Saludos estimados amigos de steemit y comunidad de #STEM-Espanol.

Como ya les he comentado en anteriores publicaciones, la gestión del agua residual es una deuda que tenemos pendiente con el ambiente. Y no solamente hablo de las aguas residuales generadas por la industria, sino también de las aguas residuales domésticas. De por si, en las grandes ciudades ya esto es un gran problema; debido a la falta de inversión en la construcción o mantenimiento de plantas depuradoras, muchas de las aguas residuales generadas por las distintas actividades de una población o ciudad son descargadas en ríos, lagos o el mar sin recibir un adecuado tratamiento, lo que va disminuyendo la capacidad del cuerpo receptor de asimilar la carga, con lo que van perdiendo su condición natural, afectando el equilibrio ecológico que sustentan.

Pero en las pequeñas comunidades esto es un problema aún mayor, solo que más silencioso. En comunidades rurales, por ejemplo, donde es casi inexistente una red de distribución de las aguas servidas (cloacas), la correcta disposición de las mismas queda bajo la responsabilidad de los particulares, los que generalmente recurren a sistemas de pozos sépticos construidos con escaso o ningún criterio de ingeniería, esto representa un serio problema de contaminación del suelo, que podría afectar las aguas subterráneas, generando graves problemas de salud pública.

Por eso quise compartir con ustedes este sistema de tratamiento, como un aporte para ayudar a difundir el criterio de que el desarrollo sostenible es posible, solo necesitamos tener el propósito de no contaminar.

Eso lo digo también por la forma en la que me involucre en este proyecto; llego a mi por un amigo que iniciaba una empresa de obras civiles, y su primer proyecto era la construcción de una vivienda multifamiliar en una comunidad ubicada en una conocida playa en la Península de Paraguaná, que aunque es un destino turístico predilecto para los propios y viajeros, carece de una red de recolección de las aguas servidas. Y bueno, me planteo el reto de colocar un sistema de tratamiento para las aguas residuales del edificio en un espacio bastante reducido, que cumpliera con las condiciones para su descarga en el suelo, ya que estaba muy cerca de la playa.

Imagen de implantación del sistema, adjunto una fotografía de la parcela. Fuente:@emiliomoron

De momento no me pareció mayor problema, hasta que se hizo el estudio de suelos y reveló que el nivel freático era bastante cercano, estaba a poco más de 3 metros de la superficie, lo que descartó de inmediato la posibilidad del clásico sistema de sumidero, ya que la profundidad de estos puede variar entre dos y seis metros de profundidad dependiendo del número de personas a servir. Así que a la restricción de área se le añadió la restricción de la profundidad, por lo que empezamos a considerar las posibilidades, siendo la siguiente la que mejor se adaptó a las condiciones.

Descripción del sistema de tratamiento

Dadas las limitaciones, requeríamos entonces de elementos de tratamiento efectivos que redujeran la carga orgánica lo suficiente para hacer su infiltración en el suelo a poca profundidad y utilizando la menor área superficial posible. Elegimos implementar un biodigestor simple, seguido de un biofiltro anaerobio como tratamiento secundario, dispuestos en una configuración compacta, y utilizar zanjas de infiltración para la disposición del efluente tratado.

Diagrama esquemático del sistema de tratamiento propuesto. Fuente: @emiliomoron

Elementos del sistema

• Biodigestor: (o tanque séptico) este elemento de tratamiento primario es un tanque de sedimentación de acción simple, en el cual, por la disminución de la velocidad horizontal de flujo los lodos sedimentables son retenidos en el fondo del tanque donde se mantienen en contacto inmediato con las aguas negras que ingresan, así, estos sólidos de naturaleza orgánica con un tiempo de retención suficiente se descomponen por acción de bacterias anaeróbicas. Por el tipo de operación y espacio disponible fue elegido un sistema de flujo continuo en un reactor rectangular.

• Biofiltro Anaerobio: esta es una unidad de tratamiento compuesta de un relleno filtrante el cual atrapa y remueve del efluente sólidos y materia orgánica suspendida, este soporte sirve además como sustrato donde se desarrolla una capa de limo biológico que degrada parte de la materia orgánica por oxidación aerobia, biosorción y descomposición anaerobia. Fue elegido para el sistema operar el filtro con flujo ascendente para mantener sumergido el soporte y asegurar de esta manera la actividad biológica y el tiempo de contacto suficiente para un buen porcentaje de remoción.

