Anteproyecto para una depuradora sostenible en Los Silos y Garachico.

 Proyecto de Depuradora sostenible y resilente para Los Silos.

El presente proyecto quiere ser una alternativa sostenible a la depuración tradicional de lodos activados. Un ejemplo concreto aplicable a la población de Los Silos, en el Norte de la Isla de Tenerife. En dicha población una parte significativa del vecindario se ha manifestado con claridad en contra de la depuración industrial que pretende llevar a cabo el Cabildo de Tenerife dentro de su Plan Hidrológico (PHT).

Como justificaremos más adelante, nombraremos el mismo como un sistema de depuración sostenible y natural SDSN.

Consideraciones previas.

Todas las EDARs tienes aspectos positivos y negativos. Como en la vida, luces y sombras.

Por eso, afirmar de forma rotunda que las depuradoras tipo la de Masca o Acusa no sirven, o en todo caso, solo sirven para agrupaciones de población de pocos centenares de personas es falso. De manera muy sucinta, explico en qué consiste y cuales son los pros y contras.

Las depuradoras de Masca, Los Carrizales en Teno y Acusa, en Artenara son mixtas, diseñadas por José Peraza. Consisten en una variedad de reactor anaerobio de flujo ascendente, alimitado por arriba, al que le sigue la parte aeróbica, mediante fotosíntesis, del humedal subsuperficial. En este tipo de EDAR nunca el agua está en contacto con el aire y por eso no genera olores. Estos edars son compatibles como zonas ajardinadas o miradores (El caso de Piedras Caídas en G. C.). El problema asociado habitualmente a la depuración anaerobia es que la digestión en ausencia de aire exige varios días. En el diseño del reactor se necesita tiempos altos de retención y gran volumen. Por otro lado, funcionan mejor con aguas muy contaminadas, con dbo superiores a 500 ppm. Tradicionalmente, por esto último, se ha relegado su uso a la industria, a granjas, o actividades que generan muchos residuos.

Pero, justamente, en los SDSN eso es una ventaja ya que como la fase anaerobia es la primera, la estación NO necesita pretratamiento de las aguas negras que entran. Simplemente se necesita un cribado para la separación de objetos volumétricos, monedas, pilas… y gravas y arenas superiores a un diámetro de 2 mm. El agua desbastada pasa directamente al reactor.

Obviamente, igual que en cualquier otro sistema de saneamiento, un pretratamiento es encargado de eliminar los grandes sólidos, las gravas y la arena, todo ello mediante cribado.

En todo nuestro proyecto planteamos como fuente para el desplazamiento de los caudales exclusivamente el campo gravitatorio.

En la depuración de lodos activos es esencial una fase previa de generación de espumas y decantación superior (separación de aceites y detergentes de densidad< 1 g/mL). Es la etapa que genera más olores. En algunas depuradoras con tratamientos de gases, como la del Valle de La Orotava, se utilizan oxidantes químicos, H₂O₂ o HClO para oxidar los gases malolientes.

Para poblaciones entre 5000 a 10000 habitantes equivalentes el volumen del reactor es el optimo, por lo que también lo es este tipo de EDARs sostenibles, que no consume energía procedente de fuente externas, al margen de la energía de la radiación solar. Además, y posiblemente por su aparente sencillez que oculta la complicidad de los procesos químicos anaerobios, este tipo de tratamiento anaerobico es sumamente eficaz, aunque lento.

Este proyecto utiliza una estrategia mixta para buscar una solución de compromiso que en otras depuradoras diseñadas por J.L. Peraza ha sido suficientemente probadas con excelente resultados.

Se trata de combinar la depuración anaerobia parcial con una posterior aeróbica mediante un humedal hidrópónico con plantas con gran eficiencia fotosintética y resistencia a cationes salinos. Se consiguen así tiempos muy aceptables a la vez que una magnifica calidad del agua depurada, sin mecanismos y apenas mantenimiento. La calidad del flujo depurado es superior al obtenida mediante el tratamiento por lodos activos, siempre deficiente en la digestión de fósforo y amoniaco orgánico.

El problema de reducción brusca de la carga bacteriano por exceso de aguas torrenciales, se trata mediante el uso automático que éstas hacen, al tener menor densidad y pasar directamente a la última etapa de la EDAR.

Si bien, la norma de la construcción, desde el año 2002, exige la separación de las aguas de lluvia de las saneadas los diseños prevén esta circunstancia.

En este caso, la estación depuradora que tratará un importante caudal de agua se complementará con un estanque o mareta, para acumular el agua depurada que, a su vez, recepcionará, en caso de lluvias intensas, los excedentes del agua de lluvia al volumen del reactor.

Las estaciones depuradoras de lodos activados son rápidas, aunque la calidad del agua de salida es inferior a la depurada en procesos anaerobios y mixtos, en particular en el tratamiento del fósforo y nitrógeno.

Además, esos EDARs industriales consumen mucha energía eléctrica para la ventilación forzada (turbinas e inyectores), a lo que se suma el gasto del pretratamiento de grasas y detergentes y la deshidratación de los lodos. En los casos en que la decantación secundaria o maduración se haya sustituido por un reactor de biomembranas que, si bien acelera el proceso genera un incremento del gasto energético. Por ello, como veremos más adelante la potencia de la instalación que, para esta dimensión supera los 40 kW. Aparte, en el modelo que se pretende implementar por el CIATF se deberá sumar el gasto de la regeneración por electrodiálisis reversible.

El tratamiento de fango es importante en las edars aeróbicas. Transforman los sólidos dispersos y el 80% de la materia orgánica en lodos. Estos deben llevarse al PIRS con el consiguiente incremento del gasto. Restante 20% de la DBO5 se digiere con un subproducto de mezcla de gases (principalmente CH4, CO2, H2 y en menor medida, H2S, NH3, PH3)

En las instalaciones anaerobias los porcentajes son aproximadamente opuestos: 80% de gases y 20% de lodos.

