Opciones de tratamiento y disposición final de residuales domésticos y su relación con el Protocolo Fuentes Terrestres de Contaminación Marina (Región del Gran Caribe)

Lic. Joaquín Gutiérrez Díaz Centro de Información, Gestión y Educación Ambiental (CIGEA) Ministerio de Ciencia, Tecnología y Medio Ambiente (CITMA) Calle 20 esquina 18-A, Miramar, Playa, CP 11300, C. Habana, Cuba Tel: (537)2029351, Fax: (537)2049031, Email: [email protected]

INTRODUCCIÓN Es conocido que uno de los mayores problemas ambientales de la Región del Gran Caribe se asocia a la contaminación por actividades terrestres del medio marino, los efectos negativos se derivan de las principales actividades socioeconómicas, tales como: las industriales, agrícolas, comerciales, turísticas, y de urbanización, las cuales generan impactos crecientes en las zonas costeras caribeñas. Es la falta de alcantarillado y sistemas adecuados para el tratamiento de las aguas residuales domésticas lo que genera y trae como consecuencia la contaminación de valiosos recursos costeros y marinos de uso turístico y pesquero, así como la afectación y destrucción de ecosistemas sensibles y valiosos como: las barreras de coral, manglares y pastos marinos, entres otros.

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Protocolo Fuentes Terrestres de Contaminación Marina (Región del Gran Caribe)

En 1981, los Gobiernos de la región del Gran Caribe, con el apoyo y participación del Programa de las Naciones Unidas para el Medio (PNUMA), conformaron el Programa Ambiental del Caribe (PAC) con el fin de promover la cooperación regional para la protección y desarrollo del medio marino. El PAC es uno de los 14 programas de los mares regionales del PNUMA. El Convenio para la Protección y el Desarrollo del Medio Marino de la Región del Gran Caribe (PAC) fue suscrito en Cartagena de Indias, Colombia, el 24 de marzo de 1983. En su Articulo 7: “Contaminación procedente de fuentes terrestres” el PAC se pronunció por la adopción de medidas adecuadas para prevenir, reducir y controlar la contaminación en la zona de aplicación causada por la evacuación de desechos en el medio costero o por descargas provenientes de ríos, estuarios, establecimientos costeros, instalaciones de desagüe o cualquiera otras fuentes situadas en sus territorios. El 6 de octubre de 1999 en Oranjestad, Aruba, la II Conferencia de Plenipotenciarios del PAC dio adopción al “Protocolo Relativo a la Contaminación Procedente de Fuentes y Actividades Terrestres del Convenio para la Protección y el Desarrollo del Medio Marino de la Región del Gran Caribe” (en lo adelante FTCM), actualmente en fase de ratificación, (PNUMA, 2000). El Protocolo FTCM es uno de los protocolos del mismo tipo implementados por el PNUMA dentro del Programa de Mares Regionales lanzado en el año 1974. El FTCM se encuentra en la fase de ratificación por los países miembros del PAC

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En el período abierto a la firma seis países firmaron el Protocolo, los países firmantes son los siguientes: Republica de Colombia, Costa Rica, Republica Dominicana, Republica de Francia, Reino de los Países Bajos, Estados Unidos de América. Recientemente Trinidad y Tobago se adhirió a los países antes mencionados. Dentro del Programa de Mares Regionales del PNUMA cuentan con protocolos similares las regiones siguientes: •

Región del Mediterráneo (1975)

•

Región de Kuwait (1978)

•

Región del Gran Caribe (1981)

•

Región del Sur-Este del Pacífico (1981)

•

Región del Mar Negro (1993)

Estos protocolos poseen características similares y adoptan aquellas específicas de cada región. Distingue al FTCM su Anexo II “Aguas Residuales Domésticas” donde se definen dos clasificaciones de cuerpos de aguas marinas: Clase I y Clase II, y se especifican los límites de calidad de los efluentes para los parámetros seleccionados. El Plan de Acción del Mediterráneo (MED POL) es el único de los protocolos que cuenta con una guía metodológica para el caso de La disposición final utilizando la alternativa de los emisarios submarinos. El Protocolo promueve la elaboración y establecimiento de programas y medidas apropiadas para prevenir, reducir y controlar la contaminación proveniente de fuentes terrestres, sobre la base del cumplimiento de límites de descarga de efluentes dentro de un periodo de tiempo dado el cual puede extenderse como prórroga si el país demuestra su accionar y reducción de carga contaminante.

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Los compromisos que se adquieren con la ratificación del Protocolo son los siguientes: • • • • • •

•

Formulación y establecimientos de programas y medidas nacionales orientados a la prevención, reducción y control de la contaminación de efluentes de origen domésticos y fuentes agrícolas no puntuales. Formulación y establecimiento de programas de monitoreo y evaluación de la carga contaminante al medio marino, de conformidad con las disposiciones del Protocolo y la legislación nacional. Establecimiento de sistemas y procedimientos nacionales de evaluaciones de impacto ambiental de las fuentes terrestres sobre el medio marino. Desarrollo de programas de educación y concientización ambiental para el público, relacionados con la necesidad de prevenir, reducir y controlar la contaminación en el área de aplicación del Protocolo. Desarrollo conjunto de sistemas y redes de intercambio de información para facilitar la aplicación del Protocolo. Fomentar la cooperación en la actividades de monitoreo, investigación, intercambio de información, capacitación, desarrollo de tecnologías e identificación y acceso a posibles fuentes financieras para la ejecución de los proyectos e inversiones necesarias para la implementación del Protocolo. Promover la participación del público en los procesos de toma de deciones relativas a la implementación del Protocolo, de conformidad con las leyes y reglamentos nacionales existentes.

El 6 de octubre de 1999 en Oranjestad, Aruba, la II Conferencia de Plenipotenciarios del PAC dio adopción al “Protocolo Relativo a la Contaminación Procedente de Fuentes y Actividades Terrestres del Convenio para la Protección y el Desarrollo del Medio Marino de la Región del Gran Caribe” (FTCM). El Protocolo esta en fase de ratificación por los países integrantes del PAC y posee elementos muy favorables para mejorar el medio marino.

