TRATAMIENTO SEMI-DESCENTRALIZADO DE AGUAS RESIDUALES COMO ESTRATEGIA PARA CIDUADES EN RÁPIDO CRECIMIENTO

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1 TRATAMIENTO SEMI-DESCENTRALIZADO DE AGUAS RESIDUALES COMO ESTRATEGIA PARA CIDUADES EN RÁPIDO CRECIMIENTO Semi-decentralized wastewater treatment, as a strategy for rapid growing cities Gustavo Heredia Deiters 1 Av. Los Ceibos #2152, Cochabamba Bolivia. Casilla postal Tel (591) gheredia@aguatuya.org Abstract The per-capita cost of a wastewater treatment plant lowers as the plants become larger. This economical criterion has resulted in a generalized paradigm that promotes the planning and construction of ONE wastewater plant for each city or even for an entire metropolitan area. This document advocates for a more comprehensive cost analysis that should include not only the costs of the treatment plant but also the costs of the wastewater collection network as well as main sewer lines and pumping stations, demonstrating that as the collection networks get larger, their per-capita cost increases. When the aggregated costs of the collection networks plus the treatment facilities it is no longer true that the larger systems are the most economical. Based on the theoretical model presented here and current costs, the study finds an optimal (lowest) per-capita cost for modules collecting and treating wastewater for populations between 40,000 and 60,000 people. Additionally, other important benefits of semi-decentralized systems are presented and discussed such as environmental impact, reclamation and wastewater reuse, social control, flexibility by design and use of new technologies. KeyWords: planificación, depuración, aguas residuales, saneamiento semi-descentralizado 1 Gustavo Heredia es presidente ejecutivo de Fundación AGUATUYA ( institución sin fines de lucro que trabaja temas de agua y saneamiento para zonas peri-urbanas y ciudades intermedias en crecimiento de Bolivia. 1

2 TRATAMIENTO SEMI-DESCENTRALIZADO DE AGUAS RESIDUALES COMO ESTRATEGIA PARA CIUDADES EN RÁPIDO CRECIMIENTO Resumen Mientras más grande sea una planta de tratamiento, menor será el costo per cápita de la misma. Este criterio económico, ha resultado en la generalización de un paradigma basado en la planificación e implementación de una sola planta de tratamiento de aguas residuales (depuradora) por cada ciudad. El presente trabajo, propone que al momento de planificar los sistemas de tratamiento de aguas residuales de las ciudades debemos tener en cuenta no solo los costos de las plantas de tratamiento sino también los costos totales de las redes de recolección y conducción hasta las plantas incluyendo estaciones elevadoras. El estudio demuestra que a medida que las redes de recolección se hacen más grandes (mayor población) y más extensas (mayor longitud total), el costo per cápita de las mismas aumenta. Al sumar los costos de la infraestructura de recolección con los costos de la infraestructura de tratamiento obtenemos los costos per cápita totales del sistema completo, obteniendo una curva que presenta en base al modelo teórico estudiado un punto óptimo (menor costo per cápita) para sistemas de recolección y tratamiento semi-descentralizados para módulos de entre 40,000 y 60,000 habitantes. Adicionalmente se analizan y discuten a favor de los sistemas semi-descentralizados otros aspectos importantes como el impacto ambiental, recuperación y reutilización de aguas, control social, flexibilidad de diseño y aprovechamiento de nuevas tecnologías. Palabras clave: planificación, depuración, aguas residuales, saneamiento semi-descentralizado Introducción Contrariamente al pensamiento general, la principal causa del crecimiento urbano no es la migración campo ciudad sino el crecimiento vegetativo de las mismas ciudades. Sin embargo la migración de habitantes a la ciudad es el factor preponderante en los cambios de proporción de la población campo-ciudad; fenómeno denominado proceso de urbanización. Dependiendo de las condiciones locales, este proceso puede acelerarse o ralentizarse, pero la experiencia mundial nos demuestra que este proceso no puede ser detenido ni revertido. Si bien la urbanización es una consecuencia del desarrollo económico, también es un requisito para este. Las ciudades en rápido crecimiento presentan un gran reto para la planificación y desarrollo de servicios de agua y saneamiento. Cuando las políticas y planes de inversión de las ciudades no son capaces de desarrollar infraestructura básica al mismo ritmo de crecimiento de las zonas urbanas tenemos como resultado barrios periféricos sin servicios de agua y saneamiento. La falta de los mismos limita la productividad de sus habitantes y pone en riesgo la salud de lo mismos, frenándose de esta manera tanto el desarrollo económico como el desarrollo humano de las personas. El presente documento se enfoca específicamente en aspectos relacionados con la planificación y diseño de infraestructura de recolección y tratamiento de aguas residuales domésticas. Un sistema integrado de recolección de aguas servidas (alcantarillado sanitario) y tratamiento (depuración) de las mismas es vital para proteger tanto la salud de los habitantes como el medio ambiente de una ciudad y su alrededores. 2