En las mixtas, el 20 % de lodos que se generan en la primera fase o anaerobia, y en los diseños probados por J.L. Peraza pasan mezclados con el agua que entran en el humedal y se utilizan como abonos de las especies vegetales que ejecutarán la oxidación fotosintética. Por eso, cada cierto tiempo, el humedal debe ser podado generándose un subproducto o biomasa con valor añadido.

En definitiva, el trabajo relevante en su mantenimiento será de jardinería; los EDAR mixtos como el que aquí presentamos no necesitan más mantenimiento.

Por supuesto las aguas a depurar mediante sistemas mixtos o naturales descenderán sin necesidad de estaciones de bombeo. Se incluyen las proveniente de Garachico por obligación legal.

En el caso de que se considerase beneficioso para la comunidad de los Silos, propietaria pública de las aguas recicladas, el afino de las mismas (para la disminución del catión Sodio Na⁺ ), y para su distribución, se procedería, ya depuradas a su bombeo a la planta de regeneración. evitándose, así, los riesgos de contaminación del territorio, (que se aprecian en el proyecto del CIATF) y cuyo gasto estaría a cargo del comprador en el precio final del agua.

En definitiva, planteamos una alternativa sostenible, resilente, sin apenas mantenimiento y cuya construcción se puede realizar a cargo de empresas locales.

Capitulo I.  Definición del entorno:

(a ) Población:

a.1 Los silos es un municipio con unos 4700 habitantes y una densidad de 195 hab/m². El núcleo urbano más importante, su capital, se encuentra a una cota media de 105 metros.

a.2 Por necesidades asociadas a una sentencia judicial, un caudal importante del agua del vecino Garachico será impulsada hasta la misma depuradora, por lo que la misma habrá que incrementarse en una población de 4870 habitantes más.

El gasto extra que implica la concentración de las aguas de los barrios alejados del municipio, en concreto, Tierra de Trigo (337), Erjos (123)y el transvase de las Aguas de las Canteras a la Depuradora de Buena Vista, se reajustará el proyecto con una reducción equivalente de 500 habitantes equivalentes y la construcción de dos pequeñas depuradoras de tecnologías equivalentes. Las aguas de La Caleta se sumaran al canal que trae las de Garachico.

Por lo tanto, el proyecto que se presenta partirá de un volumen de aguas equivalente a una población de 9500 habitantes/m², ( habitantes equivalentes, valor que puede tener una proyección en el tiempo debido a que no toda la población de ambos núcleos está conectada a las redes de saneamiento o, en el caso de Garachico, parte sanean sus aguas por otros conductos. Desde Garachico las aguas se impulsarán en una fase primera mediante una tubería, desde Los Cruces a una altura de 20 metros hasta el EDAR objeto de este trabajo localizada en una cota de 50 metros. Se propone que, en una segunda fase, Garachico transforme la actual ubicación del ETAR en una estación completa con aprovechamiento de aguas.)

(b) Caudales:

Según el trabajo de doctorado de Fabián A. Déniz Quintana (1) y el anexo2 del PHT del Cabildo de Tenerife (2) podemos estimar los caudales diarios de los habitantes del norte de Tenerife entre 125 a 150 L/habitante equivalente. Nos quedaremos con esta valor máximo a efecto de la escala eficiente del proyecto.

El volumen diario que deberá, con seguridad, gestionar el EDAR que proponemos es :

Caudal diario de agua en m³ Q_agua=9500 hab * 0,150 m3/hab-día =1425 m3/dia.

(c) Necesidades de oxígeno:

Para relacionar la población de usuarios objeto del cálculo con la definición de habitante equivalente, en este estudio partiremos de que la demanda de oxígeno del agua negra será de 400 ppm, lo que haría un consumo de oxígeno percápita diario de 60 g/habi-equi:

150 L/hab_equ * 0, 4 g/dia = 60 g/hab-equi-día

En el caso de un sistema de lodos activados o métodos exclusivamente aeróbicos (lagunas y humedales) el volumen diario de oxígeno sería:

Q _{masa O2} = 9500 hab_equi * 0,060 kg/dia =570 kg O2/dia

El caudal volumétrico de aire a 25ºC y 1 atmósferas(con un 21 % de O2) insuflado por las bombas o agitadores sería

Q _{vol aire} eficaz= 570 000 g * 1/32 g/mol * 1/0.21 (aire/o2) *24.2 L/mol* 1/1000 m3/L= 2060 m³ aire/día.

En función de la tecnología utilizada para la oxigenación del biodigestor aeróbico de fangos activados , a saber, inyección inferior o agitación mediante turbinas, los valores reales del caudal de aguas se tendrán que multiplicar, según los datos bibliográficos por un factor de eficacia de x 2 o, en el segundo caso x 3. En definitivo, unos caudales de bombeo de aire que oscilarán entre 40000 a 6000 m³ de aire/dia.

Estos valores equivalen a un afluente de aguas residuales con una horquilla de DBO5:

DBO₅ =60 000 mg 02/hab-equ/135 L= 455 ppmO2/hab-eq

DBO5 =60 000 mg O2/hab-equ / 150 L = 400 ppm O2 hab-eq

(3) Sobre la depuración aeróbica según tecnología de lodos activados, aeróbico mediante humedal, aeróbico mediante laguna

Los métodos aeróbicos se caracteriza por la digestión de la materias biodegradable solubilizada mediante procesos bacterianos que, por su naturaleza, exigen oxígeno como comburente que oxida la materia biodegradable a CO2, agua, y otros gases, en menor medida, como SO2. Para ello, los lodos asociados a los sólidos no solubles o dispersos con activados como colonias en los que las bacterias floculadas, es decir agrupadas en un soporte químico poroso, como el AlCl3 , el FeCl3.. se alimentan de las moléculas orgánicas solubles obteniendo energía y liberando los gases de la combustión. En función de cómo llega a estos lodos activados el oxígeno podemos distinguir mediante métodos industriales, en lo que se debe bombear o agitar la muestra , o mediante sistemas en los que las plantas, en el caso de humedales, o las cianobacterias, en el caso de las lagunas, a través de la fotosíntesis obtienen el oxigeno que, en las micorrizas o directamente en la solución oxidan los contaminantes orgánicos disueltos. En todos los casos será necesario el caudal de oxígeno eficiente que hemos señalado arriba, esto es , los 60 g/habitante equivalente.