Es importante señalar que el cumplimiento del Protocolo es equivalente a cumplir con la legislación nacional que se relaciona con el tema ya que las normas nacionales de descarga a las aguas terrestres y marinas son más estrictas que el propio Protocolo.

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ESTUDIOS NACIONALES Y REGIONALES

En la II Reunión del Comité Asesor Científico y Técnico Interino

del FCTM,

celebrada en Managua, Nicaragua, en mayo de 2003, se planteó con fuerza, por varios países, la necesidad de emprender estudios nacionales de clasificación de la calidad de las aguas en la zona costera de acuerdo al Anexo II del FTCM, recomendando evaluar los efectos de las descargas de aguas residuales domésticas, así como las provenientes de los ríos y estuarios principales. Con igual fuerza, emergió la necesidad de llevar a cabo un estudio epidemiológico, que permita fundamentar científicamente una normativa regional adecuada aplicable a la calidad de las aguas de baño, en especial de su calidad microbiológica. Estos estudios, vinculados al Anexo II del FTCM, con fines de lograr la clasificación de las aguas costeras en Clases I y II, incluyendo la relación existente entre las descargas de aguas residuales y la contaminación de los cuerpos de aguas, daría lugar a que los países tuvieran una visión clara de los sitios y de las inversiones necesarias a llevar a cabo para cumplir con el FTCM. Esta información de carácter regional, nacional y local, abriría paso a una concreta selección de alternativas de tratamiento y reuso de aguas residuales en este caso, con valores de los indicadores de costos. Lo anterior, es una vía de obtener información técnica y económica sobre el escenario de cada país en sus futuras responsabilidades con el FTCM. Los estudios básicos que se recomiendan son los siguientes: •

Realizar el inventario de las principales fuentes puntuales de contaminación a las aguas costeras.

•

Clasificar los ecosistemas costeros de acuerdo al Anexo II del FTCM (Clase I y Clase II).

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•

Estimar la carga contaminante dispuesta a los diferentes ecosistemas costeros.

•

Evaluar los sitios de conflicto donde las descargas son incompatibles con la clasificación.

•

Seleccionar las alternativas de tratamiento y reuso para los casos principales, incluyendo análisis de costos del tratamiento y de beneficios que se obtienen.

•

Elaborar una guía metodológica regional para la disposición final utilizando los emisarios submarinos.

El tema de los emisarios submarinos debe ser objeto de un estudio particular, la elaboración de una guía metodológica de carácter regional” sería un elemento importante a incorporar al FTCM. Parte de este trabajo pretende identificar los aspectos principales a tomar en cuenta en la elaboración de dicho documento.

Los estudios propuestos son elementos imprescindibles para conformar una plataforma técnica de apoyo y conocimiento que contribuirá a impulsar la gradual ratificación e implementación del FTCM.

CLASIFICACIÓN DE LOS LIMITES DE LAS DESCARGAS SEGÚN LA CLASIFICACIÓN DE LOS RECEPTORES MARINOS (FTCM)

Según el FTCM, (PNUMA-CAR-UCR, 1999) las clases de agua se definen de la forma siguiente:

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Aguas Clase I: Aguas en la zona de aplicación del PAC que, debido a características ambientales que les sean inherentes o propias, a su fragilidad biológica o ecológica o al uso por el hombre, son particularmente sensibles al impacto de las aguas residuales domésticas. En las aguas Clase I se incluyen, entre otras: a) Aguas que contienen arrecifes de coral, praderas marinas o manglares. b) Zonas críticas para la reproducción, cría y alimentación de la vida acuática y terrestre. c) Zonas que proporcionan hábitat para las especies protegidas en virtud del Protocolo SPAW d) Zonas protegidas incluidas en el Protocolo SPAW. e) Aguas utilizadas en la recreación.

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Los parámetros y límites de los efluentes en las descargas de aguas Clase I son las siguientes: Tabla 1. Clase I

Parámetro

Límite de efluente

Total de sólidos en suspensión

30 mg/l *

Demanda Bioquímica de Oxígeno 30 mg/l (DBO5) PH

5-10 unidades de pH

Coliformes podrán

fecales

(las

Partes (a) Coliformes fecales: 200 NMP/100 ml o;

cumplir

los

límites

para

los

Coliformes (c) Enterococos: 35 organismos/100 ml

efluentes

de (b) E. coli: 126 organismos/100 ml

fecales o E. coli (agua dulce), o bien

para

Enterococos

(agua

salada) Sustancias flotantes

No visibles

(*) No incluye las algas de los estanques de tratamiento (lagunas de oxidación)

Aguas Clase II: Aguas en la zona de aplicación del PAC, distintas de las aguas de Clase I que, debido a factores oceanográficos, hidrológicos, climáticos u otros factores, son menos sensibles al impacto de las aguas residuales domésticas y en donde dichas descargas no exponen a los seres humanos ni a los recursos vivos que podrían ser afectados negativamente por estas descargas.

