Tratamientos no convencionales (CONAGUA 36)

Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento Diseño de Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales Municipales: Tratamientos no Convencionales 36 es nt ra s filt nja za a ar m rto Cá pa re a ic pt a s Fo sé va a ra n G are y 3 Carga (m) 4 2 1 0 1 2 s) flujo (l/ 3 4 comisión nacional del agua Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento Diseño de Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales Municipales: Tratamientos no Convencionales Comisión Nacional del Agua www.conagua.gob.mx Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento Diseño de Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales Municipales: Tratamientos no Convencionales ISBN: 978-607-626-031-9 D.R. © Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales Boulevard Adolfo Ruiz Cortines No. 4209 Col. Jardines en la Montaña C.P. 14210, Tlalpan, México, D.F. Comisión Nacional del Agua Insurgentes Sur No. 2416 Col. Copilco El Bajo C.P. 04340, Coyoacán, México, D.F. Tel. (55) 5174-4000 Subdirección General de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento Impreso y hecho en México Distribución gratuita. Prohibida su venta. Queda prohibido su uso para fines distintos al desarrollo social. Se autoriza la reproducción sin alteraciones del material contenido en esta obra, sin fines de lucro y citando la fuente. Con t e n i d o Presentación Objetivo general Introducción a los tratamientos no convencionales de aguas residuales municipales V VII IX 1. Filtración intermitente con arena 1 1.1 Generalidades 1 1.2 Objetivo 2 1.3 Descripción 2 1.4 Componentes 4 1.4.1 Medio filtrante 4 1.4.2 Sistema de distribución 5 1.4.3 Sistema de drenaje 5 1.4.4 Dispositivos de regulación 5 1.5 Funcionamiento 6 1.6 Ventajas y desventajas 6 1.7 Diseño 7 1.7.1 Criterios de diseño 7 1.7.2 Ejemplo de diseño para el sistema de filtración intermitente de arena 9 1.8 Construcción y especificaciones generales 14 1.9 Operación y mantenimiento 16 2. Sistemas de aplicación superficial al suelo 2.1 Filtro verde 17 18 2.1.1 Ventajas 18 2.1.2 Desventajas 19 2.1.3 Criterios de diseño 19 2.1.4 Diseño del filtro verde 20 2.1.5 Ejemplo de diseño 24 2.1.6 Operación y mantenimiento 27 2.2 Infiltración rápida 28 2.2.1 Introducción 28 2.2.2 Objetivos 29 2.2.3 Descripción 29 2.2.4 Pretratamiento del agua residual 32 2.2.5 Cuencas de infiltración 34 2.2.6 Remoción de contaminantes 35 2.2.7 Distancia entre el punto de infiltración y recuperación del agua tratada 36 2.2.8 Ventajas y desventajas 36 2.2.9 Diseño 37 2.2.10 Ejemplo de diseño 39 2.2.11 Operación y mantenimiento 40 3. Sistemas de aplicación subsuperficial al terreno 3.1 Zanjas filtrantes 3.1.1 Diseño hidráulico 3.2 Lechos filtrantes 3.2.1 Diseño hidráulico 3.3 Pozos filtrantes 3.3.1 Diseño hidráulico 4. Disposición de agua tratada 4.1 Riego superficial 43 43 44 48 48 52 52 55 55 4.1.1 Introducción 55 4.1.2 Criterios de calidad para el agua de riego 55 4.1.3 Características biológicas 65 4.1.4 Sistemas de riego 66 Conclusiones del libro 71 Bibliografía 73 Tabla de conversiones de unidades de medida 75 Ilustraciones 85 Tablas 87 P r e se n tac ión Uno de los grandes desafíos hídricos que enfrentamos a nivel global es dotar de los servicios de agua potable, alcantarillado y saneamiento a la población, debido, por un lado, al crecimiento demográfico acelerado y por otro, a las dificultades técnicas, cada vez mayores, que conlleva hacerlo. Contar con estos servicios en el hogar es un factor determinante en la calidad de vida y desarrollo integral de las familias. En México, la población beneficiada ha venido creciendo los últimos años; sin embargo, mientras más nos acercamos a la cobertura universal, la tarea se vuelve más compleja. Por ello, para responder a las nuevas necesidades hídricas, la administración del Presidente de la República, Enrique Peña Nieto, está impulsando una transformación integral del sector, y como parte fundamental de esta estrategia, el fortalecimiento de los organismos operadores y prestadores de los servicios de agua potable, drenaje y saneamiento. En este sentido, publicamos este manual: una guía técnica especializada, que contiene los más recientes avances tecnológicos en obras hidráulicas y normas de calidad, con el fin de desarrollar infraestructura más eficiente, segura y sustentable, así como formar recursos humanos más capacitados y preparados. Estamos seguros de que será de gran apoyo para orientar el quehacer cotidiano de los técnicos, especialistas y tomadores de decisiones, proporcionándoles criterios para generar ciclos virtuosos de gestión, disminuir los costos de operación, impulsar el intercambio de volúmenes de agua de primer uso por tratada en los procesos que así lo permitan, y realizar en general, un mejor aprovechamiento de las aguas superficiales y subterráneas del país, considerando las necesidades de nueva infraestructura y el cuidado y mantenimiento de la existente. El Gobierno de la República tiene el firme compromiso de sentar las bases de una cultura de la gestión integral del agua. Nuestros retos son grandes, pero más grande debe ser nuestra capacidad transformadora para contribuir desde el sector hídrico a Mover a México. Director General de la Comisión Nacional del Agua V Ob j et i vo ge n e r a l El Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento (MAPAS) está dirigido a quienes diseñan, construyen, operan y administran los sistemas de agua potable, alcantarillado y saneamiento del país; busca ser una referencia sobre los criterios, procedimientos, normas, índices, parámetros y casos de éxito que la Comisión Nacional del Agua (Conagua), en su carácter de entidad normativa federal en materia de agua, considera recomendable utilizar, a efecto de homologarlos, para que el desarrollo, operación y administración de los sistemas se encaminen a elevar y mantener la eficiencia y la calidad de los servicios a la población. Este trabajo favorece y orienta la toma de decisiones por parte de autoridades, profesionales, administradores y técnicos de los organismos operadores de agua de la República Mexicana y la labor de los centros de enseñanza VII I n t roducc ión a los t r ata m i e n tos no con v e nc iona l e s de agua s r e si dua l e s m u n ic i pa l e s Como respuesta al problema de contaminación y carencias de servicios de alcantarillado, la Comisión Nacional del Agua (Conagua) analiza diferentes opciones tecnológicas de disposición de excretas y tratamiento de aguas residuales aplicables a las condiciones del medio rural. Los municipios se ven limitados al proporcionar servicios de saneamiento en el medio rural y zonas marginadas debido a la falta de tecnología de bajo costo, por lo que los habitantes de estas comunidades tienen que solucionar el problema del tratamiento de las aguas residuales. Considerando esta situación, se deben proponer y desarrollar tecnologías que puedan adaptarse a las necesidades de dichas comunidades. El objetivo principal de este libro es presentar alternativas de tratamiento de aguas residuales que permitan combatir y prevenir la contaminación de las fuentes de agua disponibles en pequeñas comunidades de la forma más económica posible. Las tecnologías presentadas son las siguientes: filtración intermitente de arena, sistemas de aplicación superficial al suelo y sistemas de aplicación subsuperficial al suelo. Para el caso de México los sistemas de aplicación de agua residual al suelo son una alternativa atractiva debido a la unión de dos factores: Las regiones áridas donde la producción agrícola depende del riego y el bajo costo asociado al tratamiento. IX X 1 F i lt r ac ión i n t e r m i t e n t e con a r e na 1.1 Ge n e r a l i da de s Dentro de estas tecnologías, el proceso de filtración intermitente con arena es una alternativa de Las comunidades rurales se enfrentan a una tratamiento del agua residual sencillo, eficiente variedad de condiciones socioeconómicas y y confiable. Sus costos, por lo general, son acce- territoriales que causan que la construcción y sibles para las comunidades y los recursos para operación de instalaciones sofisticadas para el el diseño de construcción, operación y manteni- tratamiento de aguas residuales sean difíciles miento, se encuentran usualmente disponibles a de llevar a cabo. Estos problemas se relacio- nivel local o pueden adquirirse en forma relativa- nan con las restricciones de descarga, altos mente fácil. costos per cápita, financiamientos, así como presupuestos de operación y mantenimiento La filtración intermitente con arena es un proce- limitado. so para el tratamiento de pequeños caudales de agua residual que pueden aplicarse en comuni- La cobertura de alcantarillado en zonas rurales dades rurales con un rango de población de uno es limitada, debido principalmente a los costos a cien habitantes. de construcción y de mantenimiento, sin embargo es de vital importancia para la salud y el La instalación de estos sistemas no se ve afecta- bienestar de la sociedad en su conjunto, contar da por el clima, ya que se pueden construir en con una red de alcantarillado o un sistema al- clima seco, templado o caluroso e incluso du- ternativo de saneamiento para el tratamiento y rante la temporada de invierno. En este último disposición adecuada de los residuos. caso, en las zonas nevadas se debe remover la superficie del lecho para formar surcos y lomos, Por lo anterior, el agua residual proveniente de de tal modo que las aguas residuales heladas for- viviendas individuales y comunidades pequeñas men una cubierta de hielo apoyada en los lomos en localidades sin alcantarillado puede ser trata- y las subsecuentes aplicaciones encuentren paso da por sistemas de tratamiento en el sitio. Aun- hacia el filtro por los surcos bajo el hielo. que existe una diversidad de estas tecnologías, sólo unas pocas de ellas pueden, en principio, Una característica peculiar de los filtros inter- satisfacer plenamente las necesidades específi- mitentes de arena es la calidad del líquido que cas de las comunidades rurales. se obtiene de ellos y que no requiere de un tra- 1 tamiento posterior. En una instalación bien pla- La aplicación del líquido sobre la superficie de are- neada y operada, el líquido resultante es claro, na se lleva a cabo a través de un sistema de dis- incoloro y brillante, está completamente vitrifi- tribución superficial y opera aplicando el efluente cado, es estable y no contiene sólidos sedimen- del tanque séptico o laguna facultativa en forma tables, aunque a veces, en periodos muy distan- periódica o intermitente, hasta alcanzar una dife- ciados, puede aparecer una pequeña cantidad de rencia de presión predeterminada, y limitada por sólidos. La eficiencia en la eliminación de bacte- la zona muerta disponible. En este punto el lecho rias se encuentra entre el 98 y 99 por ciento, la es drenado y limpiado y el líquido tratado se colec- reducción de la demanda bioquímica de oxígeno ta en el sistema de drenaje localizado en el fondo es del 90 por ciento y la de los sólidos en suspen- del filtro. Comúnmente el efluente es descargado sión es del 75 por ciento. Incluso un filtro inter- desde el filtro hasta un campo agrícola o dispues- mitente de arena puede usarse en sistemas de to en algun cuerpo de agua superficial (Metcalf & recirculación de albercas igual que en sistemas Eddy, 1991; Middlebrooks, 1995). de tratamiento de agua residual municipal. Otra ventaja del proceso, es que puede usarse como Las partículas de sólidos suspendidos de 5 a 8 una unidad de pulimento en sistemas lagunares. mm se acumulan en la cima del filtro y obstruyen la superficie, evitando una efectiva infiltración del agua. Cuando esto sucede, el filtro es 1. 2 Ob j e t i vo puesto fuera de servicio para remover la capa de arena obstruida. La arena removida puede El principal objetivo al aplicar un proceso de ser lavada y reusada. Con un diseño apropiado filtración intermitente de arena es contar con de los filtros, es posible proporcionar de cua- un método sencillo y confiable de tratamiento tro a seis meses de operación libre de mante- de aguas residuales domésticas, por medio de nimiento (Living & Wahlberg, 1990; Middle- la remoción de microorganismos y materia en brooks, 1995). En la Ilustración 1.1 se presenta suspensión contenida en el agua. Además, este el esquema de un filtro intermitente de arena. proceso se presenta como una alternativa que En la Ilustración 1.2 se muestra el filtro antes se puede combinar con otros sistemas de trata- de ser empacado. miento para elevar la calidad del efluente. La mayoría de estos filtros se construyen por 1. 3 De sc r i p c ión debajo del nivel del suelo, aunque también se pueden usar filtros abiertos; estos últimos se La filtración intermitente de arena es un proceso distinguen por su superficie superior abierta a de purificación del agua que consiste en hacer la atmósfera. En climas fríos, generalmente los pasar el agua residual a través del lecho filtrante filtros abiertos están provistos de una cubierta de arena u otro material finamente granulado, para minimizar el mantenimiento e incremen- lo que retiene la materia orgánica y los sólidos tar la temperatura con calor solar (Metcalf & suspendidos presentes en el agua. Eddy, 1991). 2 Ilustración 1.1 Esquema de un filtro intermitente de arena, a) vista del plano, b) sección transversal del filtro Efluente del tanque séptico Tapón enroscado Barrera Bajodren perforado de 4”, orificios de 0.5” 5” en el centro 2” a 120º cara abajo Drenado con tapón A A Línea de PVC 2” sencillo o doble Orificios Tubería PVC 1” a) Vista en planta Suelo nativo Tela filtrante de nylon Drenado Sistema de con tapón Distribución Barrera Roca de dren límpio Efluente Grava fina Bajodren de 4” b) Corte A - A 3 Ilustración 1.2 Instalación de filtro intermitente de arena 1.4 Com p on e n t e s Para asegurar un funcionamiento adecuado del proceso de filtración, el espesor del estrato de Básicamente, los filtros intermitentes de arena arena debe ser de 90 cm y, como mínimo, de 60 constan de un medio filtrante, un sistema de centímetros. La capa de arena se sostiene sobre distribución superficial, un sistema de drenaje y tres capas de grava de diferentes tamaños que dispositivos de regulación del filtro. cubren el sistema de drenaje hasta una altura de por lo menos 15 cm por encima de los mismos 1.4.1 Medio filtrante (Hilleboe, 1995). El medio filtrante generalmente consiste en En general, la eficiencia y el grado de remoción una capa de arena limpia seleccionada por su de sólidos mediante la filtración depende de tamaño efectivo y coeficiente de uniformidad. las características y propiedades del medio fil- Normalmente se elige un tamaño efectivo que trante, esto es, permeabilidad, porosidad y ta- oscila entre 0.20 a 0.30 mm y un coeficiente maño del poro. La efectividad del tratamiento de uniformidad menor de 3.5 (Middlebrooks, y el proceso de ventilación dependen de que la 1995). arena y grava sean óptimamente seleccionadas. 4 1.4.3 El desplazamiento del aire requiere que el medio Sistema de drenaje sea totalmente permeable, por lo que hay que tener presente que la permeabilidad del aire o El sistema de drenaje es la tubería localizada en del agua puede ser reducida con una saturación el fondo del filtro, colocada en una zanja, cu- parcial de la humedad. La permeabilidad del bierta y rodeada de grava limpia con un tamaño aire es mayor a bajos niveles de saturación y la de 2 a 4 centímetros. La tubería puede ser de ba- del agua es mayor sólo si está cerca de la satu- rro o tubería PVC perforada de 3 a 4 pulgadas. ración completa. Por lo tanto, es recomendable En caso de usar este último tipo, la tubería de- seleccionar un medio que drene completamente berá colocarse con una pendiente no menor de el agua residual (Hills & Krone, 1971). 0.55 cm para lograr un escurrimiento eficiente dirigido hacia un colector, conectado en forma 1.4.2 Sistema de distribución perpendicular a la dirección de las zanjas. 1.4.4 El objetivo del sistema de distribución es aplicar el agua residual sobre el lecho de arena y con- Dispositivos de regulación siste en tubería perforada o de juntas abiertas, instaladas sobre la superficie de arena a junta El tanque regulador es un dispositivo para la perdida con abertura de 3 a 6 milimetros. El sis- aplicación intermitente del efluente en los fil- tema de distribución está conformado al inicio tros y su capacidad varía dependiendo del cau- por la línea de suministro que, generalmente, es dal a tratar de agua residual. La dosis puede tubería PVC de 2 a 6 pulgadas. Esta línea a su administrarse también mediante sifones auto- vez conecta el tanque de bombeo al múltiple que máticos, por bombeo, o haciendo funcionar a se localiza exactamente a la entrada del filtro mano válvulas convenientemente dispuestas. El para distribuirse, por último, con los laterales múltiple, que es el dispositivo de entrada sobre que descargan el líquido a través de los orificios la superficie del filtro adaptado para distribuir con los que cuenta esta tubería. La tubería de el líquido entrante, se conecta en una configu- los laterales puede ser PVC de 2 pulgadas. En la ración “H” con los laterales en el sistema de Ilustración 1.3 se presenta un esquema del sis- distribución y puede ser tubería PVC de 2 a 6 tema de distribución. pulgadas (Perkins, 1990). Ilustración 1.3 Esquema del sistema de distribución de un filtro intermitente de arena Laterales del sistema de distribución Tubo de PVC Medio filtrante Afluente 5 1. 5 F u nc iona m i e n t o física (Hilleboe, 1995). En el funcionamiento de un filtro intermitente de arena, la tasa de filtra- Los mecanismos de tratamiento en los filtros ción es crítica poder operar adecuadamente. Por intermitentes de arena es en parte mecánica y tanto, cuando ocurre un taponamiento frecuen- en parte biológica. El funcionamiento mecáni- te del filtro, se debe atender para evitar que su co ocurre en el lecho de arena, en el que gracias funcionamiento se vea afectado. Como los filtros al tamaño y graduación definidos se realiza una superficiales no son accesibles para su manteni- filtración que retiene las partículas de los sóli- miento y reparación, la carga hidráulica aplicada dos suspendidos, así como la materia orgánica de área de filtración debe moderarse. presente en el agua residual. La parte biológi- 1.6 ca esta influenciada por la granulometría de la arena, ya que debido a los poros pequeños y Ve n ta ja s y de s v e n ta ja s a los lodos acumulados se forman conglomerados de microorganismos en la superficie y Las principales ventajas de un sistema de filtra- debajo de ella. Así se lleva a cabo la filtración ción intermitente de arena son las siguientes: asociada a un proceso de degradación biológica • Puede utilizarse para pulir efluentes de sis- de la materia orgánica. temas lagunares La operación intermitente del filtro consiste en • Costos de operación relativamente bajos llenar la zanja con el agua, por medio de las lí- • Operación y mantenimiento sencillo neas de distribución al nivel de éstas o por en- • El efluente tratado no requiere sedimentación posterior cima, de manera que cuando la zanja se drene completamente podrá ser admitida la siguiente • Adaptable a comunidades pequeñas dosis. Esta forma de dosificación facilita la venti- • Obtención de una alta calidad del efluente apta para reúso agrícola lación al dejar que se vacíe en intervalos el filtro y se obtenga un suministro de aire fresco. Este proceso aerobio es fundamental para la oxidación Entre las principales desventajas del sistema se de la materia orgánica. Considerando que la oxi- pueden mencionar las siguientes: dación se lleva a cabo por medio de microorganismos predominantemente aerobios, en el lecho • Requerimientos de área de arena se ofrecen las condiciones óptimas para • Aplicación para pequeños caudales de agua la remoción de DBO y la conversión de nitrato de • Se necesitan cantidades de arena considerables amonio (nitrificación). Por la acción bacteriológica, la conversión de nitrato a gas nitrógeno (denitrificación), ocurre con una significativa pérdida Esta tecnología requiere de áreas extensas de de nitrógeno (arriba del 45 por ciento). La deni- terreno para su instalación, además de arena trificación es conducida por bacterias anaerobias para su funcionamiento después de cada pe- que coexisten en microambientes anaerobios riodo de limpieza, de manera que los costos de entre el lecho filtrante. Otros constituyentes es- construcción y mantenimiento pueden resultar pecíficos son removidos por adsorción química y elevados. 6 1.7 Di se ño En sistemas pequeños que requieren limpieza manual, el lecho individual no deberá superar 1.7.1 Criterios de diseño los 90 metros cuadrados. Los sistemas grandes con equipos de limpieza mecánica deberán te- Los criterios de diseño para un filtro intermi- ner lechos filtrantes individuales con áreas arri- tente de arena que pueden llevar a un dimen- ba de 5 000 m2 (Middlebrooks, 1995). sionamiento definitivo del sistema e describen a continuación. 