Capitulo II. Procesos aeróbicos industriales y naturales.

A continuación trataremos la generalidad del sistema de depuración de lodos activos sin tratar, en este capítulo, los aspectos añadidos en el Plan Hidrológico de Tenerife referentes a la regeneración del agua y el bombeo de las aguas negras a cotas altas donde se instalarán los sistemas complejos EDAR + Estación Regeneradora + Estanque e infraestructura para la distribuidor.

Como ya dijimos, este proceso lleva implícito una abuso de ley por el que, el usuario de la red de saneamiento subvenciona, sin ser consciente, el agua que tras su regeneración, se volverá a comercializar sin beneficio alguno en el importante negocio a costa de BALTEN u otra entidad a la que se le otorgue la concesión.

Comparación con el sistema de depuración que plantea el CIATF.

Proceso Industrial de lodos activados convencional ( y bioReactor de Membrana BMR) :

Pretratamiento, cribado y retirada de grasas y detergente. Para ello se inyecta mediante bombas en tanques altos aire al agua residual

(3.1) Espumeo, para separar las grasas, aceites, detergentes lo cual se realiza mediante burbujeo de aire y separación de las capas superiores del agua mediante cucharas mecánicas.

(3.2) Decantación. A continuación, las aguas pasan a un estanque de decantación donde más del 70% del TSD (total sólidos dispersos) se decantan para ser posteriormente deshidratado, compactados para su traslado al PIRS.

(3.3) Línea de fangos. El resto de los lodos y los productos sólidos de la digestión biológica generara más los residuos insolubles que se sumarán a los sólidos solubles no biodegradables (sales minerales o fibras orgánicas de enlaces no hidrolizables) que constituirán el soporte no sustrato para el crecimiento de los flóculos bacteriano.

El global de los materiales contaminantes del agua, es decir el 80%, se separará mediante sólidos. Solo el 20% se transformará en gases como CO2, H2O, SO2, y diversos óxidos de Nitrógeno.

(3.4) Tanque de maduración y filtración mediante corriente inversa a través de un lecho de diatomeas o sustitución de éste paso mediante bioreactor de membrana , impulsado por bombeo. .

El proceso global necesita un consumo de energía eléctrica para:

(3.a) Bombas de aire o burbujeo para separación de aceites y detergente en forma de espumas.

(3.b) Bombas para la inyección del aire para la digestión del DBO5.

(3.c) Cucharas y cintas mecánicas para la separación superior de las espumas.

(3.d) Peine para la retirada de de los lodos decantados.

(3.e) Energía para el proceso de maduración, a saber, bombeo del agua a través de lecho de arena o diatomeas o bien, tratamiento mediante biomembranas de 0,4 micras.

(3.f) Centrifugadoras para la reducción del agua de los lodos hasta un máximo de 25% .

(3.g)Transporte de los lodos al PIRS.

En esta tabla he incluido el sistema de regeneración mediante electrodiálisis reversibles que, aunque no forma parte estrictamente de la depuración, se usa para reducir el fósforo y otras sales, como nitratos. Ello implica un exceso de gasto energético y la producción de agua de rechazo que habrá que gestionarla o verterla en el mar mediante un emisario.

El calculo medio, (con o sin impulsión bombeo de las aguas negras) y la regeneración de las mismas para su uso agrícola, es:

EDAR Lodos Activados con tanque de maduración (S/C Tenerife)	0,5				0,5 kWh/m³.
EDAR sistema de membranas alternativo a la maduración	0.5	0.20			0.70 kWh/m3
EDAR + regeneración sin bombeo de las aguas depuradas. Valle Guerra	0.5	0.2	0.2		0.90 kWh/m3
EDAR + regeneración y bombeo aguas negras a 198 m de altura (PHT)	0.5	0.2	0.2	0.38	1.28 kWh/m³

Potencia del EDAR de lodos activos para Los Silos:

La bibliografía nos da los potencias de las EDAR medias se establece en la tabla adjunta:

Para la dimensión de 9500 habitantes equivalentes :

2.57 W/hab-eq * 9500hab=24.415 W a lo que habrá que sumar la potencia de los equipos de control y monitoreo.

En definitiva, una instalación con una potencia de consumo mínimo seguro oscilante entre 25 a 30 kW y un valor seguro para una actuación continua de potencia mínima de la EDAR de lodos activados o tecnología de BMR de Los Silos = 45kW

Procedimientos aeróbicos sostenibles y resilente. Humedal y lagunaje. Esquema sucinto.

Como vimos en la sección anterior, el gasto energético mayor que tienen los sistemas aeróbicos industriales provienen de la inyección de oxígeno para la respiración de las bacterias.

Los métodos alternativos utilizan como fuente de la oxigenación la fotosíntesis tanto de plantas, el el caso de los humedales como de cianobacterias, que es el caso propio de la mayoría de las lagunas.

