Documento del Curso_ASTEC_2005

DOCUMENTO DEL TALLER

BIOFILTRO:

TECNOLOGIA SOSTENIBLE PARA ELTRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

Managua, 02 – 04 de Agosto de 2,005

Proyecto ASTECSUCHER & HOLZERAustria - Nicaragua CCIIEEMMAA

Cooperación Austríacapara el Desarrollo

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http://www.alientools.com/

Centro de Investigación y Estudios en Medio Ambiente, CIEMA, UNI

Proyecto ASTEC, UNI - RUPAP, Villa Progreso, Managua. e-mail: [email protected]. Telefax: (505) 2490936

INDICE

Página

I.- INTRODUCCION .......................................................................................................iII.- HUMEDALES ARTIFICIALES ..............................................................................2

2.1.- Clasificación de humedales artificiales...................................................................22.1.1.- Humedales artificiales con superficie de agua libre..........................................22.1.2.- Humedales artificiales de flujo subterráneo .....................................................4

III.- BIOFILTROS: TIPOS Y COMPONENTES PRINCIPALES ...............................43.1.- Descripción del Biofiltro de flujo horizontal ..........................................................4

3.1.1.- Características principales del Biofiltro de flujo horizontal..............................53.2.- Descripción del Biofiltro de flujo vertical...............................................................5

3.2.1.- Características principales del Biofiltro de flujo vertical ..................................63.3.- Componentes principales .......................................................................................7

3.3.1.- Lecho filtrante.................................................................................................73.3.1.1.- Criterios para la selección del material del lecho filtrante ......................7• Porosidad de materiales para el lecho filtrante ...........................................8• Granulometría ..............................................................................................8

3.3.2.- Plantas Macrófitas...........................................................................................93.3.2.1.- Efectos físicos ..........................................................................................93.3.2.2.- Area superficial para el crecimiento microbiano.....................................93.3.2.3.- Consumo de nutrientes ............................................................................93.3.2.4.- Introducción de oxígeno al lecho filtrante...............................................9

3.3.3.- Microorganismos ..........................................................................................10IV.- MECANISMOS DE REMOCION EN UN BIOFILTRO .....................................11

4.1.- Materia orgánica ..................................................................................................114.1.1.- Degradación aeróbica ....................................................................................124.1.2.- Degradación anaeróbica ................................................................................12

4.2.- Sólidos Suspendidos ............................................................................................134.3.- Nitrógeno.............................................................................................................13

4.3.1.- Amonificación (mineralización) ....................................................................134.3.2.- Nitrificación biológica...................................................................................134.3.3.- Desnitrificación biológica..............................................................................144.3.4.- Volatilización de amonio...............................................................................144.3.5.- Consumo de las plantas .................................................................................144.3.6.- Adsorción en el lecho filtrante.......................................................................14

4.4.- Fósforo ................................................................................................................144.5.- Metales ................................................................................................................154.6.- Patógenos ............................................................................................................15

V.- APLICACIONES DE LA TECNOLOGIA.............................................................155.1.- Aguas residuales domésticas y municipales..........................................................15

5.1.1.- Tratamiento secundario .................................................................................155.1.2.- Tratamiento terciario o superior.....................................................................16

5.2.- Aguas residuales agroindustriales.........................................................................16VI.-DISEÑO DE BIOFILTROS....................................................................................17

6.1.-Información requerida para el diseño del sistema de tratamiento ...........................176.2.- Diseño de Biofiltros de flujo horizontal................................................................18

6.2.1.- Criterios de diseño en función de la remoción de contaminantes....................18




Proyecto ASTEC, UNI - RUPAP, Villa Progreso, Managua. e-mail: [email protected]. Telefax: (505) 2490936

6.2.2.- Criterios de diseño en función de los requerimientos hidráulicos ...................206.3.- Diseño de Biofiltros de flujo vertical....................................................................22

VII.- APLICACIÓN DE LA TECNOLOGIA DEL BIOFILTRO EN NICARAGUA:PLANTA PILOTO DEL BIOFILTRO MASAYA .......................................................24

7.1.- Descripción..........................................................................................................247.2.- Eficiencia de remoción de las unidades del Biofiltro ............................................247.3.- Opciones para mejorar la calidad bacteriológica del efluente del Biofiltro ............29

7.3.1.- Radiación UV ...............................................................................................297.3.2.- Cloración ......................................................................................................307.3.3.- Aumento del tiempo de retención hidráulico..................................................31

7.4.- Ensayos con la combinación vertical – horizontal de Biofiltros ............................31VIII.- COSTOS DE CONSTRUCCION, OPERACION Y MANTENIMIENTO ......32IX.- ESPECIFICACIONES TECNICAS PARA LA CONSTRUCCION DEBIOFILTROS ................................................................................................................34

9.1.- Movimiento de tierra y conformación de las pilas ................................................349.2.- Canales de alimentación de las pilas (Canal de distribución de caudal).................349.3.- Material de relleno ...............................................................................................359.4.- Instalación de las tuberías de drenaje de las pilas..................................................359.5- Caja de recolección del efluente............................................................................369.6.- Selección y siembra de las plantas de pantano ......................................................36

9.6.1.- Phragmites australis (carrizo) ........................................................................379.6.2.- Procedimiento de siembra de las plantas........................................................37

9.6.2.1.- Platanillo y tule: ....................................................................................379.6.2.2.- Carrizo y zacate taiwán..........................................................................37

X.- OPERACION Y MANTENIMIENTO ...................................................................3810.1.- Trabajos a realizar en cada una de las etapas del sistema de tratamiento .............38

10.1.1.- Pretratamiento .............................................................................................3810.1.1.1.- Canal de entrada con rejilla ................................................................3810.1.1.2. Desarenador..........................................................................................38

10.1.2.- Tanque Imhoff ............................................................................................3810.1.3.- Biofiltro ......................................................................................................3910.1.4.- Aspecto General..........................................................................................39

10.2.- Análisis a realizar para controlar la eficiencia del Biofiltro.................................39




Proyecto ASTEC, UNI - RUPAP, Villa Progreso, Managua. e-mail: [email protected]. Telefax: (505) 2490936 1

I.- INTRODUCCION

La Universidad Nacional de Ingeniería (UNI), cuenta desde 1988 con la cooperacióntécnica del gobierno de Austria mediante el Proyecto Biomasa anteriormente y en laactualidad con el Proyecto ASTEC, bajo la coordinación y asesoría técnica de la empresaSucher & Holzer. El objetivo principal de la cooperación técnica austriaca ha sidoinvestigar y desarrollar aplicaciones tecnológicas en las áreas de tratamiento de losdesechos líquidos y sólidos, cultivos energéticos, biogás y producción de compost, ademásde realizar análisis de laboratorio.

En vista de la preocupación existente en el país por el tratamiento de aguas residuales,tanto industriales como domésticas, la cooperación técnica austriaca ha efectuadoinvestigaciones sobre el uso de humedales artificiales con este propósito, construyendoincluso una planta piloto para el tratamiento de aguas residuales domésticas en la VillaBosco Monge de la ciudad de Masaya, con el objetivo de proporcionar una alternativa detratamiento técnicamente eficiente y de bajo costo. El tipo de humedal construido esconocido en inglés como “Subsurface Flow Constructed Wetland-System” (SSFW), lo quese podría traducir como sistema de humedal artificial de flujo subterráneo, por lo que, parasimplificar, se decidió darle el nombre o término general de Biofiltro.

La planta piloto del Biofiltro Masaya fue construida en el primer semestre del año 1996por la Cooperación Austríaca y el INAA (Instituto Nicaragüense de Acueductos yAlcantarillado) como contraparte del proyecto. Desde su arranque en Junio del mismo año,se ha efectuado un monitoreo continuo para determinar la eficiencia de remoción dediferentes parámetros contaminantes y el comportamiento del sistema a lo largo deltiempo, además de desarrollarse numerosas investigaciones que han permitido establecerlos principales criterios de diseño bajo las condiciones locales, incluyendo el uso demateriales para relleno del lecho filtrante y plantas macrófitas que se encuentran en el país.También se han establecido las actividades de operación y mantenimiento del sistema, seha realizado una estimación de costos de construcción, operación y mantenimiento,incorporándose también el componente del reuso mediante la realización de un estudio deirrigación de productos agrícolas con el efluente del Biofiltro.

La construcción de otros sistemas de tratamiento sobre la base de las investigacionesrealizadas en la planta piloto se ha extendido no solo a otras regiones del país, sino a otrospaíses centroamericanos, tales como Honduras y El Salvador. Los resultados obtenidos enestas otras plantas son similares a los de la Planta Piloto de Masaya, cuyo efluente cumplecon todos los parámetros (excepto coniformes fecales) establecidos en las normasnacionales de vertido de efluentes provenientes de sistemas de tratamiento de aguasresiduales domésticas.

El presente documento se realizó con el objetivo de poner a la disposición de losinvestigadores, diseñadores y profesionales nacionales que trabajan en este campo, uncompendio de los conocimientos acumulados durante todos estos años de investigaciónsobre la tecnología del Biofiltro.





II.- HUMEDALES ARTIFICIALES

Los humedales son áreas que se caracterizan por tener un suelo saturado de agua y unacomunidad viviente (plantas y animales) adaptados a la vida en agua o en un suelosaturado. El término humedal (wetland, en inglés) se usa para definir áreas que tienen trescomponentes típicos:- Presencia de agua, el área permanece inundada permanente o periódicamente con una

profundidad de agua menor de 2 m.- Suelos característicos, los cuales son clasificados como hídricos.- Vegetación, prevalecen las plantas macrófitas que están adaptadas a las condiciones

hidrológicas y de suelo descritas anteriormente.

Los humedales naturales han sido utilizados desde hace siglos para el tratamiento de aguasresiduales, más que todo por que constituían un cuerpo receptor más adecuado quecualquier otro cuerpo de agua. Por esta razón, descargas no controladas de aguas residualescondujeron a la degradación irreversible de muchas áreas de este tipo. Sin embargo, hahabido un enorme aumento de conocimientos durante las últimas décadas y un cambio deactitud hacia los mismos, reconociéndose que proveen muchos beneficios entre los que seincluyen el control y suministro de agua (recarga de acuíferos y tratamiento de aguasresiduales), uso de plantas (producción de papel), preservación de la vida animal, uso desistemas integrados para la producción agrícola y acuícola, e incluso se utilizan paraactividades recreativas.

En base a los mecanismos de remoción observados en los humedales naturales sedesarrollaron, principalmente en Europa y Estados Unidos, los humedales artificiales parael tratamiento de aguas residuales, los cuales se pueden clasificar en:

2.1.- Clasificación de humedales artificiales

2.1.1.- Humedales artificiales con superficie de agua libre

• Sistemas con macrófitas flotantes

Consiste de grandes lagunas con bajos niveles de agua provistas de plantas macrófitas queflotan libremente en la superficie y sus raíces sumergidas tienen un buen desarrollo. Elconcepto de tratamiento se basa principalmente en la recolección de la biomasa producida,siendo las plantas más utilizadas Eichhornia crassipes (jacinto de agua) y Pistia stratiotes(lechuga de agua).

Afluente Plantasflotante

Efluente

Cuerpo receptor

0.6 m





• Sistemas con macrófitas sumergidas

Consiste en lagunas con bajo nivel de agua plantadas con plantas macrófitas que tienen sutejido fotosintético totalmente sumergido. Las plantas sumergidas solo crecen bien enaguas que contienen oxígeno disuelto, por lo tanto no se usan en aguas residuales con altocontenido de materia orgánica biodegradable porque la descomposición microbiana de éstaprovoca condiciones anóxicas. Además, depende de la penetración de la luz a través delagua para que se produzca actividad fotosintéctica, por lo que se utilizan principalmentepara tratamiento terciario (remoción de nutrientes). Entre las plantas que se utilizan enestos sistemas están Egeria densa, Elodea canadensis y Elodea nuttalli.

• Sistemas con macrófitas emergentes

El diseño de este sistema con superficie libre de agua consiste en trincheras de 3 - 5 m deancho y cientos de metros de longitud, plantadas, por ejemplo, con Scirpus lacustris oPhragmites australis. El tratamiento biológico de las aguas residuales es favorecido por lapresencia de porciones sumergidas de tallos y paja, los cuales sirven como substrato para elcrecimiento microbiano.

Afluente Macrófitassumergidas

Efluente

Cuerpo receptor

0.6 m

AfluenteMacrófitas

Efluente

Cuerpo receptor

Raíces en suelonatural





2.1.2.- Humedales artificiales de flujo subterráneo

Este tipo de sistemas con macrófitas emergentes es el que consiste en un filtro biológicorelleno de un medio poroso (p.e. piedra volcánica, grava), en el cual las plantas macrófitasse siembran en la superficie del lecho filtrante y las aguas residuales pretratadas atraviesande forma horizontal o vertical el lecho filtrante. Las bacterias, las cuales son responsablesde la degradación de la materia orgánica, utilizan la superficie del lecho filtrante para laformación de una película bacteriana y de esta manera existe en el filtro una poblaciónbastante estable que no puede ser arrastrada hacia la salida.

Los humedales de este tipo son conocidos como SSFW por sus siglas en inglés y enNicaragua se les dio el nombre de Biofiltros. Una vez instalado y operado adecuadamente,un Biofiltro tiene una vida útil prolongada, ya que es un ciclo de vida renovable, dondeexiste un equilibrio entre el crecimiento y muerte de las plantas y la reproducción de lamasa bacteriana.

