversion inicial representados principalmente en area de terreno y construccion del sistema.

Con base en la normatividad Colombiana (decreto 1594/1984), se puede afirmar que el sistema integrado (TS+FA+HS) puede soportar variaciones del doble de la carga hidraulica de diseno y cumplir con las exigencias de la citada norma (80% de remocion para DB[O.sub.5] y SST).

Remocion de Nutrientes y coliformes fecales

En el sistema de Ginebra, la remocion de nutrientes (NTK y P-P[O.sub.4.sup.2]) y de coliformes fecales se redujo a medida que el sistema fue sobrecargado, siendo mas notorio en el humedal, tecnologia que fue ubicada como unidad terciaria, y donde se encontraron bajas eficiencias de remocion para TRH de 6 horas, alcanzando valores de 15% para NTK, 15% para P-P[O.sub.4.sup.2-], y 60% para coliformes fecales. Esta condicion es similar a lo reportado en la literatura, donde en esta unidad, a bajos tiempos de retencion hidraulico la eficiencia de remocion de nutrientes y coliformes fecales se reduce significativamente (Reed et al., 1995; Haberl et al, 2003).

Un aspecto importante respecto al sistema de tratamiento de Ginebra, es que el humedal reporto eficiencias de remocion bajas en las condiciones de sobre carga, situacion que esta asociada al corto tiempo de retencion de esta unidad (TRH= 12 h), el cual acorde a lo reportado a la literatura es muy pequeno si se pretende remover nutrientes y patogenos (Haberl et al., 2003; Brix, 1994).

En cuanto a la unidad experimental de La Voragine, cuando el sistema opero a un caudal equivalente al de diseno (104 m3/d) la remocion de NTK fue del 48%. Una observacion que debe destacarse en este sistema es que gran parte del NTK se removio en la unidad de tanque septico (29%), lo cual pudo estar asociado a fenomenos de sedimentacion y a una probable amonificacion por la hidrolisis de proteinas y posterior degradacion de aminoacidos, todo ello favorecido por el alto tiempo de retencion en esta unidad primaria (TRH= 24 horas).

De igual manera, en el sistema de Ginebra, la remocion de NTK y P-P[O.sub.4.sup.2-] en el humedal no presento una reduccion significativa para ninguno de los caudales estudiados, a pesar que esta unidad se construyo con dicho proposito.

Un aspecto importante que puede incidir en la baja remocion de nutrientes en el HFS, es que gran parte del nitrogeno afluente a esta unidad esta bajo la forma de N-amoniacal, producto de la transformacion del N-organico en las unidades precedentes, y para la oxidacion del amonio se requiere de una fuente de carbon y oxigeno, elementos estos que pueden ser bajos en el agua residual de la etapa terciaria y en las micorrizas de las plantas, debido a las altas eficiencias de remocion de materia organica de las unidades de TS y FA. Asi mismo, una baja tasa de transferencia de oxigeno de la planta a la zona de raices, puede contribuir a la poca oxidacion de Namoniacal, lo cual ha sido reportado en la literatura como uno de los factores que limitan la perdida de nitrogeno en HFS (Reed et al., 1995).

Respecto a la remocion de indicadores de contaminacion fecal (coliformes fecales), para el caso de la Voragine las eficiencias en las unidades anaerobias (TS + FA) fluctuaron para las condiciones experimentales entre 74 y 96%, valores bajos y que estan lejos de generar un efluente seguro para su posterior reuso, pero que estan en el rango promedio de remocion reportado en la literatura para sistemas anaerobios (Van Haandel y Lettinga, 1994). La remocion de Coliformes fecales en todo el sistema, no vario significativamente.

En el caso de Ginebra, la situacion es similar a la de la Voragine, pero con remociones menores, fluctuando entre el 69 y 71% para todo el sistema y donde el humedal tampoco presento buenas remociones.

Para el caso del Humedal en ambos sistemas, la baja remocion de indicadores de contaminacion microbiologica, asociada con el incremento de caudal, puede ser debida a que los mecanismos de remocion, como son el atrapamiento fisico, la sedimentacion, la adsorcion y la predacion no se propician por los bajos tiempos de retencion, las altas velocidades de flujo y eventualmente por los gradientes de concentracion de nutrientes que estimulan el recrecimiento y/o mantenimiento de la flora microbial del sistema, situacion esta que concuerda con lo reportado en la literatura tecnica (Reed et al, 1995).