La fotosíntesis se produce en dos etapas. La primera, denominada luminosa o fotoquímica depende directamente de la luz recibida, la energía de los rayos solares entre las longitudes de onda correspondientes a la luz violeta, azul, naranja y roja. Esta energía produce la excitación de los electrones y provoca la ruptura de las moléculas de agua, de tal forma que el oxígeno se libera y el resto de energía se transmite, generando moléculas de ATP (Adenosina trifosfato) y NADPH (Nicotinamida adenina dinucleotido fosfato). Estos componentes se emplean en la siguiente etapa, que se conoce como fase oscura porque no depende directamente de la luz. Esta segunda etapa se desarrolla en el estroma, el espacio acuoso interno del cloroplasto. Allí la energía en forma de ATP y NADPH producida en la fase fotodependiente se utiliza para fijar el dióxido de carbono como carbono orgánico, mediante el Ciclo de Calvin. Éste consiste en una serie de reacciones químicas en las que se producen fosfoacilglicéridos con los que la célula vegetal elabora nutrientes. El proceso da como resultado un compuesto similar al azúcar llamado glucosa.

Energía asociada a la fotosíntesis:

La energía a partir de la glucosa se obtiene por medio de la reacción de oxidación

6CO₂+ 6H₂O =C₆H₁₂O₆+ 6O₂ ΔG = 2870 kJ /mol de glucosa

Por tanto, para formar los 60 g de O2 for fotosíntesis para depurar el agua de un habitante equivalente será:

2872/6 Kj/mol * 60 g/32 = 897.5 Kj/habitante equivalente.

Para establecer cuál sería el máximo de oxígenos que se podría obtener por m² en caso de la hipotética total absorción radiación eficiente por m² como luz visible 400 W/m2 . Por tanto, bastaría solamente 2243 segundo es decir unos 38 minutos para obtener, con una eficiencia hipotética total, la cantidad de oxigeno necesaria.

Eficiencia de la etapa aeróbica fotosintética para una radiación media de 8 horas/día,

eficiencia mínima solar =2243 s/(8*3600) x 100 =7%.

Es decir, el proceso de construcción del HSS deberá garantizar una eficiencia en la transformación de la radiación solar en oxígeno superior al 7%. Ese objetivo está demostrados se supera con eficiencia en la zona del Noroeste de Tenerife (valores establecidos en la Depuradora de Masca 22%)

En las EDARs basadas en laguna se establece, de manera similar a las EDARs industriales de lodos activados, tres procesos. Corresponderán, en este caso, a la actividades de tres lagunas sucesivas:

Una primera de decantación primaria,

Una segunda laguna que correspondería a digestión aeróbica

La tercera o laguna de maduración.

Por los problemas de olores, en la presente propuesta, preferimos el uso de humedales subsuperficiales (HSS) a los humedales de flujo superficial y los sistemas de laguna.

Para el cálculo de los caudales y superficies de las lagunas y humedales deberemos tener en cuenta la capacidad de generar oxígeno lo cual está en relación directa con cuatro factores:

(a) Intensidad de la radiación solar.

(b) Especie capaz de realizar la fotosíntesis: (b.1)Planta fanerógama, (b.2) alga, (b.3) cianobacteria. (b.4) Otras bacterias: rojas, púrpuras y sulfobacterias.

(c) Relación superficie/profundidad del sistemas

(d) Enraizamiento de las plantas.

(e) velocidad relativa de circulación del agua (por las micorrizas, raíces, colonias o flóculos de bacterias)

En estos sistemas el agua transcurrirá, de manera forzada, a través de las micorrizas de plantas fanerógamas que pueden llevar el oxígeno a niveles más profundos, hasta una profundidad de 1 m, que hacen que el volumen de agua que puede soportar el humedal es de unas tres veces superior al de la laguna. Además el sistema foliar de las plantas de la especies adecuadas aumentan la superficie real para la captación de la radiación. Ello hace que cada metro cuadrado del humedal podría acoger hasta un volumen superior a los 150 L para cada habitante.

El humedal forzará la trayectoria del agua para que los caudales se muevan con la velocidad adecuada. El sistema diseñado por José Luis Peraza, usando la inclinación de la gravedad, hace que el agua en su trayectoria sube y desciende varias veces a lo largo de su trayectoria que adquiere la forma de sierra. Con ello se mejora considerablemente la eficiencia del sistema.

En el diseño del HSS además del valor de la radiación solar y las especies vegetales debemos calcular la velocidad de avance y el Tiempo de Retención Hidráulica (TRH)_HSS que, como luego veremos, se establece en un máximo de 1,5 m/hora.

Capitulo III. Sistemas anaerobios y Sistema mixto UASB + humedal subsuperficial (HSS).

Proceso Anaerobio

En este proceso la digestión se realiza en ausencia de oxígeno. Por ello los reactores deben ser cerrado. En el mismo los mecanismos químicos son complejos, regulados por la presencia de bacterias que se suelen dividir en cuatro categorías. En cada fase se produce reacciones específicas.

(a) Bacterias para la hidrólisis de las cadenas en elementos sencillos como los monosacáridos. (hidrólisis)

(b) Bacterias para la degradación de los ácidos grasos en ácidos más pequeños. (Acidificación)

(c) Bacterias para la formación de H2 y ácidos de cadena pequeña R-COOH

(d) Bacterias hidrogenofobas y metanogénicas que consumen H2 y derivados del carbono para producir metano, CH4 y CO2. (metanogénesis)

En términos generales, podremos considerar que estas cuatro categorías de reacciones son heterogéneas con termodinámicas diferentes. Unas endotérmicas y otras exotérmicas. las propias bacterias participan como reactivos pero aumentan su población, por lo que también son productos. Ello hace que el crecimiento y velocidad del proceso, inicialmente lento, se dispara cuando se alcanza una población de saturación. En ese momento el proceso es muy eficiente.

