Boletín CF+S > 2 -- Especial sobre RESIDUOS > http://habitat.aq.upm.es/boletin/n2/aaguas.html |
Edita: Instituto Juan de Herrera. Av. Juan de Herrera 4. 28040 MADRID. ESPAÑA. ISSN: 1578-097X
Ralf Otterpohl*, Matthias Grottker** y Jörg Lange***
* Otterpohl Wasserkonzepte, Kanalstrasse 52, D 23552 Lübeck, Alemania
tel: +49-451-70 200-51, fax: -52, e-mail: OTERWASSER@T-online.de
** Fachhochschule Lübeck, FG Siedlungswasserwirtschaft, Stephensonstr. 3, D
23562 Lübeck, Alemania
tel: +49-451-500-5155, fax: -5079
*** ATURUS, Holbeinstr. 19, D 79100 Freiburg, Alemania
tel: +49-761-72 467, fax: -40 73 95
Las diferentes calidades de los residuos y de las aguas
residuales en los asentamientos humanos, y la tecnología
apropiada para su tratamiento pueden ser:
Un proyecto piloto para un nuevo barrio de 300 habitantes en
Lübeck, Alemania, demostrará la conveniencia de un nuevo sistema
integral con sanitarios al vacío (en vez de los sanitarios con
descarga de agua) y tuberías para la recolección de aguas negras.
Este agua se mezclará con residuos biológicos triturados y
alimentará a una planta semiseparativa de biogás que produce
fertilizante líquido sin desecación. Las aguas grises se tratarán
con sistemas descentralizados de filtro biológico. El agua de
lluvia se recoge, se almacena y se filtra con un sistema de
zanjas. De esta manera se pueden evitar en este asentamiento los
costosos sistemas centralizados de alcantarillado. El
consiguiente ahorro se emplea en la financiación de la
infraestructura explicada anteriormente.
El concepto tradicional de saneamiento de los países
industrializados produce flujos lineales de materia que provocan
la acumulación y la mezcla de los ciclos de la alimentación y el
agua. La reutilización de materiales y el vertido de los flujos
en lugares adecuados es limitada.
La cuestión de los flujos de carbono ha de tenerse en cuenta
también en la gestión del agua y de los residuos en las ciudades
[Strong y Arrhenius, 1993; Arrhenius, 1992]. Para el fósforo hay
que considerar, como factor más importante, la influencia de la
gestión del agua en las ciudades sobre los flujos de materiales
que contienen fósforo como componente principal [Beck et al.
1994]. En el trayecto desde su extracción, su paso por la ciudad
y a través del sistema de saneamiento urbano, el fósforo pasa de
un estado no absorbible a una forma soluble que termina en las
masas de agua. Muchas de las desventajas del sistema unificado
de alcantarillado que se enumeran abajo son muy conocidas, otras
raramente se señalan:
Las desventajas del sistema unificado de recogida de aguas
residuales indican la necesidad de una evaluación de nuevos
conceptos y su comparación con el enfoque tradicional. Además,
la extensión de este planteamiento por todo el mundo requiere un
desarrollo adicional de sistemas apropiados para las diferentes
regiones geográficas y condiciones sociales, teniendo siempre en
cuenta las necesidades globales.
Actualmente se está realizando un estudio MIPS (concentración de
materia por unidad de servicio) para comparar el sistema
tradicional con el sistema al vacío propuesto en este artículo
y con un sistema basado en el compostaje de las heces con los
residuos orgánicos [Reckerzügl, 1997]. Los resultados
provisionales indican algunas mejoras importantes en los sistemas
separativos y semiseparativos en lo que se refiere a la
concentración de los materiales (en el sistema convencional hay
una alta concentración), al consumo de energía y a la cantidad
de contaminantes y nutrientes vertidos a las aguas. Los
resultados se presentan a continuación más ampliamente. El
inconveniente de este método es que ambos sistemas tendrían que
alcanzar el mismo nivel de servicio. Sería más realista incluir
en cada sistema el coste de producción de los fertilizantes
necesarios, en el caso de que el nitrógeno, el fósforo y el
potasio se desperdicien.