1.7.1.2 Grava y arena 1.7.1.1 Carga El tamaño de la arena está determinado más por la velocidad de filtración que por la acción bacte- La calidad del efluente depende casi siempre del riológica del filtro. El espesor de la capa de are- tamaño efectivo de arena. Cuando la DBO y los na no debe ser menor de 0.9 m para asegurar un sólidos suspendidos se encuentran por debajo de tratamiento del agua residual. Cuando se tienen los 30 mg/L, podrían satisfacer los requerimien- capas más delgadas, el agua residual puede atra- tos para un filtro de etapa simple con arena me- vesar el filtro sin recibir un tratamiento adecuado. dia, lo cual produce un adecuado funcionamiento Generalmente, las capas de arena se establecen del sistema. Si se requiere una mejor calidad del con un espesor de 0.9 a 1.0 m, pero cuando se efluente es necesario un sistema de filtración de dispone de arena en la localidad, la profundidad dos etapas, con arena fina en la segunda etapa. de las capas de arena no se limita. Hay filtros que funcionan con una tasa de fil- La arena seleccionada es usada normalmente tración que oscila entre 0.063 y 0.189 m /(m 2 como el medio filtrante y es descrita general- d), aunque otros funcionan con aportaciones mente por su tamaño efectivo y coeficiente de mayores a este rango. En otros casos, la tasa de uniformidad. El tamaño efectivo es el tamaño filtración para la operación de paso simple se en- percentil 10; por ejemplo, sólo el 10 por cien- cuentra entre 0.37 y 0.56 m /(m d). to de arena, por peso, es más pequeño que este 3 3 2 tamaño. El coeficiente de uniformidad es la reEn caso de que los sólidos suspendidos en el lación del tamaño percentil 60 al tamaño per- afluente del filtro excedieran los 50 mg/L, la centil 10 (Middlebrooks, 1995). tasa de filtración deberá reducirse de 0.19 a 0.37 m3/(m2 d), para incrementar la fluidez del fil- La arena para filtros de etapa simple deberá te- tro. El área total del filtro requerida para la ope- ner un tamaño efectivo entre 0.20 y 0.60 milí- ración de paso simple se obtiene dividiendo el metros, con un coeficiente de uniformidad me- nivel de flujo estimado del afluente por la tasa nor a 3.5 y con menos del 1 por ciento de arena de filtración seleccionada para el sistema. Podría menor de 0.1 milímetros. incluirse una unidad filtrante para permitir una operación continua cuando se requiera realizar El diseño de la profundidad de la arena en el le- la limpieza de la unidad por varios días. El mejor cho deberá ser al menos de 0.45 metros, más un arreglo es el de tres lechos filtrantes para permi- coeficiente de profundidad para mínimo un año tir una máxima flexibilidad. de ciclo de limpieza. Una operación de limpieza 7 1.7.1.4 Distribución sencilla podría remover de 0.025 a 0.05 m de arena y un filtro funcionando treinta días podría requerir 0.3 m de arena adicional. Normalmen- El líquido entrante se puede distribuir sobre el te se usa un lecho profundo de 0.9 m de arena, lecho de arena por medio de un sistema de tu- como ya se ha mencionado, para asegurar una bos. Cada salida o desagüe puede estar rodeado operación eficiente del filtro. de una losa de concreto de no más de 0.45 a 0.60 m de diámetro para evitar la erosión de la super- Sobre el drenaje se colocan tres o más capas de ficie de arena; estas salidas no deben estar espa- grava limpia y graduada; una capa de grava gra- ciadas a más de 9 a 12 metros. duada separa de 0.30 a 0.45 m la capa de arena desde los desagües. La capa del fondo se gradúa El sistema de tuberías debe proyectarse de modo de manera que su tamaño efectivo sea cuatro ve- que la velocidad no sea menor de 0.30 m/s cuan- ces más grande que la abertura en la tubería de do se disponga de carga suficiente y todos los tu- drenado. La capa sucesiva de grava es progresi- bos deben tener una pendiente dirigida hacia un vamente fina para prevenir intrusión de arena. mismo punto para facilitar el drenaje del sistema. Una alternativa es usar grava alrededor de la tu- Con el gasto indicado y dos aplicaciones por día bería de drenaje y membrana geotextil permea- con una lámina de 0.05 m en cada dosis, la aplica- ble para separar la arena de la grava. ción por hectárea y por día será de 1 063 metros cúbicos. Para la distribución pueden usarse tubos 1.7.1.3 Ciclo metálicos colocados en forma tal que el recorrido máximo lateral del líquido sea de 7 metros. En el funcionamiento de un filtro intermitente 1.7.1.5 Desagües de arena se considera normal hacer una aplicación de aguas residuales por día, aunque algunas instalaciones de este tipo funcionan sobre El efluente se extrae por debajo del filtro a tra- la base de hacer cuatro aplicaciones o dosis por vés de un sistema de drenes, a los cuales penetra día; otras aplican una dosis determinada a in- después de haber pasado a través del lecho de tervalos largos e irregulares. No es necesario in- arena. No hay dispositivos de regulación en la terrumpir el funcionamiento del filtro a menos salida, puesto que la velocidad de filtración se re- que haya señales de sobrecarga o de obstruc- gula por medio del aparato de dosificación y por ción. Se necesitan dos o más filtros para el man- la velocidad con que la dosis llega a él. El aparato tenimiento y descanso de los lechos. El tanque de dosificación debe responder rápidamente a las de dosificación debe tener una capacidad sufi- variaciones de gasto del líquido entrante. ciente para cubrir el lecho con una lámina de 0.25 a 0.10 m del líquido en una sola aplicación Los drenes inferiores para los filtros intermiten- y el sifón debe descargar un gasto aproximado tes de arena suelen estar constituidos por tubos de 6.15 L/s por cada 100 m de superficie. Cada con juntas abiertas, con el manguito a 6 o 9 mm dosis debe filtrarse en la superficie de 20 a 30 del hombro del cubo. Las juntas deben cubrirse minutos después de cada aplicación al filtro. cuidadosamente con grava clasificada de 5 a 6 2 8 Tabla 1.1 Criterios de diseño recomendados para filtros intermitentes de arena Factor de diseño Rango Recomendado 0.25 0.5 mm 0.35 mm Medio filtrante Tamaño efectivo Coeficiente de uniformidad Profundidad <4 3.5 45-90 cm 60 cm Tipo grava durable y lavable Tamaño 9.52-19.06 mm Tipo abertura o tubería perforada Tamaño 7.6-10.16 cm Inclinación 10.16 cm 0 - 1.0 % Diámetro de tubería 2.54-5.08 cm 3.18 cm Diámetro de orificio 3 - 6 mm 3 mm Carga sobre el orificio 0.9-1.5 m 1.5 m Espacio lateral 0.46-1.22 m 0.61 m Espacio de orificio 0.46-1.22 m 0.61 m Tasa de filtración 0.0162-0.0407 m3/(m2 d) 0.0244 m3/(m2 d) Carga orgánica 2.44-9.76 gr DBO/(m2 d) < 4.88 gr DBO/(m2 d) 3 - 6 veces/d 4 veces/d 0.5-1.0 0.5 Parámetros de diseño Frecuencia de dosis Volumen del tanque de dosificación Remoción 90-98 % Coliformes 98-99 % Sólidos en suspensión 75 % mm para impedir la entrada de arena en el dren. dependiendo de los resultados de presión en la Los drenes inferiores deben establecerse a una tubería de distribución obtenidos, que presentan distancia no mayor de 4.5 m y en los casos de algunas restricciones y que serán mencionadas material más fino o de lechos poco profundos se más adelante en el cálculo del sistema. adoptará una distancia menor. En la Tabla 1.1 se presenta un resumen de los criterios de diseño Por consiguiente, los datos iniciales para calcu- para filtros intermitentes de arena. El tamaño lar el tamaño del filtro son los siguientes: de la tubería de distribución depende del flujo = 770 / estimado. Caudal de diseño 1.7.2 L Tasa de filtración T f = 24.45 m2 d Ejemplo de diseño para el sistema de filtración intermitente de arena p Debido a que la tasa de filtración es baja, se esperan corridas de filtración mayores a dos me- El diseño para este ejemplo se realizará consi- ses, por lo que se justifica el uso de una unidad derando un rango de población de uno a cinco para todos los rangos de población diseñados. habitantes. Si bien este número puede variar, los 1.7.2.1 Tamaño del filtro datos iniciales como tasa de filtración, carga en los orificios del sistema de distribución y el tamaño de los orificios entre otros, pueden considerar- El área de filtración se determina con el caudal se constantes para el diseño de todos los rangos, de diseño dividido por la tasa de filtración. 9 QD A f = Tf líquido sobre el medio filtrante. La separación Ecuación 1.1 de laterales es de 0.61 m y se consideraron 4 dosificaciones al día. Entonces el área de filtración resulta: a) El número de tuberías laterales se deter- 770 L/d Af = = 31.49 m 2 2 24 45 d mina a partir del largo del filtro dividido entre la separación de laterales. Lf Ntl = S tl El tamaño del filtro se determina con el área de Ecuación 1.4 filtración dividida por el número de filtros. Por tanto, el número de tuberías laterales Af Tf = N f resulta: Ecuación 1.2 5. 9 Ntl = 0.61 . 9 Para este ejemplo solo se considera una sola uni- b) El número de orificios, por lateral, se de- dad, por tanto el tamaño del filtro resulta: termina dividiendo el ancho de lateral por el doble del espacio entre laterales. 31.49 Tf = 1 = 31.49 m2 Bf Nqf = 2S tl Ecuación 1.5 Con el área obtenida se construirá un filtro de De esta ecuación, el número de orificios 5.40 m de ancho, para determinar el largo del por lateral resulta: mismo se divide el área del filtro por el ancho ob- Nqf = teniéndose un filtro de forma rectangular. Af Lf = B f 5 .4 = 4.42 . 5 2 ^0.61h c) La separación de orificios entre cada la- Ecuación 1.3 teral resulta de dividir el ancho del filtro entre el doble de número de orificios. Por tanto, la longitud del filtro resulta: f Bf Sqf = 2N qf 31. 49 = 5. 4 = 5. 83 . 5. 9 Ecuación 1.6 Por tanto, la separación de orificios resulta: 1.7.2.2 Sistema de distribución qf 5 .4 2 5 0.54 Para calcular el sistema de distribución se deter- La longitud de laterales se determina con la si- mina el número de tuberías laterales así como guiente ecuación: el número de orificios en cada una de ellas. Los Ltl = criterios de diseño de la Tabla 1.1 se tomaron para el cálculo del sistema de distribución del 10 Nqg Sqf 2 Ecuación 1.7 Con ello, la longitud de los laterales es: Para optimizar el funcionamiento de dosificación en filtros intermitentes, se debe usar un sistema 5 ^0.54h = 1.35 m Ltl = 2 de distribución presurizado. La tubería del sistema de distribución debe ser de un diámetro tal, que la descarga en cada orificio del sistema de distribución debe ser tan similar como sea posible. El número total de orificios se determinará de la siguiente forma: NT0 = 2N f Ntl $ Nqf Para sistemas en sitio, los flujos esencialmente Ecuación 1.8 iguales en los orificios se determinan ajustando el diámetro de tubería de distribución, es decir, Entonces el número total de orificios en el filtro la descarga en la tubería de distribución debe ser resulta: tan baja como la descarga a través de los orificios. Esta última puede ser determinada tomando di- NT0 = 2 ^1 h^9 h^5 h = 90 ferentes diámetros de tubería y orificios. La Ilustración 1.4 muestra el esquema general del filtro. Ilustración 1.4 Esquema general del filtro 5.9 5.4 0.49 0.69 Afluente 11 1.7.2.3 Determinación del gasto y nivel de descarga en cada lateral en el sistema de distribución Caudal por orificio (qn) De la Tabla 1.1 se tomaron los siguientes crite- donde: rios. Se consideró carga en los orificios de 1.5 C qn = Chnk Ecuación 1.9 = Coeficiente de descarga del orificio para este ejemplo es de 0.023 (Sotelo, 1994) metros, diámetro de los orificios de 0.003 m y tubería de 2 pulgadas (0.0508 m). k = 0.5 hn = Carga en orificio n, en m El análisis hidráulico se realiza a través del modelo en estado permanente del programa Epa- En la Ilustración 1.5 se muestra el caudal por net 2.0® (Para el uso de este y otros programas orificio resultante. de simulación matemática, refiérase al libro de Moderación hidráulica y de calidad del agua en Debido a que el gasto en los orificios está rela- redes de distribución del MAPAS). Para lo cual se cionado con la carga, se debe determinar si los deben calcular los siguientes parámetros. resultados son adecuados; para ello se calcula Ilustración 1.5 Resultados del modelo matemático -2.46458 0.02774 0.02759 0.02747 0.02738 0.02731 0.02727 0.02724 0.02723 0.02723 0.02774 0.02759 0.02747 0.02738 0.02731 0.02727 0.02724 0.02723 0.02723 0.02774 0.02759 0.02747 0.02738 0.02731 0.02727 0.02724 0.02723 0.02723 0.02774 0.02759 0.02747 0.02738 0.02731 0.02727 0.02724 0.02723 0.02723 0.02774 0.02759 0.02747 0.02738 0.02731 0.02727 0.02724 0.02723 0.02723 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.02774 0.02759 0.02747 0.02738 0.02731 0.02727 0.02724 0.02723 0.02723 0.02774 0.02759 0.02747 0.02738 0.02731 0.02727 0.02724 0.02723 0.02723 0.02774 0.02759 0.02747 0.02738 0.02731 0.02727 0.02724 0.02723 0.02723 0.02774 0.02759 0.02747 0.02738 0.02731 0.02727 0.02724 0.02723 0.02723 0.02774 0.02759 0.02747 0.02738 0.02731 0.02727 0.02724 0.02723 0.02723 12 el valor m, que es un valor decimal menor que Entonces, considerando un cárcamo circular de uno. Si este valor calculado es demasiado bajo 1.5 m de altura, el diámetro resulta: 0.5 4 ^0.3h 0.5 V 4 carcamo n = 0.5 m D = a rh k = d r ^1.5h (< 0.98), se deberá aumentar el tamaño de la tubería, es decir, el diámetro y la carga en orificio para ajustar. m= Caudal en el nodo ul timo Caudal en el primer nodo 1.7.2.5 Diseño del equipo de bombeo Ecuación 1.10 Para este ejemplo se determinó una bomba para Entonces, el valor m resulta: m= el suministro. 0.02723 0.02774 = 0.99 a) El caudal necesario es de 2.46 L/s (Ilustración 1.5). y la carga necesaria resulta Por tanto los resultados son adecuados para con- de 1.5 m (parámetro de diseño) más la tinuar con el diseño. altura del cárcamo (1.5 m), esto para garantizar el flujo en el sistema para un ni- 1.7.2.4 Cálculo del cárcamo vel mínimo en el cárcamo, la curva propuesta se presenta en la Ilustración 1.6 a) Para obtener el flujo descargado por cada b) La potencia de la bomba es obtenida con una de las cuatro dosis se divide el caudal el siguiente cálculo, con una eficiencia entre el número de dosificaciones por día: del 60 por ciento QD 770 Vdesc arg a = 4 = 4 = 192.5 L P= cQH B h N d 2.46L/s n^ 3 mh m 3 1 000 L/m 3 = 0.6 Nm = 120 4 s = 120 4 W 9 789 b) El tiempo de descarga es determinado dividiendo el volumen por descarga entre el caudal del orificio: desc arg a 192.5 2.46 P= 78.25 c) La capacidad del cárcamo se determina 120.4 W W = 0.16 HP 745.7 HP a partir del factor de Q máximo horario Este resultado debe ajustarse a una poten- igual a 1.4, que se establece en el libro cia comercial, como puede ser 0.25 HP de Datos básicos para proyectos de agua 1.7.2.6 Drenes potable y alcantarillado del MAPAS. Vcarcamo = Vdesc arg a Cvd 192.5 1.4 269.5 = 3 El cálculo del número de drenes para la recolección del líquido en el fondo del filtro se presenta 3 en la siguiente ecuación: 13 Ilustración 1.6 Curva de bomba propuesta Carga (m) 4 3 2 1 0 1 2 3 Caudal (L/s) Bf 5.4 Ndrenes = 3 = 3 = 1.8 . 2 Ecuación 1.11 4 un punto de descarga debidamente situado. Se recomienda construir el ancho de la zanja aproximadamente de 1.5 metros. Como se puede ver, la separación de drenes es de 2.7 metros. En la Ilustración 1.7 se presenta En caso de ser necesaria una segunda línea, ésta el arreglo general del filtro. podrá construirse colindando con la primera y duplicando el ancho de la zanja. En este caso 1. 8 Const ruc c ión y e spec i f ic ac ion e s ge n e r a l e s sólo se requerirá una tubería de recolección localizada a la distancia media entre las dos tuberías de distribución. Cuando el área de las zanjas de absorción sobrepase 170 m2 se recomienda A menos que los lechos sean de dimensiones muy instalar un elemento dosificador a la entrada. reducidas, los filtros intermitentes de arena es- Dicho elemento podrá ser un sifón, una bomba tán constituidos por dos o más unidades dotadas o cualquier otro sistema que cumpla con esta de sus correspondientes mecanismos de dosifica- función. El tamaño del tanque y del elemento ción, lo que facilita la distribución del líquido y el dosificador estará determinado por los caudales manejo de las unidades. Pueden ser construidos a tratar. Sobre los desagües y sobre el fondo en- en excavaciones y dispuestos en un banco de tie- tero de la zanja se colocan cuidadosamente tres rra compacta o de concreto reforzados. capas de grava limpia de un tamaño seleccionado, se cubren hasta una profundidad no menor La materia desplazada se dispone en diques ba- de 15 centímetros. Los tres tamaños de grava jos que lindan y separan las diferentes unidades oscilan entre los 3.3 cm para la grava gruesa, de un grupo. A los lados y los fondos se les da 1.9 cm para la media y 0.6 cm la grava más fina. forma de artesas o acanalamientos bajos parale- Cada una de estas capas deben colocarse de tal los, cada uno se coloca en una zanja con un des- forma que la más gruesa quede en el fondo, pos- agüe inferior. El líquido filtrado se descarga en teriormente la de tamaño medio y por último la un tubo colector transversal que lo lleva hacia grava más fina. Finalmente, por encima de todo 14 Ilustración 1.7 Arreglo general del filtro B Cárcamo Afluente Equipo de bombeo A A Vísta en Planta B Efluente Laterales Cárcamo Efluente Equipo de bombeo Corte A - A Laterales Laterales Efluente Corte B - B se coloca la arena que debe ser de un tamaño y filtrado a una velocidad de 0.30 a 1.22 metros por uniformidad aprobados (ver criterios de diseño segundo. El sistema de distribución es el último para arena). factor a considerar en el diseño, y consiste en un tanque de bombeo, línea de suministro, múltiple y El sistema de drenaje es tubería PVC perforada de 3 laterales de distribución. La bomba debe ser capaz a 4 pulgadas, que debe situarse con una pendiente de suministrar un gasto aproximado de 1.6 L/s a de 0.025 a 1 por ciento adecuada para desalojar el 6.15 L/s por cada 100 m2 de superficie del filtro. La 15 línea de suministro es generalmente tubería PVC cho muestra señales de obstrucción es necesario de 1 a 2 pulgadas conectada de la bomba hacia el romperla. La mayor parte de la acción del filtro múltiple. Éste, generalmente, es tubería PVC de 2 se lleva a cabo en la capa formada por los 12.5 a pulgadas que alimenta a dos o más laterales. 20.0 cm superiores del espesor del lecho pero, en ocasiones el lecho se obstruye tanto que es nece- Los laterales generalmente también consisten en sario levantar de 2 a 5 centímetros, además de la tubería PVC de 1 a 2 pulgadas que debe conec- trama seca de la superficie o aflojar la superficie tarse al múltiple en una configuración “H”; el mediante un pase de arado o de rastra. espacio entre ellos debe ser entre 5 y 13 metros. Es muy importante que no se permitan estancaLos filtros intermitentes de arena también pue- mientos sobre los lechos, pues éstos favorecen den construirse en forma circular, con paredes olores molestos y un efluente de menor calidad. de concreto y una columna central del mismo El estancamiento es un indicador de la nece- material, la cual sostiene un mecanismo gira- sidad de limpiar el lecho y, además, cuando la torio que distribuye el agua residual con mayor operación intermitente del filtro alcanza una eficacia. Debido a este diseño, en algunas partes predeterminada caída de presión, el lecho debe se acepta mayor aplicación de agua, que llega a ser drenado y limpiado. ser hasta 150 por ciento más de la que se puede aprobar para aquellos filtros dotados de puntos Cuando se incrementa la frecuencia en la caí- de alimentación fijos. da de presión o en el estancamiento del filtro, es necesario disminuir la dosis de aplicación u 1.9 Ope r ac ión y m antenimiento optimizar el pretratamiento, según sea el caso. Debe evitarse incorporar, por medio del arado, el material obstruido al resto del lecho, pues Como ya se mencionó anteriormente, el meca- quedaría en peores condiciones de las que tenía nismo de acción de este proceso es a través de cuando se observó el defecto al inicio. La su- una dosificación intermitente del agua residual perficie de los lechos debe mantenerse nivelada para cubrir la superficie del filtro, lo que forma para proveer una distribución uniforme del agua una lámina de 5 a 8 centímetros. A medida que residual, y no debe dejarse crecer hierbas o pas- el agua residual pasa hacia abajo a través de la to sobre ellos. arena, se arrastra el aire desde la superficie. En un lecho bien operado el material del filA medida que se aplica la dosis a un filtro de are- tro puede durar indefinidamente sin modifi- na, se forma en la superficie del lecho una capas carse, salvo en lo que se refiere a la reposición de materia orgánica. Esta capa se mantiene uni- de la arena que se pierde en las limpias del le- da por cabello, papel y otros materiales tenaces y cho. Sin embargo, si se hace funcionar un fil- pueden alcanzar un espesor de 8 a 12 mm antes tro con mucha intensidad, aunque la calidad del de que sea necesario quitarla. Mientras el filtro efluente pueda ser satisfactoria, será necesario esté funcionando con suficiente rapidez no es quitar la arena periódicamente y sustituirla necesario eliminar esta capa, pero cuando el le- (Middlebrooks, 1995). 