Este documento describe diferentes tratamientos naturales de aguas residuales a pequeña escala. Presenta dos grandes grupos de tratamientos: métodos de aplicación sobre el terreno como filtros verdes e infiltración, y sistemas acuáticos como lagunaje, plantas flotantes y humedales. Explica ventajas como bajos costos pero también desventajas como necesidad de grandes extensiones de terreno.

1. Tratamientos naturales de aguas residuales Ph.D Jaime Andrés Lara Borrero Grupo de Investigación ISAD

6. Las Tecnologías no Convencionales

7. Tratamientos naturales de aguas residuales Bajo la denominación de sistema natural de depuración se engloban aquellos procedimientos o técnicas en los que la eliminación de las sustancias contaminantes presentes en las aguas residuales urbanas se produce por componentes del medio natural, sin emplearse en el proceso ningún tipo de aditivo químico. En todos ellos, el efecto depurador se debe a la acción combinada de la vegetación, del suelo y de los microorganismos presentes en ambos, y en menor medida, a la acción de plantas y animales superiores.

9. Métodos de aplicación sobre el terreno Dentro de los métodos de aplicación sobre el terreno encontramos: Filtro verde: Consiste básicamente en la aplicación de un caudal controlado de agua residual sobre la superficie del terreno, donde previamente se ha instalado una masa forestal o un cultivo. Fernandez Gonzalez, 2004 Sevilla, España

10. Métodos de aplicación sobre el terreno EPA, 1991 EPA, 1981 Filtro Verde. Formas de Aplicación

11. Métodos de aplicación sobre el terreno Infiltración rápida: Se define como la aplicación controlada del agua residual sobre balsas superficiales construidas en suelos de permeabilidad media a alta (con una capacidad de infiltración que oscila entre 10 y 60 cm/día) EPA,1991 Moreno Merino, 2003

12. Métodos de aplicación sobre el terreno Infiltración rápida: El agua residual se aplica al terreno en tasas elevadas, bien por extensión en lagunas o bien por aspersión, alternando periodos de inundación con periodos de secado. La aplicación se realiza de forma cíclica para permitir la regeneración aerobia de la zona de infiltración y mantener la máxima capacidad de tratamiento. EPA, 1981

13. Métodos de aplicación sobre el terreno Escorrentía Superficial: La técnica consiste en forzar la escorrentía del agua residual, mediante riego por circulación superficial en láminas, sobre un suelo previamente acondicionado (en pendiente y con vegetación no arbórea), alternando periodos de riego con periodos de secado; dependiendo la duración de cada fase de los objetivos de tratamiento. Metcalf & Eddy, 1991

14. Métodos de aplicación sobre el terreno EPA, 1981 Escorrentía Superficial

15. Métodos de aplicación sobre el terreno Zanjas de Infiltración: Sistema de depuración que consiste consistente en un conjunto de líneas de tuberías de 10 cm de diámetro(4”) tendidas de tal forma que el afluente se distribuya con una uniformidad razonable en el suelo natural. EPA, 1991

16. Métodos de aplicación sobre el terreno Romero Rojas, 2000 Zanjas de Infiltración: Sección Típica

17. Métodos de aplicación sobre el terreno Lechos filtrantes: Los lechos de infiltración son zanjas de anchos mayores de 90 cm, que pueden contener más de una línea de tuberías de distribución. En este caso se considera que la superficie principal de infiltración para el diseño es el área del fondo del lecho Moreno Merino, 2003 Romero Rojas, 2000

18. Métodos de aplicación sobre el terreno Pozos filtrantes: Los pozos de infiltración son excavaciones profundas usadas para disposición subsuperficial de aguas residuales pretratadas. Las paredes del pozo se construyen en ladrillo, bloques, anillos o materiales prefabricados colocados a junta abierta, rodeados de grava o piedra triturada. El agua residual entra en el pozo y se infiltra a través de las paredes laterales. Romero Rojas, 2000

