XXVIII Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental Cancún, México, 27 al 31 de octubre, 2002

INVESTIGACIONES Y EXPERIENCIAS CON BIOFILTROS EN NICARAGUA, CENTRO AMERICA Michael Platzer* Institución de trabajo: Sucher & Holzer, Proyecto ASTEC –Austria, UNI/RUPAP, Costado Sur, Villa Progreso, Managua, Nicaragua. Estudios Técnicos en St. Pölten, Austria, obteniendo el título de Ingeniero Mecánico en 1987. Estudios superiores en la Universidad de Bodenkultur, Viena, Austria, obteniendo el título de MSc. Ing. Civil – Sanitario en 1996. Experiencia laboral en evaluación, diseño y supervisión de construcción de plantas de tratamiento de aguas residuales, alcantarillado sanitario y rellenos sanitarios. Vidal Cáceres Institución de trabajo: Centro de Investigación y Estudios en Medio Ambiente, CIEMA, perteneciente a la Universidad Nacional de Ingeniería, UNI, Managua, Nicaragua. Nestor Fong Institución de trabajo: Centro de Investigación y Estudios en Medio Ambiente, CIEMA, perteneciente a la Universidad Nacional de Ingeniería, UNI, Managua, Nicaragua. Dirección (*): Proyecto ASTEC – Austria, CIEMA, UNI/RUPAP. Costado Sur, Villa Progreso. Apartado postal: 27. Telefax: (00505) 2490936. e-mail: [email protected] RESUMEN La aplicación de la tecnología de Biofiltro para el tratamiento de las aguas residuales domésticas en Nicaragua es una nueva experiencia. En 1996, se construyó el primer sistema de Biofiltro a escala piloto en la ciudad de Masaya con el objetivo de investigar la viabilidad técnica y económica de la aplicación de esta tecnología en las regiones tropicales de Centro América. Este sistema ha sido monitoreado cuidadosamente durante los pasados 5 años, lo cual ha proporcionado una amplia base de datos que ayudará en el diseño, operación y mantenimiento de futuros sistemas de tratamiento de este tipo y su aplicación en otros sitios de la región. Al mismo tiempo se desarrolló un programa de investigación sobre la calidad microbiológica de productos agrícolas irrigados con el efluente del Biofiltro. Los resultados obtenidos hasta el momento indican que esta tecnología constituye una alternativa más efectiva y menos costosa que otras tecnologías de tratamiento de aguas residuales aplicadas usualmente en la región, permitiendo además el reuso de aguas residuales tratadas en el riego agrícola. Keywords: Biofiltro, humedales artificiales, criterios de diseño, eficiencia de tratamiento, reuso del efluente, cultivos agrícolas. INTRODUCCION En Nicaragua, al igual que en la mayoría de los países latinoamericanos, los volúmenes de aguas residuales tratadas apropiadamente son sumamente bajos comparados con el total de aguas residuales domésticas generadas. Esta situación ha provocado que hoy en día la población se enfrente con graves problemas ambientales y afecciones de la salud vinculadas con aguas contaminadas, como son la generación de focos de vectores transmisores de enfermedades y la ingestión de alimentos contaminados por la irrigación de cultivos agrícolas con aguas residuales sin tratamiento. A nivel centroamericano, Nicaragua es el país que menor cobertura tiene en saneamiento, proporcionando servicios de alcantarillado sanitario al 17.33% de las aguas residuales generadas por la población total, mientras que el país que mayor porcentaje cubre es Guatemala, con 42.15% (OPS-OMS, 2000). Actualmente, el tipo de tratamiento aplicado con mayor frecuencia en América Latina es el sistema de lagunas de estabilización, el cual es utilizado también en las ciudades más pobladas de Nicaragua principalmente por su bajo costo