Clasificación del tratamiento | Tratamiento apropiado | |
Grupo 1 Residuos sólidos biodegradables y heces poco diluidas con orina (o posterior separación de orina) |
Anaerobio o compostaje (procesado de la orina) | Relacionado con el ciclo de los alimentos |
Grupo 2 Aguas grises con muy pocos nutrientes (de los baños, lavadoras y cocinas) |
Aerobio con plantas con filtro biológico | Relacionado con el ciclo del agua |
Grupo 3 Aguas pluviales |
Uso y filtración local | Relacionado con el ciclo del agua |
Grupo 4 Residuos sólidos no biodegradables (pequeña fracción con reutilización de los embalajes) |
Procesamiento para convertir en materia prima |
El grupo 1 contiene casi todos los nutrientes: nitrógeno, fósforo
y potasio. La mayoría de ellos están concentrados en la orina.
La separación de las heces y de la orina de las aguas residuales
domésticas puede considerarse como el paso más importante hacia
un planteamiento sostenible del uso del agua. Además de los
sistemas de compostaje, que no suelen ser bien aceptados por la
gente y que deberían desarrollarse más, los inodoros al vacío
conectados a digestores anaerobios parecen ser una tecnología
prometedora para recoger las heces y la orina y tratarlas junto
a los residuos orgánicos. Estos sanitarios se escogieron para el
sistema integral que se describe en detalle a continuación, ya
que parecen combinar comodidad y fiabilidad. Se pueden utilizar
alternativamente sistemas de inodoros de descarga con separación
o sistemas que necesiten poca cantidad de agua para la descarga.
El desarrollo de inodoros óptimos es un tema clave para la
implantación de los sistemas sostenibles de saneamiento. Es
también importante facilitar el ahorro de agua limpia que cada
vez escasea más en muchas partes del mundo. A menudo, hasta los
últimos modelos de inodoros funcionan bastante mal aunque
utilicen grandes cantidades de agua. Sería muy beneficiosa una
optimización científica con un diseño adecuado teniendo en cuenta
las demandas de separación. Un primer paso puede ser empezar a
instalar inodoros que separen la orina incluso sin hacer, por
ahora, un mayor uso de la separación. Estos inodoros existen
[Lange y Otterpohl, 1997] y pueden reducir la cantidad de agua
necesaria para la descarga a un total de menos de 10 litros por
persona y día. La cazoleta de la orina necesita una descarga de
sólo 200 mililitros, la cazoleta de las heces puede ajustarse
según las necesidades locales (por ejemplo con la pendiente de
las tuberías). Estos inodoros son rentables económicamente y
permiten un cambio en el futuro hacia los sistemas sostenibles.
Basándose en este sistema de separación en origen, el sistema ANS
[Larsen y Gujer, 1996] e incluso los sistemas de biogás pueden
implantarse en el futuro.
En el siglo XIX (1873) Lienur construyó un sistema separativo en
los Países Bajos con tuberías al vacío para las aguas negras. El
propósito era no contaminar el agua y devolver los nutrientes al
suelo. Este tipo de sistemas prestaban servicio a miles de
personas en Amsterdam y en otras ciudades. Sin embargo en esa
época había algunos problemas técnicos que impidieron que se
extendieran.
Imagen 2.- Balance estimativo del carbono
Para las estaciones depuradoras de aguas residuales, se dio por
sentado el uso del lodo en la agricultura. En la práctica esto
es imposible muchas veces, debido a las altas concentraciones de
metales pesados y microcontaminantes en el lodo,como consecuencia
de la recogida y tratamiento unificados. En cuanto al balance
energético, el sistema anaerobio ahorra la energía de aireación
y produce gas útil que sustituye a las fuentes fósiles de
energía, por ejemplo en las plantas de cogeneración de calor y
electricidad.