3 Desafíos y oportunidades en el tratamiento de aguas servidas Los primeros sistemas de arrastre hidráulico de saneamiento datan de el año 2,500 antes de cristo. Sin embargo, los sistemas de recolección y tratamiento de aguas servidas (alcantarillado sanitario) se desarrollaron en el siglo XIX, primero en Europa (Alemania, Londres y Francia) y luego se distribuyeron en todo el mundo. Esta es la solución preferida no sólo en los países industrializados, sino también en los países en vías de desarrollo. Los sistemas de arrastre hidráulico presentan grandes beneficios en cuanto a facilidad de uso y confort para los usuarios, sin embargo generan grandes desafíos desde el punto de vista de conservación del recurso hídrico y del medio ambiente. Al utilizar el agua como un medio de transporte de excreta humana, estamos combinando de manera muy peligrosa dos ciclos naturales que de otra manera se encuentran separados. Por un lado tenemos el ciclo natural del agua (evaporación, condensación, precipitación, escurrimiento e infiltración) y por otro lado el ciclo de los nutrientes (especialmente Nitrógeno, Fósforo y Potasio) que en su ciclo natural pasan del suelo a las plantas, a los animales y retornan al suelo en forma de excreta. Al combinar ambos ciclos (es decir al mezclar el agua con las excretas), los nutrientes no retornan al suelo sino que terminan eutrofizando los ríos, lagos y mares. El proceso de contaminación del agua es muy sencillo: Basta con hacer uso de un inodoro. Sin embargo, el proceso de descontaminación (separar los nutrientes del agua) es muy complejo y costoso puesto que requiere de una planta de depuración. Ciclo&de&los& nutrientes&(n,p,k)& Ciclo&del& agua& Contaminación& Por más que este sistema haya sido ampliamente difundido en el planeta, presenta aún muchos problemas y desafíos. A continuación citamos algunos de ellos: En muchos casos se implementan sistemas de recolección de aguas servidas (alcantarillado) pero no se implementan plantas de tratamiento. Las aguas servidas solamente se trasladan desde el punto de generación de las mismas (viviendas e industrias) hasta algún punto de descarga normalmente cercano a un cuerpo de agua (el mar, ríos, lagos, etc.). Cuando el punto de contaminación se encuentra muy alejando del lugar en el que se generan las aguas servidas, este problema no se hace evidente para los usuarios por lo que no existe un preocupación por parte de estos y por ende no demandan el proceso de depuración de aguas necesario. El tratamiento (depuración) de aguas residuales implica normalmente altos costos de energía, insumos, espacio y tiempo. En muchos lugares estos costos no pueden ser cubiertos en un 100% por los mismos usuarios del servicio y el funcionamiento del servicio tiene que ser altamente subsidiado por gobiernos locales o nacionales. Cuando se recolectan aguas residuales de toda una ciudad, estas combinan los deshechos generados no solo por las viviendas (aguas residuales domésticas) sino que también los desechos generados por 3

