depuración sostenible en pequeñas poblaciones del ámbito rural
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DEPURACIÓN SOSTENIBLE EN PEQUEÑAS POBLACIONES DEL ÁMBITO RURAL
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DEPURACIÓN SOSTENIBLE EN PEQUEÑAS POBLACIONES DEL ÁMBITO RURAL
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Depuración sostenible en pequeñas poblaciones del ámbito rural
Depuración sostenible en pequeñas poblaciones del ámbito rural
11. Las aguas residuales
¿Qué son las aguas residuales urbanas?
Son las aguas residuales recogidas por la red de saneamiento de un núcleo de
población o casco urbano. En redes de saneamiento unitarias las aguas residuales
urbanas pueden estar compuestas por la mezcla de aguas residuales domésticas,
industriales y pluviales.
¿Cómo son las aguas residuales de los pequeños núcleos de población
del medio rural?
En este tipo de poblaciones las aguas residuales son exclusivamente de origen
doméstico, debido a que no es habitual la presencia de actividades industriales.
La red de saneamiento habitualmente es unitaria, por lo que en presencia de
precipitaciones las aguas residuales domésticas se mezclan con las aguas pluviales
recogidas en la población.
¿Qué contaminantes poseen las aguas residuales domésticas?
Los contaminantes de las aguas residuales domésticas proceden principalmente del
metabolismo humano, de las acciones de higiene personal y de los distintos usos del
agua como agente de limpieza. Debido a su origen, estas aguas residuales poseen
características comunes bien conocidas y una composición promedio estandarizada,
frente a las aguas residuales industriales, cuya composición es dependiente del tipo
de actividad industrial.
La siguiente imagen muestra el aspecto que presentan las aguas residuales brutas de
un pequeño núcleo de población, identificándose sus principales contaminantes.
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¿Cómo se miden los contaminantes de las aguas residuales?
Los principales parámetros que se emplean para medir la contaminación de las aguas
residuales son:
Materiales flotantes
Aceites y grasas Plásticos Material celulósico
(compresas, tampones, etc) Colillas
Aceites y grasas en emulsión Sustancias nitrogenadas
(proteínas, urea, etc) Hidratos de carbono
(azúcares, celulosa, etc) Tensioactivos y jabones Sales (fosfatos, silicatos,
perboratos, sulfatos, etc) Microorganismos patógenos
Materia coloidal y disuelta
Materiales sedimentables
Heces Restos de alimentos Pelos Arenas
DQO (Demanda Química de Oxígeno) y DBO5 (Demanda Bioquímica de
Oxígeno a los cinco días): estos parámetros permiten cuantificar la cantidad
de materia orgánica presente en el agua residual, medida en forma de
mg O2/l. Estos parámetros suponen una medida del impacto que tendría el
vertido sobre los niveles de oxígeno del cauce receptor.
Sólidos en Suspensión (SS): este parámetro permite cuantificar el impacto de
los sólidos en el cauce receptor, cuya acumulación da lugar a la formación de
fangos. Se expresan en mg/l.
Nitrógeno Total (NT) y Fósforo Total (PT): son una medida de los nutrientes
responsables de la eutrofización del cauce receptor. Se expresan en mg/l.
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¿Cuál es la composición promedio de las aguas residuales domésticas?
La concentración de contaminantes en las aguas residuales domésticas
fundamentalmente es dependiente del grado de desarrollo de la población evaluada.
Para las pequeñas poblaciones del medio rural español se pueden adoptar una serie
de valores medios de vertido por habitante, lo que se conoce habitualmente como
dotación por habitante equivalente (h-eq). La Tabla 1 recoge la dotación por
habitante equivalente y la composición promedio de las aguas residuales domésticas.
Parámetro Dotación por h-eq y día Concentración
Caudal 200 l --
DQO 125 g O2 625 mg O2 /l
DBO5 60 g O2 300 mg O2/l
SS 90 g 450 mg/l
NT 12 g 60 mg/l
PT 3 g 15 mg/l
Tabla 1. Composición aguas residuales domésticas
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22. La depuración de las aguas residuales
¿En qué consiste la depuración y cómo se realiza?