En el agua en el interior del reactor las moléculas se encuentran en diversas formas: (a) en fase sólida, por ejemplo los sólidos no disueltos,(b) en estado gaseoso, como el CO₂, el CH₄, el H₂S y en fase líquida, solubles, como azúcares que constituyen total de sólidos disueltos. La técnica no exige, por tanto, la decantación previa, más allá de la criba de elementos pesados, que se hará, como en cualquier otro sistema EDAR, fuera de la estación.

Una buena parte de la materia orgánica se encuentra en forma líquida no miscible, lo que constituye la mayoría de las grasas, fosfolípidos, detergentes, que tampoco deben separarse previamente a la depuración.

En sistemas de lodos activados e industrializados, las grasas, los detergentes y otros componentes cuya densidad sea menor que la del agua se separan en forma de espumas. mediante la inyección y el uso mecánico de cucharas y peines.

En cambio, en los EDARS anaeróbicos, los trigliceŕidos, las grasas no saponificables, y los detergentes son gestionados por las bacterias anaerobias como los derivados orgánicos solubles en el agua. No es necesaria, por tanto el tratamiento previo de gaseas y jabones. ¡Se pueden tirar por el sumidero!

El reactor más utilizado para la degradación o fermentación anaerobia es el UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket o RAFA en español: Reactor Anaerovio de Flujo Ascendente). En este proceso, se introduce el agua en el fondo del depósito donde entra en contacto con el manto de lodos. En el separador de 3 fases, localizado en la parte superior del reactor se recoge el biogás, se separa el afluente y se retorna el lodo al reactor. Aquí presentamos un esquema.

La reacción, estrictamente no tiene gasto energético. Solo, en el caso en el que el bombeo del agua de la parte inferior del reactor a su parte superior no se produzca gracias a la gravedad,habría que invertir energía. En todo nuestro diseños se usa como fuerza motriz el campo gravitatorio.

El digestor anaerobio patentado por J.L.Peraza es una variación del UASB en los que la alimentación se realiza por la parte superior y la salida de aguas se adapta al nivel empírico de la densidad más próxima a 1 g/mL. Estos valores han demostrado empíricamente la mejora de los rendimientos para tiempos de retención hidráulica de 11 días a costa de reducir la producción de gas metano.

En el caso de optar a un calentamiento de agua para reducir los tiempos de retención, esa energía se obtendría de la m etanogénesis . Esta produce unos 0,4 m3 biogás/kg DQO eliminado con un 60% de metano (7,5 Mega Julio/kg DQO eliminado = 2.083 kWh/kg DQO elimnado) .

El caudal de metano obtenido se utilizará, en su caso, exclusivamente al calentamiento externo del reactor. Más adelante retomaremos este aspecto.

La fermentación aeróbica exige tiempos largos. Sin calentamiento, el proceso completo necesita entre 25 a 29 días.

Pero la curva en la que se establece la relación entre la caída de la DBO frente al tiempo no es lineal ocurriendo que en los primero 11 días se produce la digestión del 90% del sustrato en lo referido al DBO₅ y un 5’% del valor del nitrógeno y un 75 de la transformación de los fosfolípidos a fósforo inorgánico.

Entre el día 12 y el 29 se produciría a 23ºC la fase más lenta o metanogénesis que no es el objeto principal de el reactor anaerobio que presentamos para aguas urbanas.

Para el aprovechamiento eficiente del metano deberíamos aumentar hasta al menos 28 días el TRH.

Para el cálculo del THT se divide el caudal diario que entra al sistema entre el volumen del reactor.

Adaptar la geometría, los caudales y las calidades para reducir al máximo los tiempos de retención del agua en los “lentos” reactores anaerobios es el objeto y fin de la depuración mixta que proponemos como alternativa.

La depuración mixta RAFA + HSS como alternativa. Sistemas Sostenibles y Naturales (SDSN)

El sistema que planteamos para depurar las aguas del EDAR de los Silos se trata de la combinación de un Reactor anaerobio de Flujo Ascendente, adaptado según la patente de J.L.Peraza, con alimentación superficial más un humedal subsuperficial, inclinado, todo ello impulsado por el campo gravitatorio sin necesidad de mecanismos y bombeo. El sistema lo denominaremos, a continuación como SDSN.

Según dijimos la curva global del proceso anaerobio en los que se dibuja la inversa de la velocidad (1/v) del proceso anaerobio global versus el tiempo es una especie de parábola con un mínimo matemático que corresponde a la máxima velocidad.

Los tiempos de duplicacićon de las bacterias que catalizan los cuatro procesos anaerobios son, aproximadamente, a 23 ºC, los siguientes:

• Primer plazo: hidrólisis, proceso rápido. 1 día (Exotérmico)

• Segundo plazo: acidificación en unidades livianas. Proceso intermedio: 4 días. (Exotérmico)

• Tercero: acción de las bacterias hidrogenofobas. 5 días (Exo u endo en función del pH)

• Cuarto: metanogénesis, 9días. (endotérmico)

El diseño y la debida ausencia de oxígeno evitará la producción de ácido acético.

Los dos últimos procesos se realizan lentamente, a partir del 4 o 5 día. En esa situación, la cinética se frena, simultáneamente con la reducción de la concentraciones de fósforo y nitrógeno del sustrato. Estos oligoelementos son esenciales en el crecimiento bacteriano.

Entre el día 8 y el día 12 se inicia la metanogénesis, a la temperatura entre 25 a 28 ºC la digestión de 90% de todo el sustrato. Es un procesos endotérmico que se aceleraría con un intercambiador de calor.

Entre los días 10 y 29 el proceso es lento con formación completa de CH4 y CO2. La liberación de los gases a partir del día 9 favorece el desarrollo del proceso hacia la derecha.

Capítulo IV. La estrategia de la depuración mixta anaerobia aerobia resilente.