16 2 Si st e m a s de a pl ic ac ión s u pe r f ic i a l a l s u e lo Tradicionalmente se planteaba el tratamiento de una acción combinada de vegetación, suelo y las aguas residuales como una acción de mejora microorganismos presentes en ellos. ambiental lineal y desconectada de su entorno. Sin embargo, dicho entorno puede ser aprove- En comparación con los sistemas convencionales, chado para el tratamiento de las aguas, de tal los sistemas de tratamiento de aplicación superfi- manera que la inversión de recursos económicos cial al suelo presentan las siguientes ventajas: para este fin puede resultar de beneficio para actividades productivas, incluso para la recupera- • ción de nutrientes contenidos en ella. Escasa necesidad de personal de mantenimiento • Consumo energético reducido El tratamiento natural utiliza y maximiza una • Baja producción de lodo serie de procesos que ocurren de forma natural • Alta calidad del efluente en el ambiente, en un espacio controlado, en el • Incrementa la fertilidad de terreno que se desarrollan una serie de ecosistemas que permiten la recuperación del agua, así como la Entre los factores limitantes para estos sistemas reintroducción al ciclo biológico de algunos com- se pueden mencionar los siguientes: puestos excedentes que se convierten en compuestos estables para el ambiente. • Se requiere mayor superficie de terreno disponible (entre 4 y 40 m2/hab, apro- La aplicación de agua residual al suelo implica el ximadamente) uso de plantas de la superficie y de la matriz del • Sólo pueden aplicarse a determinados suelo para su tratamiento. El reúso de afluentes tipos de descargas, con amplio conteni- tratados se ha incrementado en la agricultura ya do de materia biodegradable que tiene como metas promover la sostenibilidad • en esta actividad, preservar las escasas fuentes de No se pueden aplicar para el tratamiento de residuos tóxicos o peligrosos agua y mantener la calidad ambiental. En este tipo de tratamiento el suelo cumple dos Este tipo de tratamientos se clasifican en dos funciones. Por un lado, es el medio receptor de grupos: los de aplicación directa sobre el terre- las aguas residuales, lo que evita el vertido a no y los sistemas acuáticos. Ambos constituyen otros medios; por otro lado, es el agente activo, 17 pues tanto en su superficie como en su interior • Suelo arcilloso: diámetro de las partícu- se produce el proceso de remoción de nutrien- las menor a 1/16 mm, filtración lenta y tes, materia orgánica, microorganismos y otros efectiva componentes como metales pesados o micro • contaminantes orgánicos. Suelo de grava: tamaño de grano > 2 mm, filtración rápida y poco efectiva • El rasgo común a todos ellos es que el tratamien- Suelo de arenas y limos: 1/16 mm a 2 mm, funcionamiento intermedio to se consigue a través de los procesos físicos, químicos y biológicos naturales, desarrollados Debido a la presencia de plantas como árboles, en un sistema planta–suelo–agua. carrizos y juncos, las sustancias químicas del agua residual se asimilan en forma de nutrien- 2 .1 F i lt ro v e r de tes y por acción biológica se metabolizan gracias a los microorganismos de la materia orgánica. Este sistema consiste en el cultivo de masas fo- Estos microorganismos del suelo y de las raíces restales (árboles), que además de favorecer el de las plantas pueden llegar a remover hasta un tratamiento de las aguas residuales permiten la 85 por ciento de la materia orgánica presente en explotación maderera, con lo que se consigue el agua residual. de forma indirecta la protección de los bosques, la recarga artificial de acuíferos y la mejora de Por otra parte, la vegetación clorofílica asimila los la calidad de la atmósfera. La Ilustración 2.1 compuestos nitrogenados, fosfóricos y potásicos muestra un ejemplo de un filtro verde. que contenga la carga de aguas residuales, siempre que ésta se mantenga dentro de ciertos límites. El filtro verde tiene uno de los mayores potenciales de tratamiento de todos los sistemas de apli- Todo ello hace que este sistema de tratamien- cación al terreno, debido a la aplicación de cargas to de aguas residuales sea ecológico y eco- relativamente bajas sobre el suelo vegetado y a la nómico. No obstante, se debe tener cuidado existencia de un ecosistema muy activo en el sue- cuando se utilice la vegetación para consumo lo, a escasa distancia de la superficie. humano o de ganado, ya que en sistemas como este es posible la supervivencia y transmisión El tratamiento tiene lugar en niveles superiores de patógenos. del terreno, donde se encuentra una capa bioló- 2.1.1 gica activa. El filtro verde se considera una alternativa de • bajo costo que aprovecha la capacidad física, Ventajas Es una tecnología de bajo costo de mantenimiento y construcción química y biológica del suelo para dar trata- • Su operación es silenciosa miento a las aguas residuales. • Fomenta la reforestación y produce rentabilidad maderera La filtración está relacionada con las caracterís- • Se puede aprovechar terreno no cultivable ticas físicas del terreno (granulometría), para lo • Reduce el impacto ambiental de las aguas residuales rurales cual se recomienda: 18 • No requiere de personal especializado • (técnicos) para su operación • • 2.1.2 Área mínima de una hectárea por cada 200 habitantes Permite instalar nidos para pájaros in- • Trazado previo de colectores sectívoros • Profundidad del nivel freático mayor a No produce lodos 2 metros Desventajas 2.1.3.1 Selección del cultivo • Riesgo de contaminación del acuífero Las plantas se utilizan en los sistemas de aplica- • Se requiere una superficie grande de te- ción al terreno para: rreno (1 ha/ 200 hab, aproximadamente) • • Se pueden producir molestias como mal • Captar nitrógeno olor, hierbas, moscas y mosquitos • Mantener e incrementar las tasas de El exceso de nitrógeno en el agua pue- entrada de agua y la permeabilidad del de provocar el crecimiento desordenado suelo de los árboles y falta de lignificación, lo • Disminuir la erosión que a su vez puede causar que se rompan • Servir como medio para los microorga- ramas y copas, especialmente en zonas nismos con vientos muy intensos y constantes • • Restricciones climáticas: periodos muy Los cultivos pueden ser agrícolas o forestales. fríos o muy lluviosos Se hará referencia a estos últimos ya que, como No puede haber pozos ni tomas de agua se mencionó, los primeros pueden representar potable cercanas riesgos para la salud. En la fase inicial de crecimiento de los cultivos 2.1.3 Criterios de diseño forestales, la asimilación es baja (1 o 2 años), pero después crece rápidamente y permanece Para poder implementar un filtro verde se reco- constante hasta la madurez. En el caso de los miendan las siguientes características. árboles se deben considerar dos periodos vegetativos a lo largo del año; la actividad vege- • Población de 500 a 25 000 habitantes tativa de primavera-otoño es mayor que la de • Suelo semipermeable, ni arcilloso ni otoño-primavera. arenoso, con un cierto contenido de • • gravas Se deben escoger cultivos con alta tolerancia Aguas residuales no industriales (por al agua o a la humedad, es decir, aquéllos que los tóxicos) y sin contaminantes nocivos puedan permanecer un largo tiempo con al- para los cultivos tas humedades en el suelo sin sufrir daños ni Terreno llano disponible, a un mínimo de reducciones en la productividad. Esta caracte- 500 metros de la población en la direc- rística es muy importante para maximizar las ción de los colectores y contra el viento cargas hidráulicas de aplicación. Cabe mencio- 19 Ilustración 2.1 Ejemplo de un filtro verde nar que los cultivos forestales que presentan • Topografía mayor tolerancia son los árboles de hoja caduca • Número actual de habitantes y proyecciones de población y los que tienen un menor rendimiento son los pinos. Si bien la selección del cultivo es funda- • Tipo de descargas (habitacional, comercial, mental, hay poca información respecto a la ren- publica, industrial) tabilidad y las propiedades de eliminación de • Climatología tóxicos de las distintas especies vegetales, por • Infraestructura existente (red de agua po- lo que se suelen elegir álamos para estos fines table, red de alcantarillado sanitario y plu- (populicultura). vial, líneas de corriente eléctrica, telefónica, etcétera) 2.1.4 Diseño del filtro verde Complementariamente se debe proponer un 2.1.4.1 Datos iniciales predio para la instalación del filtro verde y para ello es muy importante tener claros los siguien- Al igual que para cada estudio y proyecto de tes aspectos: agua potable, alcantarillado y saneamiento, se requiere en primera instancia analizar las carac- • Uso de suelo terísticas de la comunidad de interés, esto es: • Título de propiedad 20 • Superficie ciertas especies de árboles, algunos cultivos agrí- • Características hidrogeológicas colas y algunos frutales. • Vegetación, fauna y acometida eléctrica Los cultivos forrajeros y forestales presentan una elevada capacidad de asimilación de nutrientes, Una vez obtenida esta información, se deberá: mientras que los volúmenes de agua requeridos • Analizar las aguas residuales son significativamente menores que los que de- • Hacer un levantamiento topográfico del mandan los cultivos agrícolas. predio y el trazo de colectores Las necesidades de pretratamiento se deben • Realizar un informe geológico considerar como una operación unitaria que se 2.1.4.2 Diseño hidráulico incorporará a otros procesos para conseguir un sistema de tratamiento completo. Al evaluar y seleccionar el sitio destinado para el filtro verde se deben considerar como fac- El tratamiento se hace necesario por razones re- tores más importantes la permeabilidad y la lacionadas con la protección de la salud pública, profundidad del nivel freático. Se puede de- el control de las condiciones desagradables, las cir que el suelo presenta condiciones óptimas limitaciones de los sistemas de distribución, la cuando: reducción de la presencia de constituyentes limitantes y aspectos relacionados con el terreno • El pH está entre 5.5 y 8.4 y los cultivos. El nivel de tratamiento puede va- • La conductividad eléctrica es menor de 4 riar dependiendo de la calidad del agua esperada Ω/cm o reúso y de las razones antes mencionadas. • La permeabilidad está entre 5 y 50 mm/h • El nivel freático está entre 0.6 y 1.5 m En las áreas forestales los niveles de pretra- • Las pendientes están entre el 2 y el 15 por tamiento se pueden reducir al mínimo consi- ciento en terrenos cultivados, en terrenos derando que las cosechas no serán consumidas no cultivados pueden ser superiores por humanos y que el grado de contacto con el residual sólo involucra a operadores (siempre La selección del cultivo es otro paso fundamental que el tratamiento no se establezca con fines en el proceso de diseño, ya que muchas de las recreativos). decisiones asociadas con el proyecto dependerán del tipo de cultivo. Los más adecuados son los que El método de distribución del agua residual se presentan una elevada capacidad de asimilación selecciona en las primeras etapas del diseño de nutrientes, alto consumo de agua, elevada to- preliminar, ya que la eficiencia de aplicación lerancia a la humedad del suelo, baja sensibilidad del sistema de distribución constituye un pa- a los constituyentes del agua residual y mínimas rámetro importante en las necesidades totales necesidades de control. Entre estos cultivos se de agua de riego. Los métodos de aplicación encuentran especies forrajeras perennes, turbas, pueden ser: 21 R = ^ ET - Pr h^1 + LRh • Aspersión • Riego superficial Ecuación 2.1 • Por goteo donde: La selección de uno u otro dependerá de las condiciones para su uso, de acuerdo con las necesi- R = Agua neta requerida por la vegetación (mm/mes) ET = Evapotranspiración (mm/mes) Pr = Precipitación respectivamente (mm/ mes) LR = Agua requerida para el lavado la cual suele variar entre el 10 y 25 por ciento del agua total aplicada (fracción) dades de cada tipo de cultivo. La carga hidráulica o dotación de riego es el volumen de agua residual aplicada por unidad de área de terreno en un determinado periodo (semanal, mensual o anual). Éste es el parámetro básico en el diseño y operación del sistema y puede ser determinado con base en el requerimiento de agua del cultivo, en la capacidad de asimila- Debido a que los sistemas, no aplican el agua ción hidráulica y en la capacidad de asimilación uniformemente sobre el área y una parte de esta de constituyentes del sistema suelo-planta para se pierde durante el riego, la carga hidráulica a asegurar que éste no sea degradado. aplicar se determina por la ecuación: 2.1.4.3 Carga hidráulica de diseño Lw R Lw ^ I h = Ea La carga hidráulica de diseño será el menor va- Lw ^ I h = lor obtenido de acuerdo a los requerimientos del cultivo; la asimilación hidráulica del sistema sue- ^ ET - Pr h^1 + LRh Ea Ecuación 2.2 Ecuación 2.3 lo-planta y la capacidad asimilativa de los constidonde: tuyentes, se tomará para el diseño el menor valor. En caso de que el menor valor sea la carga basa- Lw (I) = Carga hidráulica basada en los da en la capacidad asimilativa de constituyentes, será necesario realizar una comprobación de los requerimientos de agua del cultivo valores mensuales correspondientes y adoptar el (mm/mes) menor de ellos para el diseño. Ea = Eficiencia de aplicación del sistema de aplicación (fracción) Carga hidráulica basada en los requerimientos Carga hidráulica basada en la capacidad de asi- de agua del cultivo milación hidráulica del sistema suelo - planta La cantidad de agua requerida por un cultivo se define como la cantidad de agua necesaria para Por su parte, la carga hidráulica basada en la reemplazar el agua consumida por evapotrans- capacidad de asimilación hidráulica del sistema piración más el agua necesaria para el lavado suelo – planta se determina por la ecuación ge- del suelo. Puede ser definida por la ecuación: neral de balance de agua: 22 Lw ^ ph = ET - Pr + Pw basada en la capacidad asimilativa de nitrógeno Ecuación 2.4 se determina por la siguiente ecuación. donde: Lw ^nh = Lw (p) = Carga hidráulica basada en la capa- Cp ^ Pr - ET h + U ^100h ^1 - f h Cn - Cp Ecuación 2.5 cidad de asimilación hidráulica del donde: sistema suelo-planta (mm/mes) Pw = Velocidad de percolación, se basa Lw (n) = en el mínimo valor de la permea- Carga hidráulica admisible basa- bilidad en condiciones saturadas de da en la carga anual de nitrógeno los primeros 2.5 m de la columna (mm/año) estratigráfica (mm/mes) Cp = Concentración de nitrógeno total admisible en el agua percolada (mg/L) Para el diseño preliminar se puede emplear un valor máximo diario variable entre el 2 y el Cn = Concentración total de nitróge- 6 por ciento de la permeabilidad mínima del no en el agua residual aplicada suelo. (mg/L) f = La fracción del nitrógeno total Carga hidráulica basada en la capacidad asimi- aplicado eliminado por desnitrifi- lativa de constituyentes cación, volatilización y almacenamiento en el suelo Cada constituyente del agua residual puede ser U = Asimilación de nitrógeno del cultivo (kg/ha año) un factor limitante de la carga hidráulica dependiendo de su concentración en el agua residual, la capacidad de asimilación del sistema y de las El factor de conversión de 100 resulta del si- restricciones ambientales. La carga hidráulica guiente análisis dimensional: 6 mg kg 0.0001 ha kc 1x10 mg ma 1 m 3 ka 1 000 mm kE mm mm Cp 8 L B` Pr 8 año B - ET 8 año Bj + U : ha año D;a 2 1m 1 kg 1 000 L 1m mm Lw ^n h8 año B = mg mg B 8 B ^1 - f h Cn 8 L - Cp L h ^ h^ 8 mg B`8 mm Bj + < 100 mg mm F 8 mg B8 mm B + 8 mg mm B 8 mg B8 mm B año L año ^ Lh mm L año = = L año mg L año mg año mg 8 B 8 B 8 B L L L donde: De forma complementaria, la carga hidráulica basada en la capacidad asimilativa de constitu- Lw (C) = yentes puede obtenerse por: Lw ^ c h = ^10M h C Carga hidráulica basada en la capacidad asimilativa de consti- Ecuación 2.6 tuyente (cm/año) 23 = M donde: Capacidad asimilativa de consti- Q tuyente (kg/ha año) = C = Caudal medio diario de tratamiento (m3) Concentración del constituyente en el agua residual (cm/ha kg) = C Concentración de DBO promedio en el agua residual (mg/L) 12 000 Normalmente los cultivos forestales son los que = Cantidad de gramos de DBO presentan una mayor capacidad de asimilación por habitantes equivalentes de nitrógeno. A veces llegan a valores por enci- asimilados en una hectárea de ma de 400 kg/(ha año). terreno (g/ha) 2.1.4.4 Superficie necesaria Si la cantidad de agua residual excede la carga hidráulica de diseño, es necesario disponer de La superficie necesaria incluye el área cultivada, instalaciones para el almacenamiento del agua el área requerida para las instalaciones de pretra- residual, lo cual podría implicar que: tamiento, las zonas de amortiguación, los accesos y los depósitos de almacenamiento. La superficie • Se produzcan fermentaciones anaerobias, y de campo requerida se calcula a partir de la carga en consecuencia malos olores hidráulica de diseño con la siguiente expresión: 365QDvs A = 10Lw • Se produzcan lodos al sedimentarse los productos en suspensión en las aguas residuales Ecuación 2.7 2.1.5 Ejemplo de diseño donde: A = Superficie del campo (ha) Para ejemplificar el procedimiento de diseño Q = Caudal medio de agua residual se analiza la instalación de un filtro verde, de (m /d) acuerdo con los datos de la Tabla 2.1, que se ob- 3 Lw = Carga hidráulica de diseño (mm/año) tuvieron del sitio de estudio, y considerando un Dvs = Ganancia o pérdida neta de agua al- caudal de aguas residuales de 68 m3/día. macenada debidas a las precipitacio1. Se determina la carga de diseño de acuer- nes, evaporación y fugas en el depósito de almacenamiento (m /año) do con las tres condiciones: 3 a) Carga hidráulica basada en los reOtra forma de calcular las necesidades prelimi- querimientos de agua del cultivo, de nares de terreno para filtros verdes es a partir acuerdo con los datos mostrados en de la siguiente expresión. la Tabla 2.1, considerando un 25 por QC Aw = 12 000 ciento de agua para lavado y una efi- Ecuación 2.8 ciencia del 75 por ciento, la Tabla 2.2 presenta los resultados de aplicar la Ecuación 2.1 y la Ecuación 2.2 24 Tabla 2.1 Datos para ejemplo Mes Evapotranspiración Percolación Precipitación mm/mes mm/mes mm/mes Enero 20 288 87 Febrero 42 288 88 Marzo 88 288 80 Abril 93 288 61 Mayo 143 288 15 Junio 167 288 8 Julio 198 288 3 Agosto 188 288 0 Septiembre 131 288 9 Octubre 112 288 23 Noviembre 40 288 38 Diciembre 20 288 84 1 244 3 456 496 Anual Tabla 2.2 Agua neta requerida por la vegetación Mes (ET) (Pr ) R=(ET-Pr )(1+0.25) Lw(I)=R/Ea mm/mes mm/mes mm/mes mm/mes Enero 20 87 -83.75 -111.67 Febrero 42 88 -57.50 -76.67 Marzo 88 80 10.00 13.33 Abril 93 61 40.00 53.33 Mayo 143 15 160.00 213.33 Junio 167 8 198.75 265.00 Julio 198 3 243.75 325.00 Agosto 188 0 235.00 313.33 Septiembre 131 9 152.50 203.33 Octubre 112 23 111.25 148.33 Noviembre 40 38 2.50 3.33 Diciembre 20 84 -80.00 -106.67 S Anual 829.33 mm/año b) Carga hidráulica basada en la ca- 2.3 presenta los resultados de apli- pacidad de asimilación hidráulica car la Ecuación 2.4 a los datos de la del sistema suelo – planta. La Tabla Tabla 2.1 25 Tabla 2.3 Capacidad de asimilación hidráulica del sistema suelo – planta Mes (ET) (Pr) (Pw) Lw(p)=ET-Pr+Pw mm/mes mm/mes mm/mes mm/mes Enero 20 87 288 221 Febrero 42 88 288 242 Marzo 88 80 288 296 Abril 93 61 288 320 Mayo 143 15 288 416 Junio 167 8 288 447 Julio 198 3 288 483 Agosto 188 0 288 476 Septiembre 131 9 288 410 Octubre 112 23 288 377 Noviembre 40 38 288 290 Diciembre 20 84 288 224 S Anual 4 204.00 mm/año c) Carga hidráulica basada en la capaci- en el agua percolada de 8 mg/L, una dad asimilativa de constituyentes, a asimilación de nitrógeno de 375 kg/ través de la Ecuación 2.5 y conside- (ha año) y una concentración total rando una concentración admisible de nitrógeno de 20 mg/Litro 100 ha mg m 3 mm mg kg mm mm F 8 L ` 496 año - 1 244 año j + 375 ha año < kg m 2 L m Lw ^n h = mg mg ^1 - 0.25h 20 L -8 L mg mg mm mg mm mm 8 L ` - 748 año j + 37 500 L año 31 516 L año = = mg mg 7 L 7 L mm = 4 502.3 añ o La carga hidráulica de diseño será el hay perdidas, extracciones o almacena- menor valor obtenido de acuerdo a los miento de agua. requerimientos del cultivo, la asimila- Tabla 2.4 Comparación de resultados ción hidráulica del sistema suelo-planta y la capacidad asimilativa de los constituyentes. Por tanto se adopta como va- Lw(I) 829.33 mm/año Lw(p) 4 204.00 mm/año Lw(n) 4 502.30 mm/año lor de diseño el agua neta requerida por el cultivo A= 2. La superficie necesaria resulta de aplicar la Ecuación 2.7 y considerando que no 26 365 (68) (1) = 2.99 . 