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MODULO – “MANEJO INTEGRADO DEL AGUA”

SISTEMAS DE TRATAMIENTOS DE AGUAS RESIDUALES CON LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN PARA ZONAS RURALES NUCLEADAS Y DISPERSAS

MOMENTO INDIVIDUAL

JULIO CESAR ROJAS LOZADA

CÓDIGO: 67201429033

MAYO 28 DE 2015

UNIVERSIDAD DE MANIZALES

FACULTAD DE CIENCIAS CONTABLES, ECONÓMICAS Y ADMINISTRATIVAS

MAESTRÍA EN DESARROLLO SOSTENIBLE Y MEDIO AMBIENTE

COHORTE XXIII

BOGOTA D.C. 2015

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1.- RESUMEN

Tengo entendido, que en Colombia no se ha elaborado una propuesta para el

tratamiento de Aguas residuales domesticas que incluyan lagunas de estabilización y

que tengan como objeto o alcance zonas rurales nucleadas y dispersas. Este ensayo o

documento presenta dos propuestas poblacionales, que incluyen lagunas de

estabilización como unidad principal de tratamiento; en ambas propuestas se diseña un

tratamiento primario consistente en un tanque séptico de dos compartimentos, una

cámara de sedimentación y una cámara de digestión, complementado con un filtro

anaerobio de flujo ascendente (FAFA); el efluente de la laguna de estabilización se

propone sea reutilizado para riego agrícola. Las propuesta difieren en el sistema de

recolección de las aguas residuales; para los centros nucleados el sistema sanitario

convencional y para la zona dispersa el alcantarillado sin arrastre de sólidos - ASAS.

2.- INTRODUCCION

Las políticas ambientales establecidas en las bases del Plan Nacional de Desarrollo

2014-2018 “Todos por un nuevo país” ha identificado en su componente de acceso al

agua potable y saneamiento básico la necesidad urgente de fortalecer las estrategias y

acciones para avanzar en la descontaminación de las fuentes receptoras de diferentes

puntos de vertimientos de aguas residuales domesticas en zonas rurales nucleadas y

dispersas, en lo que se ha identificado que la gran parte de degradación de los

recursos hídricos en el país se relaciona directamente con la débil gestión local en la

materia.

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Las lagunas de estabilización es uno de los métodos más sencillos para el tratamiento

de aguas residuales. Una gran ventaja es que se construyen con excavaciones poco

profundas utilizando como talud su propia tierra excavada, de tal manera que se

pueden construir de forma rectangular o cuadrada; no consumen ningún tipo de energía

contrario de métodos convencionales (lodos activados) usados en países desarrollados

lo que eleva el costo de su operación y mantenimiento.

Existen muchas tecnologías convencionales y no convencionales, lo que se trata es que

una vez las aguas residuales sean utilizada en lo doméstico pasen por un sistema de

tratamiento primario o secundario sin importar la tecnología y terminen en un sistema

final denominados lagunas de estabilización y desde aquí poder darle un reuso

apropiado que genere economía de escalas y ayuden a preservar el medio ambiente

con un entorno saludable.

El documento presenta una propuesta para el diseño de una planta de tratamiento de

aguas residuales que incluyan lagunas de estabilización, aplicable a zonas rurales

nucleadas y dispersas y cuyo efluente final es reusado en actividades productivas.

3.- OBJETIVOS

3.1. Objetivo general

Caracterizar los tratamientos de depuración adecuados para los diferentes tipos de

aguas residuales generados en nuestro país, considerando la normativa vigente e

integrando aspectos técnicos, sociales y económicos.

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3.2. Objetivos Específicos

Presentar una propuesta para sistemas de tratamiento de aguas residuales con

lagunas de estabilización para zonas rurales nucleadas y dispersas en nuestro

país.

Fortalecer el proceso educativo en el marco de la maestría en Desarrollo

Sostenible y Medio Ambiente - Cohorte XIII.