Tema | 1 VC-Digest or | 2 Compos taje | 3 Secado | 4 Separa ción de la orina | 5 WC-Riego | 6 WC |
patógenos (rw= aguas recibidas) (op= buen funcionamient o) | + | + op | + | - rw | - | - rw |
reciclaje de nutrientes para la agricultura | ++ | ++ | ++ | + | ++ | -- |
depósito de carbono frente al calentamiento global | + | ++ | ++ | -- | - | -- |
consumo de agua | + | ++ | ++ | + | reutil izació n | -- |
tratamiento conjunto de residuos domésticos orgánicos | posibl e | necesa rio | posibl e | no | no | no |
eficiencia energética total | ++ | ++ | ++ | + | + | - |
regiones áridas | + | ++ | ++ | + | - | -- |
climas con estaciones frías | + | ++ | -- | + | -- | - |
centros de grandes ciudades | + | -- | - | ++ | - | ++ |
ciudades pequeñas y suburbios | ++ | ++ | + | ++ | - | + |
zonas rurales | - | ++ | ++ | - | ++ | - |
funcionamient o y mantenimiento | - | + | ++ | - | + | + |
soluciones de tecnología sencilla | -- | ++ | ++ | -- | - | -- |
Los sanitarios al vacío en el sistema 1 pueden sustituirse por
sanitarios de descarga con poco gasto de agua o por sanitarios
con separación de la orina. Se necesita también pendiente
suficiente para la evacuación por descarga de agua y otros medios
de transporte. La figura 3 muestra los principales flujos de
materia en el sistema de saneamiento 1. Este esquema representa
los recorridos básicos de los flujos de materiales de forma
ideal. El ciclo no es en realidad un ciclo, sino un sistema, los
recorridos deberían ser más largos que los representados, para
utilizar en la agricultura el fertilizante líquido que se
produce. Puede aplicarse también a la producción agrícola
industrial o en las explotaciones forestales. El objetivo es
llevar a cabo la gestión de recursos, mediante la obtención de
sustancias que sean necesarias y puedan ofrecerse al precio de
mercado (en el futuro). Debe desarrollarse un mercado local como
parte del sistema de saneamiento. Existen muchas zonas con un
exceso de fertilizantes debido a la importación masiva de piensos
para el ganado. Este tipo de prácticas son, en cualquier caso,
insostenibles, y deben abandonarse si se quiere un desarrollo
sostenible. De todos modos, las áreas con exceso de estiércol no
son los lugares ideales para iniciar nuevos sistemas de
saneamiento.
Imagen 3.- Flujos de materia de un sistema de saneamiento
sostenible.
Un sistema con "sanitarios al vacío" y una planta de biogás se
implantará en un proyecto piloto a nivel técnico. Se empezará la
construcción a mediados de 1997. El proyecto se describe con más
detalle a continuación.
En el digestor se instalará una estación de bombeo. Se cuenta con
una unidad de bombeo extra en caso de avería. La presión del
sistema es de 0,3 bar, que se utiliza tanto para los sanitarios
al vacío como para las conducciones al vacío. Los conductos
tienen una dimensión de 50 mm para facilitar un buen transporte
impulsado por aire. Deben situarse a una profundidad suficiente
para estar protegidos frente a las heladas, y deben tener sifones
cada 30 metros para crear tapones de material transportado que
impidan la salida de los gases al exterior. El ruido es una de
las preocupaciones respecto a los sanitarios al vacío, pero las
unidades más modernas no son más ruidosas que los sanitarios de
descarga de agua y sólo producen un ruido seco.
Las heces mezcladas con los residuos orgánicos triturados (para
la mezcla, sólo los procedentes de la aguas negras) son saneadas
calentando la mezcla a 70.C durante 30 minutos. Un intercambiador
de calor que calienta previamente el flujo de entrada reutiliza
la energía. El digestor funciona termofílicamente a una
temperatura de unos 55.C con una capacidad de 35 m cúbicos, lo
que es la mitad de la necesaria para el funcionamiento mesofílico
(a unos 37.C). Sin embargo, en la operación pueden darse
problemas debidos a las altas concentraciones de NH4 y NH3 (ácido
amónico y amoniaco), que se han estimado en cerca de 2.000 mg/l.
En caso de dificultades, la operación se detendrá en condiciones
mesofílicas, en las que la proporción de NH3 es menor en la misma
medición del pH con un tanque adicional. Otro aspecto es la
cantidad de sulfuro en el biogás. Ésta puede reducirse mediante
un control sobre el suministro de oxígeno en el digestor o en la
corriente de gas.