Consiste en extraer del reactor las aguas parcialmente depuradas, al cabo de 11 días, con un DBO5 que se ha reducido en un 90%, y terminar su depuración mediante la digestión aerobia en un humedal. El agua que llega al mismo ya de solo tiene el 10% del DBO original, por lo que su áreas será el 10% de la superficie para una depuración aeróbica pura en un humedal o sistemas de lagunas.

TRH_RAFA =11 días. Velocidad del flujo ascendente entre 0.4-1. Obtaremos por Velo_RAFA=0.58 m/h

TRH_HSS= 1 día Velocidad del descenso agua en el HSS adaptada a la desnitrificación entre <1.5 m/h.

A partir de ahora hablaremos de un SDSN

El reactor de J.L.Peraza

Se trata de una mezcla de un reactor UASB y un decantador ajustado por densidad del efluente. En ese reactor, la alimentación se realiza por la parte superior, y una parte proporcional de los lodos formados en el interior del RAFA no se extraen por su fondo sino que son arrastrado, junto a las aguas hasta el HSS por lo que la alimentación se realizará por la parte superior y su disposición según densidades. En caso de exceso de aguas con cargas bajas de DQO, caso de escorrentías importante, estas se situarán, debido a su baja densidad, en las capas superiores sin que se produzca la reducción de la carga bacteriana. Ello se implementa con una entrada del agua remansada evitando la formación de turbulencia y buscando un régimen de circulación laminar con el adecuado módulo de

Reynolds :

Re< (densidad*velocidad*Ancho del reactor)/viscosidad_dinámica.

Los lodos livianos arrastrados en la salida, aportan los nutrientes ricos en nitrógeno y fósforo lo que los convierten en eficientes abonos para el mantenimiento del HSS. Por tal razón esta combinación de agua parcialmente depurada más lodos permite:

• Un adecuado crecimiento de las liliáceas y otras plantas adecuadas para nuestro propósito.

• Una transformación de parte de la DBO del agua en materiales estructurales (celulosa, lignita, proteínas)

• La reducción eficiente del fósforo y el nitrógeno del agua reciclada.

• La disminución de cationes como Ca²⁺, K⁺, Mg²⁺, Fe ³⁺ que son absorbidos por las plantas y que reducen ligeramente la conductividad del agua depurada en relación al efluente.

Por otro lado, la retirada de los lodos, su oxidación aeróbica y el posterior uso como abonos reduce la producción de metano (y los problemas que ello conlleva) aunque se disminuya su hipotético aprovechamiento como fuente de energía:

En el diseño, el reactor se rodeará por un sistema de agua calentada en un intercambiador de calor que utilizar el metano para obtener calor y, en caso de necesidad y para acelerar el principio del funcionamiento del SRSN elevará el agua hasta 33ºC que, junto al calor de la fermentación llevará el reactor a una temperatura sostenible de 36ºC.

Capítulo V. Cálculos básicos para la construcción de un EDAR mixto RAFA + Humedal subsuperficial, gestionado por el campo gravitatorio para los Silos.

Números básicos

Parámetros generales del proyecto.
Caudal diario (L/dia) por hab-equiv	150	DBO5= 400 mg/L ppm	O2 total día 60 g.
Población equivalente	9500		600 kg O2/dia =2857 kg aire eficaz= 11500 kg reales aire/dia
Caudal diario (m3/dia)	1425	16.5 L/s Se ajustará el caudal uniforme a lo largo de todo el día en el depósito de desbaste a la entrada del sistema.
Periodo de retención RAFA, días. (TRH)RAFA	11	digestión 90% del DBO5 DBO5 salida del RAFA= 40 ppm.
Volumen agua del reactor m3	15675	Volumen total RAFA 16 145 m³ (Incluidas las fases sólidas, líquida y gaseosa)
Volumen gas del reactor m³ (5%)	471
Velocidad ascenso flujo en RAFA m/h	0.58	Velocidad óptima según blibliografía para 25ºC
Altura del reactor m	6.4	que garantiza una velocidad de ascensos aproximadamente de 0,5
superficie interna m²	2457 m	Depósito subterráneo con una cabeza externa por donde fluirá el agua hacia el humedal y los gases.
DBO5 salida out RAFA , in HCC	24-50	40 ppm (para una DQO5 de entrada de 400 ppm)
Caudal diario de salida m³ al humedal más lodos	1425	1410 m³ agua + 1% de lodos.
Temperaturas de entrada y circulación en el seno del HSS	20º-22,8º Celcius	La digestión aeróbica es exotérmica por lo que se eleva la temperatura interna a 25 ºC
Evaporación media compensada con rocío nocturno 10,6% m2	149 m3	Caudal diario agua reciclable =1261 m3/dia
Velocidad Lineal flujo agua HSS	< 1.5 m/h	Velocidad adaptada a la desnitrificación aerobia.
Profundidad del HSS metros	1.6
Superficie del HSS m2	890	36 m x 25 m. (avance enla dirección del lado de 36 m)
Inclinación del HSS	< 0.5º	El sistema de HSS de JLPeraza prevé una eficiencia de la longitud mediante tabiques para transformar la trayectoria lineal en otra aserrada que la incrementa en un 30%. con lo que Velocidad =1.16 m/h.

Cálculo del HSS.

En la tabla superior hemos indicado la superficie y profundidad óptima del Humedal Subsuperficial.

Para ello se debe considerar varios parámetros:

1. tiempo de permanencia hidráulica: 24 horas

2. profundidad y geometría del humedal (ancho y longitud),

3. también la concentración de DBO ₅ , aproximadamente el 10% de la del agua de entrada al EDAR tras su paso por el RAFA.

4. Sólidos Suspendidos,

5. Nitrógeno y Fósforo,

Hemos considerando que el tamaño de los HSS es el determinado por el contaminante que requiere la mayor área para su remoción. En general, es la eliminación del nitrógeno la más exigente.