III.- BIOFILTROS: TIPOS Y COMPONENTES PRINCIPALES

Los Biofiltros se clasifican en Biofiltros de flujo horizontal y Biofiltros de flujo vertical, endependencia de la forma en que las aguas residuales pretratadas atraviesen el lechofiltrante.

3.1.- Descripción del Biofiltro de flujo horizontal

Un Biofiltro de flujo horizontal (BFH) consiste de pilas rectangulares con profundidadesque oscilan entre 60 y 100 cm, rellenadas con grava o piedra volcánica y sembradas conplantas macrófitas.

El esquema siguiente muestra los principales componentes de un Biofiltro de flujohorizontal:

Cuerpo de piedra gruesa de φ 2” - 4” para drenaje del efluente

Al cuerpo receptor o riegoagrícola

Nivel delagua

Capa impermeable de arcillacompactada

Tubería dedrenaje

Caja de recolección

Macrófitass

Canal de distribución delafluente al Biofiltro

Lecho filtrante de piedríno escoria volcánica

Cuerpo de piedragruesa (2” - 4”)

90 cm

Nivel del lechofiltrante





En este tipo de Biofiltro, las aguas residuales fluyen lentamente desde la zona dedistribución en la entrada de la pila, en una trayectoria horizontal a través del lechofiltrante, hasta que llegan a la zona de recolección del efluente. Durante este recorrido quedura normalmente varios días, el agua residual está en contacto con zonas aeróbicas yanaeróbicas, de las cuales las zonas aeróbicas están ubicadas alrededor de las raíces de lasmacrófitas, mientras que las zonas anaeróbicas están ubicadas en las áreas lejanas a lasraíces.

Durante el paso del agua residual a través de las diferentes zonas del lecho filtrante, el aguaresidual es depurada por la degradación microbiológica proporcionada por la biocapa quese forma en la superficie del material del lecho filtrante y por procesos físicoquímicos.

Para mantener la eficiencia del sistema durante muchos años y evitar la obstrucción de losporos del lecho filtrante se necesita normalmente un pretratamiento eficiente, que incluyela separación de material grueso, nata flotante y sólidos sedimentables y suspendidos.

3.1.1.- Características principales del Biofiltro de flujo horizontal

• La cantidad de oxígeno transportado por medio de las hojas y tallos hacia las raíces delas macrófitas, es un factor limitante para la descomposición aeróbica en la rizósfera,dándose la nitrificación sólo a niveles bajos.

• Las raíces de las macrófitas crecen vertical y horizontalmente, abriendo así una vía oruta hidráulica a través de la cual fluye el agua.

• Alto tiempo de retención, normalmente en el rango de 3-7 días.

• Poca posibilidad de cortocircuitos en el régimen hidráulico, por la homogeneidad dellecho filtrante.

3.2.- Descripción del Biofiltro de flujo vertical

Un Biofiltro de flujo vertical (BFV) consiste en pilas de aproximadamente 1 m deprofundidad, rellenadas con grava o piedra volcánica dispuestas en capas de diferenteespesor y granulometría. Las aguas pretratadas se distribuyen uniformemente, de formaintermitente, sobre toda la superficie del lecho filtrante y luego percolan hacia la zona derecolección. El intervalo de alimentación debe ser lo suficientemente grande para permitirque toda el agua haya percolado y los espacios vacíos del lecho hayan sido ocupados poraire, de forma que con la próxima descarga el aire atrapado junto con una rápidadosificación conduzcan a una buena transferencia de oxígeno.

Las plantas macrófitas sembradas en la superficie también suministran oxígeno, pero suprincipal función es mantener la conductividad hidráulica en el lecho. Este tipo de Biofiltrose utiliza fundamentalmente para lograr una buena nitrificación.

El siguiente esquema muestra la conformación y los componentes principales de unBiofiltro de flujo vertical:





Usualmente, los sistemas de flujo vertical son aplicados como tratamiento biológico de unaetapa secundaria o terciaria. El sistema de flujo vertical puede también ser aplicado comouna etapa de tratamiento terciario con el fin de remover nutrientes (mayormente nitrógeno)existentes en el efluente de una planta de tratamiento biológico convencional, como porejemplo un sistema de lodo activados.

El sistema de recolección del efluente en un Biofiltro de flujo vertical consistegeneralmente de una red de tubos perforados de drenaje. Dependiendo del espesor delcuerpo saturado de agua en el sistema, el proceso de denitrificación dentro del lechofiltrante se realiza a diferentes niveles.

Este sistema efectúa una excelente remoción de nitrógeno en base a los procesos denitrificación y desnitrificación. La eficiente nitrificación, la cual se demanda hoy en día porla legislación del agua en la mayoría de los países industrializados del mundo, se efectúaen este tipo de sistema con suficiente permeabilidad hidráulica, un material filtranteapropiado y una carga intermitente.

3.2.1.- Características principales del Biofiltro de flujo vertical

• El agua residual a tratar es dosificada y distribuida intermitentemente en toda lasuperficie del lecho filtrante.

• Idealmente, el líquido debe inundar temporalmente la superficie y luego percolargradualmente a través del lecho de forma descendente.

• La frecuencia de la alimentación está en dependencia del tiempo que necesita unadosificación de agua para percolarse a través del lecho hacia el sistema de drenaje,dejando la mayoría de los poros rellenados con aire.

• Bajo tiempo de retención.• Se necesita solamente entre 30 y 50 % del área requerida para la construcción de

sistemas con flujo horizontal.• La biodegradación en el sistema no está limitada por el oxígeno, por lo cual es capaz de

nitrificar a altos niveles.

Tubo respiradero

Red de canales o tuberíapara distribución delafluente

Macrófitas

Granulometría EspesorØ 10 – 30 mm ~ 10 cm

Ø 0.2 – 5.0 mm ~ 55cm

Ø 10 – 30 mm ~ 15 cmØ 30 – 60 mm ~ 20 cm

Capa impermeable dearcilla compactada ogeomembrana

Tubería de drenaje pararecolección del efluente

Lecho filtrantede grava oarena

Al cuerporeceptor o riegoagrícola

Caja de recolección conmanguera flexible





• Dependiendo del cuerpo que se deja saturado de agua, se puede influir el mecanismode desnitrificación dentro del lecho filtrante.

• No presenta una eficiencia tan alta como el Biofiltro de flujo horizontal en cuanto aremoción de sólidos suspendidos y gérmenes patógenos.

• Se necesita un tanque de almacenamiento para las aguas pretratadas y un mecanismoespecial para lograr una dosificación intermitente y uniforme en toda el área del lechofiltrante, o la aplicación de un sistema rotativo para la alimentación de varias unidades.

3.3.- Componentes principales

3.3.1.- Lecho filtrante

Las funciones principales del lechofiltrante son: proveer el mecanismo defiltración para la retención de sólidossuspendidos y proporcionar el área desoporte para la formación de la capa demicroorganismos que de-gradan aeróbicay anaeróbicamente la materiacontaminante, además de constituir elmedio utilizado por las raíces de lasplantas macrófitas para su fijación ydesarrollo.

El siguiente gráfico presenta los procesosque se llevan a cabo dentro del lechofiltrante durante el paso de las aguasresiduales pretratadas en un Biofiltro deflujo horizontal:

3.3.1.1.- Criterios para la selección del material del lecho filtrante

La característica fundamental requerida para el material del lecho filtrante es su resistenciaal desgaste provocado por las aguas residuales, la cual debe garantizar que el lecho no sedeteriore con el transcurso del tiempo. La porosidad juega un papel importante, puesto quede ella depende la superficie disponible para la formación de la capa bacterianaresponsable en gran medida de la depuración de las aguas residuales y también tiene unefecto directo sobre el tamaño del Biofiltro, pues el uso de un material más poroso reduceel área a utilizar.

La granulometría del material tiene una influencia directa sobre la eficiencia deltratamiento y la capacidad hidráulica del Biofiltro. A mayor diámetro de partícula, lacapacidad hidráulica del Biofiltro aumenta, pero disminuye la eficiencia de remoción decontaminantes debido a que hay una menor disponibilidad de área para el crecimientobacteriano, además de que se ven afectados los demás mecanismos de remoción, talescomo filtración, sedimentación, intercambio iónico y adsorción, entre otros. Por tal razón,la elección del diámetro de partícula debe realizarse con el objetivo de lograr un equilibrioentre la capacidad hidráulica y la eficiencia de remoción del Biofiltro.





• Porosidad de materiales para el lecho filtrante

En Nicaragua existen materiales resistentes que poseen alta porosidad, tales como elhormigón rojo, hormigón negro y la piedra volcánica negra. Los primeros dos, que seencuentran naturalmente en bancos de arena volcánica del país, tienen una porosidad entre40 y 60%, mientras que la piedra negra, de mayor granulometría, tiene una porosidadsuperior al 70%. Los dos tipos de hormigón se han utilizado en lechos filtrantes dediferentes unidades, obteniéndose mejores resultados con el hormigón rojo. La piedranegra ha mostrado su mayor utilidad en la sección de distribución del flujo a la entrada delBiofiltro, así como en la zona de recolección.

Un material de menor porosidad (entre 45 y 50%), pero que también ha demostrado serútil, es la piedra triturada de ½” de diámetro, con la salvedad de que se debe utilizar en lacapa superior un material de granulometría más fina (como el hormigón rojo) que permitala siembra de las plantas en la superficie del Biofiltro.

• Granulometría

El siguiente gráfico muestra la granulometría recomendada en la literatura y la dediferentes materiales utilizados en Nicaragua para la construcción de Biofiltros.

Figura 1: Curvas granulométricas (Bahlo & Wach, 1995; Proyecto ASTEC, 2000)

Granulometría máxima recomendada para Biofiltros de flujo vertical, (BFV)Curva granulométrica típica de material usado para lecho filtrante de BFHGranulometría máxima recomendada para Biofiltros de flujo horizontal, (BFH)Curva granulométrica del hormigón rojoCurva granulométrica de la piedra trituradaCurva granulométrica del hormigón negro

Las 3 primeras curvas muestran la granulometría recomendada para la construcción desistemas europeos de Biofiltros de flujo vertical y horizontal (Bahlo & Wach, 1995),mientras que las 3 últimas curvas presentan la granulometría típica de los diferentesmateriales utilizados para la construcción de Biofitros en Centroamérica (Proyecto

MediaLIMOS Y ARCILLAS

100

Fina GruesaPolvo depiedra Media

ARENAMedia

GRAVA ROCAFina FinaGruesa Gruesa

0.001 0.002 0.006 0.02 0.06 0.2 0.6 2.0 6.0 20 60

102030405060708090

100

ø de los granos (mm)

%in

feri

ora

ø

515





ASTEC, 2000). Los mejores resultados en Nicaragua se han obtenido usando hormigónrojo, lo cual puede ser atribuido a su menor diámetro de partícula.

En las zonas de distribución y recolección del Biofiltro se usa piedra volcánica negra cuyodiámetro es de 2” a 4”, porque este tipo de material facilita la distribución y evita que losorificios de los tubos de recolección se obstruyan con material de granulometría fina. Serecomienda el uso de este material al menos en los primeros 5 m del Biofiltro para alargarel período al cual se deben cambiar los dos primeros metros del lecho filtrante, que en elcaso del hormigón rojo se ha establecido en una vez cada dos años, debido a la obstrucciónque se da por la formación de una densa capa bacteriana.

3.3.2.- Plantas Macrófitas

Los procesos de remoción más importantes que ocurren dentro de un Biofiltro se basan enprocesos físicos y microbiológicos, pero las macrófitas poseen varias funcionesrelacionadas con los procesos de tratamiento que las convierten en un componente esencialen el diseño. El efecto más importante de las macrófitas en relación a los procesos detratamiento de las aguas residuales son los efectos físicos que el tejido de las plantas ayudaa incrementar, tales como el efecto de filtración y el área superficial que proveen para elcrecimiento microbiano. El metabolismo de las macrófitas (consumo de nutrientes,liberación de oxígeno, etc.) afecta los procesos de tratamiento en diferentes magnitudes endependencia del diseño. Las macrófitas tienen otras funciones dentro del sitio específico,tales como proveer un habitat conveniente para la vida silvestre y proporcionar al sistemauna apariencia estética.

3.3.2.1.- Efectos físicos

La presencia de vegetación distribuye y reduce las velocidades del agua creando mejorescondiciones para la sedimentación de sólidos suspendidos, reduce el riesgo de resuspensióny en sistemas de flujo vertical, la presencia de las macrófitas, junto a un régimen de cargaintermitente, ayuda a prevenir la obstrucción del medio.

3.3.2.2.- Area superficial para el crecimiento microbiano

El crecimiento de las raíces dentro del lecho filtrante ayuda a descomponer la materiaorgánica, pues provee un área superficial que es colonizada por densas comunidades demicroorganismos formando una biocapa, la cual es la principal responsable de la reducciónde la carga contaminante que contienen las aguas residuales.

3.3.2.3.- Consumo de nutrientes

Las macrófitas consumen nutrientes principalmente a través del sistema de raíces; lacapacidad de consumo de macrófitas emergentes que puede ser removida si la biomasa esrecolectada está en el rango de 30 a 150 kg de P/ha. año. y 200 a 2500 kg de N/ha.año.

