Diseño de un sistema de depuración de aguas residuales en el municipio de San Jorge 1. INTRODUCCIÓN OBJETIVO MEDIO FÍSICO...

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1 DISEÑO DE UN SISTEMA DE DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES EN EL MUNICIPIO DE SAN JORGE (NICARAGUA) Marta Fuente Bada María del Carmen Matute García María Méndez de Lama Tutor: Jaime La Iglesia Gandarillas Master en Ingeniería y gestión medioambiental Julio 2010

2 INDICE 1. INTRODUCCIÓN OBJETIVO MEDIO FÍSICO Localización Climatología Geología e Hidrogeología Flora y fauna MEDIO SOCIOECONÓMICO ESTUDIO DE ALTERNATIVAS Lagunaje Lechos de turba Filtros verdes Biodiscos Tratamiento biológico Selección del tratamiento DISEÑO DEL SISTEMA Datos de diseño Pretratamiento Descripción del proceso Diseño y cálculo de parámetros Lagunas anaerobias Descripción del proceso

3 6.3.2 Condiciones operativas Criterios de diseño Cálculo de parámetros Lagunas facultativas Descripción del proceso Condiciones operativas de las lagunas facultativas Criterios de diseño Cálculo de parámetros Lagunas de maduración Descripción del proceso Factores que influyen en la depuración Criterios de diseño Cálculo de parámetros Filtros verdes Descripción del proceso Condiciones operativas Diseño y cálculo de parámetros CONSTRUCCIÓN DE LAS LAGUNAS Movimiento de tierras Revestimiento Conducciones Unidades especiales Construcciones auxiliares PUESTA EN MARCHA Y MANTENIMIENTO

4 8.1 Lagunas anaerobias Lagunas facultativas Lagunas de maduración Filtros verdes Casos anormales de funcionamiento Laguna anaerobia Laguna facultativa Actividades de limpieza y mantenimiento Medidas higiénicas PROBLEMAS Y SOLUCIONES Lagunas anaerobias Lagunas facultativas ANEXOS

5 Indice de figuras Figura 1.Situación del municipio de San Jorge, Nicaragua. Fuente: Google Maps Figura 2. Emplazamiento de la planta de aguas residuales Figura 3. Distribución de las precipitaciones anuales en Rivas (Nicaragua) Figura 4. Regiones Naturales de Nicaragua. Fuente: INETER Figura 5. Iguana Figura 6. Puestos ambulantes en San Jorge Figura 7. Peces muertos a orillas del lago Cocibolca Figura 8. Cuadro comparativo de las distintas tecnologías de tratamiento no convencionales Figura 9. Evolución de la población según diferentes modelos Figura 10. Diseño final de la reja de gruesos y de finos Figura 11. Variación del tiempo de retención con la temperatura para distintos porcentajes de eliminación Figura 12. Esquema del proceso de tratamiento mediante filtros verdes Figura 13. Esquema de las distintas parcelas Figura 14. Esquema del proceso Figura 15. Ceibo Figura 16. Imagen del movimiento de tierra para la construcción de las lagunas Figura 17. Imagen de las lagunas Figura 18. Revestimiento del fondo de la laguna anaerobia Figura 19. Imagen de los taludes de las lagunas Figura 20. Imagen de una conducción Figura 21. Imagen que muestra como nunca debería estar una laguna Figura 22. Capa de costra en la laguna anaerobia de La Solana (Ciudad Real)

6 Indice de tablas: Tabla 1. Proyecciones de población según diferentes modelos Tabla 2. Caudales medio, máximo y punta que llegan a la planta Tabla 3. Parámetros del influente Tabla 4. Datos de diseño Tabla 5. Composición media del agua residual Tabla 6. Parámetros utilizados para el cálculo de la reja de gruesos Tabla 7. Parámetros utilizados para el cálculo de la reja de finos Tabla 8. Dimensiones de los desarenadores Tabla 9. Intervalos habituales en el diseño de lagunas anaerobias y valores elegidos para nuestro diseño Tabla 10. Parámetros de diseño para cada laguna anaerobia Tabla 11. Intervalos habituales en el diseño de lagunas facultativas y valores elegidos para nuestro diseño Tabla 12. Parámetros de diseño para cada laguna facultativa Tabla 13. Intervalos habituales en el diseño de maduración y valores elegidos para nuestro diseño Tabla 14. Composición fecal de las aguas residuales Tabla 15. Número de coliformes fecales en el efluente por cada 100 ml para distintos rendimientos Tabla 16.Valores de Kb para distintas temperaturas del agua residual Tabla 17. Variación del tiempo de retención con el porcentaje de eliminación a 18ºC Tabla 18. Porcentajes de eliminación de distintos parámetros mediante filtros verdes Tabla 19.- Parámetros de diseño de los filtros verdes Tabla 20. Utilización de las lagunas para diferentes porcentajes de eliminación de DBO

7 1. Introducción 6

8 Las sociedades humanas, históricamente se han expandido y desarrollado a expensas de la utilización de los recursos naturales de los que disponían, pero en los dos últimos siglos este desarrollo no se ha realizado de una manera equilibrada con el medio por lo que en la actualidad nos encontramos con diversos problemas de escasez o contaminación de los recursos de los que dependemos. Desde la antigüedad, el agua ha sido uno de los recursos naturales más íntimamente relacionado con la civilización. El hombre lo ha usado para distintos usos que han ido variando en función de su grado de desarrollo, siendo utilizado para consumo de la población o ganado, agricultura, industria Hasta hace unas décadas se usaba de forma sostenible, pudiendo ser las actividades contaminantes antrópicas compensadas con la capacidad autodepuradora de los ríos. Pero la industrialización, la presión demográfica y la cada vez mayor demanda de servicios, han roto este equilibrio planteándose la contaminación del agua como uno de los grandes problemas a los que se enfrentan las sociedades actuales. En el caso de los países desarrollados, a base de esfuerzos económicos y tecnológicos, se están empezando a encontrar soluciones a este problema, ya que las depuradoras de aguas residuales urbanas e industriales son cada vez más eficientes y capaces de obtener un efluente más limpio. Pero estas tecnologías, en la gran mayoría de los casos, no son aplicables a los países en vías de desarrollo, ya que precisan de equipos muy especializados y de considerables consumos de energía eléctrica. En estas zonas, cada vez más pobladas, se vierten a los sistemas acuáticos las aguas residuales sin ningún tipo de depuración previa, lo que está ejerciendo una presión cada vez más fuerte sobre ríos, lagos y mares, con consecuencias no sólo de tipo medioambiental, sino también relacionadas con la salud de las personas que habitan en estas zonas y con su modo de vida. Es por esto, que el objeto de este trabajo es el diseño de un sistema de depuración de aguas residuales urbanas sin la utilización de energía eléctrica, en un país en vías de desarrollo. 7