• Zanjas de absorción: Para finalizar el tratamiento, se implementó el sistema de zanjas de absorción para disponer del efluente tratado, estas son zanjas escavadas en el terreno, las cuales se rellenan de un material granular como piedra o grava, y mediante las cuales se hace la infiltración del agua tratada en suelo. El tratamiento en el medio poroso de la zanja se produce por una serie de mecanismos físicos, biológicos y químicos; si se mantienen anegadas permanentemente, el medio poroso actúa como filtro anaerobio sumergido, mientras que si la descarga es por lote o intermitente, actuará como un filtro percolador aerobio.

En este artículo les presentaré las características de diseño del tanque séptico y del biofiltro, dejando para otra publicación los detalles de la zanja de absorción.

Criterios de Diseño

Características típicas del agua residual urbana

Como hablamos de un sistema diseñado para un proyecto, fueron utilizados para el diseño valores típicos de concentración de los contaminantes presentes en el agua residual de origen urbano.

Tabla nº 1. Características Físico-químicas comunes del agua residual domestica^[1]

Población a servir

El cálculo se realizó considerando dos (2) ocupantes por habitación, como el edificio tendrá dos apartamentos de dos habitaciones y dos de tres, el cálculo procedió según la siguiente tabla.

Tabla nº 2. Estimación del número de personas a servir en el edificio

Fuente: elaboración propia

Caudal de diseño

Se utilizó como base para estimar el aporte de agua residual el gasto de agua especificada en el artículo 515 de la Gaceta Oficial de la República Bolivariana de Venezuela nº 4.044 “Normas Sanitarias para Proyecto, Construcción, Reparación y Mantenimiento de Edificaciones, en lo referido a la dotación para edificaciones de viviendas^[2].

Tabla nº 3. Estimación de la dotación de agua para la edificación

Fuente: elaboración propia con datos tomados de la Gaceta Oficial Nº 4.044

Diseño del Tanque séptico

Se estableció utilizar un tanque séptico de forma rectangular y construido de concreto armado, para protegerlo en su exterior será recubierto con geotextil y en su interior con una resina epoxica. Para su dimensionamiento se siguieron las Especificaciones Técnicas para el Diseño de Tanques Sépticos publicada por la Unidad de Apoyo Técnico para el Saneamiento Básico del Área Rural, de la Organización Mundial para la Salud^[3].

Tiempo de retención hidráulica

Para el diseño se determino el tiempo de retención hidráulica (Tr) mediante la siguiente ecuación:

Para asegurar que los sedimentos se hundan se tomará como tiempo de retención 24 horas (1 día).

Volumen para la sedimentación de lodos

El volumen requerido para la sedimentación de los sólidos se determino mediante la siguiente fórmula:

Volumen para almacenamiento de lodos

El volumen para la digestión y el almacenamiento de lodos se estimo de la siguiente forma:

Donde,
G: volumen de lodos por persona, se utilizo para el cálculo 50 L/hab.año^[3]
N: Intervalo de limpieza, se fijo en 1 año

Volumen de natas

Se tomo como volumen de seguridad para la producción de natas como 0,7 m^3[3].

Volumen de seguridad

Se debe proveer un espacio entre la parte inferior del ramal de entrada y la superficie de la capa de natas de 0,10 m^3[3].

Volumen total del digestor

Dimensiones del tanque séptico

El tanque séptico será de forma rectangular, para lo cual se tomara una relación largo:ancho de 2:1, y una profundidad útil mínima de 1,2 m.

Calculo del área horizontal:

Calculo de longitudes:

Donde L es el largo y B el ancho. Entonces, siendo B = L/2

Cálculo de la tasa de remoción de DBO y Sólidos Suspendidos de acuerdo al tiempo de retención, para procesos de tratamiento de mezcla completa que se ajustan a una tasa de remoción con cinética de primer orden^[4].

Donde a y b son constantes empíricas cuyo valor depende si se trata de remoción de materia orgánica (DBO) o de material sólido (SST), y Tr el tiempo de retención en horas.