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Tabla 2. Clase II

Parámetro Total de sólidos en suspensión

Límite de efluente 150 mg/l *

Demanda Bioquímica de Oxígeno 150 mg/l (DBO5) pH

5-10 unidades de pH

Grasas y Aceites

50 mg/l

Sustancias flotantes

No visibles

(*) No incluye las algas de los estanques de tratamiento (lagunas de oxidación)

NORMATIVAS MICROBIOLÓGICAS : USO RECREATIVO Los parámetros microbiológicos para las descargas a aguas Clase I se relacionan evidentemente con aguas utilizadas en la recreación, los límites que establece el FTCM para enterococos son similares a la normativa de USEPA (1986), la cual se fundamentó en los estudios realizados por, Dufour (1982), Dufour (1984), Cabelli et al (1982), Cabelli et al (1982), Cabelli et al (1983a) y Cabelli (1983b). Coliformes fecales es el indicador microbiológico para la contaminación fecal de mayor empleo en normativas más antiguas, y se considera correcto mantenerlo dentro del FTCM. Los valores referidos a E. coli de 126 NMP/100 ml fueron tomados de la normativa de la USEPA (1986), este parámetro se justificó solamente para aguas frescas no marinas, tal y como indica el FTCM. Los parámetros microbiológicos incluidos en las aguas Clase I no cuentan una definición específica sobre el número de muestras necesarias para la aplicación de los límites de calidad, ni se hace referencia a límites de confidencia (percentiles de probabilidad) que reflejen los valores extremos, mencionándose sólo la media. Por ejemplo, la normativa de USEPA (1986), sólo toma en cuenta como indicador

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microbiológico en agua de mar a enterococos, con un valor de 35 NMP/100 ml, que corresponde con la media geométrica de un número representativo de muestras y recomienda que no sea menor de 5, con una recolección espaciada en tiempos iguales durante un mes. De igual forma, establece los límites de confidencia extremos a cumplimentar de acuerdo al criterio de uso de la zona de playa. El nivel de riesgo asumido de contraer una enfermedad gastrointestinal es de alrededor de 19 por 1000 bañistas, para agua de mar y se considera equivalente al nivel de riesgo con una densidad de coliformes fecales de 200 NMP/100 ml. Salas (1994), recopiló un número importante de normativas vigentes en la región de Latinoamérica y el Caribe, la mayoría de los países continuaban utilizando como indicadores de contaminación fecal a los coliformes totales y coliformes fecales. Los valores del NMP/100 ml en las normativas, en general, estaban comprendidos entre 1000 para coliformes totales con un límite de confidencia de 80% y 200 para coliformes fecales con un límite de confidencia variable entre 8090%. Los requisitos actuales de la calidad microbiológica para la Comunidad Económica Europea (CCE, 1994) que derogó la Directiva 76/160, (CCE, 1976) , se observan en la Tabla 3. Los trabajos de Kay (1988 y 1989) fueron los que dieron origen a la nueva regulación. Tabla 3. Valores guías de la calidad microbiológica del agua. Guía 1

Parámetro

Obligatorio 2 Frecuencia mínima de muestreo

Microbiológico E. coli NMP/100 ml

100

2000

Quincenal 3

Estreptococos fecales

100

400

Quincenal 3

-

0

Mensual

NMP/100 ml Enterovirus en 10 litros

10

Notas: 1) 80% de las muestras menores que 100 NMP/100 ml 2) 95% de las muestras menores que 2000 y 400 NMP/100 ml 3) Las concentraciones serán chequeadas por la autoridad competente cuando la inspección en las zonas de baño demuestre que existen problemas evidentes de que la calidad del agua se ha deteriorado.

Si se comparan los límites microbiológicos del FTCM con otras normativas vigentes en países de la Región del Gran Caribe se podrá ver que los límites microbiológicos del FTCM para coliformes fecales son en general similares, y se adicionan E. coli y enterococos. Sin embargo, tal y como se interpreta en la redacción del FTCM, se deben cumplir en la descarga. Otras normativas son mas flexibles, al plantear que la descarga no debe traer como consecuencia el aumento de los valores considerados como limites a tenores superiores a los establecidos para aguas recreativas de uso para el baño. Si fuera así, no seria necesario llevar el tratamiento a la desinfección de manea obligatoria y el análisis se llevaría a efecto caso a caso, hay implicaciones económicas de peso en este aspecto. Por otra parte, en el área del Caribe parece no existir un estudio epidemiológico que permita, sobre una base científica, llevar a cabo la selección de los parámetros microbiológicos y sus límites.

La Región no cuenta con un estudio epidemiológico prospectivo en que se considere los efectos en la salud del bañista al realizar actividades de baño frente a límites de contaminación fecal.

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EL PROBLEMA DE LOS NUTRIENTES El FTCM reconoce la importancia de las descargas de nutrientes en el medio marino, las que pueden traer como consecuencias la eutrofización de cuerpos de agua impidiendo su uso. De igual forma, existen ecosistemas muy sensibles al cambio de las concentraciones de turbiedad, nitrógeno y fósforo, tal es el caso de los sistemas coralinos. Es evidente que en términos de tratamiento su selección final debe considerar el efecto de los nutrientes en el medio costero y su impacto especifico en los ecosistemas mas sensibles. Lamentablemente la reducción de nitrógeno y fósforo en el tratamiento de aguas residuales domesticas exige aplicar un tratamiento terciario para lograr importantes reducciones de estos elementos, lo que encarece drásticamente los costos de inversión, operación y mantenimiento. Como resultado del exceso de nutrientes dispuesto por las aguas residuales con insuficiente tratamiento o sin él, se han identificado problemas de eutrofización en cuencas hidrográficas y zonas costeras. El uso de tecnologías para la remoción de nutrientes y el reciclaje de nutrientes se identifican como elementos claves para revertir esta situación. Los sistemas de tratamiento, terciarios, necesarios para la reducción de nutrientes en niveles aceptables de acuerdo a normas de vertimiento a ecosistemas sensibles, como los corales, son de alto costo. El tema tiene una relación importante con el reuso de las aguas residuales tratadas, cuestión que cuando se ha podido aplicar con seriedad y tecnología apropiada ha resuelto los problemas generando un beneficio económico. Sin embargo, las experiencias son pocas y el reuso de las aguas residuales tratadas en la región no se puede considerar como tecnología establecida.

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ALTERNATIVAS DE TRATAMIENTO Las alternativas de tratamiento utilizadas para las aguas residuales domésticas en la Región del Gran Caribe son, en general, bastante homogéneas donde predominan los tratamientos convencionales, aunque también existen ejemplos de plantas muy sofisticadas en términos de su diseño donde el gasto energético es el indicador más negativo. Tabla 4. Alternativas de tratamiento de aguas residuales domésticas (sin o con desinfección), Gutiérrez (1996).