Basándose en el análisis de los datos de la North American Data Base, Kadlec ha propuesto una constante de primer orden igual a 10 metros/año para estimar la eliminación de los depósitos de fósforo en un sistema de humedales artificiales. Los 10 metros /año equivalen a 2.74 cm/día. (Lara J., 1999)

Esta constante se usa en la siguiente ecuación para calcular la Carga Hidráulica promedio anual:

Carga hidráulica promedio anual =Ca_{p *} e ^-2.74/Cep

El cálculo de las superficies del humedal es función del elemento que queremos reducir. Por lo tanto, son esencialmente cuatro las posibles superficies que se pueden calcular,

• Superficie para reducción total del DBO:

• Superficie para reducción del Nitrógeno (50% raíces)

• Superficie para reducción del Nitrógeno (100% raíces)

• Superficie para la eliminación del Fósforo Total.

De acuerdo con el cálculo presentado en función de la cinética si se requiere una concentración en el efluente menor a la adoptada de 5 mg/l, la superficie aumentara radicalmente. Hemos tomado de todas las superficies la mayor, que es la que corresponde a la eliminación total del nitrógeno.

La constante de Temperatura para la digestión eficiente del nitrógeno está establecida en la siguiente fórmula.

K_t =0.2187*(1,048^T-20 )

Como dijimos, de las superficies expuestas anteriormente, la de mayor magnitud es la necesaria para eliminación total del Nitrógeno con una obstrucción por raíces del 50%, pero se debe tener presente que la obstrucción por raíces es del 100% considerando la grava que conforma el lecho del humedal, por tanto la superficie de diseño no considera una obstrucción del 50% sino del 100%.

Resumen de cálculos para el SDSN.

(1) Caudal individual-. Para una población de 9 500 hab equivalentes (Que en definitiva es la suma de los habitantes de derecho de los Silos y Garachico, visitante y equivalente industrial que necesitan 60 de O2 para la depuración del agua) teniendo en cuenta los datos establecidos de la DBO5 del agua en la zona (Según el PHT y la bibliografía) DBO=400 ppm

Queda que 60 000 mg O2/240 = 150 L/hab eq-dia.

(2) El caudal diario Qin que entra en la EDAR será pues de 9500 x 0.250 m3/dia =1425 m3/dia.

(3) Tiempo de retención. Por cálculos de la cinética de los procesos anaerobios para establecer el equivalente a una reducción del 90% del DBO5 , el 50% de los contenidos de Nitrógeno y el 60% Fósforo es establecen entre 10 a 12 días de retención del caudal en el Reactor UASB o RAFA (Reactor Anaerobio de Flujo Ascendente). Optamos por un TRH = 11 días.

(4) El parámetro que limita la altura del reactor es la velocidad de flujo ascendente media del líquido que según van Haandel (1998), normalmente no debe exceder el valor de 1 m/h, por tanto adoptando un margen de seguridad tomamos como valor 0,50 m/h, valor escogido con el criterio de lograr una mayor eficiencia global en el proceso de tratamiento. La relación entre la velocidad de ascenso del líquido y la altura del reactor UASB tipo JLP permiten calcular la altura del reactor.

(4.a) superficie reactor. Teniendo en cuenta la velocidad de ascenso y el caudal diario.

(La velocidad de ascenso = Caudal Diario/Superficie del reactor.

0.58 m/h = 1425 m3/h /S; S=2457m².

(4.b) Volumen del reactor. Para un tiempo medio de retención de 12 días, como veremos a continuación, vamos a calcular el Volumen, sección, velocidad de ascenso y altura del RAFA.

El volumen es el resultado del tiempo de retención en días por el caudal diario. A ese volumen hay que añadirle un 3% para que los gases no se mezclen con la fase líquida lo cual retardaría el proceso pudiendo, incluso, invertirlo.

Volumen =11 * 1425 m³ + (3% Volumen de gases)=16 145 m³

(4.c) La altura del RAFA es inmediato:

Altura del reactor =Volumen/Superficie= 16145m³ /2457m2 =6,57metros,

Debido a los costos y dificultad en la construcción planteamos una horquilla eficaz y segura entre 6 metros y 6.57 que garantiza una velocidad ascendente de 0,53 m/hora y 0.50 siempre dentro del límite de seguridad y eficiencia.

Esa velocidad permite un doble reflujo de los materiales en el reactor en 24 horas.

(4.d) Diametro de la tubería situación de la entrada..

La ausencia de turbulencias del proceso se garantizará un Re< 2500 que permite la entrada en régimen laminar. Tomaremos un módulo de Re=2000

Para el agua a 20ºC los datos son densidad r=1000 kg/m³ y viscosidad h=1.002·10^-3 kg/(ms)

El caudal es Q=πr²v=16,5 L/s de donde v=4*0.0165/(3.1415 D²); v=0,021/D² m/s. para el Re=1250. 0,002004=D*v; v=0,0021/D² m/2 para tubo circular. Nos da un diámetro del tubo hacia el Reactor de 1 m de diámetro. Por ello, se ha optado por la alimentación superior del reactor de JL Peraza al la alimentación inferior de un clásico Reactor UASB

(5) Compartición estructural del Reactor. Si las necesidades constructivas se imponen, se puede compartimentar el reactor en dos volúmenes de 8072 m³ pero de una altura de 6 metros.

(6) Nivelación térmico RAFA. Para alcanzar una estabilidad adecuada que reduzca al mínimo el estrés térmico de la fermentación, es recomendable que el reactor sea subterráneo.

Nota: La construcción preverá la posibilidad, si fuera necesaria en momento de caídas bruscas de las temperaturas, de una manta para la recirculación de agua caliente procedente de un intercambiador de calor externo en el que se aproveche la combustión del metano.