La depuración consiste en retirar del agua los contaminantes que ha recibido durante
su uso, hasta dejarla en un estado adecuado para su retorno al ciclo natural del agua,
cumpliendo todas las garantías sanitarias y medioambientales exigibles.
Dada la diferente naturaleza de los contaminantes presentes en las aguas residuales,
tanto en su estado de agregación (suspendida, coloidal y disuelta), como en su
composición química (orgánica o mineral), éstos se pueden eliminar mediante la
aplicación de diferentes procesos físicos, químicos y biológicos, los cuales se
encuentran integrados en los distintos sistemas de tratamiento existentes.
La eliminación de los contaminantes se debe realizar de forma ordenada y
secuencial, a través de diferentes etapas, que aplicadas de forma sucesiva
proporcionan un grado de tratamiento creciente a las aguas.
Pretratamiento Tratamiento primario Tratamiento secundario Tratamiento terciario
La Tabla 2 recoge los objetivos de depuración de cada etapa de tratamiento, así como
una relación de los contaminantes eliminados y los sistemas de tratamiento que se
emplean habitualmente.
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Etapa tratamiento Objetivos Contaminantes eliminados Calidad vertido Sistemas empleados *
Pretratamiento
• Eliminación de contaminantes que pueden ocasionar problemas en las posteriores etapas de tratamiento
- Gruesos orgánicos - Plásticos - Materiales celulósicos - Aceites y grasas - Arenas
Muy baja - Rejas desbaste - Tamices - Desarenado/desengrasado
Tratamiento
primario
• Eliminación de una fracción mayoritaria de los sólidos en suspensión (flotantes y sedimentables)
- Materiales flotantes (plásticos, celulosa, aceites y grasas, colillas, etc)
- Materiales sedimentables (heces, restos alimentos, pelos, arenas, etc)
Baja - Fosa séptica - Tanque Imhoff - Decantador primario
Tratamiento
secundario
• Eliminación de materia orgánica biodegradable en forma coloidal y disuelta
• Eliminación de sólidos suspendidos resistentes al tratamiento primario
• Eliminación parcial de nutrientes
- Aceites y grasas emulsionadas - Proteínas - Hidratos de carbono - Tensioactivos y jabones
Media / Alta
- Fangos activados - Biofiltros - Biodiscos - Sistemas naturales
Tratamiento
terciario
• Eliminación total de nutrientes
• Eliminación de patógenos • Eliminación de materia
orgánica refractaria • Eliminación de sales y
metales
- Nitrógeno y fósforo - Patógenos - Materia orgánica refractaria - Sales y metales
Alta / Muy alta
- Precipitación química - Nitrificación/desnitrificación - Cloración / Ozonación - Radiación UV - Membranas - Sistemas naturales
- Tabla 2. Etapas de depuración: objetivos y sistemas empleados (*sistemas más habituales)
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¿Cuáles deben ser los objetivos de calidad del vertido?
La Directiva Europea 91/271/CEE establece que los municipios con menos de 2000
habitantes equivalentes deben depurar sus aguas residuales con un tratamiento
adecuado, capaz de garantizar los objetivos de calidad del medio receptor.
Si bien los objetivos de calidad del medio receptor y del vertido son determinados en
última instancia por el Organismo de Cuenca correspondiente, la Directiva Europea
91/271/CEE establece unos valores límite de vertido comunes a todos los medios
receptores, en términos de DQO, DBO5 y SS, mientras que si el vertido se efectúa en
una zona sensible (propensa a la eutrofización), también limita el vertido de
nitrógeno y fósforo. Los valores límite establecidos por la Directiva se recogen en la
Tabla 3:
Parámetro Límite de vertido % Reducción
DQO 125 mg O2/l 75
DBO5 25 mg O2/l 90
SS 60 mg/l 70
NT 15 mg/l 70-80
PT 2 mg/l 80
Tabla 3. Valores límite de vertido: Directiva 91/271/CEE
¿Cuál es el grado de tratamiento necesario?
Partiendo de la concentración promedio de los distintos contaminantes de las aguas
residuales domésticas (Tabla 1) y los objetivos de calidad establecidos por la
Directiva Europea (Tabla 3), se puede obtener el grado de tratamiento mínimo
necesario (Tabla 4), en función de los rendimientos máximos de los sistemas de
depuración empleados en las distintas etapas de tratamiento.