La planta de biogás se concibe también para ser una unidad de
producción de líquido fertilizante. Es importante considerar el
recorrido de las sustancias contaminantes desde el origen. Una
fuente importante de metales pesados son las tuberías para el
agua corriente de cobre o de zinc. Se evitarán estos materiales,
utilizando tuberías de polietileno. Los lodos de aguas residuales
no se desecarán, por estar compuestos de buen fertilizante, y
para no tener que tratar el agua resultante. La relativamente
poca cantidad de agua añadida a las aguas negras consigue un
volumen lo suficientemente pequeño para el transporte. Habrá un
tanque de almacenaje durante 2 semanas para la recolección de los
flujos del digestor. El biogás se almacenará en el mismo tanque
dentro de un contenedor, lo que proporciona una mayor
flexibilidad de funcionamiento. El fertilizante será sacado por
un camión y transportado a una granja que tenga un tanque de
almacenaje para 8 meses. Estos tanques se pueden obtener
fácilmente o se pueden construir con poco dinero.
El tratamiento separativo de las aguas grises debería hacerse
mediante un proceso con filtro biológico. Las tecnologías
apropiadas con espacio muy limitado tienen filtros aireados para
la arena, plantas con discos de rotación y filtros de goteo
(Nolde, 1995) con infiltración de aguas grises tratadas dentro
del almacén de las aguas pluviales y sistema de infiltración. Los
lechos filtrantes artificiales son una posible solución para las
zonas urbanas, ya que se pueden integrar en jardines y parques.
Las aguas grises son relativamente fáciles de tratar porque
tienen un bajo contenido de nutrientes. Puede haber incluso una
falta de nutrientes para incorporar en el inicio del sistema de
tratamiento de aguas grises. En cuanto haya un filtro biológico
eficaz, los microorganismos podrán utilizar los nutrientes
liberados por la separación. Varios proyectos a escala técnica
han demostrado la posibilidad y el excelente funcionamiento del
tratamiento separativo de las aguas grises. Estas plantas
permiten la reutilización del agua de los inodoros de descarga,
que no es posible económicamente en el proyecto de Lübeck debido
al bajo consumo de agua de los inodoros al vacío. Las aguas
grises en Flintenbreite se tratarán en lechos filtrantes
separativos alimentados verticalmente con una extensión de 2 m2
por habitante. Éstos son relativamente baratos en cuanto a la
construcción y especialmente en el funcionamiento. Los pozos de
bombeo servirán como una cámara de arena, para la separación de
grasas y tendrán filtros para las partículas de gran tamaño por
encima del nivel del agua. Los efluentes se filtrarán
preferiblemente mediante un sistema de zanjas de drenaje para las
aguas pluviales.
La infraestructura de Flintenbreite incluyendo el concepto de
saneamiento integral será financiado inicialmente por la compañía
constructora y una compañía privada, en la que empresas, técnicos
de planeamiento y más tarde los dueños de las casas y las
viviendas, se integrarán financieramente y tendrán derecho a voto
en la toma de decisiones. Parte de la inversión se cubre con una
tasa por la conexión, como en el sistema tradicional. El dinero
ahorrado por no tener que construir un sistema de saneamiento por
descarga, con un menor consumo de agua limpia y con la
construcción coordinada de todas las tuberías y redes
(saneamiento al vacío, calefacción local y distribución de
energía, abastecimiento de agua, redes de TV y telefonía) son
esenciales para la viabilidad económica de este sistema. Las
tasas por vertido de aguas residuales y residuos orgánicos que
se impondrán más adelante, cubrirán el funcionamiento, los
intereses sobre las inversiones adicionales y el mantenimiento
del sistema.
Una parte de los costes de funcionamiento tienen que cubrirse con
un operador a tiempo parcial, pero esto también supone la
creación de empleo a nivel local. La compañía se ocupa del
funcionamiento de la totalidad de las estructuras técnicas
incluyendo la generación y distribución de calor y de
electricidad, de los sistemas de energía solar activa y de un
sistema avanzado de comunicaciones.
La concentración de material y energía en el sistema se estudia
actualmente, comparándolo con el sistema tradicional, mediante
el método MIPS en el Wuppertal Institute de Alemania [Reckerzügl,
1997]. La concentración de materia y de energía es menor de la
mitad en el sistema separativo respecto al sistema convencional,
dando servicio a una zona con una densidad de población media
(ver tabla 3). Para el sistema unitario, la mayor parte del
material necesario resulta de la construcción del sistema de
saneamiento. Las previsiones de los vertidos se basan en la media
de las aguas grises vertidas; la calidad de las aguas vertidas
se muestra en comparación con los valores medios de una moderna
planta de tratamiento con una eliminación de nutrientes avanzada
y un buen funcionamiento.