Tratamiento

Procesos y Operaciones unitarias (físicas, químicas y biológicas)

Tratamiento preliminar

Cámara de reja Desarenador Trampa de grasa

Tratamiento primario

Fosa séptica Digestor anaeróbico convencional Sedimentador convencional Sedimentador de placas Militamices Coagulación/sedimentación Acondicionamiento, secado y disposición de lodos

Tratamiento secundario

Filtros biológicos anaeróbicos Filtros biológicos aeróbicos Lodo activado (en todos sus tipos) Digestor anaeróbico de manto de lodo Sistemas de lagunas de oxidación: (anaeróbicas, facultativas, de maduración) Sistemas naturales (Wetlands y otros) Acondicionamiento, secado y disposición de lodos

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Como se puede apreciar, las descargas a aguas Clase I son muy semejantes en los valores de los parámetros, que especifican sus límites, a aguas residuales domésticas que han recibido un tratamiento secundario con desinfección. Las aguas de Clase II son semejantes a un residual doméstico débil, o a un residual doméstico fuerte que ha recibido tratamiento primario. Los parámetros microbiológicos relacionados con el uso recreativo son los que definen el tratamiento a llevar a cabo en aguas Clase I, mientras la DBO5 y sólidos en suspensión definen el tratamiento para el caso en aguas de Clase II. A continuación se exponen las remociones, aproximadas, esperadas de cada alternativa de tratamiento en términos microbiológicos para coliformes fecales y en enterococos. El tratamiento preliminar no tiene remoción microbiológica alguna.

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Tabla 5. Remociones aproximadas de coliformes fecales y enterococos a partir del tratamiento de un residual doméstico con una densidad inicial de Coliformes fecales (CF) y Enterococos (EF) de 1*107 y 1*106 NMP/100 ml

respectivamente.

Estos valores se consideran conservativos. Gutiérrez (1996).

Tratamiento

Efluente (salida)

Tratamiento Primario Convencional

1*106 (CF) y 1*105 (EN)

Tratamiento secundario convencional

5*105 (CF) y 5*104 (EN)

sin desinfección

Tratamiento por una laguna facultativa

5*104 (CF) y 1*103 (EN)

Tratamiento

5*103 (CF) y 1*102 (EN)

por

una

laguna

anaeróbica y una facultativa

Para aguas Clase I los límites que establece el FTCM sólo podrán obtenerse mediante un tratamiento secundario y desinfección final. La

desinfección

es

obligada

de

acuerdo

a

los

límites

microbiológicos a cumplir. La Clase II se puede obtener con sólo tratamiento primario.

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GENERALIDADES DE LA DISPOSION FINAL UTILIZANDO LOS EMISARIOS SUBMARINOS La descarga de aguas residuales domésticas al medio marino, con algún tratamiento, empleando emisarios submarinos es una alternativa posible, comprobada en la práctica, para ciudades y poblados ubicados en áreas costeras, sin descartar los centros de desarrollo turístico. La opción es particularmente atractiva para países en vías de desarrollo, en los cuales los recursos financieros son limitados, donde la minimización de costos de mantenimiento y operación en sistemas de tratamiento de aguas residuales deben ser minimizado. Un emisario submarino, bien diseñado, construido y operado adecuadamente puede aprovechar al máximo la capacidad de dilución y asimilación del ambiente marino sin producir impactos ambientales negativos al medio ambiente. Un emisario submarino no es un tubo que vierte aguas residuales en el mar, sino que es resultado de una obra ingeniera compleja que posee un componente ambiental de factibilidad como principal concepto de viabilidad. La factibilidad ambiental de un emisario submarino determina la obtención de una licencia ambiental, en la práctica esto se comprueba a través del desarrollo de un estudio de impacto ambiental, el cual constituye el dictamen sobre su uso. El estudio de impacto ambiental para la aprobación de un emisario submarino considera todos los elementos negativos y positivos de una forma integral. Entre los elementos negativos, de mayor importancia, se encuentran: la afectación a ecosistemas sensibles: arrecifes de coral, manglares, lechos de vegetación marina, perdidas a la diversidad biológica en las cercanías del sitio de descarga, así como la contaminación directa a sitios de recreación; al igual que los costo de la inversión.

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Los riesgos de contaminación de un sitio se asocia al transporte de los contaminantes, con énfasis en las bacterias patógenas, sólidos en suspensión, nutrientes, metales tóxicos y compuesto orgánicos tóxicos. La dirección principal de la corriente, velocidad y la estratificación en densidad de la columna marina son los factores físicos claves La mayoría de las aguas residuales descargadas por emisarios submarinos poseen tratamiento primario, o al menos preliminar. Recientemente, el uso de militamices se ha empleado con éxito en el tratamiento de aguas residuales domésticas a la entrada de los emisarios. Un elemento de importancia es la carga hidráulica disponible en el punto de la descarga, su valor indica la necesidad o no de bombeo, a menudo es el factor crítico que decide el empleo del emisario, también se pueden mencionar: la longitud del emisario, la profundidad de descarga y el difusor. La longitud del emisario es un elemento económico de peso en la inversión, debido a los costos de tuberías, cuando existe un ecosistema a proteger, por ejemplo un arrecife coralino, puede ser necesario alargar excesivamente su longitud La profundidad de descarga deseable se encuentra entre los 20-30 metros y se relaciona con el largo del emisario en función de las características del fondo (pendiente). La profundidad, también se relaciona con el gradiente de densidad, a menor estratificación la “pluma” sube, a mayor estratificación la “pluma” queda atrapada. El caudal de aguas residuales, máximo, medio y mínimo diario, así como los aumentos de caudales pronosticados a mediano y largo plazo, definen el diámetro de la tubería, siempre se debe considerar el crecimiento futuro de la población con relación al caudal de aguas residuales a disponer.