3 hectareas 10 (829.33) 2.1.6 Operación y mantenimiento • Trabajos silvícolas anuales, es decir, laboreo del suelo, podas y tratamiento de plagas • Si el cultivo se utiliza para la explotación de Una vez instalado el filtro verde, es importante madera será necesario prever la superficie establecer un programa de mantenimiento para a cortar y los trabajos de las subsiguientes que funcione adecuadamente. Será necesaria la repoblaciones presencia de cuando menos un operador que se • Conservación de las vías de acceso y de la encargue del manejo de las aguas y que realice infraestructura de riego las siguientes labores: Dado que la implantación de un filtro verde a) Limpiar anualmente las hierbas que pro- modifica las características del entorno de la liferen con rapidez, dada la riqueza or- población, es necesario contar con un progra- gánica y mineral del suelo. Considérese ma educativo como apoyo y complemento. Este que un crecimiento por encima de 1 m programa no solo debe tener fines informativos disminuye la penetración de la luz y difi- respecto al tema, sino que también debe plan- culta la fotosíntesis tear una actuación directamente relacionada b) Reparar los cauces con la mejora del medio ambiente y la influencia c) Controlar la población de mosquitos y de este sistema en la estética del entorno y en la otros insectos con pájaros insectívoros • salud del individuo. Sus objetivos son: Controlar la contaminación edáfica a diario. Abrir y cerrar las compuer- • Informar e interesar a la población sobre la tas de forma que se alternen las par- necesidad de tratar las aguas residuales celas de terreno • • Dar a conocer el filtro verde como una al- Limpiar los sedimentos que se ha- ternativa rentable y ecológica yan formado • • Prevenir los riesgos sanitarios Graduar la aportación continua de agua en primavera y otoño en re- Adicionalmente, se debe fomentar la aceptación lación con las necesidades volumé- del sistema con actividades de carácter recreati- tricas diarias. En caso de tormenta vo. Estas actividades deben abarcar a los distintos será necesario vigilar el depósito re- grupos poblacionales según sus características es- gulador y, antes de que se llene, de- pecíficas y el rol que desarrollan en la sociedad. Es rivar el caudal que baje por el emi- fundamental que el personal a cargo del filtro ver- sor. En caso de falla también habría de trabaje de manera conjunta con las autoridades que hacer lo mismo municipales, escuelas y asociaciones locales. Complementariamente, es neceario conside- También se requerirá realizar un adiestramien- rar un programa de mantenimiento anual que to sanitario para dilucidar el tipo de actividades incluya: que se deben llevar a cabo en su entorno, como 27 por ejemplo, la ingesta de hongos, la plantación Cuando el nivel del agua subterránea es de- de cultivos alimenticios, el pastoreo de animales, masiado profundo no se pueden utilizar dre- beber agua de una zona cercana, tener precau- nes subterráneos y el agua debe ser colectada ción por la fragilidad de las ramas. a través de una serie de pozos (tercer sistema, Ilustración 2.2c). Las cuencas de infiltración se Para este tipo de actividades se recomienda pueden colocar en dos líneas paralelas con una consultar el libro Cultura del agua del MAPAS. serie de pozos en medio de ambas. Para evitar que el agua tratada se disperse fuera del acuí- 2.2 I n f i lt r ac ión r á pi da fero del sistema, se pueden controlar las tasas de infiltración y bombeo de los pozos, con el fin 2.2.1 Introducción de proteger el nivel del agua subterránea en el acuífero adyacente; para ello se colocan pozos Los sistemas de infiltración rápida pueden pro- de observación en el extremo más alejado de las ducir agua tratada de suficiente calidad para cuencas de infiltración y se monitorea el nivel irrigación. Sin embargo, su movimiento dentro del agua en los pozos. del acuífero se debe controlar, para ello la Ilustración 2.2 muestra algunos sistemas. Cuando el agua tratada se recolecta para reúso directo se debe aplicar un postratamiento después El primer sistema (Ilustración 2.2a) representa de la infiltración rápida, principalmente para re- la situación en la que las cuencas de infiltración mover compuestos orgánicos no biodegradables rápida se localizan en sitios elevados y el agua que pueden resultar tóxicos para el hombre. Los tratada drena naturalmente hacia las corrien- métodos utilizados para eliminar dichos com- tes u otros cuerpos superficiales, desde donde puestos pueden ser adsorción por carbón activa- se puede utilizar nuevamente. En estos casos, do, adsorción por resinas y ósmosis inversa. Estas el nivel del agua subterránea debe controlar- opciones resultarán mucho más económicas como se para prevenir montículos de agua. Estos postratamiento en los casos en que las concentra- sistemas también se usan en lugares donde se ciones de carbón orgánico total son mucho meno- pretende reducir la contaminación de lagos o res, que como pretratamiento cuando dichas con- corrientes. En lugar de ser descargado directa- centraciones suelen ser de hasta 20 mg/litro. Sin mente al cuerpo de agua superficial, el efluente embargo, existen situaciones en las cuales el agua pasa primero a través del sistema de infiltra- tratada se dispersa en el acuífero de manera des- ción rápida para que eventualmente drene al controlada, posteriormente se recolecta en los po- acuífero como agua tratada. En el segundo sis- zos de recuperación y se utiliza para uso potable. tema (Ilustración 2.2b), no existe drenaje na- En estos casos es necesario proporcionar al agua tural hacia el cuerpo receptor, pero el nivel del residual un pretratamiento que resultará ser una agua subterránea es suficientemente alto para opción mucho más cara. Cuando el agua tratada que el agua tratada pueda ser colectada me- se utiliza para recarga de acuíferos subterráneos diante drenes. no debe ser clorada. A pesar de que el sistema de 28 Ilustración 2.2 Sistemas de infiltración con recuperación de agua tratada w Nivel freático D H K Capa Impermeable L a b Pozos de observación Pozos de observación c infiltración rápida puede producir efluentes de pozos o drenes subterráneos para su reúso buena calidad, se requieren costosos estudios de posterior suelo, por lo que se deben evaluar otros métodos • Recargar corrientes superficiales alimenta- de tratamiento con el objetivo de determinar cual das por mantos freáticos representa el costo más adecuado. • Almacenamiento temporal del agua tratada en los acuíferos 2.2.2 Objetivos • Evitar intrusión salina 2.2.3 Los principales objetivos que se persiguen al uti- Descripción lizar este tratamiento son: La infiltración rápida es un tratamiento que • Recargar el acuífero utiliza los procesos naturales físicos, químicos • Recuperar el agua tratada por medio de y biológicos del suelo para tratar agua residual 29 cruda, afluentes de tratamientos primarios, se- La estructura del suelo se refiere a la aglome- cundarios o terciarios. Las tasas de aplicación ración de partículas del mismo para formar son relativamente altas y el agua se percola hori- agregados de mayor tamaño. Los suelos bien es- zontal o verticalmente desde las zonas de aplica- tructurados con grandes huecos entre las aglo- ción, que suelen ser cuencas ubicadas en suelos meraciones transmitirán el agua más rápida- arenosos o de alta permeabilidad. Por cuenca se mente que aquéllos menos estructurados de la entenderá una cavidad hecha en el suelo y en la misma textura; para la infiltración se prefieren que se aplicará la infiltración. los primeros. El fondo de una cuenca puede estar cubierto por Los suelos de textura más fina y que están bien vegetación que tolere tanto condiciones húme- estructurados pueden filtrar grandes cantidades das como secas. Sin embargo, usualmente ésta de agua. Los movimientos de la tierra y las cons- no forma parte del sistema, ya que las tasas de trucciones pueden alterar o destruir la estructura aplicación son demasiado altas para que se lle- del suelo y cambiar significativamente la per- ve a cabo una efectiva retención de nutrientes, meabilidad natural. Para la infiltración rápida se aunque existen situaciones en las cuales la ve- prefieren los suelos arenosos de textura granular. getación es parte integral en la estabilización de 2.2.3.2 Tasa de infiltración y permeabilidad la superficie del suelo y ayuda a mantener altas tasas de aplicación. Un material es considerado permeable si con- 2.2.3.1 Textura y estructura del suelo tiene poros interconectados u otra forma similar a través de la cual el agua puede fluir. La La estabilización de la superficie del suelo y permeabilidad es una medida de la capacidad la tasa de aplicación son particularmente im- de los suelos para permitir el paso de líquidos portantes cuando la infiltración del agua es un a través de éste. factor de diseño. Los suelos se agrupan en tres tipos principales: suelos arenosos, cuya textu- La tasa de infiltración se define como la razón ra es granular (partículas grandes, con tama- a la cual el agua entra al suelo desde su superfi- ño de entre 0.5 y 2 mm); suelos para cultivo, cie. Aunque la tasa de infiltración medida en un de textura moderadamente granular (incluye sitio particular puede disminuir con el tiempo arenas finas, el tamaño del grano está en el debido al taponamiento de la superficie, la per- rango de 0.1 a 0.5 mm) y, finalmente, suelos meabilidad en la subsuperficie vertical general- arcillosos que pueden ser de textura media mente permanece constante; como resultado, (arena muy fina), moderadamente finos (arci- las medidas de infiltración a corto plazo se pue- lla y arena) y finos (arcilla y arcillo-arenoso, den utilizar como una estimación a largo plazo de 0.001 a 0.05 mm). de la permeabilidad vertical saturada. 30 Tabla 2.5 Ciclos de carga sugeridos para infiltración rápida Objetivo Tipo de tratamiento Primario Maximizar la tasa de infiltración Secundario Primario Maximizar nitrificación Secundario Primario Maximizar remoción de nitrógeno Secundario Estación Periodo de inundación Periodo de secado días días Verano 1- 2 5-7 Invierno 1 -2 7 - 12 Verano 1-3 4-5 Invierno 1-3 5-10 Verano 1- 2 5-7 Invierno 1 -2 7 - 12 Verano 1-3 4-5 Invierno 1-3 5-10 Verano 1- 2 10-14 Invierno 1 –2 12-16 Verano 7-9 10-15 Invierno 9-12 12-16 2.2.3.3 Porosidad costo de construcción, potencial de erosión y dificultan el acceso a las cuencas. En este sistema, Es la relación entre los huecos y el volumen total la evaporación que se presenta en las cuencas es del suelo. Se puede expresar como fracción deci- poca (ver Ilustración 2.3). mal en porcentaje. La porosidad se puede definir como la cantidad máxima de agua que un suelo El sistema debe operar de manera intermitente puede contener cuando está saturado. con el fin de permitir periodos de secado que restauren las condiciones aerobias necesarias para la 2.2.3.4 Funcionamiento oxidación de materia orgánica y nitrificación del amonio adsorbido, al mismo tiempo que se re- Como ya se mencionó, en este sistema el afluen- cuperan las características de permeabilidad del te a tratar se vierte al suelo con una alta tasa suelo. Las condiciones anaerobias que se presen- de aplicación del orden de 0.1 a 3.0 m /semana. tan durante los periodos de inundación tienden Mientras no exista una capa en la subsuperfcie a reducir la porosidad del suelo; también debe que impida el flujo vertical, el agua percolada existir en el perfil de éste una zona no saturada continuará su trayectoria por el subsuelo hasta necesaria para mantener las tasas de aplicación que se una a un acuífero superficial. Las aplica- deseadas. Solamente se necesitan 1.5 m para que ciones del agua se llevan a cabo por medio de as- se mantengan las condiciones adecuadas de no persores o distribuyéndola de manera uniforme saturación; un manto freático muy profundo no en áreas de infiltración relativamente pequeñas es condición para que se incremente la zona de (0.1 a 0.2 hectáreas). Los diques que las separan no saturación, además de que la difusión del oxí- forman cuencas no alineadas poco profundas. geno disminuye a más de 1 metro. 3 Las dimensiones recomendadas para la construcción de los diques son 0.6 m de ancho y 1.2 Los periodos de inundación y secado dependen m de alto pues cuando son menos anchos se di- de las condiciones climáticas, estación del año, ficulta su construcción y carecen de estabilidad. características del suelo, tipo de agua residual, hi- Por otro lado, los diques altos incrementan el drología y otros factores. Muchas veces es necesa- 31 Ilustración 2.3 Infiltración rápida Agua residual Evaporación Percolación a) Patrón hidráulico Cuencas de inundación Drenes subterráneos Percolación (zona sin saturar) Agua subterránea b) Recuperación de agua mediante drenes subterráneos Agua recuperada Pozos Percolación (zona sin saturar) c) Recuperación de agua mediante pozos rio realizar pruebas locales para diseñar el mejor plados, mientras que para climas fríos los perio- ciclo, aunque por lo general el líquido se aplica dos de secado son más amplios. por periodos de aproximadamente dos semanas, seguido de una a tres de secado antes de que se El percolado obtenido por medio de la infiltra- vuelva a iniciar la siguiente aplicación. En la Ta- ción rápida puede recuperarse con ayuda de dre- bla 2.5 se presentan los ciclos de carga sugeridos, nes subterráneos o mediante pozos; cuando se dependiendo del objetivo que se desee alcanzar, utilizan drenes, su profundidad debe ser de 1.8 tipo de agua residual y estación del año. Como se m o más; generalmente, el agua obtenida es de observa en la Tabla 2.6 los periodos de inunda- buena calidad. ción para efluentes primarios se deben limitar de 2.2.4 uno a dos días a pesar del objetivo o estación, con el fin de prevenir la obstrucción del suelo ocasio- Pretratamiento del agua residual nada por la mayor cantidad de sólidos suspendidos (SS). En cuanto a los periodos de secado, los En general, el nivel de tratamiento de preaplica- tiempos más cortos se aplican para climas tem- ción tiene como objetivo asegurar el desempeño 32 Tabla 2.6 Número mínimo de cuencas requeridas para un flujo continuo de agua residual y aplicación de un año (Sherwood1995) Periodo de inundación Periodo de secado día día 1 57 68 2 57 45 Número mínimo de cuencas 3 712 813 4 712 57 5 45 56 6 45 34 7 45 3 8 510 611 9 510 46 10 510 35 11 1 014 1 115 12 1 014 68 13 1 216 1 317 79 14 1 216 15 1 015 16 1 015 17 1 015 18 1 216 19 1 216 20 1 216 óptimo del proceso y es necesario por diversas reducirá la demanda bioquímica de oxígeno y razones, tales como: sólidos suspendidos, pero no afectará las concentraciones de nitrógeno (N) y fósforo (P). • Mejorar el sistema de distribución • Reducir condiciones adversas, si es nece- Un nivel equivalente de remoción de sólidos sario almacenar el agua residual suspendidos se puede lograr mediante una • Obtener el nivel más alto de remoción de laguna aireada seguida de una laguna de contaminantes del agua residual sedimentación, con tiempos de retención de • Reducir la obstrucción de los poros del suelo cinco y un día, respectivamente. La ventaja • Reducir el riesgo de impactos a la salud que presenta este último sistema es que se pública evita el manejo, tratamiento y disposición de lodos. El tratamiento biológico previo sólo En el caso de las aguas residuales municipales, puede ser económicamente factible cuando la el nivel adecuado para un tratamiento de pre- infiltración rápida se utiliza en asentamientos aplicación normalmente es sedimentación, que urbanos. 33 2.2.5 Cuencas de infiltración En los sistemas de infiltración rápida se prefiere un mayor número de cuencas pequeñas que La distribución espacial de la superficie de infil- cuencas de mayor tamaño, ya que las primeras tración, también llamada cuenca de infiltración, ofrecen mayor flexibilidad al seleccionar longi- depende tanto de la geometría del emplaza- tudes óptimas de los periodos de inundación y miento, como del ciclo operativo elegido. El área secado. En algunos casos se pueden tener cuen- de infiltración debe ser dividida en varias zonas cas como reserva, que se pueden utilizar cuando separadas, de forma que mientras unas reciben las otras estén en mantenimiento o cuando las agua, las otras se encuentran en etapa de secado. tasas de infiltración se encuentren por debajo El número y dimensiones de tales zonas deben del promedio, por ejemplo, cuando se presentan calcularse de forma que siempre se disponga de largos periodos de lluvia y no se puede propor- suficiente superficie (si no existen sistemas de cionar un periodo de secado para devolver al almacenamiento previo) para infiltrar el agua suelo la tasa normal de infiltración. producida por la población servida y que el nivel de secado, en cualquier época del año, sea el El número de cuencas depende del ciclo de apli- previsto en todas las cuencas. cación, disponibilidad de terreno y topografía del sitio, pero como mínimo se deben tener Otro factor limitante a la hora de determinar la dos. El tamaño de las cuencas (ancho y largo) geometría y dimensiones de las cuencas de infil- está controlado por las pendientes del terreno, tración es la situación del nivel freático y su va- número de cuencas deseadas, distribución del riación anual, las cuencas de infiltración crean sistema hidráulico y restricciones del agua sub- un domo de recarga bajo ellas, por tanto, para terránea. La decisión sobre el número de cuen- un correcto dimensionado del sistema es preciso cas que se inundarán afecta la distribución del tener en cuenta recomendaciones como (Met- sistema hidráulico. En la Tabla 2.6 se muestra el calf & Eddy, 1998): número mínimo de cuencas requerido para un flujo continuo de agua residual. 1. Geometría de la cuenca 2. Caudal medio de aplicación Cada cuenca debe tener su propio sistema de 3. Distancia vertical mínima hasta el nivel control de entrada y salida de flujo, así como una freático pendiente de aproximadamente 10 grados para 4. Distancia vertical hasta alcanzar un es- que toda el agua pueda salir por gravedad cuan- trato impermeable do se detenga la entrada del afluente y comience 5. Pendiente del nivel freático el periodo de secado. 6. Conductividad hidráulica horizontal del acuífero No deben existir sitios en desnivel para evitar 7. Espacio efectivo entre poros en el suelo que el agua continúe estancada y se desarrollen situado por encima del nivel freático algas; si esto sucede, las tasas de infiltración 8. Altura y distancia respecto a condiciones llegarán a ser tan bajas que tomará varios días de contorno horizontales (arroyos, ríos o antes de que desaparezcan los últimos centí- superficies de lagos) metros de agua, la recuperación de ésta será 9. Necesidades de seguimiento menor y el secado de toda la cuenca se llevará 34 a cabo en un periodo muy largo, lo cual no es debe ser igual a la profundidad final o recomendable. 1.5 metros, el valor que sea menor. La tasa de carga hidráulica para las áreas El efecto neto de todo esto es que las áreas no de relleno se basará en los resultados de drenadas en las cuencas reducirán la tasa de apli- estas pruebas cación, ya sea por una pobre recuperación de la • Al colocar el material de relleno en el infiltración en los sitios a desnivel o por requerir área de infiltración, el suelo debe estar periodos extra largos para el secado. La profundi- seco dad del agua en las cuencas de infiltración normal- • El suelo areno-arcilloso con un conteni- mente es de 0.10 a 0.60 metros. Cuando las pro- do de arcilla de 10 por ciento o más no fundidades son mayores, las tasas de infiltración es confiable para usarse como material normalmente se incrementan, aunque también de relleno en las cuencas aumenta el crecimiento de algas, lo que provoca • La secuencia de construcción en suelos que se generen los efectos antes mencionados. Se secos es: esperaría que cuando la profundidad del agua en 1. la cuenca sea menor, la infiltración disminuya, sin Cortar o rellenar a la elevación especificada embargo, si ésta es mayor las algas no tienen tiem- 2. Rastrillar el fondo de las cuencas a po para desarrollarse. Por esta razón, una menor una profundidad de 0.6 a 1 m en profundidad de agua producirá mayores tasas de dos direcciones infiltración que profundidades más grandes, sobre 3. todo durante los meses de verano. En invierno las Retirar de la superficie el material apelmazado (Sherwood, 1995) algas son mucho menos activas y se espera que las 2.2.6 tasas de infiltración se incrementen al aumentar la profundidad del agua. Cuando se van a construir Remoción de contaminantes las cuencas se debe tener cuidado especial para no compactar las superficies de infiltración, ya que La remoción de contaminantes se realiza ha- la permeabilidad puede variar dependiendo del ciendo pasar el agua por el suelo y la filtración contenido de humedad al momento de la compac- es el principal mecanismo que opera en este tación. De ser posible, en la construcción se debe sistema. La carga de SS, DBO y coliformes fe- evitar usar materiales de relleno (debe ser material cales son removidos en la mayoría de los ca- poroso), porque ocasionaría que se utilice equipo sos. En general se espera que, cuando se tratan de construcción que podría dañar las propiedades efluentes primarios o secundarios a través de hidráulicas del suelo. Con base en la experiencia 4.5 m de suelo, la calidad del agua percolada en la construcción de sistemas de infiltración rápi- sea la siguiente: da que utilizan materiales de relleno, se recomienda lo siguiente: • Se debe hacer una prueba de inundación • DBO < 5 mg/L • SS < 2 mg/L • Nitrógeno total > 10 mg/L en una cuenca utilizando el material de relleno que se vaya a ocupar para todo Altas concentraciones de DBO en el afluente a el sistema. La profundidad del relleno tratar proporcionarán una fuente adicional de car- 35 2.2.7 bono para las bacterias denitrificantes y se puede llevar a cabo la remoción de nitrógeno del agua residual; además, estimulará la capacidad de los microorganismos para degradar compuestos or- Distancia entre el punto de infiltración y recuperación del agua tratada gánicos normalmente no biodegradables, si existe otro sustrato en mayor cantidad. Por otra par- La distancia óptima entre las cuencas de infiltra- te, la remoción de fosfatos varía de 70 a 99 por ción y el punto donde el agua tratada abandonará ciento, dependiendo de las características físicas el acuífero depende de la calidad del afluente de y químicas del suelo. El principal mecanismo de agua residual que se descargue en el terreno, de remoción