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Etapa Parámetro Entrada (mg/l)
Rendimiento máximo
depuración (%)
Salida (mg/l)
Exigido (mg/l)
Cumple límite de vertido*
DQO 625 40 375 125 NO
DBO 300 40 180 25 NO
SS 450 70 135 60 NO
N 60 0 60 15 NO
Pretratamiento
y primario
P 15 0 15 2 NO
DQO 375 90 40 125 SI
DBO 180 95 9 25 SI
SS 135 85 20 60 SI
N 60 35 39 15 NO
Secundario
P 15 25 11 2 NO
N 39 95 2 15 SI Terciario
P 11 90 1 2 SI
Tabla 4. Grado de tratamiento necesario (* límites de vertido conforme a Directiva 91/271/CEE)
Como se puede observar en la Tabla 4, la etapa de pretratamiento y tratamiento
primario no permite alcanzar el grado de calidad exigido al vertido, por lo que los
sistemas de depuración empleados en este nivel, como las fosas sépticas y los
tanques Imhoff, no son válidos por sí solos, requiriendo de su combinación con
sistemas de tratamiento de posteriores etapas. Así, la combinación de un tratamiento
primario con uno secundario sí permite alcanzar holgadamente los requerimientos
establecidos para los medios receptores no sensibles, cumpliendo el vertido en DQO,
DBO y SS.
En el caso de que el vertido se efectúe en una zona sensible, es imprescindible
realizar una etapa de tratamiento terciario para la eliminación específica de
nutrientes, y de esa forma poder cumplir con los valores límite establecidos para el
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nitrógeno y fósforo. El tratamiento terciario también puede ser necesario en el caso
de efectuar el vertido en espacios naturales protegidos, zonas de captación para
abastecimiento o zonas de baño, especialmente en lo que respecta a la desinfección.
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33. Sistemas de depuración sostenibles para pequeñas
poblaciones
Aunque tradicionalmente los sistemas de depuración de pequeñas poblaciones
constan únicamente de un sistema primario (fosa séptica o tanque Imhoff), éste se
muestra insuficiente para alcanzar la calidad de vertido exigida en la actualidad.
La necesidad de combinar los sistemas de tratamiento primario con un tratamiento
secundario o incluso terciario es indiscutible, siendo necesario seleccionar, de entre
el amplio abanico de tecnologías disponibles, las más adecuadas para la casuística
particular de las pequeñas poblaciones.
¿Cuáles son las características distintivas del saneamiento en el medio
rural?
Grandes variaciones de caudal y carga contaminante: variaciones estacionales
(verano/invierno) y semanales (fines de semana y festivos / días normales).
El consumo de agua es exclusivamente doméstico, pudiendo darse el caso de
producciones nulas a determinadas horas del día (noche-madrugada).
Escasos recursos económicos, humanos y técnicos para la explotación del
sistema.
Elevada repercusión de los costes de ejecución y explotación por habitante
(especialmente en la gestión de fangos).
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¿Qué características deben cumplir los sistemas de depuración idóneos
para el medio rural?
1. Consumo energético nulo o muy bajo
2. Ausencia de elementos electromecánicos
3. Costes de ejecución competitivos
4. Sin producción de fangos secundarios
5. Sin consumo de reactivos químicos
6. Sistemas autorregulables a las necesidades de tratamiento
7. Sistemas pasivos, funcionamiento autónomo
8. Mínima necesidad de gestión operativa externa
9. Sistemas simples y eficientes, sin requerimientos técnicos especializados
10. Operaciones de mantenimiento simples y poco frecuentes, acordes a las
limitaciones y posibilidades del medio rural
11. Sistemas integrables funcional y paisajísticamente en las zonas naturales del
entorno rural
Es muy importante que estos factores condicionantes se apliquen a la totalidad
conceptual de la planta depuradora, y no sólo a algunas de sus etapas. Aunque esto
pueda parecer una obviedad, en muchas ocasiones depuradoras con sistemas de
tratamiento acordes a los citados factores condicionantes, ven comprometido su
funcionamiento por la inclusión de ciertos elementos que no los cumplen. Ejemplo:
la inclusión de una reja de desbaste manual que nadie limpia, o una bomba o
cualquier otro elemento electromecánico que en un determinado momento deja de
funcionar, inhabilita el funcionamiento de posteriores etapas de tratamiento pasivas y
sin mantenimiento, con el consiguiente cese del funcionamiento global de la planta
durante periodos de tiempo habitualmente prolongados.