4 negocios e industrias (aguas residuales industriales) que pueden contener hasta 70,000 químicos distintos. A medida que combinas aguas residuales de distinta calidad su tratamiento será más complicado y más costoso. Por este motivo los lodos que se generan el plantas de tratamiento de grandes ciudades son altamente tóxicos y prácticamente irrecuperables. Sin embargo de estos desafíos, también podemos se presentan algunas oportunidades que pueden ser aprovechadas en pos de mejorar el desempeño, factibilidad de los servicios de recolección de aguas residuales: La aguas residuales tratadas pueden ser vistas como un recurso potencial para ser utilizadas para riego de agricultura, forestación, áreas verdes o algunos procesos industriales, siempre y cuando a través de procesos de depuración se logre una calidad consistente y estable en el tiempo. La gran ventaja de este recurso es que a diferencia de la lluvia se constituye en una fuente de agua regular que prácticamente no varía a lo largo del año Cuando las aguas residuales recolectadas son principalmente domésticas, el tratamiento es relativamente sencillo y los lodos resultantes del tratamiento pueden ser procesados y reutilizados como fertilizante para mejorar los suelos En los últimos años se han desarrollado innovaciones que no reducen costos y mejoran la eficiencia de tratamiento sino que también facilitan la automatización de procesos así como el control remoto de los mismos (ej. Utilizando sistemas de transmisión remota de datos). Uno de los caminos para hacer frente a los desafíos anteriormente mencionados y aprovechar oportunidades consiste en cambiar el paradigma actual de tratamiento centralizado (una gran planta de tratamiento por ciudad) por un modelo semi-descentralizado en el que se pueden ir construyendo plantas de tratamiento de menor escala a medida que la ciudad crece. Tratamiento centralizado vs. Tratamiento semi-descentralizado El paradigma predominante en las ciudades desde hace doscientos años ha sido planificar e implementar una planta de tratamiento de aguas residuales para cada ciudad. Normalmente se prevé una ubicación alejada al centro urbano y un emisario principal que conduce las agua recolectadas de la ciudad hacia la planta. Sin embargo, el crecimiento acelerado y a veces desordenado de las ciudades, ha rebasado en muchos casos la capacidad de diseño estas plantas centralizadas así como el espacio reservado para las mismas. El resultado del uso de este paradigma por más de dos siglos deja mucho que desear: Actualmente, aproximadamente el 95% de las aguas servidas del mundo es conducida a cuerpos receptores sin un tratamiento adecuado. A tiempo de proponer un cambio de paradigma, debemos analizar en detalle no solo los costos relacionados con las redes de recolección, sino también evaluar aspectos como impacto ambiental, recuperación y re-uso de aguas, control social, flexibilidad de diseño y aprovechamiento de nuevas tecnologías. A continuación elaboramos sobre cada uno de estos puntos: Costo de las plantas de tratamiento de aguas residuales Un argumento a favor de los sistemas de tratamiento centralizados son las llamadas economías de escala. Mientras más grande sea la planta de tratamiento, menor será el costo per cápita de la misma (tanto en inversión como en operación y mantenimiento). En el siguiente gráfico se puede apreciar como el costo per cápita disminuye a medida que se incrementa la capacidad de la planta. 4

5 Costo%[USD/hab.]% 90" 80" 70" 60" 50" 40" 30" 20" 10" Costo%PTARs%en%función%del%tamaño%de% la%población% 0" 0" 50000" " " " Población%[hab.]% Si bien estas economías de escala funcional de manera favorable para el caso de las plantas de tratamiento, debemos poner atención a los otros componentes de un sistema integral de alcantarillado sanitario. Costo de redes de recolección A medida que el sistema de recolección crece en número de usuarios, los tubos de la red de recolección se hacen más grandes (mayor diámetro) y por lo tanto más costosos. Por otro lado, a media que la longitud de los emisores de alcantarillado se incrementa, estos deben ser enterrados a mayores profundidades para mantener la pendiente necesaria para que el sistema funcione por gravedad. Esto genera costos adicionales tanto en inversión como en operación de los sistemas. Cuando los tubos se entierran a mayor profundidad se incrementan los costos de excavación y de instalación. Finalmente, a medida que la red de recolección y emisarios crecen en longitud, se requiere un número mayor de estaciones generando altos costos en consumo de energía. 1,600%Ha% 160,000%hab% 400%l/s% 1,600%Ha% 160,000%hab% 400%l/s% Sistema centralizado Sistema semi-descentralizado Se ha realizado el análisis de costos de un sistema de recolección en base al siguiente modelo: Parámetro Unidad Magnitud Superficie de la ciudad Has 1,600 Población Hab 160,000 Caudal total aguas Litros/segundo 400 servidas recolectadas Primeramente se ha realizado el análisis de costos de un sistema centralizado para toda la ciudad. Es decir una sola red de recolección para conducir el total de las aguas residuales de la ciudad a una planta. Luego se han 5