de este contaminante es la adsorción los materiales del suelo, acuífero y requerimien- y en menor escala, la precipitación química. tos de calidad para el agua tratada. En general, la Esto implica que la remoción decrecerá confor- distancia del flujo subterráneo debe ser tan larga me el suelo se vaya saturando. La concentración como sea posible; una distancia razonable pue- del fósforo total debajo de las cuencas debe ser de ser de al menos 100 metros. El tiempo de re- aproximadamente < 1 mg/litro. Sin embargo, no tención del agua en el sistema subsuelo-acuífero existe un tipo de suelo óptimo para llevar a cabo debe ser por lo menos un mes. la remoción de contaminantes antes mencionados. Los suelos de textura fina, tales como tierras Estos sistemas deben ser diseñados para que la dis- para cultivo, son muy efectivos en la remoción de tancia entre el fondo de la cuenca de infiltración y DBO, nitrógeno, fósforo, SS y coliformes fecales, el manto freático, durante los periodos de inunda- pero este tipo de suelo tiene la desventaja de po- ción, no se incremente a más de 0.3 metros. seer las tasas más bajas de operación y una menor capacidad de almacenaje para los sólidos. Por otro Un aumento sobre este nivel puede “regresar” el lado, los suelos arenosos o de textura más grue- agua infiltrada y reducir la tasa de infiltración. sa no podrán inmovilizar grandes cantidades de Cuando una cuenca es drenada, el nivel del agua nitrógeno en la forma de amonio o complejos de subterránea debe disminuir relativamente rápido a fósforo. una profundidad de aproximadamente 1.2 m cuando se trata de arena y a 1.8 m en suelos más finos. La ventaja que tienen es que permiten grandes 2.2.8 cargas de DBO y periodos de descanso más cortos Ventajas y desventajas después de aplicar las cargas. La remoción de coliformes fecales es muy efectiva en suelos arenosos, En el caso específico de la infiltración rápida, pero definitivamente será muy limitada en grava. cuando la superficie de las cuencas está cubierta Si la arena es muy gruesa, puede ser necesario ac- por vegetación, existen las siguientes ventajas: tivar la superficie del suelo mediante la aplicación continua de agua residual durante un periodo de • Se mantienen las tasas de infiltración tres a cinco días, lo que favorecerá el desarrollo • Se remueven los SS por filtración de microorganismos en la superficie del suelo, y • Se presenta una remoción adicional de nu- en consecuencia se incrementará la remoción de trientes, si la vegetación se corta una vez al coliformes fecales. año 36 Al igual que cualquier otro proceso de tratamien- La selección de sitios para la infiltración rápida to, también éste presenta algunas desventajas: requiere especial consideración con respecto a la topografía, tipo de suelo y uniformidad del • Incremento en el mantenimiento de las mismo; la caracterización del perfil del suelo cuencas debe ser al menos 3 m de profundidad. Los si- • Profundidades menores de inundación para tios con numerosos cambios en el relieve sobre evitar ahogamiento de la vegetación una pequeña área no son buenas opciones para • Periodos más cortos de inundación para la infiltración rápida. Cualquier suelo que con- promover el crecimiento de vegetación tenga una fracción de arcilla mayor del 10 por ciento se debe excluir como opción para la cons- 2.2.9 Diseño trucción del sistema, sobre todo si se requiere rellenar el área para el diseño. 2.2.9.1 Metodología Los requerimientos de terreno incluyen: cuenAl igual que para cada estudio y proyecto de cas para infiltración, caminos de acceso, trata- agua potable, alcantarillado y saneamiento, miento de preaplicación y una zona de amorti- se requiere en primera instancia analizar las guamiento o área para futuras expansiones. características de la comunidad de interés, es decir: Los suelos extremadamente no uniformes no son excluidos en el desarrollo del sistema, pero • Topografía si se seleccionan, se incrementa significativa- • Número actual de habitantes y proyec- mente el costo y la complejidad en la investiga- ciones de población ción del sitio. • Tipo de descargas (habitacional, comercial, publica, industrial) Obtenida esta información, los pasos a realizar • Climatología serán: • Infraestructura existente (red de agua potable, red de alcantarillado sanitario 1. Determinar la tasa de infiltración y se- y pluvial, líneas de corriente eléctrica, leccionar un factor de seguridad con base telefónica, etcétera) en pruebas realizadas en el sitio donde se desee aplicar el tratamiento Complementariamente se debe proponer un área 2. Definir la trayectoria hidráulica de de infiltración, para la cual se deben tener claros acuerdo al perfil del suelo e hidrología 3. Determinar los siguientes aspectos: los requerimientos de tratamiento • Uso de suelo • Título de propiedad • Superficie • Características hidrogeológicas 4. Seleccionar el nivel de tratamiento de preaplicación 5. Calcular la carga hidráulica anual y las cargas orgánicas para DBO y SS 37 6. Calcular el área de campo que las cuencas se inunden de manera constante 7. Determinar requerimientos de almace- a una profundidad relativamente uniforme du- naje y cubierta vegetal rante todo el periodo de aplicación. Esto se pue- 8. Revisar el nivel del agua subterránea de controlar desde la conducción que alimenta 9. Seleccionar el ciclo de carga hidráulica final la cuenca. 10. Determinar la tasa de aplicación 11. Determinar el número de cuencas La capacidad del sistema de distribución se de- 12. Determinar la remoción de nitrógeno, fine considerando los requerimientos de caudal fósforo, DBO, etcétera máximo y de área de campo. Esta capacidad se 13. Distribución del agua 14. Determinar los calcula mediante: requerimientos de CAD Q = FH monitoreo 15. Calcular la descarga (agua subterránea) donde: Q = C = A = D = F = H = y recuperación (agua superficial) 2.2.9.2 Diseño hidráulico El área de aplicación puede determinarse mediante la ecuación: A= CQm 365 Lw = = = = capacidad de descarga (L/s) constante igual a 28.1 área de campo (hectáreas) profundidad de aplicación (cm) número de días del ciclo completo (días) número de horas de operación (horas) La capacidad del sistema es útil para determinar Ecuación 2.9 el tamaño de la conducción principal, la capacidad de los equipos de bombeo, los requerimien- donde: A C Qm Lw Ecuación 2.10 tos de almacenamiento y el tiempo de operación. Superficie de aplicación (ha) Factor de conversión = 10-4 ha/m2 Caudal medio de agua residual (m3/día) Tasa anual de aplicación (m3/año) 2.2.9.3 Tasa de carga hidráulica El diseño para un sistema de infiltración rápida Esta ecuación no considera los requerimientos está limitado por las características hidráulicas de terreno para la construcción de diques que del perfil del suelo, ya que se deben aplicar gran- separen las cuencas y caminos de acceso. Final- des volúmenes de agua en áreas relativamente mente, el clima no es un factor para el diseño. pequeñas. También se debe considerar la tasa de carga hidráulica por ciclo, capacidad de infil- En lo referente al transporte del agua, ésta puede tración del suelo, ciclos de inundación, secado y conducirse hasta las cuencas de infiltración por permeabilidad del subsuelo. medio de tubería o canales abiertos; las salidas en ambos casos pueden ser a través de válvulas; La tasa potencial de infiltración es aquélla a la que deben dimensionarse adecuadamente para cual se esperaría que el agua residual se infil- que las pérdidas de carga hidráulica sean poco tre en el suelo durante un determinado perio- significativas. Posteriormente, el sistema de dis- do. Para calcularla, es necesario considerar la tribución repartirá agua a una tasa que permita naturaleza cíclica de las cargas hidráulicas en el 38 sistema, la variabilidad normal de las condicio- de carga orgánica resulta en requerimientos de nes del sitio y las limitaciones de las pruebas de terreno de 200 a 400 m2 por cada L/s de gasto campo, sobre todo a pequeña escala. Un peque- medio. ño porcentaje de la tasa potencial de infiltración se usa para propósitos de diseño y para calcular Las experiencias con aguas residuales de indus- la tasa de carga hidráulica anual. trias vinícolas han mostrado que las tasas de carga de DBO superiores a 670 kg/ha pueden Si se llevan a cabo pruebas de infiltración en presentar problemas de olores. Un efluente pri- las cuencas, el factor de seguridad para la car- mario con aplicación de 8 cm/día y con un nivel ga hidráulica puede estar en el rango de 7 a 15 de DBO de 150 mg/L, puede generar 120 kg/ por ciento. Se utilizan los valores de 7 a 10 por (ha d) de carga de DBO, que no crea problemas ciento cuando las características del sitio y los de olores. resultados de las pruebas presentan variacio- 2.2.10 Ejemplo de diseño nes; cuando éstas son pocas, el rango recomendado es de 10 a 15 por ciento. La selección de un factor específico depende del número y tipo El objetivo es determinar las tasas de carga hi- de medidas de campo, así como de la variabili- dráulica y de aplicación para un sistema de infil- dad o uniformidad de las condiciones del suelo. tración rápida que utiliza un efluente primario. Cuando se realiza un gran número de pruebas El diseño pretende maximizar la tasa de infiltra- de campo, los resultados no varían ampliamen- ción. De las pruebas de inundación en la cuenca te y las condiciones del sitio son uniformes, se se obtuvo una tasa de 4 cm/hora. pueden utilizar mayores factores de seguridad. 1. Si el perfil del suelo fuera uniforme y no En general, la carga hidráulica media es de 0.02 existieran condiciones de taponamiento, a 0.3 m /(día m2) dependiendo de las caracte- esta sería la tasa potencial de infiltración rísticas del suelo, que equivale a requerimientos anual a la cual el agua puede infiltrarse de terreno de 288 a 4 320 m por cada L/s de continuamente durante todo un año en gasto medio. una cuenca. Debido a que esto no ocu- 3 2 rre, es necesario utilizar un factor de se- 2.2.9.4 Tasa de carga orgánica guridad para el diseño. h a d k `4 cm h ja24 d k 365 año m = 350.4 año (100cm/m) La carga orgánica se encuentra en el rango de 2.2 a 11.2 g DBO/(día m2). Para aguas residuales municipales esta limitación de carga orgánica reduce en la práctica la aplicación de carga 2. Cálculo de la tasa de aplicación anual hidráulica a un rango de 0.02 a 0.08 m /(día para el diseño. Como los resultados de m ) equivalentes a requerimientos de área de 1 las pruebas fueron variables, el rango 080 a 4 320 m por cada L/s de gasto medio. En apropiado para el factor de seguridad el caso de efluentes secundarios, la restricción es de 7 a 10 por ciento. Se selecciona el 3 2 2 39 punto medio del rango como valor para al comienzo de cada ciclo. Esta tasa es menor el cálculo, esto es 8.5 por ciento. que la proporcionada por las pruebas: cm h 4 h a24 d k m = 0.96 d cm 100 m m m Lw = (0.085) 350.4 año = 29.78 año Este valor es la cantidad de agua que se puede aplicar al sitio durante un año si Lo que quiere decir que el agua aplicada se in- no hay restricciones estacionales, de filtrará tan pronto como se completen los dos mantenimiento, o ciclos especiales que días de inundación, dejando los 12 días de seca- incluyan inundaciones muy cortas segui- do para que se restablezcan las condiciones del das por periodos de secado muy largos. suelo. Después de un largo periodo de operación Si las cuencas no operan durante todo el se puede presentar obstrucción en los poros del año es necesario reducir proporcional- suelo y eventualmente se requerirá manteni- mente la tasa de aplicación anual miento. Suponiendo que durante el segundo día 3. Determinación de la tasa de aplicación. de aplicación la tasa de infiltración medida (0.96 Como se pretende maximizar la tasa de m/día) se reduzca en 25 por ciento, se calcula infiltración, se selecciona un ciclo de el tiempo total requerido para que se infiltre el carga de dos días de inundación y 12 días agua aplicada. de secado, correspondientes a las condiSi el tiempo total del ciclo es de 14 días (dos de ciones de invierno (Tabla 2.5) inundación y 12 de secado), el tiempo calcu- tasa de aplicación Tasa de aplicación = anual para el diseño por ciclo ciclos por año ciclos por a o = lado permite tener 11 días para el secado del suelo. d 365 a o ciclos d = 26 a o 14 ciclo 2.2.11 Operación y mantenimiento Tasa de aplicación diaria: Los sistemas de infiltración rápida instalados en climas fríos pueden operar alrededor de un año en forma exitosa. Es esencial la protección tér- m 29.78 año m ciclos = 1.145 ciclo 26 año mica adecuada para la tubería, válvulas y estaciones de bombeo. La formación de hielo dentro o sobre la superficie del suelo constituye el prin- Tasa de aplicación diaria: m 1.145 ciclo 2 ciclo cipal problema a evitar. Las precauciones que se deben tomar son las siguientes: = 0.572 m • Se deben combinar una aplicación superficial entre crestas, surcos y una delgada pe- El valor de 0.572 m/día es el promedio de apli- lícula de hielo “flotante” que proporciona cación diaria durante los dos días de inundación protección térmica al suelo y descansa so- 40 bre la parte superior de las crestas a medida nera intermitente. La longitud de secado para que el agua residual se infiltra en los surcos cada una de ellas debe registrarse en cada ciclo. • Incorporar “cercas” de nieve en las cuen- Un incremento en el tiempo requerido para el cas, seguidas por la inundación abajo de la secado puede ser un indicador de la necesidad capa de nieve de mantenimiento. • Diseñar una o más cuencas para carga continua durante condiciones extremas. Estas Si la superficie de infiltración se mantiene sin cuencas deben tener un largo periodo de vegetación será necesario que antes de cada descanso durante el siguiente verano aplicación se remueva y afloje la tierra para • Retener el calor disponible en el agua evitar taponamiento de los poros, dispersar los residual usando un tratamiento de sólidos y evitar que se forme una capa imper- preaplicación meable. El movimiento de equipo dentro de las cuencas debe ser mínimo y de ser necesario, En estos climas se recomienda tratar de antici- solamente se hará cuando el suelo esté seco. Se par las disminuciones bruscas de temperatura y debe remover cualquier capa gruesa de desecho evitar que haya residuos de agua en el suelo jus- o material orgánico que se encuentre sobre la to cuando desciende la temperatura. Si esto no superficie. Si existe vegetación en la cuenca, es posible, es mejor continuar con la aplicación deber ser cortada al menos una vez por año, para mantener condiciones húmedas. La capa preferentemente antes del invierno. Se debe de hielo que se forme flotará y proporcionará llevar a cabo un monitoreo que proporcione algo de aislamiento que prevendrá una pérdi- datos para el manejo o ajuste del sistema y al da excesiva de calor del agua residual que está mismo tiempo comprobar cumplimiento de los entrando. La calidad del percolado se deteriora requerimientos regulatorios. El monitoreo debe durante los periodos fríos, pero no en forma crí- abarcar tanto el agua residual aplicada como la tica; si este deterioro no es aceptable, se necesi- calidad y niveles del agua subterránea. La mejor tará almacenamiento para el agua residual. Los localización para obtener muestras representa- requerimientos de volumen se relacionan con tivas usualmente se determina a partir de los la frecuencia y duración de dichos periodos. Es datos colectados durante la investigación del si- esencial que las cuencas sean operadas de ma- tio (Sherwood, 1995). 3 Si st e m a s de a pl ic ac ión s u b s u pe r f ic i a l a l t e r r e no En los sistemas de aplicación subsuperficial, el sistemas también están los filtros intermitentes agua a tratar se somete a un tratamiento pre- de arena de los cuales se habló en el capítulo vio, normalmente en una fosa séptica o tanque uno. Imhoff, para posteriormente aplicarla al terreno por debajo de su superficie. Se pretende lograr el En el tratamiento de las aguas residuales me- tratamiento de las aguas residuales mediante el diante aplicación subsuperficial, confluyen conjunto de procesos físicos, químicos y biológi- operaciones de separación física de conta- cos que ocurren mientras las aguas discurren a minantes, así como procesos de degradación través del terreno. Su campo habitual de aplica- de la materia orgánica, conjuntamente con ción es el tratamiento de las aguas residuales ge- la conversión de componentes inorgánicos neradas en aglomeraciones urbanas de tamaño (nutrientes). muy reducido. La capacidad de infiltración del terreno es el parámetro clave para dimensionar Aunque no es una regla, un esquema de trata- este tipo de sistemas de tratamiento. Se descar- miento puede estar compuesto de las siguientes tan aquéllos suelos de naturaleza excesivamente unidades: rejillas, fosa séptica y el propio siste- permeable o impermeable. Como tratamiento ma de aplicación subsuperficial. Dependiendo el previo, las aguas pueden someterse a un cribado caso, un tanque Imhoff o hasta un reactor anae- y sedimentación, dependiendo el caso. robio de flujo ascendente pudiera sustituir a la fosa séptica. La aplicación del agua residual al suelo se realiza 3.1 de forma intermitente para permitir la necesaria Z a nja s f i lt r a n t e s aireación del terreno, imprescindible para la deEl agua a tratar se distribuye subterráneamente gradación bacteriana vía aerobia. a través de tuberías de drenaje, que se disponen Dentro de los sistemas de tratamiento median- en zanjas de profundidad inferior a 1 m y de an- te aplicación subsuperficial de las aguas resi- chura comprendida entre 0.4 a 0.8 metros; las duales destacan las zanjas filtrantes, los lechos tuberías de reparto se recubren con grava y en filtrantes y los pozos filtrantes. Dentro de estos la parte inferior se dispone un lecho de arena 43 Qa A= T i (Ilustración 3.1). La superficie de infiltración está constituida por el fondo de las zanjas, pero Ecuación 3.1 ante posibles obstrucciones, también las paredes Donde: verticales pueden contribuir a la infiltración de las aguas a tratar. 3.1.1 Diseño hidráulico 3.1.1.1 Consideraciones iniciales A = Superficie de infiltración (m2) Qa = Gasto de aporte, en L/d Ti = Tasa de infiltración, en L/(m2 d) Cuando las aguas residuales domésticas contienen residuos orgánicos provenientes de cocinas En suelos relativamente impermeables con y lavado de ropa, será necesario ampliar la su- tiempos de infiltración mayores a 5 cm/hora, de perficie de infiltración en un 20 por ciento por descenso del nivel de agua o tasa de infiltración cada uno de los tipos de descargas. menor a 37 L/(m d). 2 3.1.1.3 Material filtrante 3.1.1.2 Estimación de la superficie de infiltración El material de filtración estará compuesto por arena limpia de tamaño efectivo entre 0.4 a 0.6 En el caso de aguas residuales domésticas que mm y coeficiente de uniformidad no mayor a no incluyen residuos de cocina ni aguas grises, cuatro. En casos donde la tasa de infiltración sea la superficie de infiltración se calcula para la menor a 50 L/(m2 d) deberá emplearse arena de tasa de infiltración y el gasto de descarga. tamaño efectivo no menor a 0.25 milímetros. Ilustración 3.1 Esquema de una zanja filtrante Cámara reparto Zanjas filtrantes Fosa séptica Grava y arena 44 Tabla 3.1 Distancia mínima desde la zanja Instalación Distancia mínima (m) Viviendas 5.00 Tuberías de agua potable 15.00 Pozos de abastecimiento 30.00 Cauces superficiales de agua (ríos, arroyos, etc) 15.00 Arboles 3.00 3.1.1.4 Dimensiones de la zanja La longitud máxima deseable de cada zanja filtrante será de 20 metros; en casos justificados se La Tabla 3.1 es una referencia de la distancia permiten longitudes hasta de 30 metros. mínima entre la zanja y otras instalaciones. La tubería de distribución y recolección está conCuando se dispongan de dos o más zanjas fil- formada por tubos de PVC, asbesto cemento de al trantes en paralelo, se deberá garantizar que menos 100 mm (4") de diámetro, 20 m de lon- la fosa séptica distribuya de forma uniforme el gitud y espaciados entre ellos 2.5 metros como caudal a cada tubería de distribución. máximo. Complementariamente se deben perforar barrenos (drenes) de 13 mm de diámetro es- La longitud de la zanja filtro se determinará me- paciados 0.10 m en cada tubo (ver Ilustración 3.2). diante la división de la superficie de infiltración calculada con la Ecuación 3.1 entre el ancho dis- En el fondo de la zanja se acomoda una capa de ponible para la instalación. grava limpia de 0.05 m de espesor constituida Ilustración 3.2 Tubería con barrenos para zanjas 45 por material con granulometría entre 2.0 y 5.0 Sobre este material se coloca el material de re- centímetros. Sobre ella se ubica la tubería de lleno hasta alcanzar el nivel natural del suelo; distribución y se le cubre totalmente con la mis- se debe evitar compactar este material para no ma grava. Encima de la grava gruesa se coloca afectar la cama de grava y considerar la forma- una capa de grava fina de 0.10 m de espesor y ción de un camellón para compensar el hundi- granulometría de 0.5 a 2.0 centímetros. La Ilus- miento del terreno causado por el asentamiento tración 3.3 muestra una vista de la zanja total- natural del mismo. La profundidad de las zanjas mente cubierta. esta en función de la topografía del terreno y no debe ser menor a 1.5 metros. Sobre la capa de grava fina se acomoda el material filtrante (arena limpia) en una capa de 0.75 m de El ancho de las zanjas puede variar entre un mí- espesor. Sobre la capa de arena se coloca nueva- nimo de 0.45 m y un máximo de 1.50 metros. mente una capa de grava fina de 0.10 m de espesor y granulometría de 0.5 a 2.0 centímetros. A conti- La pendiente mínima de las tuberías de distri- nuación se acomoda la tubería de distribución del bución y recolección será de 1.5 por ciento con agua residual proveniente del tanque séptico y se un valor máximo de 3.0 por ciento. En ningún le cubre totalmente con grava fina hasta 0.05 m caso debe exceder el 4.5 por ciento. por encima de ella. Sobre la última capa de grava fina y a fin de evitar la alteración de la capacidad La Tabla 3.2 presenta un resumen de las reco- filtrante del mismo, se coloca una capa de material mendaciones para el diseño de las zanjas filtran- permeable que facilite la evapotranspiración del tes y la Ilustración 3.4 muestra sus característi- agua residual aplicada en la zanja. cas básicas. Ilustración 3.3 Ejemplo de zanjas filtrantes 46 Tabla 3.2 Recomendaciones para el diseño de las zanjas y lechos filtrantes Parámetro Carga hidráulica Unidades Valor recomendado m /(m d) 0.02 a 0.05 3 2 Profundidad de las zanjas m 0.50 a 1.50 Ancho de las zanjas m 0.45 a 1.50 Largo de la zanja m < 20 Separación entre ejes de zanjas m 1.0 a 2.5 Separación del fondo al nivel freático m > 0.60 Espesor de la cobertura m > 0.15 Ilustración 3.4 Características constructivas de las zanjas filtrantes (acotaciones en metros) Planta Cámara de reparto Af Drenes 20 2.5 Zanja 20 Corte longitudinal 2.5 2.5 0.60 Corte transversal 0.10 0.15 Tierra Vegetal Dren Grava 20/32 0.15 0.5-0.7 0.35 Corte longitudinal Arena 20 0.48-0.80 47 3. 