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¿Cuáles son los sistemas de depuración idóneos para el medio rural?
Partiendo de las características que deben cumplir los sistemas de tratamiento, los
más adecuados para cada etapa son:
Pretratamiento y tratamiento primario
Los sistemas de tratamiento primario con digestión anaerobia de los fangos, como las
fosas sépticas y los tanques Imhoff, cumplen todos los factores condicionantes
expuestos, siendo sistemas totalmente consolidados en el medio rural.
Si bien estos sistemas constituyen una solución técnica idónea para este nivel de
tratamiento, tal y como ya se ha indicado, son insuficientes para alcanzar la calidad
exigida a los vertidos, siendo obligada su combinación con sistemas de tratamiento
secundario y terciario.
Para el correcto funcionamiento de las fosas sépticas y tanques Imhoff es
imprescindible su adecuado diseño y dimensionado, así como la realización del
mantenimiento pertinente, consistente en la purga de fangos digeridos y flotantes,
con una periodicidad promedio anual.
Los sistemas de fosa séptica y de tanque Imhoff permiten realizar etapas de
pretratamiento, reteniendo eficazmente los gruesos y los aceites y grasas, por lo que
habitualmente no es necesaria la instalación de rejas de desbaste o tamices, que
tienen necesidades de mantenimiento diario, y que de no realizarse, inhabilitan las
posteriores etapas de tratamiento, teniendo lugar un vertido directo de las aguas
residuales al cauce receptor.
Tratamiento secundario y terciario
Los sistemas de tratamiento convencionales que se aplican habitualmente en las
grandes poblaciones (fangos activados, biofiltro y biodiscos) no cumplen con los
requisitos de idoneidad exigidos para la depuración de aguas residuales en pequeñas
poblaciones del ámbito rural. Los principales problemas detectados en la aplicación
de estos sistemas a pequeñas poblaciones se muestran en la Tabla 5:
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Sistema Problemas y deficiencias
Fangos activados
- Elevado consumo energético - Elevada producción de fangos en
exceso - Baja flexibilidad a fluctuaciones de
carga y caudal - Problemas de decantación del
fango (bulking) - Mantenimiento electromecánico
Biodiscos
- Problemas mecánicos sistema de giro
- Desprendimiento excesivo de biopelícula
- Rendimientos bajos de eliminación de nutrientes
- Baja flexibilidad ante aumentos de carga
Biofiltros
- Diseño inadecuado del sistema de distribución: caminos preferentes
- Diseño inadecuado del sistema de ventilación interno
- Selección incorrecta del material de relleno
- Requiere recirculación, consumo energético continuo
- Aireación insuficiente en el verano, ausencia de tiro natural
- Difícil mantenimiento ante la colmatación del lecho
Tabla 5. Problemas y deficiencias detectados en sistemas convencionales aplicados a pequeñas poblaciones del ámbito rural
Para poder alcanzar los rendimientos exigidos tanto en eliminación de la materia
orgánica soluble, como nutrientes y microorganismos patógenos, cumpliendo todos
los factores condicionantes expuestos, los sistemas de tratamiento naturales o no
convencionales se presentan como los sistemas de tratamiento idóneos para las
pequeñas poblaciones del medio rural.
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¿En qué consisten los sistemas naturales o tecnologías no convencionales?
Los sistemas naturales, tal y como su nombre indica, reproducen los mecanismos de
depuración existentes en la Naturaleza, que se producen a través de las interacciones
entre el agua, el suelo, la atmósfera, las plantas y los microorganismos, dando lugar a
un perfecto equilibrio entre procesos físicos, químicos y biológicos.