Realizar el aporte individual para consolidar un trabajo colaborativo aportes con

fundamento sobre tratamiento de aguas residuales.

4.- MARCO TEORICO Y DISCUSION

Las aguas residuales son las aguas y sólidos que por uno u otro medio se introducen

en las cloacas y son transportados mediante sistema de alcantarillado. En general, se

consideran aguas residuales domésticas “ARD”, los líquidos provenientes de las

vivienda o residencias, comercio e instituciones. También se acostumbra denominar

aguas negras a las aguas residuales provenientes de inodoros, es decir, aquellas que

transportan excrementos humanos y orina, ricas en sólidos suspendidos, nitrógeno y

coliformes fecales. Y aguas grises a las aguas residuales provenientes de tinas,

duchas, lavamanos y lavaderos, aportantes de DBO5, sólidos suspendidos, fósforo,

grasas y coliformes fecales, esto es, aguas residuales domésticas, excluyendo las de

los inodoros (Romero 2008).

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Las evaluaciones reportan que los centros urbanos en Colombia captan alrededor de

los 170 m³/seg de agua de los cuales se pierden entre 40% y 50 %, regresando al

ambiente en forma de aguas residuales entre un 70% a 80% de las aguas consumidas.

Se estima que en Colombia se descargan diariamente cerca de 700 toneladas de carga

orgánica del sector doméstico urbano a los cuerpos de agua. El inventario de sistemas

de tratamiento de aguas residuales del Ministerio del Medio Ambiente, reporta que sólo

22% de las cabeceras municipales del país hacen tratamiento de las aguas residuales y

muchas están funcionando deficientemente, o lo que es más crítico sin ser operadas.

Se reporta que los departamentos con mayor cobertura de plantas de tratamiento de

aguas residuales, PTAR (operando y/o en diseño) son Cundinamarca (38 PTAR),

Antioquia (26 PTAR), Cesar (14 PTAR), Valle del Cauca (14 PTAR) y Tolima (13

PTAR).

El caso crítico en el país se presenta en la cuenca del Magdalena-Cauca (25 % del área

territorial), con un 70% de la población y sólo 11 % de la oferta hídrica del país; estas

condiciones han contribuido a la desregulación del régimen hídrico y al deterioro de la

calidad de la cuenca. Aunque Colombia es uno de los países que se destaca por su alto

nivel sanitario, se continúan reportando elevados índices de enfermedades asociadas al

agua; estando éstas siempre entre los cinco primeros lugares de mortalidad y

morbilidad en niños (sólo en 1991 se reportaron 12.210 casos y 208 defunciones en

248 municipios por una epidemia de cólera). La disponibilidad natural de agua potable

se reduce cuando existen vertimientos aguas arriba de las captaciones de acueductos,

por esta causa en el país son muchos los centros poblados que consumen aguas de

mala calidad; que se agrava con la falta de un adecuado sistema de potabilización. Los

inventarios de agua potable y saneamiento reportan que aproximadamente 300

municipios no realizan desinfección de las aguas que se están consumiendo y 450 no

tienen planta de tratamiento.(Minambiente 2002).

Es necesario tener en cuenta que cada agua residual es única en sus características y

que, en lo posible, los parámetros de polución deben evaluarse en el laboratorio para

cada agua residual específica. En la tabla se presenta la composición de excrementos

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y orina de los humanos y en la tabla 2 las características de un agua residual típica.

(Romero 2008).

Tabla 1.Composición de excretas y orina

Características Materia Fecal Orina

Cantidad ( húmeda) por persona por día ( arial 11)

135 – 270 g 1 – 1,3 Kg

Cantidad (seca) por persona por día 35 – 70 g 50 – 70 g

Humedad, % 66 – 80 93 – 96Materia Orgánica, % 88 – 97 65 – 85Nitrogeno, % 5,0 – 7,0 15 – 19Fósforo ( como P2O3), % 3,0 - 5,4 2,5 – 5,0Potasio (como K2O),% 1,0 – 2,5 3,0 – 4,5Carbón, % 44 – 55 11 – 17Calcio ( como CaO), % 4,5 4,5 – 6,0

Fuente: Romero,2008

Tabla 2.Características del Agua Residual Domestica.