9 2. Objetivo 8

10 La elección de este proyecto y el lugar seleccionado para su implantación han venido motivados por un triple objetivo, medioambiental, social y económico, ya que creemos que la integración de estas tres variables es imprescindible para la consecución de un verdadero desarrollo sostenible acorde con el medio que nos rodea. Nicaragua es uno de los países más pobres de Latinoamérica, con más de un 60% de su población por debajo del umbral de la pobreza lo que haría, en principio, inviable la implantación de tecnologías muy avanzadas para la depuración de sus aguas. Por otro lado, el lago Cocibolca (o lago Nicaragua), al cual vierte la población que se ha elegido para este proyecto, se encuentra en muy mal estado; la principal fuente de contaminación son, precisamente, los desechos de las zonas urbanas asentadas a lo largo de toda su cuenca, ya que en su gran mayoría vierten sus aguas negras en el lago, ya sea directamente o a través de los ríos que en él desembocan. Por todo lo anterior, se ha elegido el diseño de un sistema de depuración de aguas residuales sin utilización de energía eléctrica, como objetivo de este proyecto. El sistema de lagunaje y filtros verdes elegido permitirá disminuir la presión contaminante ejercida durante generaciones sobre este reservorio de agua dulce que es el lago Nicaragua, mediante la implantación de una tecnología económica y de fácil mantenimiento, que dotará de un valor añadido a la población, ya que las aguas depuradas podrían utilizarse para regar las plantaciones de la zona, y los fangos, ya mineralizados, como enmienda orgánica para los cultivos. 9

11 3. Medio físico 10

12 3.1 Localización El emplazamiento elegido para la realización de este proyecto de depuración de aguas residuales es el municipio de San Jorge, en Nicaragua, que se encuentra situado a orillas del lago Cocibolca, dentro de la provincia de Rivas. Figura 1.Situación del municipio de San Jorge, Nicaragua. Fuente: Google Maps Se trata de una población rural, de unos 8000 habitantes, dedicada principalmente a la agricultura y a la ganadería, y que cuenta con 15 barrios urbanos y suburbanos y cuatro comarcas rurales. Del total de la población municipal, aproximadamente el 85% se ubica en el casco urbano, y el 15% en la zona rural. Ubicación Figura 2. Emplazamiento de la planta de aguas residuales. 11

13 Recientemente se ha instalado un sistema de alcantarillado en San Jorge, lo que favorecerá sustancialmente la canalización de las aguas residuales a nuestra planta depuradora, que se situará al sureste del municipio (Figura 2), y que verterá el efluente directamente al lago. Esta red de alcantarillado es separativa, por lo que no se mezclarán las aguas pluviales con las residuales. Éstas últimas llegarán a nuestra planta por medio de un colector. 3.2 Climatología San Jorge se encuentra ubicado en una zona climática seca tropical, que se caracteriza por una marcada estación seca de seis meses. La temperatura anual oscila entre los 25 y 30ºC, y la precipitación pluvial varía de unos 1400 a 1500 mm anuales. Figura 3. Distribución de las precipitaciones anuales en Rivas (Nicaragua) En el diseño del sistema de tratamiento de las aguas, se ha colocado un aliviadero, que en caso de lluvias torrenciales desviará una parte del caudal que llega a la planta. 12

14 3.3 Geología e Hidrogeología Según su aspecto físico el territorio de Nicaragua se divide en tres grandes regiones geomorfológicas: la región del Pacífico, la región Central y la región del Caribe. El departamento de Rivas, en el que se localiza San Jorge, se encuentra en la del Pacífico, una región que comprende la parte suroccidental del país, en la depresión o graben nicaragüense. En ésta se localizan los lagos de Nicaragua o Cocibolca y de Managua o Xolotlán, así como la cadena volcánica del Pacífico que se inicia con el volcán Cosigüina, en el Golfo de Fonseca, y termina con el volcán Maderas en la Isla de Ometepe. También comprende la costa litoral que presenta numerosas playas como Jiquilillo o Corinto, que junto con la cadena volcánica forman el corredor turístico más importante del país. Se trata de la zona más fértil y más poblada de Nicaragua, y se caracteriza por su geomorfología que presenta un relieve de bajas colinas y cerros paralelos a las costas del litoral del Pacífico. En lo que respecta a la geología, la Provincia Geológica del Pacífico, a la que pertenece Rivas, se caracteriza por un ambiente sedimentario; la cuenca está rellena de material de origen marino, como depósitos turbidíticos y pelágicos depositados durante el Cretácico superior. Figura 4. Regiones Naturales de Nicaragua. Fuente: INETER 13