3.3.2.4.- Introducción de oxígeno al lecho filtrante

El hecho de que las raíces de las plantas macrófitas liberan oxígeno desde las raíces en larizósfera se haya bien documentado. Cualitativamente esto se visualiza por el color rojizoasociado con las formas oxidadas de hierro en la superficie de las raíces, pero en cuanto a





la magnitud del oxígeno liberado bajo la condiciones in situ existe controversia. Lawson(1985), calculó un posible flujo de oxígeno desde las raíces de Phragmites hasta 4.3g/m2.día. Otros, usando diferentes técnicas, han estimado que las tasas de liberación deoxígeno de Phragmites son 0.02 g/m2.día (Brix 1990, Brix & Schierup 1990); 1 – 2g/m2.día (Gries et al. 1990) y 5 – 12 g/m2.día (Armstrong et al. 1990). El amplio rango deestos valores se debe a variaciones estacionales en las tasas de liberación de oxígeno y a lasdiferentes técnicas experimentales usadas en los estudios.

El sistema de raíces también libera otras sustancias además del oxígeno; estudios anterioresefectuados en Alemania (Seidel 1964, 1966) mostraron que la planta Schoenoplectus liberóantibióticos de sus raíces. Sin embargo el papel de este atributo en Biofiltros no ha sidoverificado experimentalmente. Las plantas también liberan un amplio rango de compuestosorgánicos por las raíces (Rovira 1965, 1969, Barber & Martin 1976). La magnitud de estaliberación no está clara aún, pero generalmente se reportan valores en el rango de 5 – 25%del carbono fijado fotosintéticamente. Este carbono orgánico liberado por las raíces puedeactuar como una fuente de carbono para nitrificadores y por tanto aumenta la remoción denitratos en el Biofiltro.

3.3.3.- Microorganismos

El catabolismo del contenido de sustancias orgánicas, el metabolismo tanto aeróbico comoanaeróbico y la oxidación de compuestos nitrogenados en un Biofiltro son efectuadosprincipalmente por las bacterias (Hofmann 1992). Microorganismos altamente organizadostales como protozoarios (Ciliated protozoo) y organismos metazoarios (Rotatoria) juegansolamente un papel subordinado dentro de la comunidad establecida en el Biofiltro. Asícomo las especies abundantes en particular son las proporcionan estabilidad y capacidadbuffer a los reactores biológicos con vegetación así como a ecosistemas naturales, se haasumido que solamente la comunidad bacteriana no es capaz de balancear los cambiossignificativos de carga.

Las moléculas orgánicas complejas son divididas en pequeñas partes y productosparcialmente gaseosos (nitrógeno, dióxido de carbono), por bacterias. Con esto, laputrescibilidad en el Biofiltro se reduce significativamente. Los sólidos suspendidosorgánicos asociados con las aguas residuales entrantes se acumularán, pero serán retenidasdentro del lecho filtrante por un largo tiempo y los constituyentes orgánicos seránmineralizados por las bacterias. La acumulación de sólidos mineralizados provocará ladisminución del volumen de poros en el lecho filtrante y eventualmente será necesarioremover una parte del material después de algunos años de operación.

En la parte superior del lecho del Biofiltro prevalecen las condiciones aeróbicas mientrasque en las capas inferiores existen condiciones anóxicas o anaeróbicas. Una degradaciónaeróbica completa da como resultado productos tales como dióxido de carbono y agua. Ladegradación anaeróbica ocurre a una tasa baja y provoca la formación de metabolitosorgánicos (p.e ácidos orgánicos o alcoholes) o productos finales reducidos tales comometano o sulfuro de hidrógeno.

Las reacciones de metabolismo primario son influenciadas por el tiempo de retencióndentro del Biofiltro, el grado de carga, la distribución de las aguas residuales y lascondiciones físicas y químicas del lecho. Tiempo de retención suficiente, carga continua y





una alimentación balanceada son prerrequisitos indispensables para una eficiencia detratamiento satisfactoria.

IV.- MECANISMOS DE REMOCION EN UN BIOFILTRO

Las macrófitas juegan un papel vital en el tratamiento. Además de muchos beneficiosoperacionales, proveen superficies y un ambiente razonable para la filtración y elcrecimiento microbiano. La transferencia de oxígeno por algunas plantas acuáticas a larizósfera es también un requisito para que los procesos de remoción de contaminantespredominantemente microbianos funcionen efectivamente.

Los sistemas deberían ser diseñados para maximizar los mecanismos particulares deremoción requeridos para el tratamiento de un agua residual particular. Para el diseño y laoperación de un sistema de tratamiento es necesaria una buena comprensión de loscomplejos mecanismos involucrados.

Los mecanismos de remoción más importantes se presentan en la siguiente tabla:

Constituyente del agua residual Mecanismo de remociónSólidos suspendidos Sedimentación

FiltraciónMateria orgánica soluble Degradación microbiana aeróbica

Degradación microbiana anaeróbicaNitrógeno Amonificación seguida por nitrificación microbiana y

desnitrificaciónConsumo de las plantasAdsorción en el lecho filtranteVolatilización de amonio

Fósforo Fijación en el lecho filtranteConsumo de plantas

Metales Adsorción e intercambio de cationesFormación de complejosPrecipitaciónConsumo de las plantasOxidación/reducción microbiana

Patógenos SedimentaciónFiltraciónMuerte naturalDepredaciónExcreción de antibióticos desde las raíces demacrófitas

4.1.- Materia orgánica

Los compuestos orgánicos son, en su mayor parte, degradados aeróbicamente por bacteriasligadas a las plantas y a la superficie del lecho filtrante. La degradación anaeróbica puedeser también muy importante para algunos residuos y predominan en sistemassobrecargados orgánicamente. El oxígeno requerido para la degradación aeróbica essuplido directamente de la atmósfera por difusión o por medio de las raíces de lasmacrófitas. El consumo de materia orgánica por parte de macrófitas es despreciable





comparado con la degradación biológica. Para reproducirse y funcionar propiamente, unorganismo debe tener una fuente de energía, carbono para la síntesis de nuevo materialcelular y elementos inorgánicos (nutrientes) tales como nitrógeno, fósforo, sulfuro, potasio,calcio y magnesio. Pueden requerirse también algunos nutrientes orgánicos.

Las dos principales fuentes de carbono son químicos orgánicos y dióxido de carbono.Organismos que usan carbono orgánico para la formación de tejido celular son llamadosheterótrofos. Organismos que producen células de carbono del dióxido de carbono sonllamados autótrofos. Ambos grupos usan luz o una reacción química de oxidaciónreducción como una fuente de energía para la síntesis de las células. Si el mayor objetivodel tratamiento es la reducción del contenido orgánico, los organismos heterotróficos sonde importancia primaria debido a su requerimiento de material orgánico como una fuentede carbono y a su más alta proporción metabólica.

Clasificación general de microorganismos por fuentes de energía y carbonoClasificación Fuente de energía Fuente de carbonoAutótrofos:- Foto autótrofos- Quimio autótrofos

Heterótrofos:- Quimio heterótrofos

- Foto heterótrofos

LuzReacción inorgánica de oxidaciónreducción

Reacción orgánica de oxidaciónreducciónLuz

CO2CO2

Carbono orgánico

Carbono Orgánico

4.1.1.- Degradación aeróbica

La degradación aeróbica de químicos solubles orgánicos es gobernada por dos grupos demicroorganismos: los quimio heterótrofos, que oxidan la materia orgánica y liberanamonio; y los quimio autótrofos, los cuales oxidan el nitrógeno amoniacal a nitrato ynitrito (nitrificación).

Materia orgánica + bacterias +O2 Nuevas células + CO2, NH3, H2O

Ambos grupos consumen materia orgánica pero la proporción metabólica más rápida de losheterótrofos significa que ellos son los principales responsables de la reducción de la DBOen el sistema. Si el oxígeno no está limitado, la degradación aeróbica dependerá de lacantidad de materia orgánica activa disponible para los organismos.

4.1.2.- Degradación anaeróbica

Es un proceso de dos etapas que se da en ausencia de oxígeno disuelto por bacteriasheterotróficas. En el primer paso, las bacterias formadoras de ácido convierten la materiaorgánica en nuevas células, ácidos y alcoholes. Un segundo grupo de bacterias, lasbacterias formadoras de metano, continúan la oxidación utilizando de nuevo parte de lamateria orgánica para sintetizar nuevas células pero convirtiendo el remanente a metano ydióxido de carbono.





Materia orgánica + bacterias alcoholes, ácidos y nuevas células + bacteriasCH4, H2S, NH3, CO2, H2O, nuevas células

Las bacterias formadoras de ácido son adaptables pero las formadoras de metano son mássensibles y solamente operarán en el rango de pH de 6.5 a 7.5. Una sobre-producción deácido por las bacterias formadoras de ácido puede resultar en un bajo pH, deteniendo laacción de las formadoras de metano y produciendo malos olores.

4.2.- Sólidos Suspendidos

Los sólidos suspendidos y sedimentables que no son removidos en los sistemas de pre-tratamiento, son removidos efectivamente en el Biofiltro por sedimentación y filtración.Ambos procesos son mejorados por la coagulación de partículas en un agua residual.

La sedimentación es la separación, por deposición gravitacional, de partículas suspendidasque son más pesadas que el agua. La sedimentación ocurrirá en las áreas quietas delsistema. Las macrófitas, emergentes o no, ayudan a estos procesos.

4.3.- Nitrógeno

El mayor mecanismo de remoción de nitrógeno es la nitrificación y desnitrificación. Elamonio es oxidado a nitrato por las bacterias nitrificantes en zonas aeróbicas. Los nitratosson convertidos a nitrógeno gas (N2) por bacterias desnitrificantes en zonas anóxicas. Eloxígeno requerido para la nitrificación es suplido por difusión de la atmósfera y por mediode las raíces de las macrófitas. El nitrógeno es también tomado por las plantas eincorporado en la biomasa. Otros mecanismos de remoción incluyen volatilización yadsorción. Sin embargo, estos mecanismos son generalmente de menor importancia que lanitrificación – desnitrificación.

4.3.1.- Amonificación (mineralización)

La materia orgánica que contiene nitrógeno es fácilmente mineralizada en ambas zonas(anóxica y aeróbica) a nitrógeno amoniacal. Este proceso es llamado amonificación.

Nitrógeno orgánico NH4-

4.3.2.- Nitrificación biológica

La nitrificación es un proceso quimio autótrofo. La energía para el crecimiento bacterial esderivado de la oxidación del amonio y dióxido de carbono, el cual es usado para síntesis denuevas células. Dos géneros microbianos son los responsables de la nitrificaciónmicrobiana, Nitrosomonas y Nitrobacter. En el primer paso, el nitrógeno amoniacal esconvertido a nitrito; en el segundo paso, el nitrito es convertido a nitrato.

NH4+ + CO2 + O2 células + NO2

-

(Nitrosomonas)

NO2-+ CO2 + O2 células + NO3

-

(Nitrobacter)





Se necesitan aproximadamente 4.3 mg de O2 por mg de nitrógeno amoniacal oxidado anitrógeno de nitrato. En los procesos de conversión se consume una gran cantidad dealcalinidad, aproximadamente 8.64 mg de HCO3

- por mg de nitrógeno amoniacal oxidado.

4.3.3.- Desnitrificación biológica

La remoción de nitrógeno en la forma de nitrato por conversión a gas nitrógeno se realizabiológicamente bajo condiciones anóxicas (donde no hay oxígeno disuelto presente pero eloxígeno está disponible de fuentes como el nitrato, nitrito o sulfato). Este proceso se llamadesnitrificación. Hay varios géneros de bacterias heterotróficas que reducen el nitrato,siendo un proceso de dos etapas. El primero paso es la conversión de nitrato a nitrito,seguido por la producción de óxido nítrico, óxido nitroso y gas nitrógeno.

NO3- NO2

- NO N2O N2

Los últimos tres productos son gaseosos y son liberados a la atmósfera, pero en la mayoríade los sistemas es el gas nitrógeno el que se libera en mayor cantidad.

4.3.4.- Volatilización de amonio

La conversión de amonio a gas amoníaco y la subsecuente volatilización ocurreúnicamente en sistemas donde el valor de pH en el agua residual se eleva por encima delpKa del amonio (9.3). La fotosíntesis de las algas en aguas residuales a menudoproporciona una elevación del pH y puede ser usada como una ventaja de los diseñadores.

NH4+ NH3

4.3.5.- Consumo de las plantas

Las macrófitas consumen nitrógeno en su estado mineralizado y lo incorporan a subiomasa. Este es un mecanismo de tratamiento que es significante únicamente a cargasbajas de nitrógeno.

4.3.6.- Adsorción en el lecho filtrante

El nitrógeno amoniacal en estado reducido es estable y puede ser adsorbido en los sitiosactivos del lecho filtrante. Sin embargo, el intercambio del ion NH4

+ en los sitios deintercambio de cationes del lecho no se considera una fijación a largo término para laremoción de NH4

+ –N. Más aún, se considera que la fijación de NH4+ –N es rápidamente

reversible. Ya que el NH4 –N se pierde del sistema vía nitrificación, se espera unaredistribución del intercambio en el equilibrio. Por lo tanto, el NH4

+ –N fijado en el lechoen un sistema de flujo continuo estará en equilibrio con el NH4

+–N en solución.

4.4.- Fósforo

El fósforo está presente típicamente en aguas residuales como ortofosfato, ortofosfatodeshidratado (polifosfato) y fósforo orgánico. La oxidación biológica conduce a laconversión de la mayoría del fósforo a las formas de ortofosfato.





La remoción de estas formas se da principalmente por reacciones de adsorción,precipitación y formación de complejos con Aluminio, hierro, calcio y arcillas mineralesen el lecho filtrante. Aunque hay algún consumo de fósforo por las plantas, esinsignificante comparado con los efectos de la fijación.