de construcción y operación sencilla, aunque muchas veces la calidad del agua tratada no es la adecuada para su vertido al medio ambiente, lo que ha contribuido a la eutroficación de cuerpos naturales de agua que reciben estos efluentes. Las investigaciones sobre el uso de la tecnología de Biofiltro en Nicaragua han iniciado con el propósito de encontrar una alternativa viable, tanto técnica como económicamente, para el tratamiento de aguas residuales provenientes de poblaciones medianas y pequeñas en los países de la región centroamericana, que proporcione efluentes de tal calidad que permita reutilizarlas en el riego de diferentes cultivos agrícolas. Con la construcción del primer Biofiltro en la Villa Bosco Monge de la ciudad de Masaya en el año 1996, se estableció un sistema de tratamiento para las investigaciones y aprendizaje de los técnicos del país. Con los resultados obtenidos durante los años de investigación se lograron establecer los criterios de diseño y el manual de operación y mantenimiento para plantas de este tipo en Centroamérica. En base a esta experiencia obtenida, se construyeron a partir del año 1999 otros Biofiltros en Nicaragua, como en el Reparto La Providencia, de la ciudad de León, en los municipios de Chichigalpa, Masachapa y Masatepe, así como una segunda planta en la ciudad de Masaya. Utilizando los mismos criterios de diseño se han construido también Biofiltros en otros países centroamericanos, como El Salvador y Honduras. PROYECTO PILOTO La planta piloto construida en Masaya es del tipo “Subsurface Flow Wetland System” (SSFW), e incluye una etapa de pretratamiento, tratamiento primario y tratamiento secundario que está formado por cuatro unidades de Biofiltro que operan en paralelo e independientemente. El sistema fue diseñado para tratar las aguas residuales generadas por 1,000 PE. colectora principal caja de conexión caja de regulación y limpieza de tubo

PRETRATAMIENTO

canal de entrada con su rejilla y

desarenador y trampa de grasa

TRATAMIENTO PRIMARIO

tanque

canales de distribución

Imhoff

Pila II

cajas de distribución y medición de caudal

Pila I tubos de drenaje

cajas de recolección

TRATAMIENTO SECUNDARIO

cajas de distribución y medición de caudal

Pila IV

Pila III efluente al cuerpo receptor

efluente al riego agrícola

Figura 1: Esquema de la planta piloto de Masaya

La etapa de pretratamiento consta de una rejilla de limpieza manual que remueve la mayor parte de los sólidos gruesos, seguida por un desarenador rectangular que retiene la materia inorgánica sedimentable arrastrada por las aguas, ya que en el sistema de recolección de aguas residuales hay cierta introducción de aguas pluviales. Además, este dispositivo cumple con la función de una trampa de grasa, puesto que tiene una pared deflectora que permite la retención de sustancias flotantes como grasas y aceites. El tratamiento primario se realiza por medio de un tanque Imhoff, el cual proporciona un tiempo de sedimentación de dos horas en su compartimento superior. Los sólidos retenidos en el compartimento inferior de este tanque son extraídos una vez por año y depositados en una pila de secado de lodos para su uso posterior en la generación de un mejorador de suelos. La siguiente etapa de tratamiento, los lechos filtrantes del Biofiltro, cuyas áreas totalizan 1,300 m2, tienen dimensiones individuales promedios de 16 m de ancho por 20 m de largo y 0.9 m de profundidad, con la finalidad de analizar e investigar individualmente las eficiencias de las unidades con diferentes materiales de lecho filtrante, tipos de plantas y caudales. Las aguas pretratadas son vertidas uniformemente a todo el ancho de cada una de las cuatro unidades por medio de canales de distribución colocados sobre un cuerpo de escoria volcánica gruesa, con el fin de evitar flujos preferenciales y aprovechar el volumen total del lecho filtrante. El drenaje de las aguas tratadas se realiza por medio de tubos perforados colocados en el fondo de cada unidad, en el extremo opuesto al canal de distribución.