2 L ec ho s f i lt r a n t e s 3.2.1.1 Dimensiones del lecho En este caso la superficie de filtración es más La longitud máxima deseable del lecho filtran- ancha (0.9 a 2 m) y da lugar a lechos de grava te será de 30 metros. Las especificaciones del que se alimentan mediante varias tuberías per- apartado 3.1.1.4 para la tubería de distribución foradas (Ilustración 3.5). Con esta disposición la y recolección también son aplicables a lechos superficie filtrante está constituida únicamente filtrantes. por el fondo del lecho y si bien estas zanjas pueden ser más sensibles a las obstrucciones que las En el fondo del lecho se acomoda una capa de filtrantes, presentan la ventaja de una menor grava limpia de 0.05 m de espesor constituida necesidad de superficie para su implantación. por material con granulometría entre 2.0 a 5.0 centímetros. Sobre ella se acomoda el material Dentro de la modalidad de los lechos filtrantes filtrante (arena limpia) en una capa de 0.75 m pueden englobarse los sistemas de riego sub- de espesor. Sobre la última capa de grava fina y terráneo, en los que se emplean tuberías en- a fin de evitar la alteración de la capacidad fil- terradas (aproximadamente unos 20 cm), que trante del mismo, se coloca una capa de material cuentan con goteros especiales para minimizar permeable que facilite la evapotranspiración del los problemas de obstrucción (Ilustración 3.6). agua residual. En el medio urbano puede implementarse un lecho filtrante para el tratamiento de aguas re- Sobre este material se coloca el material de re- siduales de unidades habitacionales o centros lleno hasta alcanzar el nivel natural del suelo. Se comerciales (Ilustración 3.7), siempre y cuando debe evitar compactar el material de relleno para las descargas cumplan con las especificaciones no afectar la cama de grava y considerar la for- presentadas en el apartado 3.1.1.4 y lo permitan mación de un camellón para compensar el hun- las características del suelo. dimiento del terreno causado por el asentamiento natural del mismo. La profundidad del lecho 3.2.1 Diseño hidráulico estará en función de la topografía del terreno y no deberán ser menor a 0.70 metros. El ancho El diseño hidráulico se realiza de forma simi- de los lechos deberá ser mayor a 2.50 metros. La lar al de una zanja filtrante, es decir, el gasto pendiente mínima de las tuberías de distribución de descarga se calcula por medio de la Ecua- y recolección será de 1.5 por ciento con un valor ción 3.1, respetando las dimensiones mínimas máximo de 3.0 por ciento. En ningún caso debe del lecho a otras instalaciones, tomando en exceder el 4.5 por ciento. La Tabla 3.3 presenta consideración las recomendaciones de la Ta- el resumen de las recomendaciones para el dise- bla 3.2 así como las características del mate- ño de lechos filtrantes y la Ilustración 3.8 mues- rial filtrante. tra sus características básicas. 48 Ilustración 3.5 Esquema de un lecho filtrante Cámara reparto Lecho filtrante Fosa séptica Grava y arena Ilustración 3.6 Ejemplo de un sistema de riego subterráneo 49 Ilustración 3.7 Ejemplo de lecho filtrante en el medio urbano Tabla 3.3 Recomendaciones para el diseño de lechos filtrantes Parámetro Unidades Valor recomendado m /(m d) 0.02 a 0.05 Profundidad del lecho m 0.50 a 0.70 Ancho del lecho m > 2.50 Largo del lecho m < 30 número >2 Separación del fondo al nivel freático m > 0.60 Espesor de la cobertura m > 0.15 Carga hidráulica Numero de tuberías por lecho 3 2 50 Ilustración 3.8 Características constructivas de un lecho filtrante Af Cámara de reparto A A 2m Drenes de reparto Planta Impermebilizante 0.15-0.30 0.5-0.7 Tierra vegetal 0.30 0.05 Grava 20/32 Arena Dresnes de reparto Sección A-A 51 3. 3 Pozo s f i lt r a n t e s 3.3.1.1 Material filtrante Cuando el nivel freático es profundo (mayor a En el apartado 3.1.1.3, se presentan las ca- 4 metros), es factible la construcción de pozos, racterísticas que debe cumplir el material de que tiene la peculiaridad de que la superficie filtración. vertical filtrante es mucho mayor que la hori- 3.3.1.2 Dimensiones del pozo zontal, por tanto este tipo de sistema precisa una menor superficie para su implantación con respecto a las zanjas y a los lechos filtrantes (ver La Tabla 3.4 especifica la distancia mínima Ilustración 3.9). del pozo a otras instalaciones. Debido a la profundidad que puede alcanzar un pozo, el 3.3.1 Diseño hidráulico diámetro puede estar sujeto a las dimensiones de los anillos prefabricados que existen en el El pozo filtrante se construye a base de anillos mercado, y que van desde 1 hasta 2.5 metros. de concreto (Ilustración 3.10) y fondo expues- El cálculo depende de la tasa de infiltración to a el terreno natural. Debido a condiciones de y el volumen que puede almacenar el pozo y estabilidad estructural, no se recomienda cons- que a su vez está en función de la profundidad truirlos con mampostería, ya que los empujes máxima del mismo. En el fondo del pozo se del suelo podrían poner en riesgo la integridad acomodará una capa de grava limpia de 0.30 de los pozos. m de espesor constituida por material con gra- Ilustración 3.9 Esquema de un pozo filtrante Fosa séptica Pozo filtrante Grava 52 Ilustración 3.10 Anillos de concreto para pozos nulometría entre 2.0 a 5.0 centímetros. Sobre accidentes, presencia de malos olores y proli- ella se acomoda el material filtrante (arena feración de plagas. limpia) en una capa de 0.75 m de espesor. La profundidad del lecho estará en función de la La Tabla 3.5 presenta las principales recomenda- topografía del terreno y del nivel freático, en la ciones para el diseño de pozos filtrantes. y la Ilus- parte superior, se coloca una tapa para evitar tración 3.11 muestra sus características básicas. Tabla 3.4 Distancia mínima desde el pozo Instalación Distancia mínima (m) Viviendas 5.00 Tuberías de agua potable 15.00 Pozos de abastecimiento 50.00 Cauces superficiales de agua (ríos, arroyos, etc) 15.00 Árboles 3.00 Tabla 3.5 Recomendaciones para el diseño de pozos filtrantes Parámetro Unidades Valor recomendado m /(m d) 0.025 a 0.05 m 3.0 a 6.0 Diámetro del pozo m 1 a 3.5 Separación del fondo al nivel freático m > 1.20 Separación entre ejes de pozos m >4f Carga hidráulica Profundidad del pozo 3 2 53 Ilustración 3.11 Características constructivas de un pozo filtrante Afluente Zona impermeable Relleno Registro con tapa Arcilla Anillos de concreto Capa de grava (20 cm) Zona permeable Suelo permeable Anillos de concreto perforado Lecho de grava (30 cm) 54 4 Di sp osic ión de agua t r ata da 4.1 R i eg o s u pe r f ic i a l sumo, aunque sí para riego de especies arbóreas con finalidad de producción forestal. 4.1.1 Introducción Se entiende por reúso agrícola directo, al riego El riego superficial es el uso más extendido, ade- con aguas residuales tratadas para cultivos des- más de que se considera como un tratamiento tinados a consumo humano. El reúso indirecto adicional del agua, ya que el suelo es un medio es aquel en el que se obtienen productos que de tratamiento de alta eficacia. A medida que el posteriormente serán procesados de manera in- agua se infiltra en el terreno, se inicia un proce- dustrial, como el azúcar o los productos textiles so de tratamiento natural que fue discutido en de origen vegetal. capítulos anteriores. 4.1.2 A continuación se presenta las diferencias entre un agua residual y un agua "no contaminada": • • Criterios de calidad para el agua de riego Agua residual: aporta abundantes canti- Los parámetros de calidad, que se presentan en dades de nutrientes, pero conlleva ries- la Tabla 4.1, son suficientes para evaluar la ido- gos sanitarios, con posible contamina- neidad de un agua de riego, así como para esti- ción de acuíferos mar la posibilidad de que el agua pueda causar Agua no contaminada: No representa algún problema general tanto al suelo como a la ningún riesgo sanitario a la población planta, de acuerdo con la Organización Mundial ni al ambiente, además el aporte de nu- de la Salud. trientes es escaso 4.1.2.1 Características físicas Los efluentes utilizados para riego proceden de colectividades urbanas e incluyen aguas do- Las características físicas incluyen la totalidad mésticas y procedentes de industrias que se han de los sólidos en suspensión y las sustancias or- sometido a tratamiento conforme a la normati- gánicas disueltas. Esas sustancias pueden tapo- vidad aplicable. Las aguas residuales brutas no nar los poros del suelo, revestir la superficie del suelen utilizarse para riego de especies de con- terreno y reducir la aireación y penetración del 55 Tabla 4.1 Parámetros de calidad Unidades Ninguno Moderado Severo Conductividad Parámetros µs/cm 700 3 000 >3 000 Sodio (Na) mg/L 70 >70 3 9 100 >100 SAR Cloruros (Cl) Bicarbonatos (CaCO3) Sulfatos mg/L 140 350 >350 mg/L 90 500 >500 mg/L SO4 200 400 >400 6.5-8.4 4.5-9 4.5-9> 15 >15 20 120 >120 1 5 >5 15 >15 20 60 >60 120 300 >300 pH SS Cloro residual (Cl) DBO DQO >9 mg/L mg/L mg/L mg/L Nitrógeno total (N) mg/L 5 30 >30 Boro (B) mg/L 0.7 3 >3 Aluminio (Al) mg/L 5 20 >20 Arsénico (As) mg/L 0.1 2 >2 Berilio (Be) mg/L 0.1 0.5 >0.5 Cadmio (Cd) mg/L 0.01 0.05 >0.05 Cobalto (Co) mg/L 0.05 5 >5 Cromo (Cr) mg/L 0.1 1 >1 Cobre (Cu) mg/L 0.2 5 >5 Fluoruros mg/L 1 15 >15 Hierro (Fe) mg/L 5 20 >20 Litio (Li) mg/L 0.05 2.5 >2.5 Manganeso (Mn) mg/L 0.02 10 >10 Molibdeno (Mo) mg/L 0.01 0.05 >0.05 Níquel (Ni) mg/L 0.02 2 >2 Plomo (Pb) mg/L 5 10 >10 Selenio (Se) mg/L 0.02 0.02 >0.02 Vanadio (V) mg/L 0.01 1 >1 Zinc (Zn) mg/L 2 10 >10 Ninguno = agua de buena calidad para cualquier suelo y planta; riego continuo en todo tipo de suelo. Moderado = agua para plantas tolerantes y suelo de textura fina; su contenido en tóxicos potenciales obliga a riego discontinuo y uso por un periodo de hasta 20 años en suelos neutros o alcalinos de textura fina. Severo = agua de mala calidad, sólo para plantas muy tolerantes y suelos de textura fina muy bien drenados. Riego discontinuo con muchas precauciones. La NOM-001-SEMARNAT-1996 establece los límites máximos permisibles de contaminantes básicos para uso agrícola. Los valores se muestran en la Tabla 4.2 y Tabla 4.3. 56 Tabla 4.2 Límites máximos permisibles para contaminantes básicos (NOM-001-SEMARNAT-1996) Embalses naturales y artificiales Ríos Parámetro Temperatura ºC (1) Aguas costeras Suelo Uso en riego agrícola Uso público urbano Protección de la vida acuática Uso en riego agrícola Uso público urbano Explotación pesquera, navegación y otros usos Recreación Estuarios Uso en riego agrícola Humedales naturales a b c b c a b b a b P.M. P.D. P.M. P.D. P.M. P.D. P.M. P.D. P.M. P.D. P.M. P.D. P.M. P.D. P.M. P.D. P.M. P.D. P.M. P.D. N.A. N.A. 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 N.A. N.A. 40 40 Grasas y aceites (2) 15 25 15 25 15 25 15 25 15 25 15 25 15 25 15 25 15 25 15 25 Materia flotante (3) * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * Sólidos sedimentables (mL/L) 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 N.A. N.A. 1 2 Sólidos suspendidos totales 150 200 75 125 40 60 75 125 40 60 150 200 75 125 75 125 N.A. N.A. 75 125 Demanda boquímica de oxígeno5 57 150 200 75 150 30 60 75 150 30 60 150 200 75 150 75 150 N.A. N.A. 75 150 Nitrógeno total 40 60 40 60 15 25 40 60 15 25 N.A. N.A. N.A. N.A. 15 25 N.A. N.A. N.A. N.A. Fósforo total 20 30 20 30 5 10 20 30 5 10 N.A. N.A. N.A. N.A. 5 10 N.A. N.A. N.A. N.A. (1) Instantáneo (2) Muestra simple promedio ponderado (3) Ausente según el método de prueba definido en la NMX-AA-006 P.D.= Promedio diario; P.M. = Promedio mensual; N.A. = No es aplicable (a), (b) y (c): Tipo de cuerpo receptor según la Ley Federal de Derechos en Materia de Agua (*) = Ausente Tabla 4.3 Límites máximos permisibles para metales pesados y cianuros (*)Ríos Embalses naturales y artificiales Parámetros (*) mg/L Uso en riego agrícola Uso público urbano a Protección de la vida acuática b Uso en riego agrícola c Uso público urbano Aguas costeras Explotación pesquera, navegación y otros usos c b Recreación a Suelo Estuarios b Uso en riego agrícola b Humedales naturales a b P.M. P.D. P.M. P.D. P.M. P.D. P.M. P.D. P.M. P.D. P.M. P.D. P.M. P.D. P.M. P.D. P.M. P.D. P.M. P.D. Arsénico 0.2 0.4 0.1 0.2 0.1 0.2 0.2 0.4 0.1 0.2 0.1 0.2 0.2 0.4 0.1 0.2 0.2 0.4 0.1 0.2 Cadmio 0.2 0.4 0.1 0.2 0.1 0.2 0.2 0.4 0.1 0.2 0.1 0.2 0.2 0.4 0.1 0.2 0.5 0.1 0.1 0.2 Cianuros 1.0 3 1 2 1 2 2 3 1 2 1 1 1 3 1 2 2 3 1 2 Cobre 4 6 4 6 4 6 4 6 4 6 4 6 4 6 4 6 4 6 4 6 Cromo 1 1.5 0.5 1 0.5 1 1 1.5 0.5 1 0.5 1 1 1.5 0.5 1 0.5 1 0.5 1 0,01 0.02 0.005 0.01 0.005 0.01 0.01 0.02 0.005 0.01 0.01 0.02 0.01 0.02 0.01 0.02 0.005 0.01 0.005 0.01 Níquel 2 4 2 4 2 4 2 4 2 4 2 4 2 4 2 4 2 4 2 4 Plomo 0.5 1 0.2 0.4 0.2 0.4 0.5 1 0.2 0.4 0.2 0.4 0.5 1 0.2 0.4 5 10 0.2 0.4 Zinc 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 Mercurio 58 (*) Medidos de manera total P.D. = Promedio diario; P.M. = Promedio mensual; N.A. = No es aplicable (a), (b) y (c): Tipo de cuerpo receptor según la Ley Federal de Derechos en Materia de Agua agua, así como obstruir el sistema de riego. Con solución del suelo a niveles inferiores a los per- el tratamiento natural del agua residual por ac- judiciales para las plantas. ción del suelo, se mejora también el contenido El agua de riego rara vez contiene suficiente de minerales y otros compuestos de beneficio. cantidad de sales como para causar un daño in- 4.1.2.2 Características químicas mediato a los cultivos. Cuando no se produce un lavado de sales adecuado, las sales se disolverán Los límites máximos permisibles de contami- en el agua del suelo hasta que se alcance una nantes en el agua residual tratada para fines de concentración tal que se exceda el producto de riego se puede encontrar en la NOM-001-SE- solubilidad de cada una de ellas. De forma ge- MARNAT-1996 (Tabla 4.2). neral, en aquellos casos en que los valores de la fracción de lavado sean menores del 10 por cien- 4.1.2.3 Salinidad to, la precipitación de las sales menos solubles puede ser importante. Los problemas de salini- Una de las características importantes del agua dad ocurrirán más frecuentemente durante los de riego es el contenido en sales que contiene. periodos cálidos, debido a la frecuencia de los En los sistemas convencionales de riego, no toda riegos y al mayor consumo de agua por parte de el agua infiltrada en el suelo es consumida por las plantas. evapotranspiración, sino que una fracción del agua rebasa la máxima profundidad de la zona Cálculo de la salinidad radicular de las plantas. El efecto de la salinidad es fundamentalmente Esta fracción que drena produce un lavado de de naturaleza osmótica, origina una disminu- sales y disminuye el proceso de acumulación ción del potencial total del agua en el suelo, y de sales en el espesor del suelo explorado por por lo tanto afecta negativamente el rendimien- las raíces. Sin embargo, siempre que el balance to de los cultivos. entre las sales acumuladas en el suelo y las eliminadas por las aguas de drenaje sea positivo, el El contenido de sales suele ser peligroso cuan- suelo acabará salinizándose y en consecuencia do su concentración se encuentra por encima será improductivo. de 100 mg/L. La salinidad del agua de riego se determina midiendo su conductividad eléctrica Las solubilidad de muchas de las sales contenidas (CE), concentración de boro, cloruro, bicarbo- en el agua de riego, tales como cloruros, sulfa- natos, Na+, Ca2+ y Mg2+. to de sodio, magnesio y potasio, cloruro cálcico, bicarbonatos de sodio y potasio, son superiores a La conductividad eléctrica es una de las deter- las cifras límites de tolerancia a la salinidad de la minaciones que se utiliza con mayor frecuencia mayor parte de las plantas no halófilas. Las bajas e indica la facilidad con que una corriente eléc- solubilidades del carbonato cálcico, magnesio y trica pasa a través del agua, de forma que cuanto del sulfato cálcico, limita su acumulación en la mayor sea el contenido de sales solubles ioniza- 59 das, mayor será el valor de aquélla. Para medirla dad extra de agua percola por debajo de la zona se emplea el conductímetro. radicular, desplazando por lo menos una parte de las sales acumuladas en ella. Como la mayoría de las sales de interés son muy solubles o ionizables, se ha comprobado que se Los factores críticos en el control de las sales son cumple con la siguiente relación: la cantidad de agua necesaria para la lixiviación y el momento oportuno para su aplicación. Ecuación 4.1 ST = CE ^ k h donde: Las prácticas que pueden aumentar la eficacia ST = Concentración en sales totales, en mg/L del lavado son: CE = Conductividad eléctrica a 25º C, en dS/m k • Lavar las sales preferentemente durante las = Constante de proporcionalidad, que es estaciones frías. Ello aumenta la eficacia y 0.64 si está expresado en μm/cm o 640 facilita la lixiviación ya que la evapotrans- si está en mm/cm piración es más baja • Utilizar los cultivos de mayor tolerancia a En la Tabla 4.4 se presenta la clasificación de la la salinidad, lo que implica una fracción de salinidad con base en la conductividad eléctrica lavado menor y permite un ahorro de agua y sus efectos sobre las plantas. • Labrar el suelo para disminuir la escorrentía y destruir las grietas que dejan pasar el agua a través de poros grandes y otras res- Solución de los problemas de salinidad quebrajaduras, disminuyendo la eficacia de Un adecuado lavado de sales, la lixiviación y el lavado cambio de un cultivo por otro más tolerante a la • Riegos con aspersión con intensidades de salinidad, son prácticas que buscan evitar el im- aplicación superiores a la velocidad de in- pacto de una acumulación de sales a largo plazo. filtración. La lixiviación por aspersión re- Sin embargo, también se deben considerar las quiere mayor tiempo y menor agua que la prácticas para tratar la salinidad temporal, por lixiviación por inundación continua ejemplo, lavar las sales aplicando a la zona radi- • Alternar periodos de inundación con perio- cular más agua, que la que necesitan los cultivos dos secos y evitar la práctica de inundación durante su periodo de crecimiento. Esta canti- continua Tabla 4.4 Clasificación de salinidad (IMTA, 2010) Conductivilidad eléctrica (dS/m) < 0.75 0.75 - 1.15 Clasificación Efectos sobre las plantas Libre de sales No hay restricción para ningún cultivo Muy bajo en sales No hay restricción para ningún cultivo 1.10 - 2.0 Muy ligeramente salino Afecta el rendimiento a cultivos muy sensibles 2.0 - 4.0 Ligeramente salino Afecta el rendimiento a cultivos sensibles 4.0 - 8.0 Medianamente salino Afecta el rendimiento de casi todos los cultivos 8.0 - 12.0 Fuertemente salino Pueden crecer cultivos tolerantes a la salinidad 12.0 - 16.0 Muy fuertemente salino Pueden crecer cultivos muy tolerantes a la salinidad > 16.0 Extremadamente salino Ningún cultivo agrícola crece rentablemente 60 • Programar los lavados durante los periodos Se entiende por sodicidad al fenómeno derivado en que los cultivos requieren menor con- de la composición del agua de riego, que tiende sumo de agua. En caso contrario, proponer a elevar el porcentaje de sodio intercambiable. los lavados para después de la campaña de Este aumento depende, entre otros factores, de cultivo la relación del sodio soluble a los cationes divalentes (Ca2+, Mg2+) y del nivel de iones bicarbo- • En los casos de suelos de lenta infiltración, natos en el agua de riego. se debe prever el riego de presiembra o la lixiviación fuera de la campaña de cultivo para evitar aplicaciones excesivas de agua El sodio es uno de los iones que más favorece la durante el periodo de crecimiento degradación del suelo; sustituye al calcio en los • Regar antes de la llegada de las lluvias, suelos áridos, y produce problemas de filtración cuando se prevea que éstas serán insufi- en los mismos. Esta situación da lugar a una dis- cientes para completar la lixiviación persión de los agregados y a una pérdida de la estructura, que dificulta la circulación del aire y agua, por lo que el suelo adquiere un aspecto Tolerancia de los cultivos a la salinidad polvoriento y amorfo, y pierde rápidamente su permeabilidad. No todos los cultivos responden de igual manera a la salinidad, algunos producen rendimientos aceptables a niveles de alta salinidad y otros son Está demostrado que aguas con alto contenido sensibles a niveles relativamente bajos. Esta di- en sodio y baja salinidad conducen al hincha- ferencia se debe a la mejor capacidad de adap- miento y dispersión de las partículas del suelo, tación osmótica que tienen algunos cultivos, lo con el consecuente efecto negativo sobre las que permite absorber, bajo condiciones de sali- propiedades físicas del mismo. nidad, una mayor cantidad de agua. Las plantas sensibles a la salinidad gastan mucha energía en La infiltración, en general, aumenta con la sali- captar esa agua, por lo que su desarrollo se ve nidad y disminuye cuando se reduce la salinidad afectado. o aumenta el contenido de sodio, en relación al calcio y al magnesio. 