4.5.- Metales

Metales trazas tienen una gran afinidad por la adsorción y la formación de complejos conmateria orgánica y se acumulan en el lecho filtrante. Los metales existen en forma solubleo de partículas asociadas, con la anterior representando la forma más biodisponible,particularmente cuando el metal está presente como especie iónica o débilmenteacomplejado. La distribución entre las fases de partículas y disuelta está determinada porlos procesos físico – químicos tales como fijación, precipitación, formación de complejos,sedimentación, erosión y difusión.

4.6.- Patógenos

La ecología de micro-organismos es extremadamente compleja. Los organismosimportantes desde el punto de vista de salud pública son las bacterias patógenas y los virus.Protozoarios patógenos y gusanos de helmintos son de particular importancia en paísestropicales y subtropicales. Los patógenos son removidos durante el paso de agua residual através del sistema principalmente por sedimentación, filtración y adsorción por la biomasa.Una vez que estos organismos son atrapados dentro del sistema, su número caerápidamente por los procesos de mortalidad natural y depredación.

El sistema ofrece una combinación conveniente de factores físicos, químicos y biológicospara la remoción de organismos patógenos. Los factores físicos incluyen sedimentación yfiltración mecánica. Los factores químicos incluyen oxidación, exposición a biocidasexcretados por algunas plantas y absorción a materia orgánica. Los mecanismos biológicosincluyen antibiosis, depredación por nemátodos y protistas, ataque por bacterias y virus ymortalidad natural.

V.- APLICACIONES DE LA TECNOLOGIA

El número de áreas de aplicación para la tecnología de Biofiltro ha ido en aumento durantelos últimos años. Durante los años iniciales del desarrollo de la tecnología (antes de 1985),se hizo énfasis en el tratamiento de aguas residuales domésticas y municipales, pero en losúltimos años se ha incluido un amplio espectro de aguas residuales industriales.

5.1.- Aguas residuales domésticas y municipales

Los Biofiltros se utilizan, dentro de la cadena de etapas necesarias para mejorar la calidadde las aguas, como etapas de tratamiento secundario y terciario.

5.1.1.- Tratamiento secundario

Los Biofiltros proporcionan un tratamiento secundario eficiente a las aguas domésticas omunicipales después de que éstas han sido sometidas a pretratamiento y tratamientoprimario. El número de Biofiltros construidos y que se encontraban en operación en el año2000 en Europa superaba los 5,000, la mayoría de ellos diseñados para tratar aguas





residuales provenientes de fuentes de menos de 500 personas equivalentes. Una ventaja delos sistemas de Biofiltro es que se pueden utilizar como sistemas municipales y comosoluciones a instalaciones pequeñas como escuelas y viviendas individuales. Son sistemasefectivos, simples, económicamente factibles y estéticamente agradables.

La eficiencia de tratamiento obtenida en sistemas de Biofiltros de flujo horizontal es buenaen términos de remoción de sólidos suspendidos y DBO5 pero baja en términos deremoción de nutrientes. En sitios donde se requiere de remoción de nitrógeno y fósforodebido a requerimientos más exigentes en la calidad del efluente, se debe usar lacombinación de un Biofiltro de flujo vertical alimentado intermitentemente seguido por unBiofiltro de flujo horizontal, seleccionando el lecho filtrante en función de su capacidadhidráulica y de retención de fósforo. Esta combinación es más cara que una sola unidad deBiofiltro en términos de construcción, operación y mantenimiento, pero es más barata quelas alternativas de alta tecnología.

En Nicaragua existe experiencia con el uso de la combinación de Biofiltros (BFV-BFH)para la remoción de nutrientes en aguas residuales domésticas desde el año 2001, mediantela construcción y operación de una pequeña planta piloto, consiguiéndose una eficiencia deremoción de nitrógeno alrededor del 85% y un incremento adicional, en comparación conBiofiltros de flujo horizontal, en la eficiencia de remoción de fósforo.

5.1.2.- Tratamiento terciario o superior

Existe una gran cantidad de datos disponibles de Biofiltros funcionando como tratamientoterciario mediante la base de datos establecida por las experiencias de las compañíaseuropeas Severn Trent Water y UK Water. Green & Upton (1995) describió la calidad delefluente en DBO5, sólidos suspendidos, amonio y nitrógeno orgánico de 29 sitios enoperación durante el año 1993. Sobre la base de estos datos, se establece que el diseño deun Biofiltro como tratamiento terciario usando 1 m2 por persona equivalente proporcionaráun efluente menor que 5 mg/l de DBO5 y 10 mg/l de sólidos suspendidos, y en muchoscasos proporciona también una nitrificación sustancial.

5.2.- Aguas residuales agroindustriales

Las aguas residuales provenientes de plantas agroindustriales que generan efluentes conaltas cargas orgánicas (valores de DQO y DBO5 mayores que 2,500 y 1,000 mg/lrespectivamente) pueden ser tratadas usando Biofiltros como tratamiento secundario, deacuerdo la experiencia obtenida en investigaciones efectuadas por el Proyecto ASTEC enNicaragua con efluentes de este tipo. Aguas residuales provenientes de industrias dealimentos tales como lecherías, queseras y plantas de matanza de animales, entre otras,pueden tratarse combinando una etapa anaeróbica como tratamiento primario, la cualpermite bajar altas cargas y generar biogás como subproducto del tratamiento, con unBiofiltro de flujo horizontal. El diseño del Biofiltro para estos casos debe contemplar quecargas orgánicas superficiales mayores que 150 kg de DBO5/ha.día deben manejarsecuidadosamente, pues éste constituye el valor superior recomendado en países europeos; enNicaragua aún no existen datos sobre el comportamiento de Biofiltros a largo plazo coneste tipo de carga.

El uso de digestores anaeróbicos como etapa primaria del tratamiento de este tipo de aguasresiduales ha proporcionado resultados satisfactorios en cuanto a la remoción de la carga





orgánica (entre 70 y 90%), con producciones de biogás alrededor de 0.25 m3 por kg deDQO degradado. El contenido de metano en el biogás es superior al 70% y se puedeutilizar como una fuente de energía, siendo la forma más común de aprovechamiento suutilización en cocinas, en calentamiento de agua y como combustible para calderas.

VI.-DISEÑO DE BIOFILTROS

La utilización de Biofiltros para el tratamiento de aguas residuales requiere del uso deetapas previas de tratamiento que garanticen principalmente una efectiva remoción de lossólidos suspendidos, con el fin de evitar la obstrucción del lecho filtrante. En la práctica, seha comprobado que el Biofiltro funciona bien con aguas pretratadas por medio de unarejilla, desarenador y unidades de sedimentación (p.e., tanques Imhoff, tanques sépticos).

El dimensionamiento de un Biofiltro se realiza en base a dos aspectos principales: laremoción de los contaminantes y el régimen hidráulico del sistema.

• La remoción de contaminantes, que es el principal objetivo, depende fuertemente de lascondiciones ambientales, fundamentalmente de la temperatura, así como de otrosaspectos como la porosidad del material usado para la conformación del lecho filtrante,el tipo de plantas sembradas y el tiempo de retención.

• El régimen de flujo, también depende de factores como la pendiente hidráulica y laporosidad, permeabilidad y uniformidad granulométrica del material usado para ellecho filtrante.

6.1.-Información requerida para el diseño del sistema de tratamiento

N° Descripción Requerimiento1 Topografía del terreno

seleccionado• Planos de curva de nivel @ 0.50 metros.

Planos del área total (planimetría)2 Información del sistema de

alcantarillado sanitario, si existeo no

• Si existe: Datos del último pozo de visita: Nivelde la tapa, nivel de entrada y nivel de salida.

• Si no existe: Planos de planta perfil de las calles.

3 Datos climatológicos de laregión

• Temperatura, promedio y máxima• Precipitación, promedio y máxima• Evaporación, radiación solar de la estación

meteorológica más cercana al sitio en estudio4 Estudio de suelo con los

siguientes datos geotécnicos• Clasificación del suelo• Estratigrafía, hasta 5 metros de profundidad

como mínimo• Granulometría de los diferentes estratos• Indice de soporte, límite líquido, límite plástico• Tasa de infiltración del suelo• Nivel freático

5 Plano urbanístico actual delsitio en estudio y su desarrolloen un futuro





6 Número de viviendas que seránbeneficiadas por el sistema detratamientos de aguas residualesdomésticas

• Promedio de las personas beneficiadas• Máximo de las personas beneficiadas. Censo

poblacional.

7 Cantidad de personasestimadas:

8 Tipo y origen de las aguasresiduales

• Domésticas, Industriales

9 Distancia de los bancos demateriales adecuados para laconstrucción

• Material del lecho filtrante (hormigón rojo ,arenagruesa o piedra triturada) aproximadamente de 5mm a 25 mm de diámetro,.

• Piedra bolón (piedra volcánica) de 2 pulgada a 4pulgada de diámetro.

10 Tipos de plantas de pantanos(macrófitas) existentes en lazona

• Carrizo, Tule, platanillo, etc

Tomando en consideración lo presentado anteriormente, el sistema de tratamiento paraagua residuales domésticas usando la tecnología de Biofiltros consistirá de lo siguiente:

• Rejilla• Desarenador• Tanque de sedimentación• Biofiltro (flujo horizontal o vertical o la combinación de ambos)

6.2.- Diseño de Biofiltros de flujo horizontal

6.2.1.- Criterios de diseño en función de la remoción de contaminantes

El diseño de un Biofiltro se realiza ajustando su comportamiento a un modelo ideal deflujo pistón combinado con un balance de masa de agua, lo cual da como resultado lasiguiente ecuación general (Brix et al. 1998):

)(expha

e

Ck

CC

−=

Donde Ce: concentración de contaminantes en el efluenteCa: concentración de contaminantes en el afluentek: constante de degradación, (m/año)Ch: carga hidráulica aplicada por unidad de área del Biofiltro, (m/año)

Investigaciones realizadas con Biofiltros en Nicaragua han permitido la estimación de losvalores de la constante de degradación k para la reducción de diferentes parámetroscontaminantes en clima tropical (±1 desviación estándar), los cuales pueden utilizarse parael diseño de Biofiltros en la región centroamericana en dependencia de cual parámetrocontaminante específico se desea reducir.

Los valores promedios estimados para los contaminantes más importantes son:- kDBO = 81.8 ± 13 m/año- kDQO = 60.8 ± 12 m/año





- kNT = 11.8 ± 6 m/año- kPT = 6.9 ± 4 m/año- kE. COLI = 125.9 ± 50 m/año

Las condiciones climáticas de la zona de los ensayos obtenidas del registro meteorológicodurante los últimos 25 años establecen una temperatura máxima de 33 °C, temperaturamedia de 26.5 °C, temperatura mínima de 19.6 °C, así como una precipitación promedio de1,321 mm/año y evaporación promedio de 169.2 mm/año. La temperatura de las aguasresiduales que entran al sistema de tratamiento oscila entre 25 y 30 °C.

En países europeos se reportan los siguientes valores promedios de constantes dedegradación, obtenidos de sistemas que han estado funcionando por más de 10 años(Kadlec and Knight, 1996; Brix et al.1998):

- kDBO = 34 m/año (Inglaterra)- kNT = 12 ± 3 m/año (Dinamarca)- kPT = 9 ± 3 m/año (Dinamarca)

La temperatura de las aguas residuales reportadas en estas plantas de tratamiento varía de5°C en el mes más frío a 20°C en los meses de verano, siendo ésta una de las principalesrazones de la diferencia entre los valores de las constantes de DBO5 reportadas en paísescon este tipo de clima y las estimadas en Nicaragua. La velocidad de descomposición de lamateria orgánica es influenciada ampliamente por la temperatura, expresándose este efectoen el coeficiente de temperatura, Q10, el cual da la relación de la actividad bacteriana a dosdiferentes temperaturas con diez grados de diferencia. En climas templados, es típico uncoeficiente de 2 para muchos procesos biológicos, lo cual significa que la actividad demuchos procesos biológicos se duplica cuando la temperatura aumenta 10°C (Brix et al,1998). En concordancia con esto, el valor de kDBO obtenido en Nicaragua es más de dosveces mayor que el reportado en la bibliografía para sistemas en países europeos.

En la remoción de nitrógeno y fósforo en Biofiltros de flujo horizontal operando enEuropa, no se observan variaciones estacionales, manteniendo casi constante su eficienciadurante todo el año, lo que indica que en ambos procesos de remoción el mecanismoprincipal no es de origen bacteriano, sino de procesos fisicoquímicos como absorción,precipitación, deposición y reducción dentro del lecho filtrante (Brix et al. 1998). Sobreeste mecanismo influyen directamente la granulometría del lecho filtrante y el tiempo deretención, aumentando la eficiencia de remoción a menor diámetro de partícula del lechofiltrante y a mayor retención.

La carga hidráulica recomendada en países de clima templado es menor que 29 m/año. EnNicaragua se han obtenido buenos resultados de remoción de materia orgánica con cargashidráulicas de hasta 37 m/año, con requerimientos de área de 1.0 a 1.2 m2/PE. Sinembargo, para obtener la remoción requerida (WHO 1989; MARENA 2000) de coliformesfecales (<103), se debe diseñar Biofiltros con una carga hidráulica menor. Además, serecomienda sembrar carrizo (Phragmites australis), planta que provee una mayoreficiencia en la remoción de patógenos debido a su mayor capacidad para introducir aire allecho filtrante, además de que sus raíces secretan sustancias bactericidas (Cooper et al.1996). En vista de que la remoción de nutrientes mejora principalmente en función deltiempo de retención dentro del Biofiltro, es recomendable para este propósito diseñar conbajas cargas hidráulicas. Sin embargo, cuando el propósito es eliminar nutrientes, es





recomendable utilizar la combinación de un Biofiltro de flujo vertical en serie con unBiofiltro de flujo horizontal (Bravo & Juárez, 2002).