Macrófitas

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

Canal de distribución del afluente al Biofiltro

Nivel del agua Caja de recolección

90 cm

Cuerpo de piedra gruesa (2” - 4”) Capa impermeable de arcilla compactada

Lecho filtrante de piedrín o escoria volcánica

Tubería de drenaje

Al cuerpo receptor o riego agrícola

Figura 2: Corte longitudinal del Biofiltro El material de relleno juega un rol importante en la eficiencia del tratamiento y tiene que cumplir con diferentes exigencias, tales como: alta superficie de contacto para las bacterias, capacidad adecuada de filtración, así como alta resistencia física y química contra el desgaste provocado por las aguas residuales. Para la construcción de los diferentes sistemas en Nicaragua, se usaron los materiales disponibles en la zona cuyo costo de explotación y transporte es bajo y que cumplen con las condiciones estipuladas, tales como las escorias volcánicas conocidas como hormigón rojo y piedra volcánica negra, además se utilizó piedrín. Se sembraron diferentes variedades de plantas macrófitas en las cuatro unidades, con el objetivo de comparar su influencia con respecto al régimen hidráulico y el rendimiento en la remoción de los diferentes contaminantes. Las plantas sembradas son especies de macrófitas y pastos existentes en la región. La planta ornamental en la Unidad I es Canna glauca, de la familia de las Heliconias, demuestra que un Biofiltro puede formar dentro de una urbanización núcleos verdes de aspecto estético, con plantas que florecen en todo el año. El Zacate Taiwán (Pennisetum purpureum) que se sembró en la Unidad II, es un pasto para ganado vacuno que tiene alta demanda de agua y nitrógeno. De las macrófitas que se encuentran en la región, se sembró en la Unidad III Phragmites australis y en la Unidad IV Typha domingüensis, Cyperus articulatus L. y Phalaris arundinacea. Los análisis realizados para el monitoreo rutinario de la planta piloto incluyeron la determinación frecuente de DQO, DBO5, amonio, nitratos, nitritos, N-Kjeldahl, fosfatos totales, sólidos totales, suspendidos y disueltos, Cloruros, coliformes totales y E. Coli, además de análisis menos frecuentes para la detección de enteroparásitos helmintos y sustancias activas al azul de metileno. Paralelamente a las investigaciones efectuadas sobre la eficiencia del tratamiento,

se desarrollaron ensayos de riego de distintos cultivos agrícolas con el efluente del Biofiltro. Estos ensayos se dirigieron fundamentalmente a comprobar la calidad microbiológica de los productos agrícolas obtenidos al utilizar las aguas tratadas para su irrigación, así como la determinación de su rendimiento promedio. Entre los cultivos analizados se encuentran hortalizas de consumo crudo y cocido, frutas, granos básicos y pasto para ganado bovino. •

Otros Biofiltros en la región

La experiencia adquirida y los resultados satisfactorios obtenidos durante la construcción y operación de la planta piloto del Biofiltro Masaya estimularon la construcción de otros sistemas de este tipo en Nicaragua, así como en otros países de la región centroamericana. En El Salvador y Honduras se construyeron Biofiltros que actualmente se encuentran operando y fueron diseñados con criterios establecidos mediante la operación del Biofiltro Masaya. En la siguiente tabla se presenta un resumen de los sistemas de Biofiltros que ya están construidos en la región centroamericana, algunos de los cuales están a la espera de la finalización de la construcción de la respectiva red de alcantarillado sanitario para entrar en funcionamiento. Todos estos sistemas tienen desarenador y rejilla como pretratamiento y tanque Imhoff o tanque séptico como tratamiento primario. Tabla 1: Biofiltros en la región centroamericana Proyecto Ubicación Fecha de arranque Planta piloto, Biofiltro Villa Bosco Monge Biofiltro del Reparto La Providencia Biofiltro de la Carretera Sur, km 10.5 Biofiltro de Los Sabogales Biofiltro de Chichigalpa Biofiltro de Masatepe Biofiltro del Centro de Salud de Masachapa Biofiltro de San José Las Flores Biofiltro de Teupasenti

Masaya, Nicaragua León, Nicaragua Managua, Nicaragua Masaya, Nicaragua Chinandega, Nicaragua Masaya, Nicaragua San Rafael del Sur, Nicaragua Chalatenango, El Salvador Danlí, Honduras

Area específica (m2/PE)