15 Nicaragua se encuentra sobre el Cinturón de Fuego Circum-Pacífico. La actividad sísmica y volcánica observada es el resultado del proceso de colisión de las placas Coco y Caribe, y la subducción de la primera. El departamento de Rivas se ubica directamente en la zona sísmica más activa y peligrosa, ya que se sitúa al borde la placa del Pacífico, que al chocar con otras grandes placas tectónicas origina sismos de gran magnitud. El municipio de San Jorge posee cuatro corrientes de agua superficiales, el río de Oro, el río Obrajuelo, el río de Enmedio y el río Las Lajas, los cuales vierten sus aguas al Lago Cocibolca, que tiene una extensión de 8070 km 2 y una profundidad máxima de 40 metros. El depósito de agua subterránea más cercano se localiza en Chatilla, en el Municipio de Buenos Aires. En la actualidad, es el río de Oro el que recibe las aguas residuales procedentes de la población, y por lo tanto, es el más contaminado. 3.4 Flora y fauna Nicaragua se localiza en el centro del continente americano. Esta privilegiada localización provoca que el país albergue una gran biodiversidad. Este factor junto con el clima y las ligeras variaciones altitudinales permiten que el país de cobijo a 248 especies de anfibios y reptiles, 183 especies de mamíferos, 705 especies de aves, 640 especies de peces y unas 5796 especies de plantas. Todas éstas se distribuyen en los diferentes biomas del país: selvas umbrófilas, selvas tropófilas, bosques de coníferas, sabanas y matorrales. En Rivas hay sabanas con especies propias de selvas. La fauna de las sabanas se compone de venados, coyotes y pecarís. Sin embargo, la mayoría de sabanas del país han sido convertidas en terrenos de cultivo y pastoreo. En el municipio de San Jorge la vegetación natural se encuentra a la orilla de los ríos, es muy escasa y se encuentra muy degradada. Entre las especies de árboles existentes tenemos el helemeque, el ceibo, el espino negro, el chilamate o el pochote entre otros, los cuales sirven de hábitat para la fauna acuática. En la zona costera, sobre el suelo arenoso encontramos vegetación arbustiva de espino negro, que es utilizada por la población como leña. La fauna es escasa a consecuencia de la cacería, la deforestación, la contaminación y otras actividades provocadas por el ser humano. En la actualidad se observan especies que habitan en la cercanía de los ríos, donde existen reductos de vegetación natural, como el pato aguja, el pájaro relojero, la urraca, la oropéndola, la garza, el conejo o la iguana. 14

16 Los ríos de Enmedio y Las Lajas tienen alto valor ecológico por tratarse de zonas de anidación de aves acuáticas como garzas o patos, y también por ser hábitat de peces como la mojarra, el guapote, la tilapia o el roncador. En el río Obrajuelo habitan especies como la machaca, el guapote, el roncador o la guabina, mientras que en el río de Oro sólo se encuentra esta última. Figura 5. Iguana 15

17 4. Medio socioeconómico 16

18 Dentro del sector primario, las principales actividades económicas en San Jorge son la agricultura, la ganadería y, en menor medida, la pesca en el lago. La agricultura se da en todo el municipio, y los cultivos predominantes son los cítricos, los frutales, el maíz, las musáceas, el sorgo y las hortalizas. Pero el cultivo más extendido es el plátano, ya que tiene una gran productividad. La ganadería se desarrolla esencialmente al sur del municipio. Este sector genera el 32% de los empleos del municipio. Dentro del sector secundario tiene una mayor relevancia la industria manufacturera, en concreto la producción de ladrillos de barros, que emplea a, aproximadamente, el 8% de la población municipal. También hay presencia de la industria maderera, que fabrica todo tipo de muebles para comercio local y exterior, y la rama alimenticia, que abarca panaderías, molinos, tortillerías, etc. En general el sector industrial tiene poco desarrollo pero con perspectivas a crecer y proyectarse, ya que cuenta con la materia prima y personal capacitado para la agroindustria. Es en el sector terciario donde el municipio sustenta su economía, ya que emplea al 53% de la población municipal. Las ramas que comprenden este sector se ubican casi en su totalidad en el casco urbano, con 171 establecimientos de comercio y servicios, que funcionan de manera mixta con las viviendas, además de vendedores ambulantes que conforman el sector informal urbano. Por otro lado, la infraestructura de apoyo al turismo está en malas condiciones físicas, de tal manera que no presenta atractivo para retener al turismo, a pesar de ser una actividad que genera ingresos sustantivos al municipio. Figura 6. Puestos ambulantes en San Jorge 17

19 Con respecto al abastecimiento de agua, el casco urbano de San Jorge es atendido por la empresa ENACAL por medio de un pozo con un rendimiento de unos 800 litros/minuto, que se refuerza por un sistema de otros tres pozos. En la actualidad hay, aproximadamente 700 conexiones domiciliares y 10 comerciales. La capacidad actual de los pozos es limitada respecto a la demanda. El uso y destino de agua por parte del sector productivo afecta a los usuarios domiciliarios, que en el caso de la población rural, se ve obligada a obtener de pozos e incluso del mismo lago. Recientemente se ha instalado en el municipio un sistema de alcantarillado sanitario, que recoge las aguas residuales y las trasladará en red separativa, mediante un colector, a la planta de depuración. En lo que respecta a la calidad del ambiente, existe un problema generalizado de contaminación del suelo por uso de agroquímicos como los fungicidas o insecticidas. La contaminación de agua superficial es otro problema ambiental causado por las actividades humanas y la falta de educación ambiental en la población. Como ya se ha comentado anteriormente, el río Oro es el más contaminado ya que recibe las aguas sin depurar de la población. La basura constituye el mayor problema ambiental en el casco urbano, ya que está empezando a provocar efectos sobre la salud de la población, y en la contaminación de los ríos y el lago Cocibolca. Figura 7. Peces muertos a orillas del lago Cocibolca. 18

20 5. Estudio de alternativas 19

21 A continuación se va a realizar un análisis de las posibles alternativas existentes para la depuración de aguas residuales urbanas, para posteriormente elegir la más adecuada para nuestro emplazamiento: 5.1 Lagunaje La depuración por lagunaje de aguas residuales consiste en el almacenamiento de éstas durante un tiempo variable, de forma que la materia orgánica resulte degradada mediante la actividad de los microorganismos presentes en el medio acuático. El proceso de depuración tiene lugar gracias a reacciones biológicas, químicas y físicas, que ocurren en las lagunas y que tienden a estabilizar el agua residual. Los fenómenos que se producen tienen relación con la sedimentación, oxidación, fotosíntesis, digestión, aireación y evaporación. En función de los tipos de microorganismos, que dependen, a su vez, de la presencia de oxígeno disuelto, las lagunas, también conocidas como estanques de estabilización, se clasifican en anaerobias, facultativas y aerobias o de maduración. Ventajas - Bajo coste de implantación - Ausencia de elementos electromecánicos - Bajo coste de explotación - Personal de mantenimiento no especializado - Admite variaciones importantes de carga y caudal - No existen periodos de no funcionamiento - Reducción importante de gérmenes patógenos - Fácil integración paisajística - Rendimientos adecuados incluso con temperaturas bajas - Efluente rico en nutrientes muy adecuado para su utilización en regadío Inconvenientes - Necesita gran superficie - Recuperación lenta cuando se produce un deterioro del sistema biológico - Efluente con gran cantidad de algas 20