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Un emisario submarino presenta dos zonas bien definidas la “campo cercano” (CC) es la región del cuerpo receptor donde se lleva a cabo una fuerte dilución inicial según las características del difusor, velocidad de la corriente, estratificación del ambiente marino y la profundidad de la descarga. El “campo lejano” (CL) es la región donde se efectúan los mecanismos físicos de mezcla dominados por la dirección, velocidad de la corriente y dispersión horizontal que condicionan la dilución, que es mucho menor que la inicial. En términos generales, para las zonas costeras del Caribe, un emisario submarino bien diseñado, en condiciones de un bajo o nulo gradiente de densidad en la columna de agua, con velocidad de la corriente en el entorno de 0.05-0.1 m/s, puede alcanzar a unos 600 metros en dirección horizontal del difusor densidades de coliformes fecales menores de 200 NMP/100 ml. El cálculo de esta distancia y el área que la comprende es uno de los objetivos principales de este trabajo. De acuerdo a la revisión sobre emisarios submarinos en Latinoamérica y el Caribe, Salas (2000) identificó un total de 99 en operación y cinco listos para el inicio de su construcción, aunque la cifra actual no se conoce con exactitud es probable que haya aumentado a cerca de 130 sistemas. Dentro de los países caribeños que poseen emisarios submarinos se encuentran: Cuba, Barbados, Costa Rica, Estados Unidos, México, Puerto Rico, Venezuela, Colombia y Martinica, entre otros.

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El principal objetivo de un emisario submarino es la descarga de aguas residuales en forma tal que los efectos negativos sean los mínimos, donde se requiere que la densidad de bacterias, patógenas, compuestos tóxicos y otros contaminantes se reduzcan a niveles seguros.

Otros productos como: carbono orgánico, nutrientes, nivel de oxígeno disuelto y la sedimentación de material suspendido se mantendrán dentro de los limites permisibles. Lo que en el caso de los residuales domésticos se puede alcanzar con un tratamiento primario, seguido de una buena dilución inicial, siempre y cuando la dirección del transporte no perjudique áreas o ecosistemas sensibles

Los emisarios submarinos son empleados como alternativa de descarga en el medio marino en muchos países, presentando ventajas frente a los tratamientos convencionales en relación con los costos de inversión, sobre todo en términos de operación mantenimiento.

En Latinoamérica y el Caribe, su número actual en operación puede estar cercano a 130, y siguen en aumento, lo que se relaciona la cantidad de ciudades costeras en Latinoamérica y el Caribe.

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LOS EMISARIOS SUBMARINOS, EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES Y EL FTCM Para cumplir con las restricciones del FTCM para descargas a aguas Clase I es necesario llegar a un tratamiento secundario con desinfección. Las implicaciones económicas de llegar a este grado de tratamiento son sin dudas elevadas, mucho mayores que para un tratamiento primario o secundario sin desinfección. En el FTCM no hay referencia específica sobre los emisarios submarinos, aunque se incluyen en la definición de “fuentes puntuales”, como “cualquier conducto discernible donde los contaminantes son descargados”, lo anterior indica que el FTCM considera al emisario submarino como fuente puntual y los parámetros y límites de descarga, referidos a las descargas en aguas Clase I y II, se miden a la salida del difusor, no considerando la dilución inicial que se obtiene en el campo cercano o en la zona de mezcla. Un emisario que descarga aguas residuales domésticas que reciben un tratamiento primario sin desinfección a una profundidad cercana a 30 metros, sin una estratificación elevada y en condiciones de corrientes normarles, dará una dilución inicial suficiente para cumplir con los límites de aguas Clase II; y para la Clase I, sólo se incumple con los parámetros microbiológicos, como se señaló con anterioridad. Los tratamientos primarios y secundarios con desinfección cumplirán con los límites de la descargas a aguas Clase I, aunque no es usual, ni eficiente, desinfectar un efluente primario.

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Como se observa en la Tabla 5

un residual doméstico presenta un mayor

contenido de bacterias del grupo coliformes fecales que enterococos.

El FTCM considera al emisario submarino como una fuente puntual y los límites de calidad de la descarga se llevan a cabo a la salida del difusor, sin considerar la dilución inicial que se obtiene en el campo cercano o en la zona de mezcla.

MORTALIDAD DE BACTERIAS FECALES EN EL MEDIO MARINO

Las bacterias fecales poseen altas tasas de mortalidad en el medio marino, provocadas por : la incidencia de luz ultravioleta, la salinidad, la falta de nutrientes y la competencia con otras especies. El valor T90, en horas, es empleado para cuantificar la tasa de mortalidad bacteriana, e indica el tiempo transcurrido en que se logra una reducción del 10% de la densidad de bacterias iniciales, o sea una unidad logarítmica de remoción. Los estudios más difundidos en la literatura internacional han sido realizados en climas templados, por ejemplo (Mitchell y Chamberlin, 1975), (Gameson y Gould, 1975), (Pommepuy, M., Salomón, J. C. , 1991), (Dupray, E. et al, 1993) y (Bordalo, A. A. et al, 2002). Los valores del T90 reportados para coliformes fecales en áreas caribeñas no son abundantes y están comprendidos entre 0.8-1.5 horas (Mora, 1993) y (Gutiérrez, 2001a), en este estudio se utiliza en los cálculos un valor del T90 de 1.00 hora. En el caso de E, Coli los valores son ligeramente menores 0.8-1.0, la relación de coliformes fecales/E. Coli suele estar entre 0.8-0.9.