Mayo 1996

1.3

Costo de construcción (US$) 42,000.00

Costo por PE (US$) 36,4

Septiembre 2000

1.5

115,700.00

41,6

Mayo 2000

2.0

1,650.00

275,0

Proyectada (Junio 2002) Proyectada (Julio 2002) Proyectada (Febrero 2002) Septiembre 2001

1.2

50,070.00

59,2

1.5

298,500.00

34,1

1.8

238,800.00

36,2

1.3

7,400.00

102,8

Enero 2000

1.1

68,500.00

50,2

Junio 2001

1.3

92,240.00

32,8

En general, se debe hacer notar que los costos unitarios dependen del tamaño y la ubicación de la planta de tratamiento, los cuales disminuyen principalmente cuando el sistema es más grande. Para sistemas pequeños de Biofiltro, estos costos son generalmente más altos (US $275/PE), mientras que las en las plantas de tratamiento más grandes disminuye hasta aproximadamente US $35.0/PE, que es aproximadamente 30% menos que los costos unitarios para la construcción de un sistema de lagunas de estabilización de la misma capacidad. Un factor que influenció grandemente sobre los costos fue la distancia desde cada planta de tratamiento al sitio de explotación del material adecuado para el lecho filtrante, puesto que los costos de inversión se incrementan debido al transporte de grandes volúmenes de material.

EFICIENCIA DE LA PLANTA PILOTO BIOFILTRO MASAYA 1- Remoción de DBO5 y DQO El monitoreo establecido desde el arranque del sistema refleja que todas las unidades del Biofiltro tienen una excelente remoción de materia orgánica, puesto que los porcentajes de remoción de DBO5 oscilan entre 89% - 95% y para DQO entre 75% – 86%. Si se toma en cuenta el sistema total, incluyendo las etapas de pretratamiento y tratamiento primario, las remociones de estos parámetros oscilan entre 97% - 99% y 91% - 95% respectivamente. DEMANDA BIOQUIMICA DE OXIGENO 120 100

DBO5, mg/l

80 60 40 20 0 May- Ago- Nov- Feb- Jun- Sep- Dic- Abr- Jul-98 Oct- Ene- May- Ago- Nov- Mar- Jun- Sep- Dic- Abr- Jul-01 Oct96 96 96 97 97 97 97 98 98 99 99 99 99 00 00 00 00 01 01

Afluente común

Efluente Unidad I

Efluente Unidad II

Efluente Unidad III

Efluente Unidad IV

Figura 3: Tendencia de los valores de DBO5 en las 4 unidades del Biofiltro Masaya En la Figura 3 se presenta el comportamiento a largo plazo de los valores de DBO5 en el afluente común y de los efluentes de las cuatro unidades independientes. Se puede observar en el afluente la tendencia al aumento, mientras que en todos los efluentes los valores son muy estables. El comportamiento a largo plazo de los valores de DQO (datos no mostrados) fue también excelente y muy similar a los de DBO5, con valores máximos de 65 mg/l en los efluentes de las diferentes unidades del Biofiltro. 2- Remoción de nitrógeno total La reducción promedio del nitrógeno total en las diferentes unidades oscila entre 21 – 39%, lo cual se considera relativamente bajo. Esto se debe a la poca disponibilidad de oxígeno dentro del lecho filtrante de las unidades de flujo horizontal, limitando a niveles bajos los principales mecanismos para la remoción de nitrógeno, que son la nitrificación y desnitrificación. Actualmente en Nicaragua, el límite máximo permisible para el nitrógeno se fija en base al uso que se le dará al cuerpo receptor, por lo que no hay un valor fijo establecido. Sin embargo, para la reutilización del efluente en el riego de cultivos agrícolas es deseable que cierta cantidad de nitrógeno esté presente en las aguas tratadas, puesto que es un macronutriente que contribuye a la fertilización de los mismos. 3- Remoción de fosfatos totales Los fosfatos totales presentan una baja tasa de disminución en las diferentes unidades del Biofiltro con valores entre 6 y 19% de remoción; para el sistema completo estos valores varían entre 16 y 28%, porque en las etapas de pretratamiento y tratamiento primario se elimina una fracción de los fosfatos por sedimentación, mientras que en el Biofiltro se elimina otra fracción mediante diversos mecanismos de remoción, entre ellos la adsorción en el lecho filtrante y consumo de las plantas (Cooper et al., 1996). Al igual que para el nitrógeno, no existe un valor máximo permisible definido para el fósforo, sino que depende del uso que se le dará el cuerpo receptor. El fósforo también es un macronutriente para las plantas y es deseable en las aguas tratadas si éstas se van a utilizar para el riego de cultivos agrícolas.