6.2.2.- Criterios de diseño en función de los requerimientos hidráulicos

El diseño hidráulico de un Biofiltro se realiza en base a la Ley de Darcy (Cooper et al.1996):

Donde W: Area de la sección transversal efectiva del lecho, (m2)Q: Caudal promedio de aguas residuales, (m3/s)Kf: Permeabilidad del lecho filtrante, (m/s)I: Pendiente hidráulica, (m/m)

El material del lecho filtrante juega un papel determinante tanto en la eficiencia deltratamiento como en el tamaño del Biofiltro. Materiales porosos y resistentes al desgastemecánico y químico ocasionado por el flujo continuo de aguas residuales tienen una mayorpermeabilidad y han demostrado proporcionar una mayor eficiencia en la remoción decontaminantes, reduciendo al mismo tiempo el área requerida para la construcción delBiofiltro. La conductividad hidráulica depende en gran medida del tamaño de partícula dellecho filtrante. Valores de referencia encontrados en la literatura para diferentes tipos demateriales usados como lecho filtrante (Vymazal, et al., 1998), son:- Grava de fina a gruesa: Kf de 10-3 a 1 m/s- Arena fina a gruesa: Kf de 10-7 a 10-2 m/s

La permeabilidad del hormigón rojo utilizado en la planta piloto encontrado en los bancosnicaragüenses está comprendida entre valores de 10-2 y 10-3 m/s. La curva granulométricapresentada en la Figura 1 refleja que el diámetro máximo es 25 mm y el d10, que es eldiámetro del tamiz por el cual pasa el 10% en peso del material analizado, es de 0.43mm.En la curva granulométrica (Figura 1), este valor se encuentra buscando en el eje vertical el10%, interceptando la curva y leyendo el diámetro respectivo (d10) en el eje horizontal.Este valor del hormigón rojo se encuentra en el límite inferior del rango recomendado en laliteratura y que se utiliza como un criterio adicional de selección, establecido entre 0.4 y 2mm. Otro criterio utilizado para la selección del material es el factor de uniformidad, elcual se define como:

U = d60/d10

Donde: U: factor de uniformidadd10: diámetro de partícula correspondiente al 10% del materiald60: diámetro de partícula correspondiente al 60% del material

Este factor debe ser menor que 4 (Vymazal et al, 1998). El factor de conformidad para elhormigón rojo es de 3.75, utilizando los valores de d60 y d10 obtenidos de la Figura 1.

Con el transcurso del tiempo, la permeabilidad del material de entrada del lecho filtrante deun Biofiltro (entre 1 y 2 m después de la piedra gruesa utilizada en la zona de distribución),se reduce debido a la formación de una densa capa bacteriana y a la acumulación desólidos suspendidos, a tal grado que es necesario reemplazar periódicamente este materialpor material nuevo. Sin embargo, en base al monitoreo realizado durante varios años, se ha

IKfQW*

=





determinado que el resto del lecho filtrante no experimenta este fenómeno, por lo que seconsidera que mantiene su permeabilidad o que la disminución de la misma es tan pequeñaque no afecta el flujo a través del Biofiltro. Para efectos de diseño, se recomiendacontemplar un valor de permeabilidad menor; según Platzer (2,003), el valor depermeabilidad utilizado en el diseño deberá ser 50% o menos de la permeabilidad delmaterial original.

La frecuencia de reposición del material de entrada puede aumentarse si en esta zona seutiliza hormigón rojo cribado, utilizando un tamiz de ¼” (6.5mm) e incorporando lafracción gruesa al lecho filtrante.

El ancho mínimo necesario (Bmin) se obtiene de dividir el área de la sección transversal(W) entre la profundidad (hef), la cual se recomienda entre 0.6 y 0.8 m:

Es recomendable tomar como ancho final (B) del Biofiltro un valor más alto que el valorde Bmín, con el propósito de proveer un factor de seguridad a la capacidad de infiltraciónpara asimilar posibles aumentos del caudal de entrada. Además, puesto que todo sistema sediseña con dos Biofiltros en paralelo para posibilitar el mantenimiento de los mismos, unsolo Biofiltro recibiría todo el caudal durante el tiempo que dure el mantenimiento, aunquesea por un tiempo muy corto. Se recomienda que el ancho final sea el doble del anchomínimo calculado; sin embargo, esto se limitará en función del caudal de entrada, pues amedida que se diseña para una mayor capacidad, esto tiene un impacto importante sobre elcosto de construcción del sistema. Cuando se diseña biofiltros de gran capacidad, serecomienda que el valor del ancho final sea al menos 50% mayor que Bmín. El anchomáximo para un Biofiltro está limitado por las dificultades enfrentadas para lograr unadistribución uniforme, recomendándose que éste tenga un valor alrededor de los 100 m.(Proyecto ASTEC).

La pendiente hidráulica usada generalmente oscila entre 0.5 y 1%, siendo también usualque la pendiente del fondo tenga el mismo valor con el objetivo de conservar constante laprofundidad efectiva a lo largo del Biofiltro. Para evitar profundizar demasiado al final delBiofiltro debido a la pendiente del fondo, se recomienda limitar su longitud a 50 m ydividir el sistema en diferentes unidades de tratamiento cuando el volumen de aguasresiduales a tratar así lo requiera.

La longitud del Biofiltro se obtiene asumiendo las cargas hidráulicas recomendadas, lascuales oscilan entre 28 y 35 m/año. La carga hidráulica se calcula mediante la siguienteecuación:

Donde: Ch: Carga hidráulica, m/añoQ: Caudal de diseño, m3/añoA: Area superficial, m2 (ancho*longitud)

Fijando la carga hidráulica se calcula la longitud despejando su valor de la ecuaciónanterior:

efhW

=minB

)/( añomAQ

hC =





Con el valor de la longitud se chequea la relación largo: ancho. Para unidades pequeñasesta relación puede ser hasta de 3:1, según valores recomendados en la bibliografía; sinembargo, en el caso de unidades grandes, esta relación está determinada fundamentalmentepor el ancho de la unidad, recomendándose una relación mínima de 0.5:1.

El cálculo del tiempo de retención se realiza por medio de la ecuación:

Donde: L: longitud del Biofiltro, (m)B: ancho del Biofiltro, (m)hef: profundidad efectiva, (m)n: porosidad del lecho filtrante como fracción decimalQ: caudal, (m3/d)

6.3.- Diseño de Biofiltros de flujo vertical

Los parámetros típicos de diseño son: requerimiento de área, profundidad, el lecho filtrantey el tiempo de retención. El cálculo del área específica se realiza mediante la siguienteecuación (Kadlec & Knight, 1996):

A = (Q/k)*ln((Ce-C*)/(Cs-C*)

Donde: A: Area requerida del Biofiltro, m2

Q: Caudal, m3/dCe: Concentración de entrada, mg/LCs: Concentración de salida, mg/LC*: Concentración de fondo, mg/Lk: Constante de primer orden, m/d

Los valores de k dependen de los parámetros y de diferentes circunstancias ambientales yoperacionales. Los siguientes valores de k se han obtenido de sistemas europeos:

Parámetro m/año m/díaDBO5 20 – 60 0.055 – 0.16DQO 10 – 40 0.027 – 0.11

NH4+-N 10 – 40 0.027 – 0.11

NT 12 – 20 0.033 – 0.055PT 1 - 12 0.0027 – 0.033

El amplio rango de valores de k es resultado de las diferencias en diseño y operación de lossistemas.

Johansen & Brix (1996) calculan el BFV (como una segunda etapa para mejorar una etapahorizontal) asumiendo una tasa superficial de aireación de 30 g de O2/m2.d. Ellos calculan

QnhBL

QVútilt ef

r

***==

)(*

mhCB

QL =





el área dividiendo la demanda total de oxígeno (resultante del Amonio y DBO5 afluentes)por 30 g de O2/m2.d y agregando un 25% de área de seguridad. Si la profundidad del lechoes 1 m y la alimentación es intermitente, se puede esperar una eficiencia de nitrificacióndel 85%. Además de estos cálculos, se aplican a menudo “reglas de dedo” en base a lasexperiencias previas. Cooper et al. (1996) recomienda 1 m2/PE para remoción de DBO5únicamente y 2 m2/PE si se necesita de nitrificación adicional (la mayoría de las plantastiene una profundidad entre 0.5 y 0.8 m). La experiencia en Austria muestra que para BFVcon una capa principal de 0.6 a 0.8 m de profundidad se requiere un área específica de 4 –5 m2/PE para lograr remoción de DBO5 y nitrificación completa durante todo el año. Parael lecho filtrante es conveniente usar materiales cuya permeabilidad esté entre 10-3 y 10-4

m/s. El siguiente perfil se recomienda en Austria para el diseño de BFV:

Profundidad GranulometríaArriba Capa de protección 5 a 20 cm 8 a 16 mm

Capa principal 60 cm 0 a 4 mm, 4 a 8mm, 1:1Capa de transición 10 cm 4 a 8 mm

Fondo Capa de drenaje 20 cm 16 a 32 mm

Los ensayos conducidos en la Planta Piloto de Masaya permitieron establecer “reglas dededo” para el diseño de BFV bajo las condiciones climáticas de Nicaragua, usandohormigón rojo como material de relleno del lecho filtrante sobre la base de los resultadosobtenidos con este tipo de material en los Biofiltros de flujo horizontal y carrizo(Phragmites australis) como planta de pantano.

El requerimiento de área, tomando como base una generación per cápita de aguasresiduales de 100 l/día, es de 0.1 m2/PE, lo que es equivalente a una carga superficial de123 m/año (337 mm/día) cuando se calcula ésta como el caudal promedio diario entre elárea superficial. Además de este requerimiento de área, se debe proveer las instalacionesnecesarias para garantizar una alimentación intermitente de las aguas residuales con unintervalo de tres horas, es decir, realizar 8 descargas por día en el BFV. Bajo estascondiciones, se logra una nitrificación mayor que el 85%, mientras que las remociones deDBO5 y DQO están entre el 60% y 70%.

El perfil recomendado para el lecho filtrante de hormigón rojo es el siguiente:

Profundidad GranulometríaArriba Capa de protección 10 cm 10 a 30 mm

Capa principal 55 cm 0.2 – 5 mmCapa de transición 15 cm 10 a 30 mm

Fondo Capa de drenaje 20 cm 30 a 60 mm





VII.- APLICACIÓN DE LA TECNOLOGIA DEL BIOFILTRO EN NICARAGUA:PLANTA PILOTO DEL BIOFILTRO MASAYA

7.1.- Descripción

El diseño del Biofiltro Masaya se realizó en base al área disponible del terreno adquirido (1mz) para su construcción, dividiéndose un área total de 1,300 m2 en cuatro diferentesunidades del Biofiltro, más las obras de pretratamiento, tratamiento primario por medio deun tanque Imhoff, el área de riego agrícola y los caminos de acceso a la planta detratamiento. La conexión de la planta piloto al alcantarillado sanitario de la Villa BoscoMonge se realizó por medio de la construcción de una caja que desvía una parte de lasaguas residuales de la colectora principal.

El arranque del Biofiltro se realizó con variaciones del caudal de entrada, monitoreando laeficiencia del sistema hasta determinar a que valor del mismo se obtenía uncomportamiento estable y adecuado. Este valor de caudal de entrada se fijó en 100 m3/día,lo que equivale a las aguas residuales generadas por 1,000 personas, calculándose unrequerimiento aproximado de área de Biofiltro de 1.3 m2 por persona. Se construyótambién una combinación de biofiltros con capacidad de tratar 10 m3/día de aguasresiduales, equivalentes a 100 personas, para investigar sobre la remoción de nutrientes.Un esquema de la planta piloto se presenta en la página siguiente.

7.2.- Eficiencia de remoción de las unidades del Biofiltro

Los datos obtenidos durante los muestreos realizados, tanto para el control periódico comopara la realización de las investigaciones dirigidas a aumentar la eficiencia del tratamientode las aguas residuales domésticas por medio de un Biofiltro, revelan que la mayoreficiencia de un Biofiltro de flujo horizontal se obtiene al usar la combinación de carrizo(Phragmites australis) y hormigón rojo como lecho filtrante.

Esta combinación es la que se utiliza en la unidad BF III del Biofiltro Masaya, de la cual sehan obtenido generalmente los mejores resultados, especialmente en la remoción debacterias E. Coli, con resultados que en la mayoría de los muestreos están por el orden de1.0E+104 NMP/100 ml.

En cuanto a DBO5 y DQO, el efluente de esta unidad ha presentado valores menores que10 mg/l y 40 mg/l y los porcentajes de remoción obtenidos son mayores que 90% y 85%respectivamente.

Los resultados más pobres se han obtenido en la unidad BF I, para la cual se utilizó piedravolcánica de 2” de diámetro promedio como lecho filtrante y se sembró de carrizo y de unaplanta ornamental conocida como platanillo. A pesar de ser la unidad de menor eficiencia,su efluente tiene valores de DQO menores que 70 mg/l y de DBO5 menores que 20 mg/l,con porcentajes de remoción que oscilan entre el 75% y el 85%. De esta unidad, se puederesaltar el hecho de que el tratamiento de las aguas residuales por medio de un Biofiltropuede proveer un área verde, de un aspecto agradable proporcionado por el florecimientode estas plantas. Las otras dos unidades tienen una eficiencia de remoción decontaminantes cuyos valores están comprendidos entre los valores mencionados para launidad BF I y la unidad BF III.