22 5.2 Lechos 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. El terreno donde se asienta cada lecho debe ser impermeable para garantizar la no contaminación de las aguas subterráneas, en caso contrario hay que recurrir a la impermeabilización. Para la depuración de aguas residuales se aprovechan las propiedades de absorción y adsorción de la turba, así como la actividad bacteriana que se desarrolla en su superficie. Se producen, por tanto, procesos físicos, químicos y biológicos en los que se elimina alrededor del 80% de DBO5 y el 90% de sólidos en suspensión. El proceso completo de los lechos de turba está formado por un pretratamiento, tratamiento primario compuesto de una serie de filtros autolimpiables; tratamiento secundario formado por los propios lechos de turba, y, opcionalmente, tratamiento terciario, cuyo objeto es la eliminación de patógenos, sometiendo el efluente de los lechos a un lagunaje aerobio, o bien a una desinfección. Ventajas - Sin consumo de energía - Ausencia de elementos electromecánicos - Fácil adaptación al entorno - Explotación y mantenimiento por personal no cualificado - Adaptable a variaciones de carga y caudal - Ausencia de olores Inconvenientes - Rendimiento menor que en los sistemas convencionales - Mayor superficie que los sistemas convencionales - Gastos en la compra de turba por necesidad de reposición debido a operaciones de limpieza 21

23 5.3 Filtros verdes 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. Con ello se consigue, además de la depuración del efluente, el crecimiento de especies vegetales, generalmente arbóreas maderables, y la recarga artificial del acuífero. La depuración se realiza mediante la acción conjunta del suelo, los microorganismos y las plantas por medio de una triple acción: física (filtración), química (intercambio iónico, precipitación y coprecipitación, fenómenos de óxido-reducción) y biológica (degradación de la materia orgánica); tiene lugar en los horizontes superiores del terreno, donde se encuentra una capa biológica activa. Ventajas - Sin consumo de energía - Ausencia de elementos electromecánicos - Extraordinaria integración en el entorno - Explotación y mantenimiento por personal no cualificado - Ausencia de olores - Obtención de un rendimiento económico por la venta del cultivo Inconvenientes - Rendimiento menor que en los sistemas convencionales - Mayor superficie que en los sistemas convencionales - Mantenimiento no técnico, pero sí elevado en cuanto al número de horas empleadas en el riego y en la recolección, al tratarse de un cultivo 5.4 Biodiscos Se trata de estructuras utilizadas en la depuración de aguas residuales, construidas con un medio filtrante (generalmente sintético) que se coloca alrededor de un eje provisto de discos formando un cilindro, el cual se sumerge parcialmente en un estanque de aguas residuales. La depuración se logra al girar lentamente los cilindros, pasando el agua a través de la biopelícula que en ellos 22

24 se forma y alternando periodos de contacto con ésta (al estar sumergida) con periodos de aireación. Este proceso se utiliza principalmente para remover la DBO carbonosa y nitrificada; tiene eficiencias medias del 85 al 90%. Ventajas - Relativa estabilidad frente a las sobrecargas orgánicas e hidráulicas - Bajo mantenimiento y control del proceso - No necesita recirculación (salvo en el caso de nitrificación-desnitrificación) - Posibilidad de nitrificación-desnitrificación - No requiere personal especializado para el mantenimiento que controle las constantes del proceso, ya que este se autorregula automáticamente. - No es necesario controlar el oxígeno disuelto en el depósito de tratamiento ni la concentración del licor de mezcla - El nivel de ruidos muy bajo - Hay ausencia de olores y aerosoles - Las dimensiones de los depósitos de oxidación son menores que los utilizados por otros procesos, y debido a esto, los costes se abaratan considerablemente - El rendimiento del proceso es más rentable en épocas frías debido al hecho de permanecer cubiertos los tanques - El consumo energético es reducido y a igualdad de resultados, comparándolo con un sistema de fangos activos el consumo resulta ser la tercera parte - Ocupan poco espacio - Facilidad de ampliación Inconvenientes - Inversión elevada respecto de los otros sistemas no convencionales o blandos - Necesita algún proceso de tratamiento de fangos - Equipos específicos sujetos a patentes. 23

25 5.5 Tratamiento biológico Los tratamientos biológicos consisten en provocar el desarrollo de microorganismos capaces de asimilar la materia orgánica biodegradable, utilizándola como sustrato o fuente de alimentación, para que una parte la transformen en nuevos microorganismos y otra sea oxidada. Por realizarse este proceso mediante microorganismos, se le conoce por el nombre de tratamiento biológico. Las reacciones bioquímicas que tiene lugar de forma natural en los cauces receptores, o bajo condiciones controladas en las plantas de tratamiento, se clasifican en dos grandes grupos, de acuerdo con los microorganismos que las lleven a cabo: Reacciones aerobias: Se producen en presencia de oxígeno disuelto en el agua Reacciones anaerobias: Se produce en ausencia de oxígeno disuelto, tomando el preciso para las reacciones de síntesis de los compuestos orgánicos que lo contienen o bien sales inorgánicas. Las ventajas y desventajas de la digestión anaerobia con respecto a la digestión aerobia son las siguientes: Ventajas - Detección rápida cuando se produce un deterioro del sistema biológico - Admite variaciones importantes de carga y caudal - Rendimientos muy altos - El metano tiene un valor calorífico de aproximadamente 9000 kcal/m 3 y se puede utilizar para producir calor para la digestión o como fuente de energía eléctrica mediante motogeneradores. - Se puede adaptar a cualquier tipo de residuo industrial. - Se pueden cargar los digestores con grandes cantidades de materia. Inconvenientes - Elevado coste de implantación - Utilización de elementos electromecánicos - Alto coste de explotación - Personal de mantenimiento especializado 24