Diseño del Biofiltro Anaerobio

Volumen del biofiltro

Estos elementos se pueden construir de forma cilíndrica o rectangular, se eligió la forma rectangular para trabajar como una sola unidad el tanque séptico y el biofiltro. Para el diseño del biofiltro se empleo el cálculo basado en la carga orgánica del afluente, de acuerdo a la siguiente expresión:

Carga orgánica del afluente corresponde a la DBO de salida del tanque séptico: 207,24 mg/L.
Carga orgánica volumétrica: suele tomar valores entre 0,10 a 0,50 KgDBO/m³.día^[5]; para los cálculos se tomó un valor intermedio, 0,30 KgDBO/m³.día.

Tiempo de retención

El tiempo de retención se estima en función del volumen calculado y el caudal de operación.

Dimensiones del filtro

Se eligió construir el biofiltro de forma rectangular para integrarlo al tanque séptico y aprovechar el espacio.
Se decidió fijar como profundidad mínima efectiva 1,2 m, de modo que para el cálculo de las dimensiones se procedió utilizando la geometría del reactor:

Para que se adaptara al digestor, el ancho es el mismo, de modo que la longitud horizontal se determinó de la siguiente forma:

Las referencias establecen no exceder de un metro de altura de material filtrante^[6], por la altura considerada y para dejar espacio de ventilación y para el fondo falso que se debe colocar para el ingreso del efluente, se decidió tomar la altura del material filtrante como el 60% de la profundidad útil de biofiltro, aproximándose a 0,70 m.

Calculo de la tasa de remoción de DBO y Sólidos Suspendidos de acuerdo al tiempo de retención:

Vistas de corte y planta de la unidad de tratamiento combinada

Fuente: @emiliomoron

Consideraciones finales

• Las dimensiones del tanque séptico y el biofiltro integrado en un solo conjunto permitieron satisfacer las restricciones de espacio a fin de poder dar un tratamiento acorde al tipo de efluente sin poner en riesgo de contaminación el suelo o las aguas subterráneas.

• Los cálculos del porcentaje de remoción considerando una cinética de depuración de primer orden permitieron estimar un porcentaje total de remoción entre las dos unidades de aproximadamente 64% de la materia orgánica y 76% de los sólidos suspendidos, considerando las características teóricas de un agua residual domestica con alta carga.

• Se pueden implementar sistemas de tratamiento sencillos de operar, en base a tecnologías cuyo rendimiento ya ha sido comprobado, a fin de dar un una correcta disposición al agua residual doméstica cuando la ubicación de la vivienda carece de una red de recolección pública. Solo se requiere del conocimiento esencial de diseño y la voluntad de obrar responsablemente, tanto el contratista como el propietario de la vivienda.

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Hasta aquí la presente publicación amigos, espero que la información les resulte de interés y sirva de referencia para estimar las dimensiones de estas unidades de tratamiento de aguas residuales domésticas, que si bien son unidades sencillas, ofrecen un buen rendimiento en el tratamiento del agua residual, siendo la opción más viable en las circunstancias en las que no es posible conectar la vivienda a la red de recolección pública.

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Referencias

1. Martínez, F.; Cova, T. Descripción de los tipos de planta de tratamiento de aguas residuales domésticas. Trabajo de Grado para optar al título de ingeniero civil. Universidad de Oriente. Barcelona, Venezuela. Mayo de 2007.

2. Gaceta Oficial de la República Bolivariana de Venezuela Nº 4.044, Extraordinario. Normas Sanitarias para Proyectos, Construcción, Reparación, Reforma y Mantenimiento de Edificaciones. Caracas, 08 de septiembre de 1988.

3. Unidad de Apoyo Técnico para el Saneamiento Básico del Área Rural. Especificaciones técnicas para el diseño de tanques sépticos. Organización Panamericana de la Salud. Lima, Peru. 2003.

4. Atencio, J; Mendez, J. Desarrollo de un sistema de tratamiento de aguas residuales para conjuntos habitacionales que no poseen servicios públicos. Trabajo Especial de Grado para Optar al Título de Ingeniero Civil. Universidad Rafael Urdaneta. Maracaibo, Venezuela. Septiembre de 2005.

5. Martinez J.; Calle, P. Saneamiento integral de las comunidades rurales Flor y Selva y San Miguel de Azuay del cantón Cuenca-Ecuador mediante el uso de técnicas no convencionales. [Documento en línea](http://aula.aguapedia.org/file.php/36/LA_LUCHA_POR_EL_AGUA/323N_DE_AGUAS_RESIDUALES.pdf]

6. Publicaciones de la Organización Panamericana de la Salud. Rellenos sanitarios y tratamiento de residuos líquidos de mataderos municipales. 2002.

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