Esquema de las etapas que conforman la planta piloto del Biofiltro Masaya

Rejilla

Desarenador

Tanqueimhoff

Cajas de distribución ymedición de caudal

Colectoraprincipal

Biofiltros

Caseta deoperador

PilaI

PilaII

PilaIII

PilaIV

Cajas reguladoras delnivel de agua en elBiofiltro

Biofiltro deFlujo vertical

Cauce

natural

Caja deconexión

Caja deregulaciónde caudal

Pila desecado

Calle principalE

fluentePila dealimentación

Area deensayos deriego agrícola

Pila dealimentación deagua para riego

Urbanización

LasFlores

Biofiltro deFlujohorizontal

Efluente





Los porcentajes de remoción de los parámetros DBO5 y DQO tomando en cuenta elsistema total (pretratamiento, tanque Imhoff y unidades del Biofiltro), están por encima del90% si se determinan en base al efluente de cualquiera de las cuatro unidades. En algunoscasos, tomando los valores de DQO entrada del agua cruda y de salida de la unidad BF III,los porcentajes de remoción obtenidos han sido mayores que 98%, lo cual constituye unaprueba de los excelentes resultados que se pueden alcanzar con este tipo de sistema. En lasiguiente tabla se presenta un promedio de los valores obtenidos para los diferentesparámetros durante los años de operación de la planta piloto.

PARAMETRO AC ST BF I BF II BF III BF IVDBO5, (mg/l) 270 80 8 6 5 5

DQO, (mg/l) 653 239 46 34 28 34

N-total, (mg/l) 34 33 27 22 20 20Fósforo total, (mg/l) 6.1 5.4 4.7 4.3 4.5 4.4Sólidos Suspendidos,(mg/l) 253 56 6 7 8 7

E. Coli,(NMP/100 ml) 1.6E+07 3.4E+06 1.3E+05 4.15E+04 1.5E+04 1.2E+05

• Comportamiento a largo plazo de las unidades del Biofiltro

El comportamiento de la remoción de materia orgánica en las diferentes etapas queconforman la planta piloto del Biofiltro puede apreciarse observando los valores de DBO5y DQO durante el tiempo de funcionamiento de ésta.

En el gráfico siguiente se muestra el comportamiento de la DBO5:

El valor promedio de DBO5 del agua cruda es de 270 mg/L (tomado del banco de datosque tiene el Proyecto ASTEC), valor que se reduce a la salida del Tanque Imhoff en másdel 70% en promedio, lo que muestra que la DBO5 depende en gran medida de los sólidossuspendidos. Sin embargo, los valores de DBO5 durante los últimos años presentan un

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Jul-9

6

Oct

-96

Ene-

97

Abr

-97

Jul-9

7

Oct

-97

Ene-

98

Abr

-98

Jul-9

8

Oct

-98

Ene-

99

Abr

-99

Jul-9

9

Oct

-99

Ene-

00

Abr

-00

Jul-0

0

Oct

-00

Ene-

01

Abr

-01

Jul-0

1

Oct

-01

Ene-

02

Abr

-02

Jul-0

2

Oct

-02

Ene-

03

Abr

-03

Fecha de muestreo

DBO

5,m

g/L

Agua cruda Salida del Tanque BF I BF 2 BF III BFIV





aumento que se atribuye a la presencia de una mayor cantidad de sólidos disueltos. A pesarde este aumento, los valores en el efluente de las cuatro unidades se han mantenido en elmismo rango, mostrando que el Biofiltro tiene una capacidad de amortiguación paraaumentos en la carga contaminante de entrada.

Igual comportamiento se observa para la DQO según se presenta en la gráfica siguiente:

El valor promedio de este parámetro para el agua cruda es de 653 mg/L, la reducción enpromedio después del tanque Imhoff es de 63% y los valores en el efluente de las cuatrounidades son menores que 50 mg/L en casi todos los muestreos efectuados. Los valores deambos parámetros son mucho menores que los establecidos en las normas nacionales devertido y muestran un comportamiento estable desde el año 1996, garantizando con ello uncumplimiento efectivo de la ley.

El monitoreo de la calidad bacteriológica del efluente del Biofiltro se efectuó mediante ladeterminación de la concentración de bacterias E. Coli, dada la disponibilidad del métodode análisis y por que estas bacterias constituyen la fracción principal de las bacteriascoliformes fecales. Con tiempos de retención hidráulica que varían entre 3 y 4 días, laconcentración de E. Coli en el efluente de las diferentes unidades, no logra alcanzar enpromedio el valor máximo permisible establecido en la ley para coliformes fecales, que esde 1.0E+03 NMP/100 ml, aunque valores individuales de algunas de las unidades bajanocasionalmente este límite. El comportamiento más estable lo muestra la unidad BF III, loque se atribuye al tipo de plantas sembradas en la superficie de la misma, Phragmitesaustralis (carrizo).

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Jul-9

6

Dic

-96

Jun-

97

Oct

-97

Ene-

98

May

-98

Sep-

98

Dic

-98

Ene-

99

Feb-

99

Mar

-99

Abr

-99

Sep-

99

Jun-

00

Dic

-00

Dic

-01

Ene-

03

Fecha de muestreo

DQ

O,m

g/L

Agua Cruda Salida del Tanque BF I BF II BF III BF IV





El comportamiento de la remoción de bacterias patógenas en todas las etapas detratamiento se aprecia en el gráfico siguiente:

Dado que el efluente de las diferentes unidades es claro, sin la presencia apreciable desólidos suspendidos y con un contenido de materia orgánica contaminante muy bajo, puedeaplicarse una etapa de desinfección que permita alcanzar valores menores que el valormáximo establecido en la norma, con el uso de dosis bajas y también con baja formaciónde subproductos de la desinfección.

Una opción conveniente para la disposición final del efluente del Biofiltro es el reuso parael riego de cultivos agrícolas, tal y como se ha venido ensayando a través de estos años enla planta piloto, lo que permite además el aprovechamiento por parte de las plantas de lasconcentraciones remanentes de nutrientes (N, P y K).

• Remoción de enteroparásitos Helmintos

Se realizaron análisis para detectar la presencia de enteroparásitos Helmintos en el efluentede las diferentes unidades puesto que éste se utilizaría en ensayos de riego agrícola.Mediante un estudio detallado de 6 meses de duración, se determinó la eficiencia deremoción de estos microorganismos en tres tipos diferentes de sistemas de tratamiento(Lagunas de Estabilización de Masaya, Biofiltro Masaya y Filtro Anaerobio de La PazCentro). Estos son los sistemas que actualmente se utilizan en el país para el tratamiento deaguas residuales domésticas. Como resultado de esta investigación se identificaron lostipos de enteroparásitos Helmintos que típicamente se encuentran en las aguas residualesdomésticas crudas, según se muestra en la figura siguiente:

1%

71%

1%6%21%

Trichiuris trichiuraEnterobius vermicularisTaenia spp

Strongyloides stercolarisAscaris lumbricoides

1.00E+00

1.00E+01

1.00E+02

1.00E+03

1.00E+04

1.00E+05

1.00E+06

1.00E+07

1.00E+08

Oct

-96

Dic

-96

Abr

-97

Jun-

97

Ago

-97

Oct

-97

Ene-

98

May

-98

Ago

-98

Sep-

98

Oct

-98

Dic

-98

Mar

-99

Jun-

99

Feb-

99

Sep-

00

Mar

-01

May

-02

Fecha de muestreo

E.C

oli,

NM

P/10

0m

l

Agua Cruda Salida del Tanque BF I BF II BF III BF IV





El enteroparásito Helminto de mayor presencia fue Ascaris lumbricoides, el cual causa unaenfermedad intestinal que es muy común en los países tropicales. La eficiencia deremoción de Helmintos en los diferentes sistemas fueron: 94.2% para el sistema deLagunas de Estabilización, 81.4% para el Filtro Anaerobio y 99.6% para el Biofiltro; en elúltimo se detectó solamente 2 larvas de Strongiloydes stercolaris en todas las muestrasanalizadas durante 6 meses. Por consiguiente, se consideró que el efluente del Biofiltro sepuede reutilizar en el riego agrícola en concordancia con el criterio establecido en lasnormas (<1 helminto/litro).

7.3.- Opciones para mejorar la calidad bacteriológica del efluente del Biofiltro

Se llevó a cabo una investigación sobre diferentes alternativas técnicas para lograr que elefluente de un Biofiltro cumpla con los valores establecidos en las normas nacionalesrespecto a coliformes fecales, contemplándose la desinfección y el aumento del tiempo deretención hidráulico. Dentro de la desinfección se contemplaron dos alternativas: radiaciónultravioleta (UV) y cloración.

7.3.1.- Radiación UV

El mecanismo de desinfección se basa en un fenómeno físico por el cual las ondas cortasde la radiación ultravioleta inciden sobre el material genético (ADN) de losmicroorganismos y los virus, y los destruye en corto tiempo, sin producir cambios físicos oquímicos notables en el agua tratada.

Los parámetros más importantes de la radiación UV relacionados con la desinfección delagua son:

- Longitud de onda: El rango germicida se encuentra entre 240 y 280 nm y se obtiene lamáxima eficiencia desinfectante cerca de los 260 nm.

- Calidad del agua: La energía ultravioleta es absorbida por el agua, pero en muchomayor grado es absorbida por los sólidos en suspensión o disueltos, turbidez y color.Por esta razón, la turbidez debe ser tan baja como sea posible y en todo caso, debenevitarse valores mayores que 5 UTN.

- Intensidad de la radiación: A menor distancia del agua respecto al punto de emisión delos rayos, mayor será la intensidad de los mismos y por tanto la desinfección será máseficiente. Con respecto a esta condición, existe una regla general que dice que no debehaber más de 75 mm de profundidad de agua para asegurar que cada porción de lamisma sea alcanzada por los rayos adecuadamente.

- Dosis: La radiación ultravioleta se mide en microvatios por centímetro cuadrado(µW/cm2) y la dosis en microvatios-segundo por centímetro cuadrado (µWs/cm2)(radiación x tiempo de exposición). La resistencia al efecto de la radiación dependerádel tipo de microorganismo. No obstante, la dosificación de luz ultravioleta requeridapara destruir los microorganismos más comunes (coliformes, pseudomonas, etc.) varíaentre 6.000 y 10.000 µWs/cm2. Las normas para la dosificación de luz ultravioleta endiferentes países varían entre 16.000 y 38.000 µWs/cm2.





La luz ultravioleta se produce por medio de lámparas de vapor de mercurio de alta y bajapresión, siendo más populares las últimas. Estas lámparas tienen una vida útil deaproximada de 10.000 horas, en términos prácticos se estima de nueve meses a un año detrabajo sin interrupción. Las lámparas de arco de mercurio a baja presión que se encuentranen el mercado producen una longitud de onda de luz ultravioleta cerca de 254 nm. Lalámparas UV se instalan de dos maneras: sumergidas en el agua y fuera de ella, casirasante con la superficie.

Los ensayos en la planta piloto de Masaya se efectuaron con una lámpara UV de 254 nm,30 Watt (con una salida UV neta de 13.9 Watt), instalada en una caja de madera de 1 m delargo, 20 cm de ancho y 26 cm de altura. La lámpara se instaló fuera del agua,manteniendo constante una separación de 15 cm entre ésta y la superficie del agua en todoslos ensayos efectuados, de forma que la intensidad de la radiación UV (estimada en 2,206mW/cm2 en la superficie del espejo de agua) fuera la misma. Este valor de intensidad seestimó en función de los datos de variación (en el aire) de la intensidad de radiación versusla distancia obtenidos del fabricante de la lámpara.

Se realizaron ensayos variando la profundidad del espejo de agua dentro de la caja, fijandovalores de 30 mm, 50 mm y 70 mm de lámina de agua, además de variar también el tiempode exposición de agua a la radiación UV.

Los resultados preliminares muestran que con un nivel de agua de 30 mm dentro de launidad de desinfección y 25 segundos de exposición a la luz UV, la concentración decoliformes fecales disminuyó desde valores superiores a 1E+04 NMP/100 mL hastavalores menores que 100 NMP/100 mL, lográndose un 99.9% de remoción. Al aumentar elnivel de agua a 50 mm, se alcanzaron resultados satisfactorios aumentando el tiempo deexposición a 73 segundos, mientras que en los ensayos realizados con un nivel de agua de70 mm, valor cercano al máximo que se recomienda para la desinfección UV (75 mm), losresultados obtenidos fueron muy pobres.

La remoción de coliformes fecales mediante el uso de radiación UV es fuertementedependiente de la transmitancia de las aguas residuales. Teóricamente, para una efectivadesinfección se necesita que la transmitacia del agua sea de al menos 70%; la transmitanciadel efluente del Biofiltro oscila entre 42 y 48%, razón por la que se requiere mayor tiempode exposición que el rango encontrado en la literatura para agua potable (entre 10 y 20segundos). Estos resultados preliminares, sin embargo, permiten asegurar que se puedeutilizar desinfección UV para el efluente del Biofiltro.

7.3.2.- Cloración

Los ensayos de cloración se efectuaron utilizando el efluente de la unidad BF III, aplicandohipoclorito de sodio diluido al 1% y garantizando un tiempo de contacto de al menos 20minutos mediante el uso de una caja construida con el propósito de proporcionar el gradode mezcla requerido. La determinación de la demanda de cloro para el efluente delBiofiltro, la cual se llevó a efecto en el laboratorio, dio como resultado que el punto dequiebre está alrededor de 5 mg/L.