4.1.2.4 Sodicidad Un agua con cierta salinidad (CE < 0.5 o < 0.2 Las partículas del suelo adsorben y retienen ca- dS/m) tiende a lixiviar las sales y minerales solu- tiones como consecuencia de las cargas eléctri- bles, incluyendo el calcio y reduce su influencia cas que existen en la superficie. Una vez que los sobre la estabilidad de las agregadas y estructura cationes adsorbidos se han cambiado química- del suelo. Las partículas más pequeñas del sue- mente con las partículas del suelo, pueden ser lo así dispersado, obstruyen el espacio poroso y reemplazadas por otros cationes que se encuen- sellan la superficie, reduciendo notablemente la tran en la solución del suelo. Esta reacción re- infiltración. En la Tabla 4.5 y la Ilustración 4.1 cibe el nombre de intercambio de cationes. Los se muestran los efectos sobre la permeabilidad más fácilmente intercambiables son los cationes del suelo que pueden presentarse con diferentes Na, Ca y Magnesio. concentraciones de salinidad y sodio. 61 Tabla 4.5 Clasificación de los suelos salinos (IMTA, 2010) Conductividad eléctrica (dS/m) Permeabilidad del suelo pH Normal <4 < 15 6.5 - 7.5 Salino >4 < 15 7.0 - 8.5 Suelo Observaciones Salino-sódico >4 > 15 < 8.5 Sódico <4 > 15 8.2 - 10.0 Ilustración 4.1 Salinidad del suelo (IMTA, 2010) Permeabilidad del suelo 0 0 Buena permeabilidad, aireación y buena estructura Presencia de costras blancas en su superficie Si contiene calcio, se disuelve y remplaza al sodio intercambiable, el cual es eliminado en forma simultanea con el exceso de sales Mala permeabilidad, difícil de trabajar y alta defloculación de sus partículas pueden tener un papel útil para ciertas plantas como el cloro, el silicio y el cobalto. Conductividad eléctrica 4 8 12 18 El sodio representa un papel de microelemento Normal 15 para ciertas plantas y es útil sobre todo para las Algunas plantas crecen plantas halófilas. Existen otros elementos conocidos como metales pesados no esenciales (cadmio, mercurio, plomo, entre otros) cuya presen- 30 cia superior a una concentración límite resulta totalmente tóxica tanto para los cultivos como para la fauna y flora acuáticas (Tabla 4.6). 45 La concentración máxima se basa en una tasa de Además, un alto contenido en sodio es fitotó- riego acorde con buenas prácticas agronómicas, xico para muchas plantas, produce quemadu- es decir, 12 000 m3/(ha año). Si la tasa de rie- ras en las hojas, clorosis y muerte de las ramas go excede este valor, la concentración máxima pequeñas. debe disminuir de forma proporcional. 4.1.2.5 Toxicidad No debe efectuarse ningún ajuste cuando las tasas de riego sean inferiores a la indicada. Los La toxicidad se produce dentro de la misma plan- valores recomendados corresponden a la fuente ta y es el resultado de la absorción y acumulación de abastecimiento de agua utilizada para regar de ciertos constituyentes existentes en el agua de de forma continuada en un mismo lugar. riego, llamados microelementos. Se trata de elementos indispensables para la vida de las plantas, Los microelementos esenciales participan en el pero se encuentran presentes en proporciones metabolismo de la planta y son necesarios para las muy pequeñas en los tejidos biológicos. enzimas, ya sea como activadores o como constituyentes específicos de sistemas enzimáticos. Los microelementos que actualmente son reconocidos como esenciales para las plantas su- Pequeñas cantidades de microelementos esen- periores son el hierro, el manganeso, el zinc, el ciales permiten obtener el crecimiento óptimo cobre, el boro y el molibdeno. Otros elementos de la planta, pero rápidamente se llega del ópti- 62 Tabla 4.6 Concentraciones máximas de micro elementos recomendadas en aguas de riego Microelemento Concentración máxima recomendada Observaciones (mg/L) Aluminio 5.0 Puede provocar una falta de productividad en suelos ácidos pH< 5.5, aunque suelos más alcalinos precipitarán el ion y eliminarán cualquier toxicidad. Arsénico 0.10 Su fitotoxicidad varía ampliamente entre 12 mg/L para la hierba del Sudán y hasta menos de 0.5 mg/L para el arroz. Berilio 0.1 Su fitotoxicidad varía ampliamente entre 5 ppm para la col rizada y 0.5 para las judías verdes. Cadmio 0.01 Es tóxico para las judías, el betabel y los nabos a concentraciones tan bajas como 0.1 mg/L en disolución. Los límites recomendados son conservadores debido a su capacidad para acumularse en el suelo y en las plantas hasta concentraciones que pueden ser perjudiciales para las personas. Cobalto 0.05 Es tóxico para la planta del tomate a una concentración de 0.1 mg/L en disolución. Suele ser inactivado por suelos neutros o alcalinos. Cromo 0.1 No está considerado como un elemento esencial para el crecimiento. Los límites recomendados son conservadores debido a los escasos conocimientos sobre su fitotoxicidad. Cobre 0.2 Es tóxico para diversas plantas a concentraciones entre 0.1 y 1.0 mg/L en disolución. Fluoruros 1.0 Es inactivado por suelos neutros o alcalinos. Hierro 5.0 No es tóxico para las plantas en suelos aireados, pero puede contribuir a la acidificación del suelo y a la disminución del fósforo y molibdeno, elementos esenciales para las plantas. El riego por aspersión elevado puede dar lugar a depósitos desagradables en las plantas, los equipos y los edificios. Litio 2.5 Es tolerado por la mayoría de los cultivos hasta 5 mg/L; es un elemento móvil en el suelo. Es tóxico para los cítricos a concentraciones superiores a 0.075 mg/L Actúa en forma similar al boro. Manganeso 0.2 Es tóxico para diversas plantas a concentraciones entre unas décimas y unos miligramos por litro, aunque principalmente en suelos ácidos. Molibdeno 0.01 No es tóxico para las plantas en las concentraciones normalmente presentes en el suelo y en el agua. Puede ser tóxico para el ganado cuando el forraje se cultiva en suelos con elevadas concentraciones de molibdeno disponible. Níquel 0.2 Es tóxico para diversas plantas a concentraciones entre 0.5 y 1.0 mg/L; su toxicidad disminuye a pH neutro o alcalino. Plomo 5.0 Puede inhibir el crecimiento de las células vegetales a concentraciones muy elevadas. Selenio 0.02 Es tóxico para las plantas a concentraciones tan pequeñas como 0.025 mg/L, y para el ganado cuando el forraje se cultiva en suelos con niveles relativamente altos de selenio añadido. Es un elemento esencial para el crecimiento de los animales, pero en concentraciones muy pequeñas. Estaño Las plantas lo rechazan de forma eficaz; su tolerancia específica es desconocida. Titanio Las plantas lo rechazan de forma eficaz; su tolerancia específica es desconocida. Tungsteno Las plantas lo rechazan de forma eficaz; su tolerancia específica es desconocida. Vanadio 0.1 Es tóxico para muchas plantas a concentraciones relativamente bajas. Zinc 2,0 Es tóxico para muchas plantas a concentraciones muy variables; su toxicidad disminuye el pH>6,0 en suelos con textura fina o de carácter orgánico. 63 mo al exceso, con cantidades mínimas (ocurre a ciones menores a 5 mg/L no tienen ningún efecto pH ácido o muy ácido). No ocurre así en el caso ni siquiera en cultivos sensibles al nitrógeno. de los macroelementos. El nitrógeno no puede ser absorbido por la planEl orden de abundancia en suelos irrigados con ta, previamente hay que transformarlo a ni- este tipo de aguas es Fe> Zn> Cu> Pb> Cr> trógeno mineral. Cuando se necesita un efecto Ni> Cadmio. Tras un tratamiento biológico los rápido sobre el cultivo se emplea el nitrógeno efluentes presentan concentraciones similares a nítrico y, para un efecto más lento, el amonia- las de las aguas naturales, excepto para el Zn, cal. Las plantas absorben nitrógeno desde el más abundante en aguas residuales urbanas. Es- principio hasta el final de su desarrollo, pero hay tos últimos elementos son considerados como etapas en las que las necesidades de nitrógeno los más peligrosos, junto con el mercurio. son más intensas. En los cereales, las mayores necesidades coinciden con el ahijado, encañado La mayoría de los microelementos tienden a y floración; en los frutales coinciden con la flo- acumularse en el suelo, por lo que el conteni- ración y el cuajado de frutos. do de éstos en suelos regados con agua residual 4.1.2.7 Índice de acidez (pH) regenerada, puede aumentar considerablemente si el riego se prolonga durante un largo periodo. El pH representa la medida de la acidez o alEnsayos realizados en California demuestran calinidad del agua. El intervalo normal de pH que se puede regar con agua residual de com- para agua de riego oscila entre 6.5 y ocho. El posición típica durante casi 100 años, antes de agua residual urbana, ya sea bruta o tratada, que la concentración debida a la acumulación sin vertidos industriales en condiciones nor- de microelementos en el suelo alcance el límite males, se encuentra en un intervalo ideal para máximo. su uso para riego. Cuando se encuentra fuera de este rango, el pH indica que ocurre algo El agua y el suelo deben analizarse periódica- anormal relacionado con la calidad del agua o mente a fin de estimar la velocidad de acumula- con la presencia de algún ión tóxico. En este ción de elementos en el suelo. último caso, el pH sirve como advertencia para realizar un análisis riguroso del agua y hacer 4.1.2.6 Nitrógeno total las correcciones necesarias. Los rendimientos de los cultivos sensibles al ni- El control de pH es necesario para que se evite trógeno (remolacha azucarera, vid, albaricoque, dañar los cultivos, para el tratamiento biológico cítricos) pueden verse afectados por concentracio- del agua residual, así como para evitar corrosión nes de nitrógeno total que excedan de 5 mg/Litro. en tuberías y diferentes infraestructuras. Cuando la concentración excede los 20 mg/L pue- 4.1.2.8 Bicarbonatos de ocasionar problemas graves en estos cultivos. Para cultivos no sensibles puede ser adecuada una concentración mayor a 30 mg/Litro; lo que evita La alcalinidad se debe a la presencia de bicarbo- el aporte de abonos nitrogenados. Las concentra- natos (HCO3), carbonatos e hidróxidos. El bicar- 64 bonato causa la mayor parte de la alcalinidad na- Las aguas residuales contienen también esporas tural en las aguas y es útil en las aguas residuales e hifas de hongos tales como: para resistir los cambios de pH porque proporciona un amortiguamiento. Pero con respecto al • Leptomitus lacteus riego, aun en concentraciones muy bajas, puede • Fusarium aquaedutuum ser un problema sobre todo si se trata de riego por aspersión de frutales o viveros durante periodos Las cuales proliferan en un amplio intervalo de de baja humedad y gran evaporación. A medida pH (de 3 a 9). que el agua de las hojas se evapora, las sales se concentran. Aunque ello no implica toxicidad, Bacterias intestinales patógenas, como: si el efecto de concentración es suficientemente grande, las sales menos solubles en el agua pre- • Salmonella typhi cipitan depositándose en el fruto y en las hojas. • Salmonella paratyphi 4.1.3 Características biológicas El agua residual también contiene microorganismos patógenos para los animales, como el de la brucelosis del ganado producida por bacterias del Estas características se relacionan con bacterias, género Brucella. virus y otros organismos causantes de enfermedades. Antes de ser tratadas, las aguas residua- Estas enfermedades se pueden transmitir a les contienen toda clase de microorganismos, través del uso de estas aguas para riego agrí- muchos de los cuales son patógenos, es decir, cola. Por este motivo resulta imprescindible causantes de enfermedades. El grado de desin- tratar el agua antes de reutilizarla en riego. El fección depende del tratamiento empleado, la tratamiento dependerá del uso que se le vaya utilización que se prevé y los requisitos sanita- a dar (tipo de riego, cultivo, zona a regar) y rios. Algunos ejemplos son: por supuesto, de las condiciones sanitarias impuestas. • Pseudomonas fluorescens • P. aeruginosa, Proteus vulgaris Se presenta en la Tabla 4.7 la propuesta de la • Bacillus cereus OMS sobre la calidad de los parámetros micro- • B. subtilis biológicos para las aguas de riego. Adicional- • Aerobacter cloacae mente se deben contemplar otros parámetros • Zooglea ramigera como pH, DBO y turbidez o sólidos suspendidos. Ya que el agua utilizada para riego puede La presencia de coliformes fecales es un indica- representar un riesgo de salud para los habitan- dor importante en la determinación de la cali- tes, los animales y la flora de la región; es vital dad bacteriológica del agua que debe ser consi- que se revisen los parámetros de calidad presen- derado en toda caracterización. tados en este capítulo. 65 Tabla 4.7 Parámetros microbiológicos requeridos para las aguas de riego Parámetros microbiológicos Unidades Hortalizas y frutas crudas Cereales y cultivos para conservas <1 Nematodos intestinales (media aritmética huevos/L) <1 Coliformes fecales (media geométrica/100 mL) < 1 000 Tratamiento orientativo Estanques de estabilización o equivalente Estanques de estabilización o equivalente Grupo expuesto Trabajador, consumidor Trabajador 4.1.4 Ilustración 4.2 Aspersores fijos Sistemas de riego 4.1.4.1 Riego por aspersión Consiste básicamente en aplicar agua a la superficie del terreno rociándola en forma de lluvia (Ilustración 4.2). Además de los problemas comunes como obstrucciones de goteros y contaminación por hongos, etcétera, pueden aparecer problemas especiales de toxicidad e incluso riesgo sanitario por otro contaminante. Como consecuencia, el sistema de distribución del agua mediante aspersores exige un agua de calidad superior a los demás tipos de riego. Los sistemas de riego por aspersión pueden ser de Toxicidad y riesgo sanitario varios tipos: Debido al modo de dispersar el agua, con el rie• Fijos y colocados en la superficie o ente- go por aspersión se produce una absorción fo- rrados someramente liar de micronutrientes y se acelera la velocidad Los superficiales tienen la desventa- de acumulación del ión tóxico en la planta, lo ja de verse afectados por la climatolo- que puede ser la fuente principal de toxicidad. gía, el ganado o los equipos de laboreo. En general, pueden producirse daños por la con- La principal ventaja es su bajo costo y centración de sales acumuladas en la superficie fácil mantenimiento. El material que se externa de las hojas, debido a la pulverización de utiliza es el PVC las sales. Para evitar esto existen varias solucio- Las conducciones enterradas son de ura- nes, entre las que destacan: lita o PVC que son más costosos pero más duraderos • • Riego nocturno, pues en general la hume- De tipo móvil (Ilustración 4.3) dad aumenta y disminuye el viento Se usan aspersores múltiples, rodantes y • Aumento de la velocidad de rotación de los de pivote central cabezales de los aspersores 66 Ilustración 4.3 Ejemplos de riego móvil Uno de los problemas principales que se presen- tes tratamientos según el nivel de reducción de tan con el uso de las aguas residuales para riego coliformes que se quiera obtener, que a su vez de- es el de posibles infecciones y propagación de mi- penderá del tipo de riego y la utilización que se croorganismos patógenos debido a los aerosoles le dé. Como se observa en la Tabla 4.8, el riego que se forman. Por ello es necesario saber cómo y superficial de viñedos y árboles frutales requiere qué se va a regar. El riesgo mayor aparece cuan- un nivel de tratamiento menor y el riego por as- do se usa el riego por aspersión para cultivos de persión requiere cumplir una normatividad más consumo directo. Por este motivo, el Código de estricta en cuanto a la reducción de coliformes Agua de California (EE.UU.), distingue diferen- totales. 67 Tabla 4.8 Parámetros complementarios requeridos para riego Tipo de reutilización Tratamiento Calidad Distancia de seguridad Riegos de cultivos Biológico PH= 6-9 15 m a fuentes o pozos de agua potable Comestibles no procesados Filtración <10 mg DBO/L 15 m a fuentes o pozos de agua potable Comercialmente Desinfección <2 NTU 0 CF/100 mL 30 m a zonas permitidas al público 1 mg CLO2/L Biológico PH = 6-9 90 m a fuentes o pozos de agua potable <30 mg DBO/L Riego de cultivos que se consumen procesados <30 mg SS/L Desinfección 200 C.F./100 mL 30 m a zonas permitidas al público 1 mg CLO2/L Riego de pastos de animales productores Biológico PH = 6-9 90 m a fuentes o pozos de agua potable <30 mg DBO/L De leche y cultivos industriales <30 mg SS/L Desinfección 200 C.F./100 mL 30 m a zonas permitidas al público 1 mg CLO2/L 4.1.4.2 Riego superficial para oxidar la materia orgánica y prevenir que los poros se colmaten (ver Ilustración 4.5). Surcos o caballones Escorrentías El efluente se aplica por gravedad y fluye a través de los surcos. El terreno debe ser llano, y Este sistema se practica sobre pendientes con el tamaño de los surcos o caballones depen- cubierta vegetal y consiste en la descarga con- den del volumen de vertido, tipo de vegetal y trolada de un efluente por un terreno con una tipo de suelo (ver Ilustración 4.4). Se deben pendiente y longitud adecuadas, que se encuen- alternar periodos de inmersión de los surcos tra tapizado por pastizales o masas forestales. con periodos de secado para oxidar la materia Los terrenos ideales son los que tienen baja per- orgánica y evitar colmatar los poros. meabilidad y coeficiente de retención adecuados para proteger los acuíferos. Inundación 4.1.4.3 Riego localizado Como su propio nombre lo indica, este sistema consiste en encharcar parcelas. La tierra tiene que Se ahorra mucha agua y se evita la prolifera- estar nivelada con el fin de mantener una profun- ción de malas hierbas ya que la zona regada es didad uniforme y se necesita un periodo de secado muy puntual. Esta técnica exige una filtración 68 exhaustiva del agua residual para evitar una en este último en el que se presentan con mayor obturación de los goteros. Se aplica fundamen- frecuencia. Entre las causas que las producen se talmente en frutales y plantas hortícolas (ver pueden mencionar: Ilustración 4.6). • Los sólidos en suspensión que lleva el agua residual y se reducen según el ni- Toxicidad y riesgo sanitario vel de tratamiento • Cuando se riega con aguas salinas se aporta me- La eutrofización, que consiste en el de- nor cantidad de agua y no se produce un lavado sarrollo de algas u otros vegetales inde- suficiente de sales, por lo que éstas se concentran seables dentro del agua. Se produce prin- en la zona radicular. Es el sistema de distribución cipalmente por el enriquecimiento de considerado como perfecto para evitar el contac- ciertos nutrientes como el nitrógeno y el to operario-agua, ya que es un sistema totalmen- fósforo. Este proceso puede taponar tube- te cerrado que, además, no genera aerosoles. rías, válvulas, emisores, goteros, etcétera La turbiedad del agua de riego debe ser muy baja Obturación para evitar la obturación de goteros. Por este Las obturaciones ocurren tanto en el riego por motivo el riego localizado es el más restrictivo aspersión como en el riego localizado, pero es en cuanto a uso con agua residual tratada. Ilustración 4.4 Riego por surcos 69 Ilustración 4.5 Ejemplo de riego por inundación Ilustración 4.6 Riego localizado por goteo 70 Conc lusion e s de l l i bro Con el presente documento se proporcionan a los organismos operadores las recomendaciones para diseñar y seleccionar alternativas poco convencionales para la disposición de aguas residuales en zonas rurales o que por su accidentada topografía, no es viable la construcción de redes de alcantarillado sanitario que permitan llevar el agua residual a las plantas de tratamiento. Los procedimientos alternativos presentados en este libro aprovechan las reacciones fisicoquímicas que tienen lugar en el suelo, la actividad de los microorganismos presentes en abundancia y la propia acción de la vegetación. Este conjunto de fenómenos permite el tratamiento de las aguas residuales, lo que promueve el aprovechamiento del agua vertida, así como de los subproductos que se pueden explotar de ella, como la madera y algunos productos agrícolas. Complementariamente, se