26 5.6 Selección del tratamiento Se va a realizar un análisis a través de un cuadro comparativo entre todas las tecnologías, para facilitar la elección PARÁMETROS TIPOS DE TRATAMIENTO Lagunaje Lechos de turba Filtros verdes Biodiscos Biológico Consumo energético Sencillez equipos Mantenimiento y explotación Facilidad de construcción Rendimientos depuración Superficie utilizada Personal cualificado Figura 8. Cuadro comparativo de las distintas tecnologías de tratamiento no convencionales. Óptimo Medio Crítico 25

27 El municipio de San Jorge sufre un gran problema de contaminación de las aguas superficiales. Este es causado por actividades humanas y la falta de educación ambiental en la población para evitar la destrucción del recurso natural. Además, La contaminación de las aguas del río de Oro representa una amenaza para la salud humana y para el principal cuerpo de agua que posee el país, el lago Cocibolca. Para solventar este gran problema se ha procedido al estudio de distintas alternativas para el tratamiento de aguas residuales, tomando como la más optima, el método de lagunaje en combinación con filtros verdes. Tal y como se ha comentado anteriormente, se han considerado tres pilares básicos para la elección de este tratamiento de aguas: 1. Factor medioambiental: Con este tratamiento evitamos cualquier consumo eléctrico, además, con la utilización de filtros verdes, se va reforestar los alrededores con distintas especies vegetales, solucionando en parte el gran problema de deforestación que sufre esta localidad. 2. Factor social: la mano de obra que necesita este tratamiento no requiere ser cualificada, por lo se puede contratar a personal de la zona sin necesidad de formación específica. Al ser San Jorge una localidad mayoritariamente agropecuaria, esta agua tratada se podrá utilizar para riego de cultivos. 3. Factor económico: al mejorar la problemática de contaminación de las aguas, se dará un valor añadido al pueblo además de que al contratar personal de la zona mejorará la situación económica de ésta. También con la ausencia de consumo eléctrico, evitamos un gasto adicional. 26

28 6. Diseño del sistema 27

29 6.1 Datos de diseño Se va a comenzar calculando la cantidad de agua que va a llegar a nuestra estación depuradora, y la carga contaminante que esta presenta. Para el diseño de la planta, se ha de tener en cuenta el posible crecimiento de población que puede experimentar San Jorge, ya que de no ser así podría quedarse obsoleta en un breve periodo de tiempo. Se realizará la proyección de la población para el año Se han realizado proyecciones según distintos modelos, obteniéndose los resultados siguientes: MODELO NÚMERO DE HABITANTES Aritmético 8484 Geométrico 8700 MOPU Curva logística Tabla 1. Proyecciones de población según diferentes modelos POBLACIÓN MODELO ARITMÉTICO MODELO MOPU METODO DE LA CURVA LOGISTICA MODELO GEOMETRICO Figura 9. Evolución de la población según diferentes modelos 28

30 En la gráfica anterior se puede ver la tendencia para cada uno de los modelos. Se ve, que mientras para los modelos del MOPU y de la curva logística, la tendencia es ascendente, para el modelo geométrico y aritmético tiende a mantenerse constante. Actualmente la emigración de las zonas rurales a las grandes ciudades, hace pensar que la evolución de la población no será ascendente, tendiendo a permanecer constante o incluso disminuyendo. Por este motivo se ha elegido el modelo geométrico para la proyección (8.700 habitantes en el año 2029). El número de habitantes en 2029 en la localidad de San Jorge será de 8.700; utilizando un factor de conversión de 1,5 para calcular los habitantes equivalentes, se obtiene que la población de estudio será de habitantes equivalentes. Una vez estimada la población, se pasará a analizar la dotación por habitante equivalente y día. Los datos obtenidos revelan una dotación de 115 litros por habitante equivalente y día. Esta dotación puede parecer un poco baja si se compara con los niveles a los que estamos acostumbrados, sin embargo, se ha de tener en cuenta que nos encontramos en una zona subdesarrollada con escasa industrialización. Obtenidos ya los datos de población y dotación es necesario calcular los caudales que va a recibir la estación depuradora. El municipio de San Jorge es una región que no recibe importantes flujos turísticos que haga aumentar la población considerablemente en ciertos meses del año, por tanto, se asumirá que la ciudad no presenta variaciones demográficas por estacionalidad. El caudal que se calcule a continuación será aplicable a todo el año, solamente siendo influido por situaciones anormales que puedan darse en la zona (un congreso, unas fiestas en el pueblo) que puedan aumentar el caudal que llega a nuestra planta. Así pues se harán tres distinciones, ya que habrá que calcular tres tipos de caudales básicos para el dimensionamiento de la planta, que son el caudal medio de entrada, el caudal máximo y el caudal punta. Caudal diario Se calculará a través de la siguiente expresión: Dot Pob Qdiario = ( m / día) 29

31 Siendo: D=Dotación (l/día). Pob.=Población equivalente Qdiario = = 1500,75( m / día) 1000 Caudal medio Se calculará a través de la siguiente expresión: Qdiario Qmedio = = ( m 24 3 / día) 1500,75 3 Qmedio = = 62,53( m / día) 24 Este caudal medio será el caudal para el que se diseñarán todos los procesos de la planta depuradora, ya que durante la mayor parte del año el caudal que recibirá será este. Sin embargo no se deben dejar de lado otras situaciones de caudal que pueden presentarse y afectar al rendimiento de los procesos de depuración. Por ello se calcula tanto el caudal máximo como el caudal punta para prever y tomar medidas ante estas situaciones extraordinarias de aumento del caudal. Caudal máximo Se calculará a través de la siguiente expresión: Q max 2,575 3 Qmed 1,15 ( m / h) 0,25 Qmed = + 2,575 3 Q max = 62,53 1,15 + = 129,11( m / h) 0,25 62,53 Caudal punta Para calcular el caudal punta se usará el coeficiente de mayorización, que usa el MOPU que es generalmente el más adoptado y cuyo valor es de 2,4 sobre el caudal medio, dando como resultado lo siguiente: 30