19. Métodos de aplicación sobre el terreno Filtros de Arena: Se pueden clasificar como intermitentes en los cuales, las aguas a depurar se vierten intermitentemente mediante tuberías de distribución en un filtro granular de entre 0,5 y 1,0 m de espesor y los filtros con recirculación, en los cuales, el agua recogida en el sistema de drenaje se vierte de nuevo en el filtro mezclada con agua nueva sin depurar. Consiste básicamente en la aplicación de aguas residuales a un lecho de material granular (arena) el cual es drenado para recoger la descarga en un efluente final. Romero Rojas, 2000

20. Métodos de aplicación sobre el terreno Lecho de Turba: El sistema está formado por lechos de turba a través de los cuales circula el agua residual. Cada lecho descansa sobre una delgada capa de arena, soportada, a su vez, por una capa de grava. El efluente se recoge a través de un dispositivo de drenaje situado en la base del sistema.

22. Sistemas acuáticos Lagunaje: La depuración por lagunaje de aguas residuales consiste en el almacenamiento de éstas durante un tiempo variable en función de la carga aplicada y de las condiciones climáticas, de forma que la materia orgánica resulte degradada mediante la actividad de los microorganismos presentes en el medio acuático. Desarrollo desde 1940. Poblaciones superiores a 200 hab. Más de 7000 sistemas operando en EEUU.

24. Sistemas acuáticos Lagunas anerobias. Son las que reciben el agua bruta y por lo tanto las de mayor carga orgánica. La mayor parte del agua se encuentra en condiciones anaerobias y son las bacterias anaerobias las encargadas de actuar en la digestión del fango acumulado. El objeto de estas lagunas es retener la mayor carga orgánica posible. Uso principal: Estabilización del Agua para los procesos

25. Sistemas acuáticos Lagunas Facultativas. El tratamiento se desarrolla por acción de bacterias aerobias en la parte superior y de bacterias anaerobias y anóxicas en la capa inferior, dependiendo de la mezcla que se induce por acción del viento. Los sólidos sedimentables se depositan en el fondo de la laguna. El aporte de oxígeno se logra por fotosíntesis y por reacción natural superficial. Uso principal: Procesos de Remoción de materia orgánica principalmente.

26. Sistemas acuáticos Lagunas aerobias. También conocidas como lagunas de maduración, u oxidación. Este tipo de laguna es poco profunda para permitir la penetración de la luz solar en toda la columna de agua. Como resultado, este tipo de lagunas tiene una gran actividad fotosintética durante las horas de luz solar en toda la columna de agua, su profundidad varía entre 0.3 a 0.6 m. Recibe menor cantidad de carga orgánica Uso principal: Desinfección del agua Residual y SST

27. Sistemas acuáticos De Sea-River Newsletters 114 - Bernard Breton Lagunaje . Vista general de los tres tipos de lagunas

28. Sistemas acuáticos Plantas Flotantes: Los cultivos acuáticos o sistemas de plantas acuáticas flotantes introducen un cultivo de plantas flotantes, como los jacintos de agua o las lentejas de agua, cuya finalidad principal es la eliminación de determinados componentes de las aguas a través de sus raíces, que constituyen un buen substrato responsable de una parte importante del tratamiento. Crites & Tchobanoglous,1991

29. Sistemas acuáticos Conceptualmente, un sistema de tratamiento acuático con plantas se puede visualizar como un filtro percolador de tasa baja, de flujo horizontal con sedimentación propia, en el cual las plantas reemplazan la piedra o el medio sintético como estructura de soporte del crecimiento bacterial. Romero Rojas, 2000

30. Sistemas acuáticos Plantas Flotantes Fernandez Gonzalez, 2004 Planta Lemna Minor en agua

31. Sistemas acuáticos Animales acuáticos: Estos son filtros alimentarios, y la mayor contribución al tratamiento del agua residuales es la remoción de sólidos suspendidos. Cuttack (india) http://www.fao.org/NOTICIAS/1998/sewage-s.htm

32. Sistemas acuáticos Humedales: Los humedales son áreas que se encuentran saturadas por aguas superficiales o subterráneas con una frecuencia y duración tales, que sean suficientes para mantener condiciones saturadas. Suelen tener aguas con profundidades inferiores a 60 cm con plantas.

