Evacuación y reutilización de aguas residuales

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EVACUACIÓN Y REUTILIZACIÓN DE AGUAS RESIDUALES

I. EVACUACIÓN DE AGUAS RESIDUALES.

I.1. INTRODUCCIÓN.

Con independencia de que las aguas residuales hayan sido o no sometidas a tratamientos de depuración, la forma de evacuación final será mediante: dilución en las aguas receptoras, vertido en el terreno para riego agrícola e infiltración en el subsuelo. Sin duda la evacuación mediante dilución en grandes masas de agua por vertidos en: lagos, ríos y mar, es el método más utilizado.

Cualquiera que sea la forma de evacuación utilizada, es preciso evaluar los efectos de las aguas residuales sobre el medio receptor. Estos efectos dependerán de las características del agua residual (caudal, tipos de contaminantes, concentraciones, temperatura, etc.) y de la capacidad de autodepuración del medio (que depende de su caudal o volumen, su contenido en oxígeno disuelto, etc.). No se debe superar la citada capacidad de autodepuración, con objeto de no dar lugar a la aparición de fenómenos de contaminación. También será necesario cumplir los requisitos legales relativos a vertidos (normas de la Comunidad Europea, nacionales, autonómicas y, en su caso, municipales).

Como ya se ha indicado, la forma más frecuente de evacuación de las aguas residuales es el vertido a lagos o embalses, ríos y mar, siendo estas dos últimos los más utilizados. Con objeto de no hacer excesivamente extenso el tema, entre estas dos formas de vertidos nos centraremos en el estudio de los que se realizan en el mar.

I.2. VERTIDOS AL MAR.

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de la costa adecuada, y distribuyéndola en el fondo del mar mediante difusores, o simples aberturas, con objeto de conseguir una gran dilución inicial. De esta manera, el agua residual se mezcla con el agua del mar, difundiéndose en todas direcciones, alcanzando la superficie donde la acción de las corrientes marinas inducidas por el viento aumentan la dilución. La dilución

final que se alcance indicará la eficiencia del vertido en cuanto a sus efectos contaminantes.

El diseño de un emisario requiere la especificación del diámetro y la longitud de la tubería sumergida, así como el número y el tamaño de los difusores o aberturas que distribuyen el agua residual en el tramo final del emisario. El diámetro de la tubería vendrá determinado por consideraciones económicas, en cuanto que un menor diámetro implica menor costo de inversión, pero producirá una mayor pérdida de carga y, por tanto, mayores costos de operación. Existen ábacos que determinan el diámetro más económico en función del caudal a transportar y de la longitud total. En el diseño de las tuberías se recomiendan velocidades de 0.60 a 0.90 metros/segundo a caudal medio, con objeto de evitar excesiva pérdida de carga. Las velocidades inferiores a éstas no supondrán problemas siempre que el agua residual haya recibido un pretratamiento preliminar para reducir el contenido de sólidos sedimentables. Por otro lado, se deberán evitarán las velocidades superiores a 3 m/s debido a la excesiva pérdida de carga que producen.

El diámetro y número de los difusores o de las aberturas se calcula para que la velocidad del chorro a la salida esté comprendida entre 4 y 5 m/s, distanciándose unos de otros entre 3 y 5 metros. El tramo difusor se orienta en dirección perpendicular a la corriente dominante. En la mayoría de los casos, las corrientes no muestran una dirección dominante, por lo que suelen usarse dos tramos difusores en forma de Y. Los orificios de los difusores deben ser circulares y con salida horizontal (la trayectoria del agua residual es mayor que si fuera vertical).

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Figura 2. Trayectoria del agua residual para salida vertical.

La longitud del emisario o distancia entre la costa y el tramo difusor, (tramo final del emisario que contiene los difusores o aberturas de salida), vendrá determinada por la dilución final que es necesario alcanzar. Esta dilución final será el resultado de tres fenómenos distintos: a) la dilución inicial, D1, producida por los difusores al verter el agua residual en forma de

chorro en el seno del agua marina; b) una segunda dilución, D2, como resultado de la acción

dispersante del agua del mar que provoca una difusión turbulenta en todas direcciones, principalmente en la dirección de la corriente dominante; y c) y un tercer factor de dilución, D3,

debido a la descomposición del residuo contaminante.