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El T90 para enterococos se estima en climas templados entre valores 1.5-2.0 veces el valor del T90 para coliformes fecales, hay pocos estudios en el Caribe sobre el T90 de enterococos, Mora (1993) reportó para enterococos en aguas de Costa Rica un valor medio de 1.1 horas, con un valor máximo de 1.21 en cinco experimentos diurnos. De los tres indicadores microbiológicos regulados en los límites de las descargasa aguas Clase I el valor del indicador de enterococos es el más restrictivo, lo que se puede demostrar de la manera siguiente: La dilución total producida (DT) posee los factores siguientes: dilución inicial (DI), dilución en el campo lejano (DF) y dilución por mecanismos biológicos (DB), si se considera que para los tres indicadores (DI) y (DF) son iguales tendríamos: (DT) = (DI)*(DF)*(DB) Si (DI) y (DF) son semejantes, entonces (DB) = (DT)=10 t/T90 Donde (t) es el tiempo hasta alcanzar una remoción de bacterias determinada y (T90) es el valor de la constante cinética de la velocidad de la remoción. Para los valores de las descargas en aguas Clase I se puede calcular la dilución necesaria a alcanzar, para el caso hipotético de (DI) y (DF) similares. (DB) Indicador = NPM/100 ml salida del tratamiento / NMP/100 ml valor de la regulación Entonces, tomando como ejemplo el efluente en NMP/100 ml de un tratamiento primario:

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(DB) coliformes fecales = 1000000/200 = 5000 (DB) enterococos = 100000/35 = 2857 (DB) E. Coli = 900000/126 = 6349 (asumiendo que E. Coli es 90% de los coliformes fecales) Calculando el tiempo hasta la regulación del indicador para aguas Clase I: (t) coliformes fecales = log (DB) * T90 = 3.7 * 1.0 = 3.7 horas (t) enterococos = 3.45 * 1.3 = 4.49 horas (t) E. Coli = 3.85 * 1.0 = 3.85 horas A simple vista se pudiera considerar que el indicador coliformes fecales es el más restrictivo, pero como (DF) para emisarios similares aumenta con el tiempo de transporte es posible que la diferencia se acorte entre ambos, este cálculo se llevará a cabo más adelante.

La mortalidad en el medio marino en el Caribe de coliformes fecales, y E. Coli, expresada como T90, es mayor que para

enterococos, aproximadamente unas

1.3 veces.

La diferencia en el tiempo de transporte superficial hasta alcanzar los límites de calidad exigidos para descargas en aguas Clase I, para una emisario submarino dado será muy parecida para enterococos y coliformes fecales.

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ZONA DE MEZCLA La descarga de aguas residuales por un emisario submarino puede verse desde dos escalas diferentes: una referida al impacto sobre la calidad existente en un área extensa; la otra vinculada al impacto local en las inmediaciones de la propia descarga, esta última se le denomina “zona de mezcla” (ZM) y se encuentra en muchas de las regulaciones internacionales en el tema de los emisarios submarinos. Su extensión es fijada por la autoridad ambiental y suele variar de acuerdo a los criterios de manejo ambiental de las agencias reguladoras, pudiendo ser independiente del proceso hidrodinámico de mezcla. La ZM se localiza en las inmediaciones del difusor en la zona de dilución inicial, en denominado campo cercano, en algunos casos puede llegar a incluir una pequeña parte del campo lejano. En la ZM se permiten valores mayores que los límite de calidad, siempre y cuando no se sobrepasen los límites de toxicidad aguda y crónica de algunos parámetros, los cuales se vinculan a los daños posibles a determinadas especies marinas. La importancia del concepto “zona de mezcla” es su relación con la evaluación del impacto de la descarga al cuerpo de agua, muy vinculado con el esfuerzo de tratamiento, donde se permite se sobrepasen los límites de contaminantes en una zona relativamente pequeña en la vecindad de la descarga del emisario. La “zona de mezcla” debe garantizar no se creen condiciones de toxicidad aguda o crónica a organismos marinos seleccionados de acuerdo al sitio, no haya efecto negativos sobre la salud y los usos previstos. Los límites de calidad se aplican a partir de la frontera que limita la “zona de mezcla”. El impacto negativo más frecuente en la “zona de mezcla” se produce sobre los organismos bentónicos, pero siempre limitado a un área relativamente pequeña, la que estará en función del caudal a disponer, la concentración de sólidos en suspensión, compuestos tóxicos y la dilución inicial. Los elementos tóxicos, como

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metales, son usualmente los contaminantes de mayor impacto en la “zona de mezcla” al igual que algunos contaminantes orgánicos tóxicos. Por ejemplo USEPA (Gerhard et al, 1996) mantiene dos criterios de calidad relativos a las concentraciones de substancias toxicas: “criterio de máxima concentración” (CMC) en relación con los efectos agudos y letales, y el “criterio de concentración continua” (CCC) relacionado a los efectos crónicos sobre determinados organismos. La concentración CCC se debe obtener en el borde de la “zona de mezcla”. En USEPA (1991) se pueden ver los valores recomendados para un número elevado de contaminantes. De esta manera la “zona de mezcla” se divide en dos subzonas, la de efecto agudo y la de efecto crónico (Figura 1). Figura 1. “Zona de Mezcla” y las zonas de aplicación de CMC y CCC.

Dirección de la Corriente

Efecto crónico Emisario

Efecto agudo

Zona de mezcla

Es recomendable incorporar siempre el criterio de ZM, trasladando al borde de la ZM el valor de los límites de calidad. Esto daría una flexibilidad notable a las alternativas de tratamiento y la descarga de aguas residuales, que sin dudas

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repercutiría en los países de forma positiva, al no tener que considerar a los emisarios construidos y futuros como incumplidores del FTCM. Las implicaciones a los costos de tratamiento son evidentes.

La incorporación del criterio de “zona de mezcla” para el caso de los emisarios submarinos da una mayor flexibilidad a la selección de alternativas de tratamiento, disminuyendo fuertemente los costos.