Los procesos de depuración que intervienen en los sistemas de tratamiento natural
incluyen a muchos de los que se emplean en las plantas depuradoras convencionales
(sedimentación, filtración, adsorción, intercambio iónico, precipitación química,
degradación biológica, etc), junto con otros procesos propios de estos sistemas,
(fotosíntesis, asimilación de nutrientes por las plantas, etc). La diferencia estriba en
que en las plantas depuradoras convencionales, los procesos implicados se aceleran
de forma artificial para alcanzar elevados rendimientos de depuración por unidad de
superficie construida, a costa de un elevado aporte energético externo. Los sistemas
naturales requieren la misma cantidad de energía por unidad másica de
contaminante eliminado que los sistemas convencionales, con la diferencia de que
emplean las fuentes de energía que les proporciona la Naturaleza, como la
energía solar o la energía química y bioquímica que se acumulan en la biomasa y en
el suelo. El empleo de una energía “natural” conlleva que estos procesos de
depuración sean más lentos que los convencionales, lo que simplemente se traduce
en una mayor necesidad de superficie, lo cual no suele ser un factor limitante en las
pequeñas poblaciones del medio rural.
Los sistemas de tratamiento natural se clasifican habitualmente en dos grupos
principales:
Sistemas acuáticos
En este tipo de tratamientos la acción principal de depuración se ejerce en el
medio acuático, combinándose con la acción del ecosistema asociado, la
fotosíntesis, las raíces de las plantas emergentes y la actividad microbiológica
asociada. Los sistemas más empleados son:
- Lagunajes
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- Humedales artificiales o lechos de macrófitas
Sistemas edáficos o de aplicación al terreno
En este tipo de tratamientos el suelo es el agente activo, efectuando procesos
de depuración tanto en superficie como en su perfil descendente, pudiendo
combinarse con la acción de diferentes especies vegetales. En esta categoría
se incluyen los siguientes sistemas:
- Filtro verde
- Infiltración rápida
- Escorrentía superficial
- Lechos de turba y/o arena
De entre los sistemas de tratamiento natural disponibles, los humedales artificiales
parecen perfilarse en estos últimos años como los de mayor potencial de aplicación
para pequeñas comunidades y núcleos rurales, no sólo por su capacidad de
depuración a muy bajo coste, sino también por su elevada integrabilidad ambiental
en estos entornos.
El tratamiento de aguas residuales mediante humedales artificiales presenta un
elevado potencial de aplicación para muy diversas tipologías de agua, dando lugar a
una continua actividad de I+D+i con el objetivo de mejorar y optimizar estos
sistemas, lo que se manifiesta en el elevado número de publicaciones científicas
desarrolladas en esta temática.
¿En qué consisten los humedales artificiales?
Los humedales artificiales son sistemas biotecnológicos que reproducen los
procesos de depuración que tienen lugar en los humedales naturales, permitiendo la
combinación de procesos físicos, químicos y biológicos que surgen de la interacción
de las aguas residuales con el suelo, la atmósfera, los microorganismos, la vegetación
e incluso la fauna.
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Humedal artificial construido por Hydra en una pequeña población rural
Los humedales artificiales no requieren de ningún tipo de aporte energético ni
de reactivos químicos para alcanzar niveles de tratamiento secundario y terciario en
las aguas residuales.
Los humedales artificiales no sólo permiten
obtener un agua cristalina perfectamente
depurada, sino que además proporcionan un
agua “viva”, en el que conviven diferentes
especies animales y vegetales que conforman
un verdadero ecosistema.
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En lo que respecta a los procesos biológicos que tienen lugar en estos sistemas, la
combinación de condiciones aerobias, anóxicas y anaerobias permite generar
sinergias naturales entre los distintos tipos de microorganismos implicados, lo que
mejora los rendimientos y amplia el espectro de eliminación de sustancias
contaminantes. Una ventaja muy importante del sistema es que permite generar
condiciones aerobias de forma natural, mediante una transferencia activa de oxígeno
desde la atmósfera hasta el agua a través de la vegetación implantada, no requiriendo
de aireación mecánica de ningún tipo.
Los humedales artificiales habitualmente se emplean para la depuración de las aguas
residuales urbanas, si bien también se utilizan en el tratamiento secundario y terciario
de determinados vertidos industriales. Otras aplicaciones están relacionadas con el
tratamiento de las aguas de escorrentía pluvial, lixiviados de vertederos y la
deshidratación y estabilización de fangos biológicos.