4- Remoción de sólidos suspendidos La remoción de sólidos suspendidos oscila entre 52% y 73% en las diferentes unidades, mientras que para el sistema total estos valores están entre 92% y 96%, produciendo un efluente final de aspecto claro y sin presencia visible de sólidos. La tendencia de este parámetro respecto al tiempo de operación muestra un incremento en el afluente común y en los efluentes de las 4 unidades. El aumento en la concentración de sólidos suspendidos en el efluente de las cuatro unidades podría ser provocado por el arrastre de cierta cantidad de biomasa hacia la salida del sistema a causa de la formación de una población bacteriana cada vez mayor. A pesar de esto, las concentraciones actuales no tienen un efecto negativo apreciable sobre la calidad del efluente. 5- Remoción de Coliformes totales y E. Coli Las concentraciones medias de coliformes totales y E. Coli en el efluente fue de 1.5*105 NMP/100 ml y 7.5*104 NMP/100 ml, respectivamente. La eficiencia de remoción de las unidades individuales en lo que respecta a estos dos parámetros durante el tiempo de operación fue alta y con poca variación, registrándose una eficiencia de remoción promedio de aproximadamente 97%, equivalente a una reducción de 1.4 unidades de potencia para ambos parámetros. Si se toma en cuenta el sistema total, incluyendo el pretratamiento y tratamiento primario, esta eficiencia se incrementa a 2 unidades de potencia. Sin embargo, esto no es suficiente para cumplir con las normas nacionales de descarga para E. Coli (103 MPN/100 ml). Esto puede ser atribuido al poco tiempo de retención hidráulica en estas unidades (3.5 días). En una investigación efectuada con dos Biofiltros en serie (Guevara, 2000), en el cual el tiempo de retención hidráulica se incrementó hasta 6.3 días, la eficiencia de remoción de E. Coli se incrementó a 3.4 unidades de potencia, con un valor final de 2.7*102 MPN/100 ml. 6- Remoción de Enteroparásitos Helmintos Además de análisis ocasionales de detección de enteroparásitos helmintos en el efluente de la planta piloto, se realizó un estudio comparativo durante 6 meses en tres diferentes tipos de sistemas de tratamiento de aguas residuales domésticas (Lagunas de estabilización, Biofiltro y Filtro Anaeróbico) utilizados en el país, con el objetivo de determinar la eficiencia de cada uno de ellos en la remoción de estos parásitos intestinales. Los resultados de dicho estudio se presentan en la siguiente figura, en la cual se especifican los diferentes tipos de parásitos encontrados en los análisis realizados. 21%

6%

1%

1%

A. Lum bric o ide s S . S te rc o la ris T. Tric hiura E. Ve rm ic ula ris Ta e nia s pp

71%

Figura 4: Porcentajes de las diferentes especies de Enteroparásitos helmintos identificadas (López, y Suazo, 2001) Entre las especies identificadas la de mayor presencia correspondió a Ascaris lumbricoides, nemátodo intestinal que provoca la incidencia de la enfermedad parasitaria mayormente difundida en los países tropicales. La capacidad de remoción de Helmintos en los diferentes sistemas se determinó comparando la cantidad por litro en el afluente y el efluente de los sistemas de tratamiento. Las eficiencias de remoción obtenidas fueron: 94.2% para las Lagunas de estabilización, 81.4% para el Filtro Anaeróbico y 99.6% para el Biofiltro; en este último sistema fueron detectados solamente 2 larvas en todas las muestras analizadas durante el período del estudio. El Biofiltro fue el único sistema de los tres que cumplió con los requerimientos establecidos (