Parámetro Magnitud UnidadDBO 200 mg/LDQO 400 mg/LSólidos Suspendidos Totales 200 mg/LSólidos Suspendidos Volátiles 150 mg/LNitrógeno Amoniacal 30 mg/LOrtofosfato 10 mg/L

Fuente: Romero, 2008

La cantidad y concentración de las aguas residuales son función de su origen y de sus

componentes, por lo que las cargas equivalentes o contribuciones per-cápita por día

varían de una localidad a otra, para comunidades pequeñas las aguas residuales son

predominantemente domésticas y la cargas por persona equivalente se presenta en la

tabla 3.

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Tabla 3.Cargas promedio de las ARD en el área rural

Parámetro Magnitud UnidadCaudal 150 L/hab.díaDBO 30 – 35 g/hab.díaDQO 75 – 80 g/hab.díaSólidos Suspendidos 25 – 30 g/hab.díaNitrógeno 8 – 9 g/hab.díaFósforo 3,5 - 4 g/hab.díaColiformes Totales 108 NMP/100ml

Fuente: Romero, 2008

Romero (2008), considera que las fuentes receptoras son las afectadas directamente

por las aguas residuales cuando introducen características que modifican su uso

normal. (Ver tabla 4).

Tabla 4.Efectos indeseables de las Aguas Residuales Domesticas

Contaminantes Efecto

Materia Orgánica biodegradable

Desoxigenación del agua, muerte de peces, oloresindeseables.

Materia Suspendida

Deposición en los lechos de los ríos; si es orgánicase descompone y flota mediante el empuje de losgases; cubre el fondo e interfiere con la producciónde los peces o trastorna la cadena alimenticia.

Sustancias corrosivas,cianuros, metales, fenoles

Extinción de peces y vida acuática, destrucción debacterias, interrupción de la autopurificación.

Microorganismos Patógenos

Las ARD pueden transportar organismos patógenos, los residuos de curtiembre, ántrax.

Sustancia que causanturbiedad, temperatura,color, olor

El incremento de la temperatura afecta a los peces;el color, olor y turbiedad hacen estéticamenteinaceptable el agua para uso público.

Sustancia o factores quetrastornan el equilibriobiológico

Pueden causar crecimiento excesivos de hongos oplantas acuáticas, las cuales alteran el ecosistemaacuático, causan olores, etc.

Constituyentes minerales.

Aumentan la dureza, limitan los usos industrialessin tratamiento especial, incrementan el contenidode sólidos disueltos a niveles perjudiciales para lospeces o la vegetación, contribuyen a laeutrofización de agua.

Fuente: Romero, 2008

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Los impactos ambientales generados por los principales contaminantes presentes en

las aguas residuales se describen en la tabla 5.

Tabla 5. Impactos Ambientales

Contaminantes Parámetro típico

de medidaImpacto Ambiental

Materia Orgánica biodegradable DBO,DQODesoxigenación del agua,generación de oloresindeseables.

Materia Suspendida SST ,SSVCausa turbiedad en elagua, deposita lodos.

Patógenos CFHace el agua insegurapara consumo yrecreación.

Amoniaco NH4+ - N

Desoxigena el agua, estóxica para organismosacuáticos y puedenestimular el crecimiento de algas.

Fósforo OrtofosfatosPuede estimular elcrecimiento de algas.

Materiales TóxicoComo cadamaterial tóxicoespecifico

Peligroso para la vidavegetal y animal

Sales inorgánicas. SDTLimita los usos agrícolas eindustriales y animal.

Energía térmica Temperatura

Reduce la concentraciónde saturación de oxigenoen el agua, acelera elcrecimiento deorganismos acuáticos.