La dilución inicial aparece como consecuencia del mezclado turbulento que se produce al descargarse el agua residual a través de los difusores en forma de chorro. Para determinar el grado de dilución inicial debida a esta descarga, se utiliza el gráfico de la figura 3. Este gráfico tiene en el eje de ordenadas el parámetro Y0/D siendo Y0 la profundidad a la que se encuentra

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Figura 3. Gráfica para el cálculo de la dilución D1.

La variable en el eje de abcisas es el número de Froude definido por:

donde F es el número de Froude, V1 la velocidad de salida del chorro, ρ0 la densidad del agua

residual, ρm la densidad del agua del mar, g la aceleración de la gravedad y D el diámetro del

chorro de descarga. El término

ρ ρ ρ

0 0

m - suele alcanzar valores en torno a 0.026.

Para determinar la dilución producida por la acción dispersante de la corriente marina dominante, se puede utilizar el gráfico de la figura 4. En este gráfico, conocida la velocidad de la corriente dominante Vx, eje de la derecha, y la distancia desde la costa al tramo difusor, eje de la

izquierda, es posible situar un punto de la línea auxiliar, que unido con el punto correspondiente a la longitud efectiva del difusor, eje superior, determina la dilución buscada, eje inferior.

D g -V =

F

0 0 m

1

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Figura 4. Gráfica para el cálculo de la dilución D2.

El tercer factor de dilución viene determinado por la descomposición del residuo. A título de ejemplo señalar que en el caso de las bacterias suele admitirse que la disminución de su concentración sigue una cinética de primer orden, que da como resultado una variación de la concentración con el tiempo en la forma:

Ct = C0 e-k t

donde Ct es la concentración de bacterias al cabo del tiempo t, C0 la concentración después de la

dilución inicial, k la constante cinética y t el tiempo.

Si se emplea el tiempo en horas necesario para obtener una reducción del 90% en el número de bacterias por unidad de volumen, t90, la dilución debida a este fenómeno puede

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Figura 5. Gráfica para el cálculo de la dilución D3.

La dilución final alcanzada se calcula como el producto de las diluciones inicial, dispersante y de descomposición: Df = D1 x D2 x D3.

De acuerdo con lo indicado anteriormente, la longitud del emisario viene determinada por la dilución final que sea necesario alcanzar. En lo que respecta al material que hay que emplear, pueden seguirse varios criterios: el plástico presenta la ventaja de su pequeña pérdida de carga y de su resistencia al ataque químico. En cambio tiene el inconveniente de su fragilidad, por lo que es aconsejable protegerlo o enterrarlo.

La tubería de hierro es más resistente, pero también se corroe más, aunque puede protegerse con capas de poliéster y hormigón, además de las protecciones catódicas necesarias.

Para la limpieza periódica es aconsejable disponer de una compuerta con guillotina, en el punto más bajo de ésta. Cuando se abre la guillotina se expulsan al exterior los sedimentos internos del emisario, si los hubiera.

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desde el mar. Una vez que flota sobre el agua en la posición adecuada se deben abrir los difusores para hundirlo en el mar, a medida que se llena de agua.

Una vez que el emisario reposa en el fondo del mar, se debe anclar firmemente al fondo. El tramo que va desde la orilla hasta la profundidad en la que los temporales lo afectan, debe enterrarse.

EJEMPLO DE DISEÑO DE UN EMISARIO SUBMARINO.

Diséñese un emisario submarino para un caudal de agua residual de 40000 m3/día

para las siguientes condiciones:

1. Caudal punta: 80000 m3/día. 2. Pendiente de fondo: 1.25%.

3. Concentración de coliformes en el agua residual: 106/ml. 4. Corriente crítica en dirección a la costa: 6 m/min.

5. Longitud del difusor: 40 m.

6. Espaciamiento entre difusores: 3 m.

7. Velocidad de descarga, a caudal punta, en los orificios: 5 m/s.

8. Configuración del difusor en forma de Y con 20 m por cada lado. Los difusores están inclinados formando un ángulo de 45º respecto a la línea de costa.