32 Qpunta = Qmed 2,4( m 3 / h) Qpunta = 62,53 2,4 = 150,05( m 3 / h) A continuación la siguiente tabla resume los cálculos realizados: RESÚMEN DE CAUDALES Caudal diario (m 3 /dia) Caudal medio (m 3 /h) Caudal máximo (m 3 /h) Caudal punta (m 3 /h) 1500,75 62,53 129,11 150,05 Tabla 2. Caudales medio, máximo y punta que llegan a la planta El siguiente paso, será la determinación de la carga contaminante que produce la ciudad y que será con la que trabaje la planta depuradora. Esta carga contaminante está, al igual que la dotación de agua, ligada a hábitos de la población, y la proyección futura estima que las mejoras en educación y hábitos de la región harán disminuir la cantidad de residuos que, sin ser propios de las aguas residuales, son arrojados a ellas (como papeles, cartones, algunos residuos agrarios, etc ). Este hecho, sin embargo no produce ningún efecto negativo sobre el funcionamiento de la estación, ya que como se mostrará a continuación en el dimensionamiento de cada uno de los procesos, este hecho ya ha sido resuelto, ampliando el número de unidades que actúan en cada proceso, lo que da una versatilidad de funcionamiento amplia a la depuradora para hacer frente a diversas situaciones manteniendo un alto rendimiento de todo el sistema. Tras hacer un análisis de la carga contaminante de las aguas residuales los resultados obtenidos han sido los siguientes: COMPOSICIÓN DEL AGUA RESIDUAL PARÁMETRO Ppm DBO SS 300 Tabla 3. Parámetros del influente 31

33 Para posteriores operaciones de diseño de la planta depuradora, es recomendable expresar tanto la DBO5 como los SS en Kg/día, para ello, útilizaremos la siguiente expresión: Kg ppm Qmed = día 1000 Kg ,75 KgDBO DBO 5 5 = = 525, 26 día 1000 día Kg día SS ,75 = = 450, KgSS día En las siguientes tablas se resumen todos los datos de partida anteriormente calculados. PARÁMETROS BÁSICOS Dotación Población Caudal diario Caudal medio Caudal Caudal punta (l/día) equivalente (m 3 /dia) (m 3 /h) máximo (m 3 /h) (m 3 /h) (2029) ,75 62,53 129,11 150,05 Tabla 4. Datos de diseño En la tabla siguiente se muestra la composición del agua residual que llega a la planta: COMPOSICIÓN AGUA RESIDUAL Parámetros ppm Kg/día DBO ,26 SS ,22 Tabla 5. Composición media del agua residual. 32

34 A continuación se va a ver el proceso al que se va a someter a las aguas residuales que llegan a la planta. Ver ANEXO I. 6.2 Pretratamiento El proceso de pretratamiento en una planta de depuración de aguas residuales es fundamental para asegurar el correcto funcionamiento de los sistemas posteriores. Se trata de un conjunto de procesos físicos que tienen como objeto la eliminación de objetos de gran tamaño o arenas que pudieran acompañar a las aguas residuales y que son arrastrados por los colectores pudiendo producir obstrucciones que alterarían el régimen hidráulico de la planta. El pretratamiento, tiene una capacidad de trabajo de tres veces el caudal medio, una vez sobrepasado este caudal, mediante una arqueta de reparto, se desvía el excedente al aliviadero Descripción del proceso La primera operación en las plantas de tratamiento de aguas residuales es la operación de desbaste. El procedimiento más corriente consiste en pasar el agua residual por rejas o tamices. En este caso se ha optado por la utilización de un sistema de rejas (de gruesos y de finos) seguido por un desarenador. Las rejas pueden ser de limpieza manual o mecánica; como nuestro sistema va a funcionar por acción de la gravedad y no utilizaremos ningún tipo de electricidad, las rejas utilizadas serán de limpieza manual. La misión de los desarenadores es separar arenas, término que engloba a las arenas propiamente dichas y a la grava, cenizas y cualquier otra materia pesada que tenga velocidad de sedimentación o peso específico superiores a los de los sólidos orgánicos putrescibles del agua residual. La arena incluye también cáscaras de huevo, pedazos de hueso, granos de café y grandes partículas orgánicas, tales como residuos de comidas. Los desarenadores deberán proteger el desgaste de los equipos, reducir la formación de depósitos pesados en tuberías, canales y conductos y la frecuencia de limpieza de las lagunas anaerobias que hay que realizar 33

35 como resultado de excesivas acumulaciones de arena en tales unidades. Se ha elegido un desarenador de flujo horizontal, ya que este tipo de desarenadores no requieren energía eléctrica para su funcionamiento. El agua residual se distribuirá a través de una arqueta a tres canales: se utilizará uno cuando la planta trabaje a caudal medio, dos para caudal máximo, y un tercero de reserva para operaciones de limpieza Diseño y cálculo de parámetros El sistema va a constar de tres canales, cada uno con dos rejas (una de gruesos y una de finos), seguidos de tres desarenadores en paralelo. Reja de gruesos El dimensionamiento de estas rejas se ha realizado en función del caudal medio y la velocidad de aproximación obteniéndose los siguientes datos: Concepto Caudal diario Espesor de la barra Luz Velocidad de aproximación Limpieza manual 1500,75 m 3 /dia 10 mm 50 mm 0,5 m/s Inclinación respecto de la vertical 30º Coeficiente de colmatación 0,7 Tabla 6. Parámetros utilizados para el cálculo de la reja de gruesos Reja de finos Al igual que en el caso de las rejas de gruesos, el dimensionamiento de estas rejas se ha realizado en función del caudal medio y la velocidad de aproximación obteniéndose los siguientes datos: 34