La tabla 3 indica algunas de las principales ventajas del nuevo
sistema que justifican su estudio en el futuro. La reducción de
vertidos al mar y el ahorro de energía y materia acumulado por
persona, con una vida media de 70 años, sería de unos 700 m3 de
agua limpia, 230 Kg de COD, 4,2 Kg de fósforo, 42 Kg de
nitrógeno, 85 Kg de potasio, 10.000 Kw de energía y cerca de 160
toneladas de material usado. El ahorro de estas emisiones puede
también sustituir la producción de fertilizantes por medio de
energía de origen fósil y por síntesis de nitrógeno; lo que se
puede estimar en otros 7.000 Kwh de energía ahorrada [Boisen,
1996]. Estas cifras cobran importancia en relación al gran
aumento de la población y el descenso de las fuentes de energía
no renovables.
Sistema tradicional avanzado | Nuevo sistema de saneamiento | ||
COD BOD5 P total N total K total *aproximación |
3,6 Kg/P/a 0,4 Kg/P/a 0,07 Kg/P/a 0,73 Kg/P/a 1,4 Kg/P/a* |
COD BOD5 P total N total K total
*aproximación |
0,3** Kg/P/a 0,1** Kg/P/a 0,01** Kg/P/a 0,13** Kg/P/a 0,2* Kg/P/a |
Demanda de energía para el
abastecimiento de agua 0,5 Kwh/m3 a 25 Kwh/m3
Demanda típica para el
tratamiento de agua |
Demanda de energía para el
abastecimiento de agua
(ahorro de agua mayor del
20%) 20 Kwh/P/a
Sistema mediante vacío
Tratamiento de aguas grises
Transporte de lodo (en 2
meses a 50 Km)
Ganancias netas en biogás
(12,5 W) -110 Kwh/P/a |
||
Demanda total 12,5 W = 110 Kwh/P/a |
Producción total 5 W = -43
Kwh/P/a (cifras del proceso de diseño) |
||
Concentración de materia 3,6 t/P/a (estudio MIPS de Reckerzügl, 1997) |
Concentración de materia 1,3 t/P/a (estudio MIPS de Reckerzügl, 1997) |
El tamaño de las ciudades es importante debido a las distancias
de transporte. Sin embargo, incluso en las áreas metropolitanas
sería posible tratar ese problema. Tanto el fertilizante líquido
como la mezcla de residuos orgánicos y aguas negras sin tratar,
pueden transportarse mediante bombeo o por tren, evitando los
periodos punta de transporte de viajeros. Estos son temas de
planificación a largo plazo, muy relacionados con el planeamiento
urbano. Desde el punto de vista del saneamiento sostenible, de
la producción y transporte de los alimentos y para aumentar el
contacto de los ciudadanos con la naturaleza, las ciudades del
futuro deberían planearse en forma de estrella, con áreas rurales
entre ellas.
El sistema propuesto está basado en sanitarios al vacío, pero hay
otros medios de recoger las aguas negras. En Suecia se han
desarrollado sanitarios con separación de orina, y un tipo de
sanitarios de descarga de presión, con una tapadera en lugar de
sifón para evitar los malos olores [Lange y Otterpohl, 1997];
ambos pueden utilizarse para la recogida de aguas negras. El
sanitario de descarga de presión debe tener una pendiente de más
del 5% en las tuberías, al menos hasta el colector. El transporte
posterior podría realizarse mediante un sistema de vacío o de
presión. Los sistemas basados en plantas de biogás deberían tener
un cogenerador (calor y energía eléctrica), si existe demanda de
calefacción cerca de la planta, el ejemplo típico es el
asentamiento al que da servicio el sistema en climas fríos. Un
planteamiento interesante podría ser la producción de biodiesel,
a partir del fertilizante del digestor. Existen motores que
pueden funcionar con una mezcla de biogás y biodiesel.
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Fecha de referencia: 30-09-1997
Boletín CF+S > 2 -- Especial sobre RESIDUOS > http://habitat.aq.upm.es/boletin/n2/aaguas.html |
Edita: Instituto Juan de Herrera. Av. Juan de Herrera 4. 28040 MADRID. ESPAÑA. ISSN: 1578-097X
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