6 realizado por separado análisis de costos de redes de recolección para redes de recolección de 10,000, 40,000, y 90,000 habitantes respectivamente. En la siguiente tabla se presenta las primeros datos que arroja el estudio en cuanto a diámetros máximos de colectores utilizados para cada tamaño de población: Diámetros utilizados para redes de recolección y colectores Población 10,000 hab 150mm 200mm 300mm Población 40,000 hab 150mm 200mm 350mm 500mm Población 90,000 hab 150mm 200mm 350mm 900mm Población 160,000 hab 150mm 200mm 350mm 1,000mm Los costos utilizados en el estudio provienen de publicaciones de la Cámara Departamental de la Construcción y/o de cotizaciones realizadas por el sector privado local (constructoras y proveedores de materiales y servicios). En todos los casos se toman en cuenta los costos de: Emisarios, estaciones elevadoras, redes de colectores, cámaras de inspección y acometidas domiciliarias en base a costos de mercado vigentes en el departamento de Cochabamba (Bolivia) a Junio 2013 El siguiente gráfico resume la extrapolación de costos per cápita para poblaciones entre 40,000 y 16,000 habitantes para todos los costos involucrados en la construcción de la infraestructura de recolección y conducción de aguas servidas. Costo%redes%de%recolección%de%aguas% servidas%en%función%del%tamaño%de%la% población% Costo%[USD/hab.]% 200" 180" 160" 140" 120" 100" 80" 60" 40" 20" 0" 0" 50000" " " " Población%[hab.]% En conclusión, el costo per cápita de las redes de alcantarillado crece a medida que la red se hace más grande (tanto en inversión como en operación y mantenimiento). Costo del sistema recolección-tratamiento Lo importante en este caso es comparar el costo del sistema completo. Es decir obtener costos per cápita para distintos tamaños de sistema tomando en cuenta tanto las redes de recolección como las plantas de tratamiento. El siguiente gráfico combina ambos costos: 6

7 250" Costos%de%recolección%y%tratamiento%de% aguas%servidas%en%función%del%tamaño%de% la%población% Costo%[USD/hab.]% 200" 150" 100" 50" Red"de"recolección" PTAR" Total" 0" 0" 50000" " " " Población%[hab.]% Como se puede ver, la línea verde (suma de las líneas roja y azul) representa el costo total del sistema. En este caso, y en base a los costos utilizados para el valle Cochabamba Bolivia, se pude ver que existe un punto óptimo de costos, cuando se construyen sistemas completos para poblaciones de alrededor de 50,000 habitantes. Impacto ambiental Desde el punto de vista ecológico es preferible evitar el transporte del agua a grandes distancias (tanto para su captación como para su tratamiento). Es decir, mientras más descentralizado (y por tanto más localizado) sea el tratamiento y devolución del agua a la naturaleza, menor será el impacto ambiental. Los sistemas centralizados son sistemas altamente vulnerables a catástrofes (terremotos, inundaciones, etc.). El daño ambiental que genera una planta de tratamiento que deja de funcionar es proporcional al tamaño de la planta. Cuando descentralizamos el tratamiento de aguas servidas, se distribuye el riesgo ambiental en distintas zonas. A mayor descentralización, mayor distribución del riesgo. Recuperación y reutilización de aguas Las aguas residuales son un recurso valioso. Al recuperarlas como recurso y reutilizarlas contribuimos a la conservación del recurso hídrico, cerramos de manera ambientalmente apropiada los ciclos del agua de y de los nutrientes y a la vez obtenemos beneficios económicos. Con un manejo apropiado de las aguas tratadas es posible incrementar el rendimiento de los cultivos ya que las aguas residuales contienen material orgánico, nitrógeno, fosforo y potasio. Estos nutrientes pueden reducir o eliminar por completo la necesidad de aplicación de fertilizantes. El material orgánico sirve de acondicionador del suelo al incrementar su capacidad de retención de agua. La factibilidad de recuperación y reutilización de aguas tiene que ver con la uniformidad de la calidad de las aguas recolectadas y con la dilución de las mismas. En las grandes redes se mezclan muchos tipos de agua de distintas calidades (ej. aguas de hospitales, talleres y viviendas) haciendo que el tratamiento sea más complejo. En los sistemas semi-descentralizados existe una mayor uniformidad en la calidad de las aguas regidas. Por ejemplo las aguas provenientes de un vecindario o de un distrito donde predominan los condominios serán básicamente aguas residuales domésticas. Esta agua son de fácil tratamiento y aprovechamiento. Es decir existe mayor potencial de recuperación reutilización de aguas cuando estas son recolectadas por zonas y no se mezclan con todos los desechos de una ciudad. En los sistemas semi-descentralizados, el agua tratada se puede reutilizar localmente, resultando en un mejor balance hídrico a nivel local y la consiguiente preservación del recurso hídrico. 7