Iones hidrogeno PHRiesgo potencial paraorganismos acuáticos

Fuente: Romero, 2008

Una de las medidas que se puede adoptar para manejar la contaminación por aguas

residuales, es la construcción de plantas de tratamiento que en general están

compuestas de un tratamiento preliminar, primario y secundario. El tratamiento

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preliminar está destinado a preparar las aguas residuales para que puedan recibir un

tratamiento posterior como primario y secundario de tal manera que no obstruya las

tuberías de conducción con la presencia de sólidos flotantes y evita la fluctuación del

caudal. Las unidades más comunes son: Rejas, desmenuzadores, desengrasadores,

tanques de compensación, desarenadores. (RAS.2000)

Las rejas son dispositivos constituidos por barras metálicas paralelas e igualmente

espaciadas, la más utilizada es la reja sencilla de limpieza manual, con espaciamiento

libre de 20 hasta 40 mm. El área de la superficie sumergida debe ser tal que la

velocidad de la corriente a través de ella no supere 1.00 m/s. Las rejillas deben

colocarse aguas arriba del desarenador susceptible de obstruirse por el material grueso

que trae el agua residual sin tratar. El canal de aproximación a la rejilla debe ser

diseñado para prevenir la acumulación de arena u otro material pesado aguas arriba de

está. Además, debe tener preferiblemente una dirección perpendicular a las barras de

la rejilla. El sitio en que se encuentren las rejillas debe ser provisto con escaleras de

acceso, iluminación y ventilación adecuada. (RAS. 2000)

El objetivo de los desarenadores es la reducción de formación de depósitos pesados en

los canales y el sistema, como también la reducción en la frecuencia de limpieza de la

arena acumulada en tanques de sedimentación y digestores de lodos, así como la

minimización de pérdidas de volumen en los tanques de tratamiento biológico. La

velocidad de diseño oscila entre 0.2 y 0.4 m/s.(RAS. 2000)

La trampa de grasas, es una estructura que hace parte por lo general en el tratamiento

preliminar, la cual consiste en un pequeño tanque provista de una entrada sumergida y

de una tubería de salida que parte cerca del fondo, tienen por objeto interceptar las

grasas y jabones presentes en las aguas negras provenientes de cocinas, lavaderos

para evitar que atraviesen el tanque séptico junto con el efluente hacia el sistema de

tratamiento y obstruyan o impermeabilice los poros del medio filtrante e interfieran en la

composición biológica disminuyendo la eficiencia del sistema.(RAS. 2000)

El tratamiento primario, es donde se remueve una porción de los sólidos suspendidos y

de la materia orgánica del agua residual. Esta remoción normalmente es realizada por

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operaciones físicas como la sedimentación. El efluente del tratamiento primario

usualmente contiene alto contenido de materia orgánica y una relativamente alta de

DBO. (RAS.2000).

El tanque séptico es un sistema individual de disposición de aguas residuales para una

vivienda o conjunto de viviendas; combina la sedimentación y la digestión. Los sólidos

sedimentados acumulados se remueven periódicamente y se descargan normalmente

en una instalación de tratamiento (RAS. 2000).

Una laguna es un reactor diseñado y construido mediante excavación del suelo y

construcción de diques para formar vasos capaces de retener el agua residual un

período determinado de tiempo para obtener un efluente de una calidad dada (Cubillos,

2001). Las lagunas de estabilización, pueden disponerse en diferentes configuraciones,

de acuerdo al área aprovechable, los objetivos esperados en cuanto a la calidad del

efluente, la topografía, el volumen del afluente, el clima, entre otros (Valencia y Olaya,

1998). De manera que el efluente satisfaga las exigencias de la agencia responsable

del control de la calidad de agua o del control de la polución (Cubillos, 2001). Las

lagunas de estabilización son estructuras simples en donde se lleva a cabo un proceso

biológico para la degradación de materia orgánica (lagunas anaerobias y facultativas),

disminución de coliformes fecales (lagunas facultativas y de maduración) y remoción de

huevos de helminto (lagunas anaerobias y facultativas) (Escalante, 2000).