PROPUESTA DE UNA ZONA DE MEZCLA Para demostrar como funciona el concepto administrativo de la ZM vinculado con la descarga de un residual doméstico por medio de un emisario submarino se propondrá una ZM preliminar, la que será utilizada como ejemplo a lo largo del trabajo. •

La ZM tendrá una forma geométrica rectangular donde su largo, medido a partir del centro de la

línea de flujo, que crea la descarga al impactar la

superficie, es de tres veces la profundidad en dirección perpendicular a la corriente y dos veces en sentido contrario. El ancho será tres veces la profundidad en la dirección de la corriente medido a cada lado de los extremos de la línea de flujo. •

El criterio de máxima concentración permitida (CMC) relacionado con los efectos agudos a especies seleccionadas tendrá un ancho igual a la línea de flujo y un largo de una vez la profundidad en el sentido de la corriente y en contra de la corriente.

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•

El criterio de concentración continua (CCC) relacionado con los efectos crónicos se mide en el borde de la ZM; ver (Figura 2).

Figura 2. Esquema de la ZM.

Dirección de la corriente 2 veces profundidad

3 veces profundidad

Borde de CCA

Borde de la ZM y CCM

1 vez profundidad 5 veces profundidad

CONTAMINANTES A INCLUIR EN EL ANÁLISIS Además, de los contaminantes incluidos en las aguas Clase I y II, es recomendable incluir otros que pueden dar lugar a eventos de toxicidad en especies marinas de interés. Dentro del universo posible se deben seleccionar contaminantes

inorgánicos,

preferentemente

metales

tóxicos

y

orgánicos

(plaguicidas), se debe incluir el cloro en caso de la desinfección del efluente, que no debe ser vertido a ecosistemas sensibles con concentraciones mayores de 0.01 mg/l.

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Las concentraciones de los contaminantes que se seleccionen en el residual deberán ser conocidas, luego es necesario llevar a cabo muestreos y análisis químico, donde se recomienda llevar a cabo no menos de 10 determinaciones espaciadas a lo largo de al menos 6 meses. Los valores que se identifiquen como fuera del comportamiento esperado se eliminan; los valores menores al límite de detección se consideran iguales al límite de detección .La concentración a considerar será la obtenida mediante un procesamiento estadístico para hallar la “concentración máxima estimada” (CME) que no es más que el valor de la concentración del percentil 99% resultante de un ploteo de los datos en un papel de probabilidad log-normal. Para el entorno de 10 muestras se puede hallar aproximadamente empleando una variante del método de la Región 6 de USEPA, que comprende los estados de Washington, Louisiana y Kansas, (Colorado WQCD,2003), ver la expresión siguiente: (CME) = Media geométrica * 3.11

(al 99 percentil)

De igual forma, es necesario conocer las concentraciones CCA CCC de cada parámetro que se incluya, una buena referencia al tema es USEPA, (1991). La Tabla 6 muestra una propuesta de contaminantes y los valores de CCA y CCC, así como los valores de las medias geométricas y la CME para una descarga de aguas residuales domésticas que utiliza un emisario submarino. La dilución inicial se estima en 300, la profundidad del difusor es de 25 metros.. Evidentemente es posible evaluar si existe un “riesgo potencial razonable” (RPR), en caso de ser superior la concentración calculada en el borde de la ZM a los valores de CCA y CCC, en este caso no se debe autorizar la descarga.

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Tabla 6. Cálculo de las concentraciones en la CCA y CCC. Estimación del RPR.

Parámetro Xg(1)

CME

Máxima

Máxima

CCA

CCC

Concentración Concentración en la CCA

en la CCC

Arsénico(v)

2.0

6.22

0.021

0.019

850

48

Cadmio

12.0

37.32

0.12

0.11

2.00

0.71

Cromo (VI)

12.0

37.32

0.12

0.11

16.00

11.00

Cobre

25.0

77.75

0.26

0.25

10.00

7.09

Plomo

7.0

21.77

0.072

0.07

38.76

1.51

Mercurio

1.0

3.11

0.010

0.009

2.40

0.012

Níquel

23.0

71.53

0.24

0.20

856

95

Plata

0.6

1.87

0.006

0.006

1.45

0.12

Zinc

75.0

233.25

0.78

0.77

70.51

63.87

Nota: Resultados de la media geométrica para 10 muestreos, todos los análisis dieron superiores al límite de detección. Valores en microgramos/l.

Todos los valores se cumplen y se encuentran bastante alejados del límite, luego el ejemplo indica una descarga que puede ser autorizada, en términos de las concentraciones para efectos agudos y crónicos de los parámetros seleccionados y para la ZM establecida. Es importante señalar que las restricciones a cumplimentar en la ZM no consideran, en general, a los indicadores bacteriológicos. Para el caso del Caribe, la propuesta de regulaciones de este tipo son muy recomendable, pero necesitan de estudio, experimentación y consenso entre los países.

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FILOSOFÍA DE LA ZONA DE MEZCLA En este punto se tratará de explicar la filosofía detrás de la incorporación de la ZM para emisarios submarinos, veamos un ejemplo sencillo para ilustrar el razonamiento. Primero: análisis del emisario submarino Un emisario submarino descarga un residual doméstico con tratamiento primario sin desinfección, se pronostica con una dilución inicial de 300. La ZM se define geométricamente como la propuesta anteriormente. La profundidad es de 25 metros. La dilución se estima suficiente para cumplir con las regulaciones de la concentración, en el borde de la ZM, o sea CCA y CCC de cualquier contaminante tóxico. Luego, se cumple con la CCA y CCC, lo que es esperable en el caso de aguas residuales domésticas de ciudades con poca industrialización. La concentración de coliformes fecales, E. coli y enterococos en el borde de la ZM y en dirección a la corriente será aproximadamente

3300, 333 y

3000

NMP/100 ml respectivamente. Segundo: cumplimiento de los límites Teniendo en cuenta las concentraciones esperadas en el residual doméstico, las remociones del sedimentador y la dilución inicial del emisario, todos límites de las descargas de los parámetros de Clase II se cumplen, para Clase I todos se cumplen ampliamente, menos los microbiológicos, (ver Tablas 6 y 7). Para el caso de los nutrientes (N y P), se obtienen concentraciones muy bajas, al igual que para otros microcontaminantes. Para Clase I, sólo se incumplen los indicadores de contaminación fecal.