9. T90 = 4 horas.

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SOLUCIÓN:

1. Nº de difusores = =13.3 m

3 m 40

(se usarán 14)

2. Área total orificios = =0.185m s/dÍa) (86400 m/s) (5 /dÍa m 80000 2 3

Área por orificio = =0.0132m /orificio 14

m

0.185 2

2

Diámetro orificio = =0.1298m 3.14

4 x m 0.0132 2

Se usarán 14 orificios con diámetro de 130 mm.

3. Determinación del tamaño de la tubería del emisario:

m 887 . 0 14 . 3 4 m 62 . 0 D 2 = × =

Se usará una tubería de 0.90 m de diámetro.

4. Determinación de la dilución total para una longitud de emisario de 1000 m.

a) Cálculo de la dilución inicial, D1.

A 1000 m de la orilla, la profundidad es: 1000 =12.5m 100 1.25 96 m 13 . 0 m 5 . 12 D

Y0 = =

Se ha usado ρ

ρ ρ

0 0

m - = 0.026

Según la figura 3 D1 = 48

m 0.62 = s/dÍa) (86400 m/s) (0.75 /dÍa m 40000 =

A 2

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b) Determinación de la dilución debida a la Dispersión, D2.

La longitud efectiva del difusor es:

Le = 2 (20 m) ·cos 45º = 28 m

Según la figura 4 D2 = 7.9

c) Determinación de la dilución debida a la descomposición, D3.

De acuerdo con la figura 5 D3 = 4.9

d) Cálculo de la dilución total, Dt.

Dt = D1 · D2 · D3 = 48 x 7.9 x 4.9 = 1860

5 Para distintas longitudes de emisario..

Factor de dilución Distancia de la costa,

m D1 D2 D3 Dt

300 17 2.1 1.6 57

600 30 4.4 2.6 340

1000 48 7.9 4.9 1860

1500 70 13.0 11.0 10000

2000 1000ª 24.0 24000

2500 1000 54.0 54000

3000 1000 120.0 120000

ª La experiencia que se tiene con los sistemas de emisarios existentes indica que la

dilución física máxima lograda (dilución inicial + dispersión en el transporte) se

halla cerca de 1000.

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Tabla 2. Longitud requerida por un emisario según los distintos tipos de tratamiento, indicados en el ejemplo.

Tipo de tratamiento

Reducción coliformes

%

Dilución requerida para cumplir la

normaª

Longitud requerida del

emisario, m

Primario 25 75000 2700

Primario + Cl2 25 + 98 1500 950

Fangos activados 90 10000 1500

Fangos activados + Cl2 90 + 99 100 400

ª Se supone que es de 10 coliformes por mililitro.

7. Para seleccionar el medio más económico se tendrán en cuenta los datos existentes sobre costes de los emisarios, plantas de tratamiento y cloro, junto con el tipo de interés a aplicar y la vida útil de la instalación.

II. REUTILIZACIÓN DE AGUAS.

II.1.INTRODUCCIÓN.

La reutilización del agua es un componente intrínseco de su ciclo natural. Además, los seres humanos vienen reutilizando las aguas residuales desde hace mucho tiempo, ya que después de ser vertidas a los cursos de aguas y tras su dilución con el caudal circulante, pueden ser nuevamente utilizadas (aguas abajo) para aprovechamientos urbanos, agrícolas e industriales. Esta forma de reutilización se denomina indirecta.

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II.2. VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LA REUTILIZACIÓN.

La reutilización planificada de las aguas residuales ofrece múltiples beneficios, entre los que destacan:

1. Subsanar la escasez de los recursos hídricos. Dado el aumento de la demanda de agua existente hoy día, es ciertamente atractiva la práctica de la reutilización de los efluentes, sobre todo en zonas de recursos de agua limitados, ya que supone a priori una fuente alternativa para cubrir la demanda de agua.