Una laguna de estabilización es una estructura simple para embalsar aguas residuales

con el objeto de mejorar sus características sanitarias. Las lagunas de estabilización se

construyen de poca profundidad (2 a 4 m) y con períodos de retención relativamente

grandes (por lo general de varios días). Cuando las aguas residuales son descargadas

en lagunas de estabilización se realiza en las mismas, en forma espontánea, un

proceso conocido como autodepuración o estabilización natural, en el que ocurren

fenómenos de tipo físico, químico, bioquímico y biológico. Este proceso se lleva a cabo

en casi todas las aguas estancadas con alto contenido de materia orgánica putrescible

o biodegradable (Moscoso, 1991).

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Los parámetros más utilizados para evaluar el comportamiento de las lagunas de

estabilización de aguas residuales y la calidad de sus efluentes son la demanda

bioquímica de oxígeno (DBO5), que caracteriza la carga orgánica; y el número más

probable de coliformes fecales (NMP CF/100ml), que caracteriza la contaminación

microbiológica. También tienen importancia los sólidos totales sedimentables, en

suspensión y disueltos. Generalmente, cuando la carga orgánica aplicada a las lagunas

es baja (<300 Kg de DBO/ha/día), y la temperatura ambiente varía entre 15° y 30°

estrato superior de la laguna suelen desarrollarse poblaciones de algas microscópicas

(clorelas, euglenas, etc) que, en presencia de la luz solar, producen grandes cantidades

de oxígeno, haciendo que haya una alta concentración de oxígeno disuelto, que en

muchos casos llega a valores de sobresaturación. La parte inferior de estas lagunas

suele estar en condiciones anaerobias. Estas lagunas con cargas orgánicas bajas

reciben el nombre de facultativas.(Romero,2005).

Cuando la carga orgánica es muy grande, la DBO5 excede la producción de oxígeno de

las algas y la laguna se torna totalmente anaerobia. Conviene que las lagunas de

estabilización trabajen bajo condiciones definidamente facultativas o definidamente

anaeróbicas ya que el oxígeno es un tóxico para las bacterias anaerobias que realizan

el proceso de degradación de la materia orgánica; y la falta de oxígeno hace que

desaparezcan las bacterias aerobias que realizan este proceso. (Peña, 2003).

Por consiguiente, es recomendado diseñar las lagunas facultativas (a 20°C) para

cargas orgánicas menores de 300 Kg DBO/ha/día y las lagunas anaerobias para cargas

orgánicas mayores de 1000 Kg DBO/ha/día. Cuando la carga orgánica aplicada se

encuentra entre los dos límites antes mencionados se pueden presentar problemas con

malos olores y la presencia de bacterias formadoras de sulfuros. El límite de carga para

las lagunas facultativas aumenta con la temperatura. (Romero, 2005).

Las aguas residuales deben ser introducidas en la laguna debajo de la superficie a una

cierta distancia de su borde. Es aconsejable que sean previstas de dos ó más entradas

a través de tuberías y la salida sea instalada lo más distante posible de la más próxima

entrada. La salida de las lagunas debe estar ubicada en sentido contrario a la dirección

de los vientos dominantes y así facilitar la disminución de materiales flotantes hacia el

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cuerpo receptor. Las corrientes de agua inducidas por los vientos son más propensas a

la formación de cortocircuitos de lo que propiamente son las posiciones relativas de

entrada y salida. Lagunas con formas irregulares, también contribuyen para la

formación de cortocircuitos (Mendonça, 1999).

El efluente puede ser controlado y diseñado específicamente para el reuso en

actividades como acuicultura y agricultura (riego). Es necesario conocer las

características del efluente requerido para el uso específico determinado, con el fin de

controlar las variables que afecten (Valencia, 2010).