4. Conclusiones

[check] El sistema Integrado TS + FA + HFS, mostro ser una excelente combinacion para la remocion de materia organica, y cumplio con la reglamentacion Colombiana (decreto 1594 de 1984) para remocion de DBO5 y SST.

[check] El sistema Integrado TS + FA + HFS, puede soportar variaciones de caudal hasta el doble de su condicion de diseno manteniendo las eficiencias de remocion de materia organica sin detrimentos significativos.

[check] La remocion de nutrientes y patogenos en el sistema HFS fue afectada por el incremento de caudal y los bajos tiempos de retencion hidraulico, produciendo un efluente de baja calidad microbiologica para su uso posterior en la agricultura o piscicultura.

[check] Para los pequenos municipios y comunidades rurales, el sistema integrado TS + FA + HFS es una excelente opcion para el tratamiento de las aguas residuales ya que mantiene su capacidad de remocion de materia organica a pesar de sufrir cambios drasticos en variables operativas como la tasa hidraulica aplicada.

[check] La flexibilidad de operacion encontrada en el sistema integrado por TS + FA + HFS, es muy importante para la definicion de criterios de diseno ajustados a las condiciones locales, dado que a mayores cargas se necesitan menores areas del sistema, lo que se traduce en bajos costos de inversion inicial.

5. Agradecimientos

Los autores expresan su agradecimiento al personal de ACUAVALLE S.A, E.S.P, a la Universidad del Valle y a los siguientes profesionales: Ana Lucia Jacome, Claudia Ximena Marin, Luz Angela Otero, Maria Fernanda Marin y Grover Rivera.

(Recibido: Marzo 8 de 2005-Aceptado: Diciembre 15 de 2005)

6. Referencias bibliograficas

American Public Health Association, American Water Works Association, Water Environmental Federation. (1992). Standard Methods for Examination of Water and Wastewater. 14 edn. Washington DC, USA.

Brix, H. (1994). Constructed Wetland for Municipal Treatment in Europe. University of Aarhus. Denmark.

CEPIS. (2000). Evaluacion de los Servicios de Agua Potable y Saneamiento en las Americas.

Doelle, H.W. (1998) Socio-economic microbial process strategies for a sustainable development using enviromentally clean technologies. Renewable Resource: Sagopalm.Editors:Eng-Leong Foo & Tarcisio Della Senta. http/www.ias.unu.edu/proceedings/icbs.

Feachem, R. and Cairncross, S. (1993). Environmental health engineering in the tropics. John Wiley & Sons. New York, USA.

Haberl, R.; Grego, S.; Langergraber, G.; Kadlec, R.; Cicalini, A.; Martins Dias, S.; Novais, J.; Aubert, S.; Gerth, A.; Thomas, H. y Hebner, A. (2003). Constructed Wetlands for the Treatment of Organic Pollutants. Journal of Soils & Sediments 3(2), 109124.

Metcalf and Eddy. (1995) Ingenieria de Aguas Residuales. Tratamiento, Vertido y reutilizacion. 3a Edicion, Madrid: McGraw-Hill.

Ministerio de Salud. (1984). Decreto 1594. Reglamentacion de los vertimientos de los desechos liquidos. Santa fe de Bogota. Colombia.

Moscoso, J; y Leon, G. (1994). Uso de Aguas Residuales. Hoja de Divulgacion Tecnica. OPS CEPIS (59), Lima, Peru.

Reed, S.; Crites, R y Middlebrooks, E. (1995). Natural System for Wastewater Management and Treatment. New York: McGraw Hill.

Van Haandel, A y Lettinga, G. (1994). Anaerobic Sewage Treatment. A practical Guide for Regions with Hot Climate, John Wiley & Sons Ltd. Chinchester, UK.