2. La disminución de los costes de tratamiento y vertido del agua residual. La reutilización de un agua residual ofrecerá una clara ventaja económica cuando las exigencias de calidad de la alternativa de reutilización considerada sean menos restrictivas que las definidas por los objetivos de calidad del medio receptor en el que normalmente se venía realizando el vertido.

3. Una reducción del aporte de contaminantes a los cursos naturales de agua.

4. Un aprovechamiento de los elementos nutritivos contenidos en el agua, especialmente cuando el agua regenerada se utiliza para riego.

5. Una mayor fiabilidad y regularidad del caudal de agua disponible. El flujo de agua residual es generalmente mucho más fiable que el de muchos de los cauces naturales de agua.

Frente a estas ventajas existen también inconvenientes para la reutilización directa de efluentes que llegan incluso a hacer inviable su práctica. Entre éstos se pueden citar:

1. El transporte del agua regenerada desde el punto donde se produce hasta el lugar donde va a ser reutilizada obliga a realizar inversiones importantes que pueden encarecer notablemente el precio de dicha agua.

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implica que existen casos en los que no se puede descuidar la calidad del agua regenerada.

II.3. TIPOS DE REUTILIZACIONES.

De una forma general sólo existen dos tipos de efluentes adecuados para la reutilización, los urbanos y los industriales, ya que aunque existen efluentes agrícolas éstos son normalmente difusos, lo que hace imposible su reutilización. El agua residual regenerada se puede emplear en múltiples usos, entre los que se pueden citar:

- Reutilización para riego. - Reutilización industrial.

- Reutilización urbana (incendio, limpieza, etc.). - Recarga de acuíferos.

II.3.1. Reutilización para riego.

La reutilización del agua para riego es una práctica muy extendida ya que tiene la ventaja de que los vegetales utilizan directamente para su crecimiento partes de las sustancias indeseables del agua residual, denominadas nutrientes.

Pero no todo son ventajas, ya que no siempre es factible la reutilización agrícola, debido principalmente a que el agua residual se genera y depura en las ciudades y su entorno próximo, pudiendo no existir en las cercanías campos de labor, lo que haría necesaria una fuerte inversión para su conducción y distribución. Además, la demanda de agua no es normalmente regular, dependiendo del clima, déficit de agua, superficie agraria útil y la demanda de los cultivos.

Por último, las aguas residuales urbanas tienen un alto riesgo sanitario por la contaminación bacteriológica y además el uso de aguas ricas en nutrientes puede tener un efecto negativo en la contaminación de acuíferos. Los factores que por tanto hay que tener en cuenta para una reutilización de agua regenerada en la agricultura son:

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3. Control bacteriológico. 4. Efectos sobre el suelo. 5. Contaminación de acuíferos.

En cuanto al proceso de regeneración será el adecuado para obtener las condiciones de calidad exigidas. Estas condiciones serán más severas cuanto mayores sean las posibilidades de contacto humano y más directo sea el consumo del producto agrícola.

Los efectos sobre el suelo pueden ser debido a dos factores. Por un lado los sólidos en suspensión, que pueden producir una colmatación en el suelo y causar problemas en los sistemas de riego, por lo que en general suele ser necesaria una filtración del agua antes de su reutilización para riego.

El segundo factor es la concentración salina del agua regenerada, que puede afectar directamente a la constitución del suelo, incluso determinar una alteración de la estructura y una reducción de la permeabilidad.

En la tabla 3 se muestra una clasificación de la calidad del agua basada en la concentración de sales disueltas y los tipos de cultivos (tabla 3) y en la tabla 4 se indican las concentraciones de cationes máximas recomendadas por la EPA en aguas reutilizadas.

Tabla 3. Calidad del agua regenerada en función de la salinidad (mg/l) y del tipo de cultivo que se va a regar con ella.