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Tabla 7. Concentración de los parámetros en el borde de la ZM para Clase II.

Parámetro

Límite de efluente

Concentración borde ZM(1)

Total de sólidos en suspensión Demanda

Bioquímica

150 mg/l * de 150 mg/l

0.25 0.25

Oxígeno (DBO5) PH

5-10 unidades de pH

≈ 8.0

Grasas y Aceites

50 mg/l

0.15

50-70% 15,16

OK OK >8 0,1 0,1 0,28274 0,58088 0,48675 OK

ANEXO II: PERB DIFUSOR Y ROBERTS TRATAMIENTO PRIMARIO COLIFORMES FECALES Y CAUDAL 0.24 M3/S (HOJA 2)

CALCULO DE LA DILUCION EN CONDICIONES DE ESTRATIFICACION HOJA 2 ACELERACION APARENTE (FLOTACION) NUMERO DE FROUDE DESCARGA POR METRO DEL DIFUSOR (q) DENSIDAD DEL AGUA DE MAR EN SUPERFICIE DENSIDAD DEL AGUA DE MAR EN LA ZONA DE DESCARGA BOUYANCY FRECUENCY (N) PARAMETRO (b) PARAMETRO (CR) DILUCION EN LA LINEA CENTRAL (Sm) DILUCION PROMEDIO (Sa)

0,2206 0,0767 0,0074 1,0230000 1,0232 0,0087561 0,0016287 1,000 214,09 321,13

ALTURA QUE ALCANZA LA PLUMA PARAMETRO (CY) ALTURA DE LA PLUMA DESDE EL NIVEL DE DESCARGA PROFUNDIDAD DE LA PLUMA DESDE EL NIVEL DEL MAR MENSAJE DE LA PLUMA

2,820 37,89 -12,89 SUPER

CONCENTRACIÓN EN LA ZONA DE MEZCLA CONCENTRACIÓN AL TERMINO DE LA ZONA DE MEZCLA FACTOR DE DILUCION ESPECIFICO (Saei)

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3114 321,13

ANEXO III MODELO PERB CAMPO LEJANO PARA TRATAMIENTO PIMARIO COLIFORMES FECALES Y 0.24 M3/S

MODELO DE BROOKS CAMPO LEJANO (HOJA 1) Entrada de datos

1. Plume and diffuser characteristics at start of far-field mixing Flux-average dilution factor after initial dilution Estimated initial width (B) of plume after initial dilution (meters) Travel distance of plume after initial dilution (meters)

310 106 10,7

UM3 average dilution UM3 posición de X UM3 ancho del campo

2. Distance from outfall to mixing zone boundary (meters)

385

Distancia (ZM)

3. Estimated diffusion parameter "alpha" per equations 66-69 of EPA/600/R-94/086 Coefficient "alpha" (m^(2/3)/sec), where Eo=(alpha)(width)^(4/3)

4. Horizontal current speed (m/sec)

0,0005

0,1

5. Pollutant initial concentration and decay (optional) Pollutant concentration after initial dilution (any units) Pollutant first-order decay rate constant (day^-1) T90 multiplicado por 55,262=velocidad de remoción (1/día)

2,84E+03 5,53E+01

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Valor del coefience alfa

Velocidad en el campo lejano

UM3 Con despues dilución inicial en 1/día

MODELO PERB (HOJA 2) Resultados de la corrida

Constant Eddy Diffusivity (PLUMES equation 66)

Far-field Travel Time (hours)

Far-field Travel Distance (m)

0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 2,48E-01 5,26E-01 8,04E-01 1,08E+00 1,36E+00 2,75E+00 5,53E+00 1,04E+00

UM3 default

Effluent Dilution

Pollutant concentration

Total Travel Distance (m)

Time (h)

4,47E+00 8,93E+00 1,34E+01 1,79E+01 2,23E+01 2,68E+01 3,13E+01 3,57E+01 4,02E+01 4,47E+01 4,91E+01 5,36E+01 5,80E+01 6,25E+01 6,70E+01 7,14E+01 7,59E+01 8,04E+01 8,48E+01 1,00E+02 2,00E+02 3,00E+02 4,00E+02 5,00E+02 1,00E+03 2,00E+03

3,10E+02 3,10E+02 3,10E+02 3,10E+02 3,10E+02 3,10E+02 3,10E+02 3,10E+02 3,10E+02 3,10E+02 3,10E+02 3,10E+02 3,11E+02 3,11E+02 3,11E+02 3,12E+02 3,12E+02 3,13E+02 3,13E+02 3,14E+02 3,39E+02 3,71E+02 4,03E+02 4,33E+02 5,66E+02 7,67E+02

2,76E+03 2,68E+03 2,60E+03 2,53E+03 2,46E+03 2,39E+03 2,32E+03 2,26E+03 2,19E+03 2,13E+03 2,07E+03 2,01E+03 1,95E+03 1,90E+03 1,84E+03 1,79E+03 1,73E+03 1,68E+03 1,63E+03 1,58E+03 7,73E+02 3,73E+02 1,81E+02 8,88E+01 2,78E+00 3,42E-03

15,17 19,63 24,10 28,56 33,03 37,49 41,96 46,42 50,89 55,35 59,82 64,28 68,75 73,21 77,68 82,14 86,61 91,07 95,54 100 200 300 400 500 1000 2000

0,04 0,05 0,07 0,08 0,09 0,10 0,12 0,13 0,14 0,15 0,17 0,18 0,19 0,20 0,22 0,23 0,24 0,25 0,27 0,28 0,56 0,83 1,11 1,39 2,78 5,56

3,85E+02

3,98E+02

2,02E+02

385,0

1,07

65