36 Concepto Caudal diario Espesor de la barra Luz Velocidad de aproximación Limpieza manual 1500,75 m 3 /día 6 mm 10 mm 0,5 m/s Inclinación respecto de la vertical 30º Colmatación 0,7 Tabla 7. Parámetros utilizados para el cálculo de la reja de finos Para el cálculo de la superficie de las rejas, se ha utilizado la siguiente expresión: S 2 ( m ) 3 ( ) Q m = s v s ( m ) L ( mm) + e( mm) 1 L( mm) C Las medidas obtenidas y que se van a implantar para las rejas de gruesos y finos son las siguientes: Figura 10. Diseño final de la reja de gruesos y de finos Desarenador El tipo de desarenador que se ha elegido es un desarenador de flujo horizontal. En estos desarenadores ha de controlarse la velocidad rectilínea, que debe ser próxima a 0,3 m/s. Con 35

37 esta velocidad se consigue que decanten las partículas cuya densidad es mayor a 2,65 kg/m 3 y que se mantengan en suspensión los de menor densidad, la materia orgánica. Se va a proyectar un desarenador de flujo horizontal de triple canal paralelo con flujo alternativo. Para el cálculo de los canales vamos a suponer que el caudal máximo se distribuye en dos desarenadores que operan a la vez. El tercero será de las mismas dimensiones, y como se ha comentado anteriormente, se utilizará en aquellas situaciones en que por cualquier causa el caudal que llega a la planta aumente. En primer lugar calculamos la superficie transversal de los desarenadores: S 2 ( m ) 3 ( ) Q m = s v s ( m ) S = 0,12m Como el flujo se distribuye en dos canales, la superficie transversal de cada uno será de 0,06 m 2. Para calcular la altura de la lámina de agua se considera el criterio de la máxima eficiencia hidráulica: b h = 2 Por lo que las dimensiones de cada desarenador serán: Base = 0,34 m Altura = 0,17 m Además, sabiendo la velocidad de decantación de una partícula (V = 0,018 m/s), obtenemos el tiempo de caída: h T = T = 9,44 segundos V Con este dato hallamos la longitud teórica del equipo: ( m) = T s) v( m ) L ( L = 2,8 metros s 2 36

38 Se incrementa la longitud en un 50% en previsión de las posibles turbulencias que pudieran producirse a la entrada o a la salida: L(m) = 4,2 metros Las dimensiones de cada uno de los tres desarenadores son las siguientes: Concepto Anchura Altura Longitud Flujo horizontal 0,34 m 0,17 m 4,2 m Volumen 0,24 m 3 Tabla 8. Dimensiones de los desarenadores A continuación se va a calcular la pendiente que han de tener los desarenadores, según la fórmula de Manning-Strickler: 2 3 W R ( ) = s n Q m 3 I 1 2 Siendo: Q: caudal n: coeficiente de rugosidad (para el hormigón utilizamos 0,013) W: área de la sección mojada R: radio hidráulico (R = W/P) P: perímetro mojado I: pendiente de la conducción Sustituyendo obtenemos una pendiente del 0,04% en el desarenador. 37

39 6.3 Lagunas anaerobias Descripción del proceso Las lagunas anaerobias se utilizan normalmente como primera fase en el tratamiento de aguas residuales urbanas o industriales con alto contenido en materia orgánica biodegradable. El objetivo primordial de estas lagunas es la reducción del contenido en sólidos y materia orgánica del agua residual, y no la obtención de un efluente de alta calidad. Por esta razón, se van a colocar tres lagunas anaerobias en paralelo, el efluente de éstas, se une en una sola corriente, que vuelve a ser repartida en tres lagunas facultativas en paralelo para posteriormente atravesar dos lagunas de maduración en serie. Los procesos anaerobios, son realizados por microorganismos cuyo metabolismo se desarrolla en ausencia de oxígeno, pudiendo verse gravemente afectados por la presencia de este elemento. En esta etapa decantan la mayor parte de los sólidos en suspensión presentes en el agua residual. La estabilización de esta materia orgánica, se produce por acción de las bacterias anaerobias en el fondo de la laguna. Estas bacterias primero transforman materia orgánica en ácidos volátiles y posteriormente por acción de las bacterias metanogénicas en dióxido de carbono, metano y sólidos mineralizados. Se persigue retener la mayor parte de los sólidos, que pasan a incorporarse a la capa de fangos acumulados en el fondo, eliminándose por consiguiente parte de la materia orgánica. Esta disminución se va a expresar como DBO 5. Se han tomado los parámetros que se usan en España que proponen una eliminación del 50% en invierno y el 80% en verano. En el caso que nos ocupa, a pesar de las altas temperaturas anuales, de 26ºC, por ser una población rural, con cargas orgánicas muy elevadas y bajo caudal, se va a considerar el caso más desfavorable, en el cuál la reducción de la DBO 5 en las lagunas anaerobias es del 50%. En este tipo de lagunas, como consecuencia de la elevada carga orgánica y corto periodo de retención del agua residual, el contenido en oxígeno disuelto se mantiene muy bajo o nulo durante todo el año. La estabilización tiene lugar mediante tres etapas: fase de hidrólisis, formación de ácidos grasos volátiles (acético, propiónico, butírico) y fase de metanogénesis. 38