TIPO DE AGUA CULTIVOS

SENSIBLES

CULTIVOS SEMI-TOLERANTES

CULTIVOS TOLERANTES

Excelente <0.33 <0.67 <1.00

Buena 0.33 - 0.67 0.67 - 1.33 1.00 - 2.00

Permisible 0.67 - 1.00 1.33 - 2.00 2.00 - 3.00

Mala 1.00 - 1.25 2.00 - 2.50 3.00 - 3.75

Inutilizable >1.25 >2.50 >3.75

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METAL

RIEGO CONTINUADO Cualquier tipo de suelo

(mg/l)

USO A CORTO PLAZO Suelo alcalino o neutro

(mg/l)

Al 5 20 As 2 10 Be 0.1 0.5

B 0.75 2 Cd 0.01 0.05

Cr 0.1 1

Co 0.05 5

Cu 0.2 5

F 2 15 Fe 5 20 Pb 5 10

Li 2.5 -

Mn 0.2 10 Mo 0.01 0.05

Ni 0.2 2

Se 0.02 -

El control del contenido de sodio en el agua de riego es especialmente importante, dado que este ión tiende a reemplazar parcialmente a los cationes divalentes presentes en el suelo. Algunas propiedades físicas de los suelos, tales como la dispersión de las partículas y la estabilidad de los agregados, están estrechamente relacionadas con el tipo y proporción de los iones cambiables. Así, los iones divalentes y, en particular, el calcio proporcionan características favorables a los fenómenos de infiltración, mientras que el sodio adsorbido determina la dispersión e hinchamiento de los minerales de la arcilla, llegando, cuando su proporción es suficientemente elevada, a causar la dispersión del suelo y la consiguiente reducción de la permeabilidad.

Para predecir el efecto del sodio sobre el suelo se suele utilizar el índice S.A.R. (Sodium Adsorption Ratio) que viene dado por la siguiente expresión:

donde (Na+), (Ca+) y (Mg2+) son las concentraciones de sodio, calcio y magnesio expresadas en meq/l. La clasificación establece cuatro categorías o intervalos, que aparecen en la tabla 5.

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Tabla 5. Calidad de las aguas para uso agrícola, en función del S.A.R.

NOMENCLATURA CARÁCTER S.A.R. UTILIDAD

S1 Bajo contenido en

sodio

0-10 Puede usarse sin causar perjuicios, sólo son dañadas las plantas muy sensibles como frutales de hueso y aguacates.

S2 Contenido medio

en sodio

10-18 Se emplean en suelos de textura gruesa o suelos orgánicos con buena permeabilidad.

S3 Alto contenido en

sodio

18-26 En suelos de buen drenaje, intenso lavado y adiciones de materia orgánica. En suelos yesíferos no hay efectos perjudiciales.

S4 Muy alto

contenido en sodio

>26 Es inadecuada para riegos excepto si la salinidad es baja o media.

II.3.2. Reutilización industrial.

La reutilización de efluentes en la industria es también una práctica muy común, aunque de características diferentes a la anterior, ya que normalmente es la misma industria que produce el efluente la que lo reutiliza, una vez regenerado adecuadamente.

La reutilización industrial cumple con los dos objetivos importantes, por un lado el ahorro de agua y por otro evitar una contaminación del medio receptor. La reutilización industrial más extendida es la de los efluentes de refrigeración.

Otro caso frecuente de reutilización de efluentes industriales se produce en vertidos contaminados por sustancias muy tóxicas, como por ejemplo en las industrias de tratamiento de superficie con cadmio y cromo.

II.3.3. Recarga de acuíferos.

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BIBLIOGRAFÍA.

LA REUTILIZACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES. ACONDICIONAMIENTO Y USO. J. Sierra y L. Peñalver, CEDEX, MOPTMA, 1989.

LA CALIDAD DE LAS AGUAS CONTINENTALES ESPAÑOLAS. ESTADO ACTUAL E INVESTIGACIÓN. M. Alvarez Cobelas, F. Cabrera Capitán (Editores). Geoforma Ediciones, 1995.

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