36. Humedales Artificiales EPA Fernandez Gonzalez, 2004

38. Clasificación de los Humedales Humedal artificial de flujo superficial (FWS) Humedal artificial de flujo subsuperficial (SFS) Humedal artificial de flujo vertical (FVS) Los humedales se pueden encontrar en forma natural y adaptarlos para un sistema de tratamiento, o se pueden construir de manera artificial que se denominan humedales artificiales y se clasifican en

39. Humedal artificial de flujo superficial En los humedales de flujo libre el agua fluye sobre la superficie del suelo con vegetación desde un punto de entrada hasta el punto de descarga. En algunos casos, el agua se pierde completamente por evapotranspiración y percolación en el humedal. EPA, 2000 Brix

40. Humedal artificial de flujo superficial Normalmente se les aplica agua residual pretratada en forma continua y el tratamiento se produce durante la circulación del agua a través de los tallos y raíces de la vegetación emergente. Esta clase de sistemas suele incluir combinaciones de espacios abiertos y zonas vegetadas e islotes con la vegetación adecuada para proporcionar habitats de cría para aves acuáticas.

41. Humedal artificial de flujo subsuperficial El agua residual se trata a medida que fluye lateralmente a través del medio poroso. La vegetación emergente se planta en el medio, que puede ser desde grava gruesa hasta arena. La profundidad del lecho va desde 0.45 a 1.00 m y tiene una pendiente característica de 0 a 0.5%.

42. Humedal artificial de flujo subsuperficial Los sistemas de flujo subsuperficial se diseñan con el objeto de proporcionar tratamiento secundario o avanzado y consisten en canales o zanjas excavados y rellenos de material granular, generalmente grava en donde el nivel de agua se mantiene por debajo de la superficie de grava. Las mismas especies vegetales se usan en los dos tipos de humedales artificiales. Lara, 2005 C. Arias 2004 - Estonia

43. Humedal artificial de flujo vertical Adaptado de Brix Los humedales de flujo vertical tienen la ventaja sobre los dos anteriores de que nitrifican (pasan nitrógeno amoniacal a nitritos y nitratos) y en algunos paises este paso es requisito obligado en el tratamiento de aguas. Por otro lado, al tener una perdida de carga importante, generalmente requieren de un bombeo, bien sea para suministrar el agua al humedal o bien para la salida de la misma C. Arias 2004

44. Humedal artificial de flujo vertical C. Arias 2004-Dinamarca

45. Prof. Dr. Robert Holländer, 2005 Humedal artificial de flujo vertical Afluente pretratamiento Descarga

46. Aplicaciones de los Humedales Los Humedales artificiales tienen varias aplicaciones dentro de las cuales se puede mencionar: Tratamiento de Agua Residual Doméstica: Sus rangos de aplicación varían desde sistemas de tratamiento para pequeñas viviendas a sistemas de ciudades pequeñas. Se pueden utilizar como tratamiento básico o como tratamiento terciario. Puede aplicarse cualquiera de los dos primeros sistemas descritos. Tratamiento de Agua residual de Agricultura: Los mas importantes mecanismos de remoción físicos son la sedimentación y filtración, y la asimilación biológica, la predación y transformación. Los más usados en esta actividad son los de flujo libre.

47. Aplicaciones de los Humedales Tratamiento de Aguas de Mina: Especialmente usados para la remoción de metales pesados ( Ni, Cu, Pb, Co) producto de minas de estos minerales metálicos. Control de la cidez y el ph mediante un tratamiento previo. Tratamiento de Aguas lluvias de escorrentía: Uso mas bien reciente debido a la Observación sobre el control de inundaciones en humedales naturales y la calidad del efluente después de circular por ellos. Eliminación de Sólidos. Tratamiento de Lixiviados: Los residuos líquidos producidos por los rellenos sanitarios han sido tratados mediante esta tecnología debido al bajo costo comparado con las metodologías tradicionales y a las tolerancias mostradas por las plantas.