Carlos A. Madera * , Juan P. Silva *, Miguel R. Pena **

* Escuela de Ingenieria de Recursos Naturales y del Ambiente (EIDENAR), Facultad de Ingenieria-Universidad del Valle

** Instituto CINARA-Universidad del Valle, Cali, Colombia ([seccion]) e-mail: cmadera@univalle.edu.co
Tabla 1. Caracteristicas de las Unidades investigadas

                             Caudal
                             Q
Sistema             Escala   ([m.sup.3]   TRH      Largo   Ancho
                             /d)          (dias)   (m)     (m)

              TS*   Piloto   1.36         0.5      N.A     1.5
Ginebra       FA*   Piloto   1.36         0.5      N.A     1.5
              HFS   Piloto   1.36         0.5      2.25    0.7
              TS    Real     104          1.0      10      5.0

.a Voragine   FA    Real     104          0.86     10      5.0
              HFS   Real     104          0.13     23      1.60

                                            Diametro
                    Profun-                 medio
Sistema             didad     Macrofita     filtrante
                    (m)                     (m)

              TS*   1.2       N.A           N.A
Ginebra       FA*   1.6       N.A           0.07
              HFS   0.6       Cyperus sp.   0.07-0.10
              TS    2.0       N.A.          N.A

.a Voragine   FA    1.8       N.A.          0.04-0.07
              HFS   0.7       Cyperus sp.   0.04-0.07

* Unidades Circulares, Ancho = Valor del diametro. NA: No Aplica

Tabla 2. Caracteristicas del agua residual cruda en los
sistemas estudiados

Parametro                             Ginebra

                      n     Rango                     Promedio

T, [grados]C          384   23-27                     25
pH (un)               384   6.6-7.1                   N.A
SST (mg/l)            80    82-274                    140
[DBO.sub.5] (mg/l)    32    230-425                   356
DQO (mg/l)            80    254-576                   482
AGV (meq/l)           80    14-31                     22
NTK (mg/l)            4     40.1-80.0                 55.3
P-P[O.sub.4] (mg/l)   4     3.4-6.0                   4.5
Colif. Fecales        8     1.3 x [10.sup.7]' 2.2 x   1.8 x [10.sup.7]
(UFC/100ml)                 [10.sup.7]

Parametro                         La Voragine

                      n     Rango               Promedio

T, [grados]C          864   21.6-24.0           25
pH (un)               864   6.4-7.0             N.A
SST (mg/l)            96    60-300              125
[DBO.sub.5] (mg/l)    24    136-390             nd
DQO (mg/l)            24    193-562             375
AGV (meq/l)           24    n.d                 n.d
NTK (mg/l)            96    3.3-69.4            22.6
P-P[O.sub.4] (mg/l)   36    0.3-2.5             nd
Colif. Fecales        36    8.2 x 105'-1.73 x   nd
(UFC/100ml)                 [10.sup.7]

N.A: No Aplica. n.d: No disponible.

Tabla 3. Eficiencias de remocion para distintas cargas
aplicadas al sistema de Ginebra

        Q                                                     Coli-
Carga   Aplicado     [DBO.-                      P-P          formes
Apli-   ([m.sup.3]   sub.5]   DQO   SST   TKN*   [O.sub.4]*   Fecales
cada    /d)          %        %     %     %      %

1.25Q   1.7          82       77    87    NM     15           69
1.50Q   2.1          80       79    81    NM     26           73
1.75Q   2.4          71       82    88    NM     19           75
2.00Q   2.7          68       78    87    18     15           71
3.00Q   4.1          NM       68    NM    14     15           60

* Eficiencias medidas solo en el Humedal. NM: Parametros no
medidos en estas condiciones de operacion

Tabla 4. Eficiencias de remocion para distintas cargas
aplicadas al sistema de La Voragine

           Q Apli-
Carga      cado
Aplicada   ([m.sup.3]/d)   DQO %   SST %   TKN %   Coliform

1.00Q      104             84      96      29      98
1.33Q      138             83      93      21      90
2.00Q      208             77      92      5       94
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Author:Madera, Carlos A.; Silva, Juan P.; Pena, Miguel R.
Publication:Ingenieria y Competividad
Date:Dec 1, 2005
Words:3534
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