La aplicación de dosis de cloro de 6 mg/L provocaron la eliminación de la concentraciónde coliformes fecales, cuyo valor antes de la cloración osciló alrededor de 5.0E+03NMP/100 mL, confirmando que valores superiores al punto de quiebre aseguran una





completa desinfección. Se usaron dosis menores para determinar la concentración de cloromínima a aplicar para cumplir con el valor máximo establecido en las normas,estableciéndose que aplicando dosis de cloro en un rango entre 3.2 y 4.0 mg/L sonsuficientes para lograr la remoción adicional requerida.

7.3.3.- Aumento del tiempo de retención hidráulico

El tiempo de retención hidráulica en la unidad BF III es de 3.5 día al caudal diario con queopera normalmente, produciendo un efluente con concentraciones de coliformes fecalesalrededor de 104 NMP/100 mL. Se redujo el caudal de entrada para aumentar el tiempo deretención, resultando que con una retención hidráulica de 8 días el efluente del Biofiltrocumple con el valor máximo permisible de las normas de vertido.

7.4.- Ensayos con la combinación vertical – horizontal de Biofiltros

Se realizaron ensayos con un BFV con capacidad para tratar 10 m3/día, agregándose unBFH en serie para eliminar los nitratos presentes en el efluente del BFV mediante elmecanismo de desnitrificación. Para lograr una alimentación intermitente al BFV seconstruyó una pila de alimentación con capacidad de almacenar durante un período de treshoras las aguas pretratadas provenientes del tanque Imhoff. En esta pila se instaló unaválvula para permitir la descarga intermitente, posibilitando con ello variar el tiempo entredescargas.

Se desarrollaron ensayos con intervalos de alimentación de 1, 2 y 3 horas, para determinarel grado de nitrificación en el BFV en función de la separación entre descargas,efectuándose muestreos en el afluente de la combinación de Biofiltros, en el efluente delBFV y en el efluente del BFH. Se realizaron análisis de amonio, nitratos, nitritos y fósforototal para determinar el aumento de la remoción de nutrientes proporcionado por lacombinación de Biofiltros, además de los parámetros DQO, DBO5, sólidos suspendidos yE. Coli, para establecer comparaciones con los resultados obtenidos por las unidades deflujo horizontal individuales de la planta piloto.

La alimentación intermitente con intervalo de 1 hora entre descargas y una carga hidráulicade 123 m/año en el BFV, condujeron a una nitrificación deficiente en esta unidad, ya que laconcentración de NO3

--N aumentó de 0.5 mg/l en el afluente a 2.3 mg/l en el efluente de lamisma, mientras que la concentración de NH4

+-N disminuyó de 25 mg/l a 18 mg/l. Laremoción total de NH4

+-N fue similar a la obtenida en un BFH individual, alrededor del40%, con una concentración en el efluente de 15.2 mg/l, mostrando que bajo estascondiciones de operación no se incrementa la remoción de nitrógeno en el sistema.

Al incrementar el intervalo entre descargas a 2 horas conservando la carga hidráulica, lanitrificación en el BFV mejoró significativamente, pues la concentración de NO3

--Naumentó de 1.3 mg/l en el afluente a 11.2 mg/l con una disminución de la concentración deNH4

+-N de 27 mg/l a 8.4 mg/l. La remoción de NH4+-N en el sistema aumentó a 74%, con

un valor de 7.1 mg/l en el efluente.





La fase de alimentación intermitente conintervalo entre descargas de 3 horas,conservando la carga hidráulica en elBFV, proporcionó los mejores resultadosen cuanto a la nitrificación, ya que se dioun aumento en la concentración denitratos de 0.5 mg/l a 22 mg/l, mientrasque el valor de NH4

+-N se redujo desde25.2 mg/l hasta 3.2 mg/l. Laconcentración de nitratos se redujo en elBFH hasta un valor de 1.3 mg/l y laconcentración de NH4

+-N en el efluentede esta unidad fue de 3.1 mg/l,alcanzando un 87% de remoción deamonio tomando en cuenta ambosBiofiltros

La remoción de fósforo total, únicamente determinada en la última fase descrita debido alimitaciones que se presentaron durante el desarrollo de las dos primeras fases, alcanzó unvalor de 52%, mejorando ostensiblemente el 20% registrado durante la operación de lasunidades individuales de flujo horizontal. La concentración de fósforo total en el efluentefinal fue de 2.3 mg/l.

VIII.- COSTOS DE CONSTRUCCION, OPERACION Y MANTENIMIENTO

Uno de los factores más importante en la selección del tipo de tecnología a utilizar para eltratamiento de aguas residuales domésticas en Nicaragua, es el costo que implica tanto laconstrucción como la operación y mantenimiento. Debido a la situación económica delpaís, solamente los sistemas de tratamiento de bajos costos son factibles de utilizar,siempre y cuando tengan la eficiencia de remoción de contaminantes que les permitaalcanzar los valores establecidos en las normas nacionales de vertido.

En un Biofiltro, los costos de construcción están influenciados en gran medida por ladistancia desde los bancos de materiales (hormigón y arcilla para impermeabilización)hasta el sitio de ubicación de la planta. En el caso del Biofiltro Masaya, el costo deconstrucción total fue de US $42,000.00 (US $42.00/Persona Equivalente), haciendo notarque los bancos de materiales estaban relativamente cercanos (hormigón en Granada, a 20km y arcilla en Catarina, a 6 km).

Los costos de operación y mantenimiento ascienden a US $4,800.00 anuales, incluyendo elsalario del operador, adquisición de materiales, reposición de los primeros 2 metros dellecho filtrante de los Biofiltros, el monitoreo de la eficiencia de la planta y las facilidades(agua y luz). El costo por persona es de US $4.8 anuales para mantener y operaradecuadamente la planta, costo que se considera factible de asumir aún en las condicioneseconómicas actuales.

Los resultados obtenidos en la planta piloto de Masaya incentivaron la construcción deotros sistemas de Biofiltros en Nicaragua y otros países centroamericanos, tales como ElSalvador y Honduras. Todos los sistemas se han construido para tratar las aguas residualesgeneradas por viviendas individuales, pequeñas y medianas comunidades, instalaciones

NIT

RO

GEN

O[m

g/l]

AFLUENTE0

5

10

15

20

25

30Amonio (NH4-N)Nitrato (NO3-N)

SALIDA BFV SALIDA BFH

25.2 mg/l

3.2 mg/l

22 mg/l

0.5 mg/l

87%3.1 mg/l

1.3 mg/l





turísticas e incluso hospitales. El sistema de Biofiltro de mayor capacidad construido hastael momento se encuentra en el municipio de Chichigalpa, el cual se diseñó para tratar lasaguas residuales generadas por 17,504 personas, construyéndose hasta el momento lamitad del mismo (un módulo con capacidad para 8,752 personas equivalentes), módulo queactualmente está operando.

Los costos unitarios de construcción dependen en gran medida de la capacidad del sistema;por esto, los sistemas de Biofiltro construidos para viviendas individuales tienen costos porpersona equivalente mucho mayores que los construidos para comunidades. Sin embargo,este comportamiento de los costos unitarios no es el mismo cuando se comparan los costosde construcción de sistemas de Biofiltro para pequeñas comunidades (de 1,000 a 3,000personas) y de comunidades medianas (más de 8,000 personas). Esto se observa en la tablapresentada a continuación, donde los costos unitarios de construcción de un Biofiltro parauna vivienda de 6 personas es de US $275.00, costos que disminuyen hasta US $81.20 parauna comunidad de 300 habitantes.

Planta de tratamiento Ubicación Personasequivalentes

Costos deinversión

(US $)

Costosunitarios(US $/PE)

Una vivienda,Carretera Sur, km 10.5

Managua,Nicaragua

6 1,650.00 275.00

Hospital de Masachapa Managua,Nicaragua

72 7,400.00 102.80

Salinas Grandes León,Nicaragua

300 24,350.00 81.20

Los Sabogales Masaya,Nicaragua

846 50,070.00 59.20

San JoséLas Flores

Chalatenango,El Salvador

1,365 68,500.00 50.20

Masatepe Masaya,Nicaragua

2,200 125,840.00 57.20

Reparto La Providencia León,Nicaragua

2,782 115,700.00 41.60

Teupasenti Danlí,Honduras

2,812 92,240.00 32.80

Chichigalpa Chinandega,Nicaragua

8,752 400,000.00 45.7

Los costos unitarios para pequeñas comunidades oscilan entre US $32.80 y US $59.20,mientras que la única planta de mediana capacidad construida hasta el momento tiene uncosto unitario de US $45.70, valor que se ubica en el mismo rango de costos

El tratamiento de aguas residuales domésticas por medio de un Biofiltro en países de climatropical como el nuestro proporciona excelentes resultados debido a la alta eficienciaobtenida en la remoción de los principales contaminantes y puede ser incorporado comouna alternativa a las tecnologías utilizadas actualmente en el país. La proliferación del usode Biofiltros para el tratamiento de las aguas residuales domésticas en comunidades o





núcleos poblacionales, donde se descargan los desechos líquidos no tratados o tratadosdeficientemente a cuerpos receptores o al subsuelo, tendrá un impacto favorable al medioambiente y al mismo tiempo, puede proveer agua de riego para cultivos agrícolas.

El reuso del efluente para el riego agrícola en áreas donde el terreno lo permite, además dela comercialización de las plantas sembradas en el Biofiltro, proporciona la posibilidad degenerar los recursos necesarios para contribuir a la sostenibilidad de la planta detratamiento.

IX.- ESPECIFICACIONES TECNICAS PARA LA CONSTRUCCION DEBIOFILTROS

9.1.- Movimiento de tierra y conformación de las pilas

El movimiento de tierra, corte y relleno, debe ser realizado con tractor de oruga,trasladando el material removido a los lados para la conformación de las bermas,compactándolo en capas. Luego los taludes se perfilan con una motoniveladora y secompactan con una vibrocompactadora.

Una vez perfilados los taludes, se procede a la impermeabilización de los mismos y delfondo de las pilas. Antes de incorporar el material impermeable a las pilas, éste tiene queser mezclado con agua, fuera de las pilas, por medio de una cargadora frontal, paragarantizar una compactación del 100 % Proctor.

El material impermeable (arcilla) debe cumplir con las siguientes condiciones:

- Permeabilidad suficientemente baja, menor de 10-4 cm/seg.- Indice de plasticidad medianamente plástico, es decir, mayor de 15 %.- Límite líquido mayor de 55 %.

Luego se incorpora el material impermeable, trasladándolo usando camiones que lodepositan en montículos en el fondo de las pilas, después de lo cual se extiende y compactaal 95% Proctor con la vibrocompactadora hasta formar una capa de 25 cm. Concluidasestas actividades, se deben realizar pruebas de compactación en varios lugares, con unmínimo de 6 pruebas de compactación por pila.

9.2.- Canales de alimentación de las pilas (Canal de distribución de caudal)

Los canales de alimentación del Biofiltro se construyen de mampostería de piedra cantera,bloques, concreto o pueden usarse canales prefabricados de PVC. La distribución de lasaguas residuales pretratadas se efectúa generalmente mediante la construcción de pequeñosvertederos triangulares en la parte superior de la pared del canal, los cuales tienen unaseparación uniforme en toda la longitud del mismo. Normalmente, esta separación oscilaentre 1.5 y 2 m, en función del ancho de la pila.

El canal de entrada se ubica en el borde de la pila cuando se construye de concreto o sobreel material de relleno cuando se utiliza canales prefabricados de PVC.





9.3.- Material de relleno

El material de relleno del Biofiltro tiene que cumplir con las siguientes exigencias:- Alta resistencia contra el desgaste químico por las aguas residuales.- Tener una superficie rugosa (porosidad ≥ 50 %), que es la base para el

establecimiento de una capa bacteriana apropiada.- Dureza suficientemente alta, para no quebrarse con el peso de persona o equipos

livianos.

El relleno del Biofiltro se hace en capas de diferente granulometría: en los dos primerosmetros (zona de entrada) y los últimos 1.5 m (zona de recolección) se utiliza piedra gruesade diámetro entre 2” y 4”, mientras que el resto del lecho filtrante se rellena con el mismotipo de material, formando un lecho homogéneo con la misma granulometría. El materialdel lecho filtrante puede ser depositado dentro de la pila en camiones volquete o cargadorafrontal y dejarlos en montones, teniendo mucho cuidado que no circule equipo pesadosobre el lecho filtrante, ya que esto provoca que el material se quiebre y se produzca unaumento de la granulometría fina. Por esta razón el material debe ser conformado a sunivel y estado final solamente con equipos manuales livianos.

9.4.- Instalación de las tuberías de drenaje de las pilas

Se instalan tubos de drenaje de PVC de 4” a 6” de diámetro y el largo depende de lasdimensiones obtenidas en el diseño, con una tee al centro de la longitud para conectarloscon el tubo de salida del agua tratada a la caja de recolección. En estos tubos se perforantres filas de agujeros de ½”, separados @ 5 cm. Los tubos se colocan en el extremoopuesto al canal de alimentación, en el fondo de las pilas, sobre una capa de piedratriturada de 5 cm de espesor por 40 cm de ancho, con los agujeros hacia arriba y con unapendiente hacia el centro de 0.2 %. Luego se cubren con piedra volcánica de 2” - 4” dediámetro, similar al de la entrada al Biofiltro. Los detalles de esto se pueden apreciar en lossiguientes gráficos:

Lecho filtrante

Tubo de PVC de ∅ 4” -6”

Piedra triturada de ½”

0.40 m

5 cm

Tubo de PVC,SDR 41 4” – 6”

0.2 % Agujeros de ½” @ 5 cm

Piedra bolon de Ø 2” – 4”





La capa de piedras de 2” y 4” de diámetro proporciona espacios libres que facilitan laintroducción del agua en los tubos de recolección, formando al mismo tiempo una barreraque evita que el material del lecho filtrante, de granulometría más fina, entre en contactodirecto con los tubos de recolección y pueda causar problemas de obstrucción de losagujeros.