Estos sistemas se encuentran totalmente implantados en países como Estados Unidos,
Inglaterra, Alemania, Francia, Dinamarca, etc, desde hace varias décadas, mientras
que en España la mayor parte de estos sistemas se han instalado en los últimos 5
años.
Dentro del sistema de humedales artificiales existen diferentes conformaciones
hidráulicas:
Humedal artificial de flujo libre o superficial (HFL)
Humedal artificial de flujo subsuperficial (HFS), que a su vez se dividen en:
- Flujo horizontal (HFSH)
- Flujo vertical (HFSV)
Antes de seleccionar la conformación o combinación de conformaciones más
adecuada para una determinada población, es preciso estudiar de forma
particularizada las exigencias establecidas para el medio receptor del vertido, la
disponibilidad de terrenos y su ubicación, etc.
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En la actualidad, los humedales de flujo subsuperficial (HFS) son los que
presentan un mayor número de ventajas operativas, tanto en su conformación
horizontal como en la vertical.
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4. Costes estimados de la solución de depuración
propuesta
La combinación de un sistema de tratamiento primario mediante fosa séptica o
tanque Imhoff con un sistema de tratamiento secundario mediante un humedal
artificial de flujo subsuperficial supone una solución de depuración idónea para
pequeñas poblaciones del medio rural.
El siguiente diagrama muestra la conformación de la solución de depuración
propuesta.
CAUCE
POBLACIÓN
Pretratamiento
COLECTOR
HUMEDAL ARTIFICIAL
FOSA/ IMHOFF
HUMEDAL
Alivio/by-pass
Registro
4
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¿Cuáles son los costes de ejecución de la solución de depuración
propuesta?
En la Tabla 6 se recogen los costes orientativos de la ejecución del sistema de
tratamiento primario (fosa séptica / Imhoff prefabricado) y del tratamiento
secundario (humedal de flujo subsuperficial), para pequeñas poblaciones
comprendidas entre 50 y 300 habitantes equivalentes. La solución de depuración
propuesta es directamente aplicable hasta una población de 1000 habitantes
equivalentes. Para poblaciones mayores es necesario evaluar de forma previa su
casuística particular (presencia de vertidos industriales y/o ganaderos, disponibilidad
de suelo, etc), para poder valorar la aplicabilidad de la solución propuesta.
Tratamiento Primario Tratamiento Secundario Total Población
Coste Ratio (€/h-eq) Coste Ratio (€/h-eq) Coste Ratio (€/h-eq)
50 6.500 130 17.200 344 23.700 474
100 11.800 118 30.900 309 42.700 427
150 14.000 93 44.000 293 58.000 387
200 16.800 84 57.000 285 73.800 369
250 20.200 81 69.500 278 89.700 359
300 22.300 74 82.000 273 104.300 348
Tabla 6. Costes de ejecución de la solución de depuración propuesta
Como se puede observar en los valores del ratio por habitante, la solución propuesta
es muy competitiva frente a otros sistemas convencionales aplicables.
¿Cuales son los costes de explotación y mantenimiento de la solución de
depuración propuesta?
La solución de depuración propuesta no tiene ningún coste energético asociado,
y tampoco tiene costes de gestión de fangos secundarios. Estos costes pueden
llegar a suponer hasta un 65% de los costes de explotación y mantenimiento de los
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sistemas de tratamiento convencional (30% energía y 35% gestión de fangos
secundarios).
Los costes de explotación y mantenimiento del tratamiento primario se limitan a la
extracción y posterior gestión de los fangos acumulados en la fosa o tanque Imhoff.
Los costes de explotación y mantenimiento del tratamiento secundario se limitan a
una siega periódica de la biomasa vegetal aérea.
La Tabla 7 recoge los costes de explotación y mantenimiento aproximados de ambos
sistemas de tratamiento.
Coste Tratamiento Primario Tratamiento Secundario Coste total
€/h-eq.año 3,50 4,00 7,50
€/m3 tratado 0,05 0,06 0,11
Tabla 7. Costes de explotación y mantenimiento de la solución propuesta
bajos costes de explotación y mantenimientoLos de la solución propuesta lo
convierten en un sistema de depuración sostenible económicamente en el medio
rural.
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