busca mejorar el paisaje urbano-rural. Dentro de estas tecnologías el proceso de filtración intermitente de arena se propone como una alternativa por ser un método de tratamiento del agua sencillo, eficiente y confiable. Sus costos, por lo general, están al alcance de los recursos de cualquier comunidad y las facilidades para el diseño de construcción, operación y mantenimiento se encuentran usualmente disponibles a nivel local o pueden adquirirse en forma relativamente fácil. Se presentan además los sistemas de aplicación superficial al suelo entre los que destaca el filtro verde, ya que tiene uno de los mayores potenciales de tratamiento de todos los sistemas de aplicación al terreno, debido a la aplicación de cargas relativamente bajas sobre el suelo vegetado y a la existencia de un ecosistema muy activo en el suelo, a escasa distancia de la superficie. El tratamiento tiene lugar en niveles superiores del terreno, donde se encuentra una capa biológica activa. Por otra parte se presentan los sistemas de infiltración rápida que pueden producir agua tratada de suficiente calidad para irrigación no restringida y recreación. Este sistema se puede aplicar en lugares donde las cuencas de infiltración rápida se localizan en sitios elevados y el agua tratada drena naturalmente hacia las corrientes 71 u otros cuerpos superficiales, desde donde se puede utilizar nuevamente. Estos sistemas también se usan en lugares donde se pretende reducir la contaminación de lagos o corrientes. En lugar de ser descargado directamente al cuerpo de agua superficial, el efluente se pasa primero a través del sistema de infiltración rápida para que eventualmente drene al acuífero como agua tratada. Dentro del libro se aborda el riego superficial ya que su uso es muy extendido, además de que supone una etapa más en el tratamiento de aguas, ya que, como se mencionó, el suelo es medio de tratamiento eficaz. Debe tomarse en cuenta que el agua residual aporta abundantes concentraciones de nutrientes, pero conlleva riesgos sanitarios con posible contaminación de acuíferos, si no se toman las medidas adecuadas. El uso que se le da al agua residual por este proceso es para regar cultivos agrícolas destinados al consumo directo alimenticio humano, animal y consumo indirecto industrial (alimentos procesados como conservas y azúcar, y productos textiles de origen vegetal). La tercera parte del libro presenta alternativas de tratamiento fundamentadas en el proceso de filtración, pero a un nivel doméstico. Estos sistemas presentan la ventaja de ser económicos, de fácil instalación y requieren poco mantenimiento. Sin embargo, se necesita un área relativamente grande y el sistema depende de las condiciones topográficas, la permeabilidad del suelo y el nivel freático de la región. Dentro de los sistemas de tratamiento mediante aplicación subsuperficial de las aguas residuales, destacan las zanjas filtrantes, los lechos filtrantes y los pozos filtrantes. Recuerde que los procedimientos, datos, modelos matemáticos y programas de cómputo presentados en este libro obedecen a la experiencia vertida a lo largo del tiempo por parte de los especialistas en la materia y de los proyectos en que se han trabajado. Sin embargo, en ningún caso debe considerarse esta información como reglamento o norma oficial; más bien debe ser considerada como una guía para el diseño de sistemas de tratamiento no convencionales. 72 Bi bl io gr a f í a Álvarez F. (Octubre de 2002). Filtros verdes. Un siste- filtración directa en el terreno. Madrid, España: ma de depuración ecológico. INGENIERÍA Instituto Geológico y Minero de España. HIDRÁULICA Y AMBIENTAL, XXIII, 25- Metcalf & Eddy (1998). Ingeniería de aguas residuales. Tratamiento, vertido y reutilización. 3ª Ed. 1485 28. p. McGraw-Hill. ISBN 84-481-1607-0. Centro panamericano de ingeniería sanitaria y ciencias del ambiente. (2003). Especificaciones Metcalf & Eddy. (1991). Wastewater Engineering. técnicas para el diseño de zanjas de filtro y fil- Treatment, Disposal and Reuse. New York: tros subsuperficiales de arena. Lima, Perú. McGraw Hill, Inc. Middlebrooks, E. (1995). Upgrading pond efluents. Ferruses, J. (2011). Actualizaciones de Acuamed Wat. Sci. Tech. para la mejora de la calidad de las aguas men- Perkins, R. (1990). Onsite Wastewater Disposal. diante fintros verdes en el entorno de la Al- Lewis Publishers. bufera. Madrid, España: Ministerio de Medio Rovirosa, N. (2004). Tratamiento de Aguas resid- Ambiente y Medio Rural y Marino. Hilleboe, H. (1995). 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La depuración de aguas residuales urbanas de pequeñas poblaciones mediante in- 73 Ta bl a de con v e r sion e s de u n i da de s de m e di da Sigla Significado Sigla Significado mg miligramo kg/m kilogramo por metro cúbico g gramo l/s litros por segundo 3 kg kilogramo m /d metros cúbicos por día mm milímetro Sm3/h condiciones estándar de metro cúbico por hora cm centímetro Scfm condiciones estándar de pies cúbicos por minuto m metro °C grados Celsius ml mililitro psia libra-fuerza por pulgada cuadrada absoluta l litro cm/s centímetro por segundo m metro cúbico m/s metro por segundo s segundo HP caballo de fuerza (medida de energía) h hora kW kilowatt d día UNT unidades nefelométricas de turbiedad mg/l miligramo por litro 3 3 Longitud Sistema métrico Sistema Inglés Siglas 1 milímetro (mm) 0.03 in 1 centímetro (cm) = 10 mm 0.39 in 1 metro (m) = 100 cm 1.09 yd 1 kilómetro (km) = 1 000 m 0.62 mi Sistema Inglés Sistema métrico 1 pulgada (in) 2.54 cm 1 pie (ft) = 12 pulgadas 0.30 m 1 yarda (yd) = 3 pies 0.91 m 1 milla (mi) = 1 760 yardas 1.60 km 1 milla náutica (nmi) = 2 025.4 yardas 1.85 km 75 Superficie Sistema métrico Sistema inglés Siglas 1 cm2 = 100 mm2 0.15 in2 1 m2 = 10 000 cm2 1.19 yd2 1 hectárea (ha) = 10 000 m2 2.47 acres 1 km2 = 100 ha 0.38 mi2 Sistema Inglés Sistema métrico 1 in2 6.45 cm2 0.09 m2 0.83 m2 4 046.90 m2 2.59 km2 1 ft2 = 144 in 2 1 yd2 = 9 ft2 1 acre = 4 840 yd 2 1 milla2 = 640 acres Volumen/capacidad Sistema métrico Sistema inglés Siglas 1 cm3 0.06 in3 1 dm3 = 1 000 cm3 0.03 ft3 1 m3 = 1 000 dm3 1.30 yd3 1 litro (L) = 1 dm 1.76 3 1 hectolitro (hL) = 100 L pintas 21.99 Sistema Inglés galones Sistema métrico 1 in 16.38 cm3 1 ft = 1 728 in 0.02 m3 1 onza fluida EUA = 1.0408 onzas fluidas RU 29.57 mL 1 pinta (16 onzas fluidas) = 0.8327 pintas RU 0.47 L 1 galón EUA = 0.8327 galones RU 3.78 L 3 3 3 Masa/peso Sistema métrico Sistema inglés 1 miligramo (mg) 0.0154 grano 1 gramo (g) = 1 000 mg 0.0353 onza 1 kilogramo (kg) = 1 000 g 2.2046 libras 0.9842 toneladas larga 1 tonelada (t) = 1000 kg Sistema Inglés Sistema métrico 1 onza (oz) =437.5 granos 1 libra (lb) = 16 oz 28.35 g 0.4536 kg 1 stone = 14 lb 6.3503 kg 1 hundredweight (cwt) = 112 lb 50.802 kg 1 tonelada larga = 20 cwt 1.016 76 t Temperatura 5 9 º º Otros sistemas de unidades Unidad Símbolo ºF 9^ h 5 ºC 32 Multiplicado por Sistema Internacional de Unidades (SI) Factor de conversión Se convierte a Longitud Pie pie, ft.,' 0.30 Pulgada plg, in," 25.40 metro m milímetro mm 98 066.50 pascal Pa 6 894.76 pascal Pa Presión/esfuerzo Kilogramo fuerza/cm kg f/cm Libra/pulgada2 lb/ plg2, PSI 2 2 atmósfera técnica at metro de agua m H2O (mca) 98 066.50 pascal Pa 9 806.65 pascal Pa mm de mercurio mm Hg bar bar 133.32 pascal Pa 100 000.00 pascal Pa kilogramo fuerza kg f newton N libra lb 0.45 kilogramo kg onza oz 28.30 gramo g kilogramo fuerza/m3 kg f/m3 9.80 N/m3 N/m3 libra /ft3 lb/ft3 157.08 N/m3 N/m3 Fuerza/ peso 9.80 Masa Peso volumétrico Potencia caballo de potencia CP, HP 745.69 watt W caballo de vapor CV 735.00 watt W pascal segundo Pa s stoke m2/s (St) Viscosidad dinámica poise m 0.01 Viscosidad cinemática viscosidad cinemática n 1 Energía/ Cantidad de calor caloría cal unidad térmica británica BTU 4.18 joule J 1 055.06 joule J Temperatura grado Celsius °C tk=tc + 273.15 grado Kelvin K Nota: El valor de la aceleración de la gravedad aceptado internacionalmente es de 9.80665 m/s 2 77 Longitud de / a mm cm m km milla náutica (nmi) mi ft in 0.033 0.394 3.281 39.370 0.039 mm 1.000 0.100 0.001 cm 10000 1.000 0.010 m 1 000.000 100.000 1.000 0.001 km 0.001 1.000 0.621 0.540 3 280.83 mi 1 609.347 1.609 1.000 0.869 5 280.000 1 852.000 1.852 1.151 1.000 6 076.115 nmi ft in 30.480 0.305 1.000 12.000 25.400 2.540 0.025 0.083 1.000 cm m km Superficie de / a 2 cm 1.00 m 10 000.00 2 2 2 1.000 ha 10 000.00 mi2 acre 4 047.00 ft2 929.03 in 6.45 ha mi2 acre 1.00 km2 2 2 100.000 0.386 ft2 in2 0.001 0.155 10.764 1 550.003 1.000 0.007 144.000 1.000 in3 yd3 247.097 0.010 1.000 0.004 2.471 2.590 259.000 1.000 640.000 0.004 0.405 0.002 1.000 0.09 Volumen de / a cm3 cm m 3 1.000 ft3 gal. EUA m 1.000 1 000.000 1 000.000 0.061 35.314 264.200 0.001 1.000 0.035 0.264 0.028 28.317 1.000 7.481 gal. EUA 0.004 3.785 0.134 1.000 acre-ft 1 233.490 ft3 in3 16.387 1.307 61.023 0.037 230.974 1.000 0.016 0.765 Yd3 acre-ft 0.001 3 L L 3 0.004 1.000 27.000 1.000 Gasto de / a l/s cm3/s l/s 1.000 1 000.000 cm3/s 0.001 1.000 0.044 1.000 0.063 63.089 l/min 0.017 m3/día 0.012 3 m /h 0.278 ft /s 28.316 gal/día gal/min 3 gal/día gal/min l/min m3/día m3/h ft3/s 15.851 60.000 86.400 3.600 0.035 0.016 0.060 0.083 1 440.000 1.000 0.000 5.451 0.227 0.002 16.667 0.000 0.264 1.000 1.440 0.060 11.570 264.550 0.183 0.694 1.000 0.042 6 340.152 4.403 16.667 24.000 1.000 0.010 448.831 1 698.960 2 446.590 101.941 1.000 22.825 0.004 78 Eficiencia de pozo de a gal/min/pie l/s/m gal/min/pie 1.000 0.206 l/s/m 4.840 1.000 Permeabilidad de a cm/s cm/s gal/día/Pie2 1.000 gal/día/pie 2 m/día pie/s 21 204.78 864.000 0.033 1.000 0.041 millón gal/ día/acre m/día 0.001 pie/s 30.480 Darcy millones gal/día/acre 24.543 1.000 0.935 1.069 1.000 26 334.72 18.200 Darcy 0.055 1.351 1.000 0.740 1.000 Peso de a grano gramo Grano (gr) 1.000 0.065 Gramo (g) 15.432 Kilogramo (kg) Libra (lb) Onza (oz) 437.500 kilogramo libra onza 1.000 0.001 0.002 1 000.000 1.000 2.205 35.273 453.592 0.454 1.000 16.000 28.350 t corta tonelada corta tonelada larga tonelada métrica 0.001 1.000 907.180 2 000.000 1.000 0.907 t larga 1 016.000 2 240.000 1.119 1.000 1.016 t métrica 1 000.000 2 205.000 1.101 0.986 1.000 ft lb/s kg m/s BTU/s kcal/s Potencia de a CV HP kW W CV 1.000 0.986 0.736 735.500 542.500 75.000 0.697 0.176 HP 1.014 1.000 0.746 745.700 550.000 76.040 0.706 0.178 kW 1.360 1.341 1.000 1 000.000 737.600 101.980 0.948 0.239 0.001 1.000 0.738 0.102 W 1.356 1.000 0.138 0.001 kg m/s ft lb/s 0.013 0.013 0.009 9.806 7.233 1.000 0.009 BTU/s 1.434 1.415 1.055 1 055.000 778.100 107.580 1.000 0.252 kcal/s 5.692 5.614 4.186 4 186.000 3 088.000 426.900 3.968 1.000 79 0.002 Presión de a atmósfera Kg/cm mm de Hg in de Hg m de H20 ft de H2O 1.000 1.033 14.696 760.000 29.921 10.330 33.899 atmósfera lb/in 2 2 kg/cm 0.968 1.000 14.220 735.560 28.970 10.000 32.810 lb/in2 0.068 0.070 1.000 51.816 2.036 0.710 2.307 2 mm de Hg 0.001 0.001 0.019 1.000 0.039 0.013 0.044 in de Hg 0.033 0.035 0.491 25.400 1.000 0.345 1.133 m de agua 0.096 0.100 1.422 73.560 2.896 1.000 3.281 ft de agua 0.029 0.030 0.433 22.430 0.883 0.304 1.000 Energía de a CV hora HP hora kW hora J ft.lb kgm BTU kcal CV hora 1.000 0.986 0.736 2 510.000 632.500 HP hora 1.014 1.000 0.746 2 545.000 641.200 kW hora 1.360 1.341 1.000 3 413.000 860.000 J 1.000 0.738 0.102 ft.lb 1.356 1.000 0.138 kgm 9.806 7.233 1.000 BTU 1 054.900 778.100 107.580 1.000 0.252 kcal 4 186.000 3 087.000 426.900 426.900 1.000 Transmisividad de a cm2/s gal/día/pie m2/día cm2/s 1.000 695.694 8.640 gal/día/ft 0.001 1.000 0.012 m2/día 0.116 80.520 1.000 80 Conversión de pies y pulgadas, a metros ft, in/m 0 1 2 3 4 5 0 0.000 0.025 0.051 1 0.305 0.330 0.356 2 0.610 0.635 0.660 0.686 0.711 0.737 3 0.914 0.940 0.965 0.991 1.016 1.041 6 0.076 0.102 0.127 0.152 0.381 0.406 0.432 0.457 0.762 1.067 7 8 9 10 11 0.178 0.203 0.229 0.254 0.279 0.483 0.508 0.533 0.559 0.584 0.787 0.813 0.838 0.864 0.889 1.092 1.176 1.143 1.168 1.194 4 1.219 1.245 1.270 1.295 1.321 1.346 1.372 1.397 1.422 1.448 1.473 1.499 5 1.524 1.549 1.575 1.600 1.626 1.651 1.676 1.702 1.727 1.753 1.778 1.803 6 1.829 1.854 1.880 1.905 1.930 1.956 1.981 2.007 2.032 2.057 2.083 2.108 7 2.134 2.159 2.184 2.210 2.235 2.261 2.286 2.311 2.337 2.362 2.388 2.413 8 2.438 2.464 2.489 2.515 2.540 2.565 2.591 2.616 2.642 2.667 2.692 2.718 9 2.743 2.769 2.794 2.819 2.845 2.870 2.896 2.921 2.946 2.972 2.997 3.023 10 3.048 3.073 3.099 3.124 3.150 3.175 3.200 3.226 3.251 3.277 3.302 3.327 11 3.353 3.378 3.404 3.429 3.454 3.480 3.505 3.531 3.556 3.581 3.607 3.632 12 3.658 3.683 3.708 3.734 3.759 3.785 3.810 3.835 3.861 3.886 3.912 3.937 13 3.962 3.988 4.013 4.039 4.064 4.089 4.115 4.140 4.166 4.191 4.216 4.242 14 4.267 4.293 4.318 4.343 4.369 4.394 4.420 4.445 4.470 4.496 4.521 4.547 15 4.572 4.597 4.623 4.648 4.674 4.699 4.724 4.750 4.775 4.801 4.826 4.851 16 4.877 4.902 4.928 4.953 4.978 5.004 5.029 5.055 5.080 5.105 5.131 5.156 17 5.182 5.207 5.232 5.258 5.283 5.309 5.334 5.359 5.385 5.410 5.436 5.461 18 5.486 5.512 5.537 5.563 5.588 5.613 5.639 5.664 5.690 5.715 5.740 5.766 19 5.791 5.817 5.842 5.867 5.893 5.918 5.944 5.969 5.994 6.020 6.045 6.071 20 6.096 6.121 6.147 6.172 6.198 6.223 6.248 6.274 6.299 6.325 6.350 6.375 21 6.401 6.426 6.452 6.477 6.502 6.528 6.553 6.579 6.604 6.629 6.655 6.680 22 6.706 6.731 6.756 6.782 6.807 6.833 6.858 6.883 6.909 6.934 6.960 6.985 23 7.010 7.036 7.061 7.087 7.112 7.137 7.163 7.188 7.214 7.239 7.264 7.290 24 7.315 7.341 7.366 7.391 7.417 7.442 7.468 7.493 7.518 7.544 7.569 7.595 25 7.620 7.645 7.671 7,696 7.722 7.747 7.772 7.798 7.823 7.849 7.874 7.899 26 7.925 7.950 7.976 8.001 8.026 8.052 8.077 8.103 8.128 8.153 8.179 8.204 27 8.230 8.255 8.280 8.306 8.331 8.357 8.382 8.407 8.433 8.458 8.484 8.509 28 8.534 8.560 8.585 8.611 8.636 8.661 8.687 8.712 8.738 8.763 8.788 8.814 29 8.839 8.865 8.890 8.915 8.941 8.966 8.992 9.017 9.042 9.068 9.093 9.119 30 9.144 9.169 9.195 9.220 9.246 9.271 9.296 9.322 9.347 9.373 9.398 9.423 31 9.449 9.474 9.500 9.525 9.550 9.576 9.60 1 9.627 9.652 9.677 9.703 9.728 32 9.754 9.779 9.804 9.830 9.855 9.881 9.906 9.931 9.957 9.982 10.008 10.033 33 10.058 10.084 10.109 10.135 10.160 10.185 10.211 10.236 10.262 10.287 10.312 10.338 34 10.363 10.389 10.414 10.439 10.465 10.490 10.516 10.541 10.566 10.592 10.617 10.643 35 10.668 10.693 10.719 10.744 10.770 10.795 10.820 10.846 10.871 10.897 10.922 10.947 La segunda columna es la conversión de pies a metros; las siguientes columnas son la conversión de pulgadas a metros que se suman a la anterior conversión. 81 Tabla de conversión de pulgadas a milímetros Pulgadas 0 1/8 1/4 3/8 1/2 5/8 3/4 7/8 0 0 3.175 6.35 9.525 12.7 15.875 19.05 22.225 1 25.4 28.575 31.75 34.925 38.1 41.275 44.45 47.625 2 50.8 53.975 57.15 60.325 63.5 66.675 69.85 73.025 3 76.2 79.375 82.55 85.725 88.9 92.075 95.25 98.425 4 101.6 104.775 107.95 111.125 114.3 117.475 120.65 123.825 5 127.0 130.175 133.35 136.525 139.7 142.875 146.05 149.225 6 152.4 155.575 158.75 161.925 165.1 168.275 171.45 174.625 7 177.8 180.975 184.15 187.325 190.5 193.675 196.85 200.025 8 203.2 206.375 209.55 212.725 215.9 219.075 222.25 225.425 9 228.6 231.775 234.95 238.125 241.3 244.475 247.65 250.825 10 254.0 257.175 260.35 263.525 266.7 269.875 273.05 276.225 11 279.4 282.575 285.75 288.925 292.1 295.275 298.45 301.625 12 304.8 307.975 311.15 314.325 317.5 320.675 323.85 327.025 13 330.2 333.375 336.55 339.725 342.9 346.075 349.25 352.425 14 355.6 358.775 361.95 365.125 368.3 371.475 374.65 377.825 15 381.0 384.175 387.35 390.525 393.7 396.875 400.05 403.225 16 406.4 409.575 412.75 415.925 419.1 422.275 425.45 428.625 17 431.8 434.975 438.15 441.325 444.5 447.675 450.85 454.025 18 457.2 460.375 463.55 466.725 469.9 473.075 476.25 479.425 19 482.6 485.775 488.95 492.125 495.3 498.475 501.65 504.825 20 508.0 511.175 514.35 517.525 520.7 523.875 527.05 530.225 21 533.4 536.575 539.75 542.925 546.1 549.275 552.45 555.625 22 558.8 561.975 565.15 568.325 571.5 574.675 577.85 581.025 23 584.2 587.375 590.55 593.725 596.9 600.075 603.25 606.425 24 609.6 612.775 615.95 619.125 622.3 625.475 628.65 631.825 25 635.0 638.175 641.35 644.525 647.7 650.875 654.05 657.225 26 660.4 663.575 666.75 669.925 673.1 676.275 679.45 682.625 27 685.8 688.975 692.15 695.325 698.5 701.675 704.85 708.025 28 711.2 714.375 717.55 720.725 723.9 727.075 730.25 733.425 29 736.6 739.775 742.95 746.125 749.3 752.475 755.65 758.825 30 762.0 765.175 768.35 771.525 774.7 777.875 781.05 784.225 Fórmulas generales para la conversión de los diferentes sistemas Centígrados a Fahrenheit °F=9/5°C+32 Fahrenheit a Centígrados °C=5/9 (°F-32) Réaumur a Centígrados °C=5/4 °R Fahrenheit a Réaumur °R=4/9 (°F-32) Réaumur a Fahrenheit °F=(9/4°R)+32 Celsius a Kelvin °K=273.15+0C Fahrenheit a Rankine °Ra=459.67+°F Rankine a Kelvin °K=5/9°Ra 82 Factores químicos de conversión A B C D E epm a gpg gpg a epm ppm a ppm CaC03 epm a ppm ppm a epm calcio Ca+2 20.04 0.04991 1.1719 0.8533 2.4970 hierro Fe+2 27.92 0.03582 1.6327 0.6125 1.7923 12.16 0.08224 0.7111 1.4063 4.1151 Constituyentes magnesio Mg +2 potasio K 39.10 0.02558 2.2865 0.4373 1.2798 sodio Na+1 23.00 0.04348 1.3450 0.7435 2.1756 bicarbonato (HCO3)-1 61.01 0.01639 3.5678 0.2803 0.8202 carbonato (CO3) 30.00 0.03333 1.7544 0.5700 1.6680 35.46 0.02820 2.0737 0.4822 1.4112 17.07 0.05879 0.9947 1.0053 2.9263 62.01 0.01613 3.6263 0.2758 0.8070 +1 -2 cloro (Cl) -1 hidróxido (OH) -1 nitrato (NO3)-1 fosfato (PO4)-3 31.67 0.03158 1.8520 0.5400 1.5800 sulfato (SO4)-2 48.04 0.02082 2.8094 0.3559 1.0416 805.00 0.01234 4.7398 0.2120 0.6174 carbonato de calcio (CaCO3) 50.04 0.01998 2.9263 0.3417 1.0000 cloruro de calcio (CaCI2) 55.50 0.01802 3.2456 0.3081 0.9016 hidróxido de calcio Ca(OH)2 37.05 0.02699 2.1667 0.4615 1.3506 sulfato de calcio (CaSO4) 68.07 0.01469 3.9807 0.2512 0.7351 bicarbonato férrico Fe(HCO3)3 88.93 0.01124 5.2006 0.1923 0.5627 carbonato férrico Fe2(CO3)3 57.92 0.01727 3.3871 0.2951 0.8640 sulfato férrico Fe2(CO4)3 75.96 0.01316 4.4421 0.2251 0.6588 bicarbonato de calcio Ca(HCO3)2 bicarbonato magnésico Mg(HCO3)2 73.17 0.01367 4.2789 0.2337 0.6839 carbonato magnésico (MgCO3) 42.16 1.02372 2.4655 0.4056 1.1869 cloruro de magnesio (MgCl2) 47.62 0.02100 2.7848 0.3591 1.0508 hidróxido de magnesio Mg(OH)2 29.17 0.03428 1.7058 0.5862 1.7155 sulfato de magnesio (MgSO4) 60.20 0.01661 3.5202 0.2841 0.6312 epm = equivalentes por millón ppm = partes por millón gpg = granos por galón p.p.m. CaC03 = partes por millón de carbonato de calcio 84 I lust r ac ion e s Ilustración 1.1 Esquema de un filtro intermitente de arena, a) vista del plano, b) sección transversal del filtro 3 Ilustración 1.2 Instalación de filtro intermitente de arena 4 Ilustración 1.3 Esquema del sistema de distribución de un filtro intermitente de arena 5 Ilustración 1.4 Esquema general del filtro 11 Ilustración 1.5 Resultados del modelo matemático 12 Ilustración 1.6 Curva de bomba propuesta 14 Ilustración 1.7 Arreglo general del filtro 15 Ilustración 2.1 Ejemplo de un filtro verde 20 Ilustración 2.2 Sistemas de infiltración con recuperación de agua tratada 29 Ilustración 2.3 Infiltración rápida 32 Ilustración 3.1 Esquema de una zanja filtrante 44 Ilustración 3.2 Tubería con barrenos para zanjas 45 Ilustración 3.3 Ejemplo de zanjas filtrantes 46 Ilustración 3.4 Características constructivas de las zanjas filtrantes (acotaciones en metros) 47 Ilustración 3.5 Esquema de un lecho filtrante 49 Ilustración 3.6 Ejemplo de un sistema de riego subterráneo 49 Ilustración 3.7 Ejemplo de lecho filtrante en el medio urbano 50 Ilustración 3.8 Características constructivas de un lecho filtrante 51 Ilustración 3.9 Esquema de un pozo filtrante 52 Ilustración 3.10 Anillos de concreto para pozos 53 Ilustración 3.11 Características constructivas de un pozo filtrante 54 Ilustración 4.1 Salinidad del suelo (IMTA, 2010) 62 Ilustración 4.2 Aspersores fijos 66 Ilustración 4.3 Ejemplos de riego móvil 67 Ilustración 4.4 Riego por surcos 69 Ilustración 4.5 Ejemplo de riego por inundación 70 Ilustración 4.6 Riego localizado por goteo 70 85 Ta bl a s Tabla 1.1 Criterios de diseño recomendados para filtros intermitentes de arena 9 Tabla 2.1 Datos para ejemplo 25 Tabla 2.2 Agua neta requerida por la vegetación 25 Tabla 2.3 Capacidad de asimilación hidráulica del sistema suelo – planta 26 Tabla 2.4 Comparación de resultados 26 Tabla 2.5 Ciclos de carga sugeridos para infiltración rápida 31 Tabla 2.6 Número mínimo de cuencas requeridas para un flujo continuo de agua residual y aplicación de un año (Sherwood1995) 33 Tabla 3.1 Distancia mínima desde la zanja 45 Tabla 3.2 Recomendaciones para el diseño de las zanjas y lechos filtrantes 47 Tabla 3.3 Recomendaciones para el diseño de lechos filtrantes 50 Tabla 3.4 Distancia mínima desde el pozo 53 Tabla 3.5 Recomendaciones para el diseño de pozos filtrantes 53 Tabla 4.1 Parámetros de calidad 56 Tabla 4.2 Límites máximos permisibles para contaminantes básicos (NOM-001-SEMARNAT-1996) 57 Tabla 4.3 Límites máximos permisibles para metales pesados y cianuros 58 Tabla 4.4 Clasificación de salinidad (IMTA, 2010) 60 Tabla 4.5 Clasificación de los suelos salinos (IMTA, 2010) 62 Tabla 4.6 Concentraciones máximas de micro elementos recomendadas en aguas de riego 63 Tabla 4.7 Parámetros microbiológicos requeridos para las aguas de riego 66 Tabla 4.8 Parámetros complementarios requeridos para riego 68 87 Cuidemos y valoremos el agua que mueve a México www.semarnat.gob.mx www.conagua.gob.mx