48. Casos a nivel mundial Arcata, California Características del Sistema Población de Diseño............................19,056 Hab Flujo promedio anual............................2.3 mgd Maximo Flujo mensual..........................5.9 mgd Peak Flow.............................................16.5 mgd Carga de DBO......................................4100 lbs/day Carga de SST.......................................3400 lbs/day Tomado de EPA832-R-93-005 September 1993

49. Casos a nivel mundial Arcata, California Tomado de EPA832-R-93-005 September 1993

50. Casos a nivel mundial Everglades, Florida Características del Sistema Área Total ……6678 Ha Invesrión……...U$197 Millones Canales ……...47 Kms. Diques………..50 Kms Capacidad de Bombeo 15’140.000 m3/d Humedales artificiales en la Florida 16.593 ha. Evitaron la entrada de 14000 ton. de P al sistema en la ultima decada. http://www.sfwmd.gov/org/erd/ecp/sta61.jpg

51. Cifras en has. STA 1-E 2166 STA 1 – W 2700 STA 2 2602 STA ¾ 6670 STA 5 1667 STA 6 Sec. 1 352 STA 6 Sec. 2 607 Total 16674

52. Everglades Digital Library Casos a nivel mundial Everglades, Florida

53. Casos a nivel mundial Características Importantes Opera desde Junio de 2000 El relleno sanitario recibe en promedio 150 ton/d de residuos sólidos. El relleno sanitario esta formado por 7.1 ha actualmente usadas(31 celdas) y 3.9 ha para ser usadas en un futuro (9) celdas. Los caudales tratados se estiman entre 64 m 3 /d y 74 m 3 /d Diez años de monitoreo muestran que el sistema va a recibir cargas de DBO 17 – 9000 mg/l NTK – promedio de 420 mg/l Metro Park East Landfill, Des Moints City, Iowa, Estados Unidos

54. Casos a nivel mundial

55. Casos a nivel mundial 2-3. Lagunas Aireadas y de almacenamiento 4. Celdas Iniciales de humedales 5. Humedal vertical 6. Humedal de Flujo Superficial

56. Casos a nivel mundial 7. Humedales Subsuperficiales Secundarios 8. Lagunas de almacenamiento para el riego 9. Riego de Pradera Los análisis del efluente muestra concentraciones promedio de 10mg/l de DBO y de 20 mg/l de NTK en la época de crecimiento de las plantas.

58. Casos a nivel mundial Humedales en Austria C. Arias, 2004

59. Casos a nivel mundial Humedales en La Habana

60. Casos a nivel mundial Viviendas Ecológicas C. Arias, 2004

61. Experiencia Cogua, PUJ Estación experimental Javeriana, Cogua-Cundinamarca

62. Tratamiento de aguas lluvias Bogotá

63. Tratamiento de aguas lluvias Bogotá

65. Costos Humedales de Flujo Superficial Costos estimados para construcción y mantenimiento de un humedal para un flujo de 37.9 m3/d para lograr una concentración de 2mg/l de N en el efluente. EPA 832-F-00-024 Otros supuestos de cálculo son: NH3 afluente = 25 mg/L Temperatura del agua 20°C Profundidad del agua =0.46 m Porosidad = 0.75; Área de Tratamiento = 1.3 hectáreas costo del terreno =$12,355/ hectárea

66. Costos Comparativo de Costos de un humedal de flujo superficial y un sistema convencional de tratamiento (Reactor de flujo discontinuo secuencia-SBR). 426% 1777% 695%

67. Costos Humedales de Flujo Subsuperficial Costos estimados para construcción y mantenimiento de un humedal para un flujo de 378500 l/d para lograr una concentración de 2mg/l de N en el efluente. Otros supuestos de cálculo son: NH3 afluente = 25 mg/L Temperatura del agua 20°C Profundidad del medio = 0.6 m porosidad = 0.4 Area de tratamiento = 1.3 hectáreas Costo del terreno=$12,355/hectárea

68. Costos Comparación de costos de un humedal de flujo subsuperficial y un sistema convencional de tratamiento de agua residual 237% 1777% 419%

69. Grupo de Investigación ISAD

70. Dr. H. Brix, 2006