9.5- Caja de recolección del efluente

El efluente se extrae del Biofiltro mediante una caja de recolección que se construyeseparada 1.0 m del borde del mismo, a la cual llega el tubo de salida que está conectadocon la tubería perforada. A este tubo se conecta una manguera flexible de 4” - 6” dediámetro que permite regular el nivel del agua dentro del Biofiltro, así como tomarmuestras y medir el caudal de salida del sistema de tratamiento por el método de aforo.

Las mangueras flexibles están conectadas con bridas a los tubos de salida de cada pila delBiofiltro en un extremo y por el otro, se les sujeta con una cuerda a la pared de la caja, parapoder subirla o bajarla fácilmente y regular así el nivel de agua dentro del Biofiltro.

Las dimensiones recomendadas para una caja de recolección son las siguientes:

Largo 2.0 mAncho 1.0 mProfundidad variable en dependencia del terreno (m)Material a usar Piedra cantera, bloque.Piso de concreto 0.15 m de espesorManguera flexible 4” - 6”Cubierta Tapa de madera de pino

9.6.- Selección y siembra de las plantas de pantano

Las plantas a sembrar se pueden seleccionar en base a la eficiencia proporcionada en eltratamiento de las aguas residuales. Hasta el momento, se tiene información fundamentadasobre el uso de plantas como el platanillo (Heliconia), zacate taiwán (Pennisetumpurpureum), carrizo (Phragmites australis), tule (Typha domingüensis), Cyperusarticulatus y Phalaris arundinacea. Todas estas plantas resultan efectivas en el tratamientode aguas residuales y pueden indistintamente elegirse si se desea obtener algún efecto uobtener algún provecho de ellas. Por ejemplo, el platanillo u otras plantas de la familia delas Heliconia se pueden seleccionar con propósitos ornamentales, pues produce flores dediferentes colores, el zacate taiwán puede utilizarse como alimento de ganado vacuno y eltule y Phalaris arundinacea para obtener material de trabajo para la elaboración deartesanías. Sin embargo, cuando se desea remover en mayor medida gérmenes patógenos,la planta más conveniente a utilizar es el carrizo (Phragmites australis), pues se hacomprobado que esta planta aumenta la eficiencia del Biofiltro en la remoción de bacteriascoliformes fecales. Además, si hay presencia de metales pesados en las aguas residuales,Phragmites y Typha son las plantas que remueven éstos en mayor cantidad (Cooper et al.1996).





9.6.1.- Phragmites australis (carrizo)

Prhagmites australis es la planta de pantano más utilizada en Biofiltros a nivel mundial,pues es capaz de introducir entre 5 y 12 mg de oxígeno por m2 y día al lecho filtrante. Losrizomas bien desarrollados de esta planta pueden llegar hasta una profundidad de 1.5metros después de dos a tres años. Otra de las muchas ventajas en el uso de esta planta depantano, es su gran tamaño y superficie de hojas que permite una evapotranspiraciónconsiderable del agua extraída del subsuelo. El lecho de raíces proporciona una vía o rutahidráulica a través de la cual fluye el agua a tratar. Esta vía espaciosa, llamada rizósfera, esel espacio angular entre los rizomas, las raíces y el suelo circundante. El movimiento de latrama radicular en crecimiento (raíces y rizomas), abriéndose espacio en el suelo, previenela obstrucción de la rizósfera. Los plantas aportan oxigeno atmosférico a la rizósfera através de las hojas, tallos y rizomas. El agua residual se trata así aeróbicamente por laactividad bioquímica y microbiana en la rizósfera, y anaeróbicamente en el suelocircundante. Las diferentes zonas permiten así que se desarrolle una gran variedad demicroorganismos dentro del lecho, incluyendo no sólo bacterias sino también protozoos.

9.6.2.- Procedimiento de siembra de las plantas

9.6.2.1.- Platanillo y tule:

Se establece un vivero y cuando la planta alcanza un tamaño mínimo de 8” (con uncrecimiento adecuado de las raíces), se transplanta al Biofiltro, donde se siembra en zurcosa una distancia de 60 cm entre filas y columnas. La profundidad de siembra es de 10 cm.,que es la profundidad inicial a la que debe estar el nivel de agua dentro del Biofiltro almomento del arranque.

9.6.2.2.- Carrizo y zacate taiwán

La siembra se realiza mediante estacas de aproximadamente 15 - 20 cm. de longitud quecontengan 3 nodos cada una a una profundidad de 3-4 cm sobre el espejo de agua del lechofiltrante. Debido a su mayor crecimiento, la distancia entre filas y columnas es de 1 m paraevitar que el Biofiltro tenga una sobrepoblación de plantas. En cada punto de siembra sedepositan 3 estacas juntas para garantizar que al menos una de ellas se establezca.

Para que el carrizo desarrolle satisfactoriamente, es necesario que el lecho filtrantepermanezca saturado de agua todo el tiempo. La maduración del carrizo toma cerca de unaño, antes de que el proceso funcione con 100% de eficiencia.

La cosecha de la Phragmites australis (carrizo) debe realizarse entre 8 y 12 meses, dejandolimpia de hojas y otro tipo de material vegetativo seco la superficie de los lechos filtrantesdespués del corte, para evitar de esta forma que la descomposición de estas plantas puedacolmatar el lecho filtrante del Biofiltro.





X.- OPERACION Y MANTENIMIENTO

10.1.- Trabajos a realizar en cada una de las etapas del sistema de tratamiento

10.1.1.- Pretratamiento

10.1.1.1.- Canal de entrada con rejilla

• En la rejilla, hay que remover diariamente de forma manual los sólidos gruesosretenidos entre las barras y los acumulados sobre la platina perforada, utilizando unrastrillo metálico. El material inorgánico debe ser recolectado y enviado al basureromunicipal y el material orgánico se deposita en la pila de secado de lodos.

• Si el canal de entrada tiene poca pendiente o caudal, hay que sacar el materialsedimentado en el fondo del mismo cada dos semanas con una pala.

• En el canal de alimentación se puede determinar el caudal de agua que entra al sistemade tratamiento, para lo cual será necesario medir con una regla graduada el tirante deagua al menos tres veces al día (6 am, 1 pm y 7 pm). La otra opción para conocer elafluente del sistema es instalar un vertedero triangular, rectangular ó canal Parshal.

10.1.1.2. Desarenador

• Extraer el material acumulado en el fondo del desarenador abriendo la válvula dedesagüe que generalmente tienen estas unidades en el fondo. Si no existe esta válvula,se utiliza pala y carretilla. La frecuencia de limpieza se determina en función de laacumulación de material en el volumen establecido para el almacenamiento de lossedimentos.

• La instalación del bafle le proporciona la función de trampa de grasa. La grasa y otrosmateriales flotantes se acumulan en forma de nata en la superficie del agua, por lo quese debe remover cada tres días con un pascón.

10.1.2.- Tanque Imhoff

• Remover de forma manual la nata flotante que se forma en el área de ventosas deltanque por el ascenso de burbujas de biogás con flóculos de lodo, utilizando una pala óun pascón cada 15 días.

• Remover la nata flotante que se forma en la(s) cámara(s) de sedimentación, retenida porla pared deflectora colocada a l final de dicha(s) cámara(s), una vez por mes usando unpascón.

• Remover el lodo acumulado en el fondo del tanque según la frecuencia establecida en eldiseño, abriendo la(s) válvula(s) que se instala(n) con este propósito. Esta tubería dedesagüe generalmente se conecta a la pila de secado. En el caso de que no hayanválvulas de limpieza, se puede utilizar una bomba de semisólidos o una cisterna paraefectuar esta operación.





• Los lodos depositados en la pila de secado se revuelven una vez por semana para que sudeshidratación sea más rápida y uniforme. Después de aproximadamente tres meses sesaca el lodo de la pila y se procede a enterrarlo. Si la generación de olores es excesiva,se utiliza cal para controlarla.

• Si el tanque es cerrado y se construyó un filtro para el biogás, se remojan los trozos decorteza que se encuentran dentro de éste, una vez por semana. Estos trozos de corteza sedeben cambiar semestralmente.

10.1.3.- Biofiltro

• Remoción de los flóculos sedimentados en el canal de distribución una vez por mes yreposición de la cubierta del mismo cuando esté en mal estado, para evitar laproliferación de mosquitos y zancudos transmisores de enfermedades.

• Cosecha de plantas en función de su ciclo vegetativo (p.e. Phragmites australis (carrizo)cada 10 meses y de Zacate Taiwán cada 3 meses).

• Limpieza de la superficie del lecho filtrante después del corte, para evitar que ladescomposición de estas plantas en el sitio sature el lecho.

• En caso que se note un flujo superficial de aguas residuales en la entrada al Biofiltro, serecomienda remover el primer metro del material del lecho filtrante (después delmaterial grueso) en todo el ancho de cada unidad del Biofiltro, sustituyéndose conmaterial nuevo de las mismas características, para mantener la alta eficiencia de laplanta durante varios años.

• Control del espejo de agua, el cual siempre debe estar por debajo del lecho filtrante.Esto se hace con la manguera flexible de la caja de salida, ubicando la salida a la alturaestablecida en función de la pendiente hidráulica de diseño.

10.1.4.- Aspecto General

• Cercado del terreno de la planta de tratamiento para evitar el acceso a personas sinautorización o animales que puedan provocar daños en las instalaciones.

• La persona encargada de la operación y mantenimiento de la planta de tratamiento sededica a tiempo completo a su cuidado y funcionamiento. No se necesita a alguienespecializado o con conocimientos superiores, ya que el trabajo a realizar es sumamentesencillo.

10.2.- Análisis a realizar para controlar la eficiencia del Biofiltro

La eficiencia del tratamiento de aguas residuales por medio del Biofiltro se determinarealizando análisis periódicos de los parámetros establecidos en las normas nacionales devertido. Para ello, se deben efectuar muestreos compuestos de al menos 12 horas, tomandomuestras del afluente al sistema de tratamiento y el efluente del mismo, con una frecuenciade 4 meses (3 muestreos por año), tal como se establece también en las normas..





XI.- BIBLIOGRAFIA

[1] Armstrong, W., Armstrong, J. and Beckett, P. M., Measurement and modelling of oxygenrelease from roots of Phragmites australis, in P.F.Cooper and B.C.Findlater (Editors), Use ofconstructed Wetlands in Water Pollution Control, Pergamon Press, Oxford, UK, 1990.

[2] Bravo, M. y Juárez, E., Evaluación de un Biofiltro de flujo vertical en serie con un Biofiltro deflujo horizontal para el tratamiento de aguas residuales domésticas, Monografía, Facultad deIngeniería Química, UNI, Managua, 2002.

[3] Castro, A. y Montoya, J., Determinación de las condiciones de operación para la remoción denutrientes en la combinación de Biofiltros vertical - horizontal, Monografía, Facultad de IngenieríaQuímica, UNI, Managua, 2004.

[4] Chavarría, A. y Paiva F., Determinación de la cinética de remoción de diferentes contaminantesen Biofiltros de flujo horizontal, Monografía, Facultad de Ingeniería Química, UNI, Managua,2003.

[5] Cooper, P., Job, G., Green, M., Shutes, R., Reed beds and constructed wetlands for wastewatertreatment, WRc Publications, Swindon, UK, 1996.

[6] Guevara Vasquez, M.L., Análisis y ensayos para incrementar la eficiencia de tratamiento deBiofiltros en países de clima tropical, Monografía, Facultad de Ingeniería Química, UNI, Managua,2000.

[7] Instituto Nicaragüense de Estudios Territoriales, INETER, Datos climatológicos de la ciudadde Masaya desde 1996 hasta 2001, Managua, Nicaragua.

[8] Kadlec, R.H. and Knight, R.L., Treatment wetlands, CRC Press, Lewis Publishers, Boca Raton,New York, 1996.

[9] López, Y. y Suazo, G., Evaluación de dos métodos para la identificación de EnteroparásitosHelmintos en aguas residuales domésticas crudas y tratadas por tres sistemas de tratamiento,Monografía, Departamento de Biología, UNAN, Managua, 2001.

[10] Ministerio del Ambiente y Recursos Naturales, MARENA, Disposiciones para el Control dela Contaminación proveniente de las Descargas de Aguas Residuales Domésticas, Industriales yAgropecuarias, Decreto 33-95, La Gaceta, Diario Oficial, Gobierno de la República de Nicaragua,Managua, Agosto 2000.

[11] Platzer, M., Beurteilung des Einsatzes von bepflanzten Bodenfiltern in Zentralamerika, amBeispiel Nicaraguas, Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktor derBodenkultur, Universität für Bodenkultur Wien, Austria, 2003.

[12] Polpraset, C., Poh-Eng, L., Mattaraj, S., Khatiwada, N. and Koottatep, T., Application ofconstructed wetlands for treatment of sewage in tropical region, in: 5th International Conference onWetland Systems for Water Pollution Control, IWGA, Vienna, Austria, 1996.

[13] Reed, S.C., Middlebrooks, E.J. and Crites, R.W., Natural systems for waste management andtreatment, McGraw Hill Inc., New York, 1988.

[14] Vymazal, J., Constructed Wetlands for Wastewater Treatment in Europe, Editado por J.Vymazal, H. Brix, P.F. Cooper, M.B. Green, R. Haberl, Backhuys Publishers, Leiden, 1998.



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