40 En la etapa de hidrólisis, se produce la rotura de los compuestos orgánicos complejos e insolubles en otros más sencillos y solubles en agua. Esta etapa es fundamental, pues se facilita el trabajo de los microorganismos de las etapas posteriores. La etapa de acidogénesis, consiste en la obtención de ácidos orgánicos de cadena corta. Esta etapa la pueden llevar a cabo bacterias anaerobias o facultativas. En la siguiente etapa, la acetogénesis, unas bacterias llamadas acetogénicas convierten las moléculas orgánicas de pequeño tamaño y los ácidos grasos volátiles en ácido acético e hidrógeno. Finalmente, la última etapa es la metanogénesis, en ésta, un nuevo tipo de bacterias entra en acción, utilizándose los ácidos de la etapa anterior para la obtención de metano y dióxido de carbono. La liberación de estos gases es responsable de la aparición de burbujas, que son un síntoma de buen funcionamiento en las lagunas anaerobias. Esta fase de la depuración anaerobia es fundamental para conseguir la eliminación de materia orgánica. A diferencia de lo que ocurría con la fase acidogénica, hay pocos microorganismos capaces de desarrollar la actividad metanogénica, su metabolismo es más lento y además, son mucho más sensibles a distintas condiciones ambientales. De los dos grupos de bacterias referidos anteriormente, las bacterias formadoras de metano son las más importantes para el proceso anaerobio. Dentro de los mecanismos que ayudan a mantener el ambiente anaerobio necesario para el buen funcionamiento de estas balsas destacan los siguientes: 1. La abundante carga orgánica, presente en esta primera fase del tratamiento, da lugar a que el posible oxígeno introducido en las lagunas con el influente o por reaireación superficial se consuma rápidamente en la zona inmediatamente adyacente a la entrada o a la superficie. 2. En las lagunas anaerobias se produce la reducción de los sulfatos que entran con el agua residual, a sulfuros. La presencia de sulfuros en el medio disminuye la posibilidad de crecimiento de las algas en dos formas: a) La penetración de la luz necesaria para el crecimiento de las algas se ve impedida por la presencia de sulfuros metálicos en suspensión, como el sulfuro de hierro, responsables de la tonalidad gris de las lagunas anaerobias. Estos sulfuros acaban precipitando en el fondo de las lagunas, y provocan la coloración gris oscura o negra que presentan los fangos. 39

41 b) Los sulfuros solubles son tóxicos para las algas, de modo que los cortos períodos de residencia, la falta de iluminación y un ambiente de composición química hostil impiden el crecimiento de éstas y en consecuencia, mantienen el medio en condiciones anaerobias. 3. Puesto que las lagunas carecen de agitación, el aporte de oxígeno atmosférico es despreciable, debido a que la difusión de este gas en la columna de agua es muy lenta. Además de las bacterias responsables de las etapas acidogénica y metanogénica de la degradación anaerobia, en ocasiones se desarrollan en estas lagunas otras bacterias que confieren una coloración rojiza. Se trata de bacterias fotosintéticas del azufre, que viven en la zona superficial y oxidan los sulfuros a azufre elemental. Los pigmentos que poseen estas bacterias le dan a las lagunas una coloración rosa o roja. La presencia de estas bacterias es indicativa de carga insuficiente en las lagunas anaerobias, lo que puede dar lugar a la aparición de algas en superficie. En algunos casos la presencia de estas bacterias puede resultar beneficiosa, ya que al oxidar a los sulfuros evitan la aparición de olores relacionados con la liberación de ácido sulfhídrico. Sin embargo, la carga orgánica apenas se modifica por la acción de estas bacterias, y las lagunas rojas presentan típicamente unas concentraciones muy elevadas de carga orgánica a la salida Condiciones operativas Teniendo en cuenta la secuencia de etapas por las que tiene lugar la digestión anaerobia, es necesario ajustar las condiciones operativas de las lagunas para que se produzca la estabilización de la materia orgánica hasta los productos finales: metano (CH 4 ) y dióxido de carbono (CO 2 ). Se van a controlar los siguientes parámetros: Tiempo de retención: En primer lugar, si las balsas operan con tiempos de retención muy pequeños, sólo las fases hidrolítica y acidogénica tienen tiempo de desarrollarse, pero no la de formación de metano, que es más lenta, y por tanto, se producirán olores y se obtendrá una eliminación muy baja de la materia orgánica. Por otra parte, si la carga es escasa y el tiempo de retención elevado, comienzan a desarrollarse algas en superficie, y el oxígeno producido da lugar a la muerte de las bacterias metanígenas, también con el resultado de desarrollo de olores desagradables. Por tanto, las lagunas anaerobias requieren un mantenimiento adecuado para 40

42 preservar en todo momento el equilibrio entre las fases responsables de la depuración. Temperatura: El tratamiento anaerobio requiere temperaturas elevadas, esto es debido a que a medida que aumenta la temperatura, aumenta la velocidad de reacción. Por debajo de los 10ºC no se produce reducción de la materia orgánica. Por lo que se ha de trabajar a una temperatura superior, teniendo en cuenta, que existe una temperatura crítica, en torno a los 40ºC, por encima de la cual los microorganismos mueren. La temperatura óptima de trabajo es en torno a 36ºC, en nuestro caso la temperatura media es de 26ºC, por lo que nos encontramos dentro del intervalo de trabajo requerido y a una temperatura próxima a la óptima. Presencia de tóxicos o inhibidores. La posible existencia de metales pesados, compuestos organoclorados u otro tipo de contaminantes en las aguas residuales puede resultar letal para los microorganismos, haciendo imposible la depuración. Sin embargo, en el agua residual de San Jorge no se ha registrado presencia alguna de contaminantes letales. Variaciones del ph: Para conseguir una correcta velocidad de las reacciones de digestión se mantendrá el ph entre 6,8 y 7,6, ya que disminuciones de ph provocan un descenso de la velocidad de las reacciones e incluso la parada de las mismas. Potencial Redox: El potencial redox mide la tendencia de las especies químicas a oxidarse o reducirse, es decir, dar o aceptar electrones. Los potenciales redox que pueden presentarse en la naturaleza van desde un mínimo de -0,42 voltios hasta un máximo de +0,82 voltios. El límite inferior corresponde a un ambiente muy reductor, rico en hidrógeno gas, y por tanto, apropiado para el crecimiento de microorganismos anaerobios estrictos, como son las bacterias metanígenas. El límite máximo se produce en ambientes muy oxigenados, y por tanto, oxidantes. A medida que aumenta el potencial redox del medio, los microorganismos capaces de desarrollarse pasan de ser anaerobios estrictos a anaerobios aerotolerantes, es decir, que resisten la presencia de oxígeno, si bien crecen mejor en su ausencia. Cuando una laguna anaerobia presenta muy poca carga, y se favorece el desarrollo de algas en superficie, aumenta el potencial redox, lo que puede producir la muerte de las bacterias metanígenas, que presentan tolerancias muy estrechas para los niveles de esta variable. 41