8 Un gran problema presente en las redes de alcantarillado sanitario es la intromisión de aguas pluviales en la red de recolección. En las redes grandes es muy difícil controlar el ingreso de aguas pluviales. Esto genera una mayor dilución de las aguas servidas y por lo tanto mayor dificultad en el tratamiento de las mismas. En las redes pequeñas se puede ejercer mayor control sobre el ingreso de aguas lluvias y lograr menor dilución, facilitando el tratamiento posterior. Control social En los sistemas centralizados, el problema de contaminación se traslada a un sitio muy distante del lugar donde se genera, por lo tanto los usuarios no perciben los efectos ambientales negativos y por lo tanto se pierde el control social. Por otro lado en los sistemas semi-descentralizados, la responsabilidad sobre el agua es responsabilidad local, los efectos ambientales son más evidentes para los usuarios esto activa una reacción y control por parte de la sociedad. Flexibilidad de diseño, ampliación y aprovechamiento de nuevas tecnologías Los sistemas de tratamiento semi-descentralizados de aguas servidas son más apropiados para ciudades de rápido crecimiento dado que requieren de menos planificación puesto que su implementación e y por tanto inversión en infraestructura es incremental (se realiza a medida que la ciudad crece). En este caso se puede hacer un paralelo con el crecimiento de las redes de telefonía celular que sin necesidad de mucha planificación ni grandes inversiones iniciales crecen a media que se desarrolla la demanda del servicio. Otro beneficio de construir módulos de tratamiento a medida que la demanda crece es que las nuevas plantas pueden hacer uso de nuevas tecnologías que van desarrollándose con el tiempo. Mientras que en el caso de los sistemas centralizados, las ampliaciones de capacidad o cambios de tecnología resultan muy costosas o en ciertos casos imposibles de realizar puesto que no normalmente no se puede detener el funcionamiento del sistema para realizar un cambio total. Agradecimientos. Al equipo técnico de Fundación AGUATUYA, especialmente a los Ingenieros Renato Montoya y Sergio Caballero por su colaboración directa durante el estudio a través tanto para el análisis del modelo como durante la elaboración de las planillas de costos y análisis de precios unitarios. Referencias Bibliográficas Franken Margot (2007) Gestión de aguas. Conceptos para el nuevo milenio. Manejo sostenible del agua por sistemas descentralizados de suministro y evacuación de aguas y cierre de ciclos naturales locales del agua. Plural Editores, Bolivia, Göran Tannerfeldt, Per Ljun (2006) More urban less poor an introduction to urban development and management, Bath Press, UK, Heredia Gustavo (2012) Tratamiento semi-descentralizado de aguas servidas para zonas de expansión urbana XII Congreso Nacional de Ingeniería Sanitaria y Ambiental La Ingeniería Sanitaria frente al cambio climático: Adaptabilidad y gestión de riesgos, Asociación Boliviana de Ingeniería Sanitaria (ABIS) Valenzuela Lourdes (2012) El potencial de re-uso de aguas residuales, Serie: Tencologías para servicios de agua en zonas de expansión urbana [consulta 24 de Agoso 2013] Uy Joaquin I (2013) History of Sewers Cesspools and Cholera: The Development of The Modern Sewer, Gray Water Action [consulta 24 de Agoso 2013] 8

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