Actualmente se tienen construidas lagunas de estabilización en Estados Unidos,

México, Centroamérica, el Caribe, Sudamérica (Brasil, Argentina, Perú, Chile, Bolivia,

Colombia y Venezuela), en Europa, Australia, Tailandia y África principalmente para

pequeñas poblaciones (200 – 50.000 habitantes). En México se encuentran construidas

497 lagunas de estabilización que representan el 54% de las plantas de tratamiento

construidas en el país. Los problemas más comunes encontrados por el IMTA durante

la evaluación y visitas a lagunas de estabilización ubicadas en diferentes regiones de

México fueron: Criterios obsoletos, estructuras de entrada y salida que generan zonas

muertas y cortocircuito, capacidad de tratamiento rebasada, falta de operación y

mantenimiento entre otros (Escalante, 2000).

En Colombia las lagunas de estabilización, es común encontrarlas como sistemas de

tratamiento de aguas residuales y producto de diferentes actividades. En la Sabana de

Bogotá, en el municipio de Chía se ha construido una laguna anaerobia seguida de una

facultativa con resultados de remoción de CF del 64% en la laguna anaeróbica, 90% en

la facultativa para una remoción total del sistema del 97%. En Valledupar en dos (2)

lagunas facultativas de 8.4 Ha. y 9.35 Ha. respectivamente, se han encontrado

remociones de CF promedio de 89% y 91% en cada laguna para un total del 99% del

sistema, 12 y 31% para SS, total del sistema 39% y DBO 73 y 4% respectivamente para

un total del sistema de 74% (Romero, 2005).

En el Valle del Cauca las aguas residuales domesticas de los municipio de Ginebra,

Guacarí, Toro, Roldanillo y Villacarmelo son tratadas en sistemas compuestos por

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lagunas anaerobias y facultativas; las de papeleras Cartón Colombia y Propal, por

lagunas de estabilización que incluyen lagunas aireadas; la mayoría de los ingenios

azucareros tratan las aguas residuales de las plantas productoras de azúcar en lagunas

de estabilización que en algunos casos incluyen lagunas aireadas. Los efluentes de los

sistemas de lagunas para aguas residuales domesticas y los de los ingenios azucareros

son reutilizadas en riego de caña de azúcar (Valencia, 2000).

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5.- CONCLUSIONES

Con tratamiento primario como unidad principal el pozo séptico mas una unidad de lecho bacteriano de flujo ascendente se busca una remoción del 80% en DBO y del 90% en Sólidos Suspendidos –SS- para que cumpla con las condiciones ambientales necesarias para poder verter a la una fuente de agua; con la laguna facultativa se logra una eficiencia de la remoción del 75%, reduciendo a la mínima concentración de DBO y SST; además, de una reducción considerable de microorganismos.

Las áreas de la laguna facultativa en el diseño alcanza tales tamaños, se puede utilizar como reservorio en condiciones ambientales para superar las crisis en tiempos de verano y sequia.

Para que estos sistemas sean funcionales se deben construir y operar con las recomendaciones de diseño, por ejemplo el correcto manejo de material sobrantes, manejo y secado de lodos y mantenimiento de los pozos sépticos y lechos bacterianos.

Para justificar este proceso se deberá tener en cuenta las realidades colombianas y las características y condiciones físicas, sociales, culturales, económicas, ambientales e institucionales de las diferentes regiones del país y de los estratos socioeconómicos, así como las características específicas de la localidad y la comunidad a servir.

Se recomienda que estos tipos de sistemas cuenten con un manual de operación, diseñado para que los habitantes de la zona en su grado de escolaridad pueden interpretarlos y aplicarlo a través de la capacitación continua.

Para estas zonas la autosostenibilidad de los sistemas depende de la buena organización por parte de la comunidad; como usuarios constitucionalmente y legalmente están autorizados para conformar microempresas comunitarias y a través de una cuota familiar mensual captar recursos para la administración y operación del sistema.

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6.- BIBLIOGRAFIA.

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