(5) Superficie del humedal. Teniendo en cuenta que el humedal subsuperficial (HSS) debe, a groso modo, gestionar el 10% de la DBO y sabiendo que el proceso más lento es el de desnitrificación, además del periodo calculado de 10 años para superar la costra de fosfatos. La profundidad del humedal adaptada a las especies vegetales y el sistema de circulación quebrada, no lineal, optimizada es de 1.6 m.

La velocidad de descenso del agua será como máximo de 1.5 m/h en 24 horas, que corresponde a una velocidad real de 1.15 m/h. Por lo tanto la longitud real será: Largo= 1.5 m/h * 24 h=36 metros.

El volumen de agua con un TRH de 24 horas, será por el principio de continuidad, idéntico a la del caudal de entrada al EDAR. Por tanto, 1425 m³ = 1.6 m* 36* Ancho; Ancho= 24.7 m. (25 metros).

Superficie del HSS= 889 m² (900 m² construidos) . (36 m x 25 m)

(6). Inclinación HSS: a los largo del largo de 36 metros con una inclinación de 0.5º.. Altura superior a la entrada del agua sobre la salida de 30 cm.

(7) profundidad del humedal. Los estudios empíricos de JLPeraza en diversos HSS en la zona y las especies vegetales seleccionadas permiten una profundidad de 1.6 metros para el eficiente proceso aerobio y el crecimiento del sistema reticular.

(8) Caudal de agua depurada. Qout. Con los datos medios de evaporatranspiración en el norte de Tenerife considerando el valor del 12.6% promediado, el caudal promedio del agua que fluye del humedal ya depurada será de 2100 m3/dia.

(8) La velocidad lineal de descenso del aura en el humedal en m/h

V= Caudal/(24 * Superficie lateral) = 1425/(24h * 25 *1.6) = 1,48 m/h (1.5 m/h)

El sistema ideado por J.L. Peraza que aumenta de hecho la longitud recorrida en más de un 30%.

V_HSS=1.48/1.30 1.14 m/h en la dirección del lado de 36 m

(9)Especies vegetales: La experiencia de José Luis Peraza en la construcción en HSS en la comarca de Teno, ha permitido a lo largo de 20 años de conocer las especies más adaptadas, actualmente usada en las EDARs de Masca, Los Carrizales...seleccionadas por su probada eficacia sin riesgo de contaminación como especies exóticas, y nulo impacto ambiental. A modo de cultivo hidropónico con sustrato, usado actualmente en las instalaciones nombradas tiene una capacidad de captación y formación de oxígeno que supera los 60 6 O2/m² con los valores medios de radiación solar.

(10) Capacidad del estanque acumulador:2522 m³.

Se propone utilizar dicho estanque como un complemento a un área de protección de aves. (SEPA)

Además de la función propia de almacenamiento de este estanque, y su uso como bebedero de aves, puede servir para regular, conjuntamente al segundo compartimiento del RAFA, los caudales de agua de escorrentía en los casos de lluvias abundantes, a fin de no reducir la carga bacteriana del reactor principal. Para una profundidad estimada de 3 m, el estanque tendría una superficie de 841 m²

1 Cribado regula Caudal entrada

2 Reactor anaerobio

3 Humedal Subsuperficial

4 Estanque Bebedero ZEPA

Capítulo IV. Idea gráfica de los conceptos del proyecto.

A partir de los valores expuestos en la anterior tabla, frutos del cálculo cineticoquímico; y a fin de fijar e ilustrar las ideas bosquejo la construcción esquemática de la EDAR, sin ánimo de profundizar en conceptos y conocimientos esenciales de la ingeniería de la construcción en los que no tengo competencias. Decidida la actuación, se deberá redactar un proyecto por la persona o personas competentes, adecuado para su presentación y aprobación .

(1) No se muestra el interior del RAFA. El agua debe ascender con caudales y tiempos controlados mediante un sistema de obstáculos. En cualquier caso, la velocidad de flujo de 0,56 m/h garantiza una doble recirculación diaria, que hacen un total 25 circulaciones durante el TRH (tiempo de retención hídrica)

(2) No se muestra los intercambiadores de calor y la estación de combustión de metano, en caso de que se opte por la misma.

(3) No se muestra el sistema de retención del caudal en el HSS

Planteamos compartimentar del reactor en, al menos, dos entidades independientes cada una.

Tampoco el esquema muestra el recorrido del fluido en el humedal HSS.

Los proyectos de J.L.Peraza están diseños para incrementar lo máximo el recorrido del agua entres las micorrizas de las plantas y el soporte, ajustando la retención, a fin que se optimiza la oxigenación del sustrato.

Insistimos que siempre la circulación del agua en el HSS, sin contacto directo entre el agua y el aire. Ello garantiza la ausencia de olores y el eficiente trabajo final de las bacterias aeróbicas, localizadas en las micorrizas de las plantas y el remanente de bacterias anaerobias que prolongan un día más la actividad anaerobia. Por eso, en este caso la profundidad del humedal es superior a las exigencias exclusiva de la digestión en presencia de oxígeno.

El estanque UASB compartido en dos dependencias de un volumen aproximado de 

7500 m³.

(2) La altura del sistema de criba y desbaste, pretratamiento de sólidos. Se usara la actual instalación de desbaste que se localiza en el ETAR. con las alturas equivalentes de 3 metros. implica un incremento del intervalo de presión entre 0.33 atm-0.5 atm suficiente para superar, sin bombas, la resistencia del ascenso pero nunca superior para sostener la velocidad de la ascensión vertical de 0.58 m/h y un caudal de entrada al rector en régimen laminar. de unos 16 L/s.. Por otro lado, se establece el peso de la columna de aire y la presión interna de la cámara debido a los gases, ligeramente superior a 1 atmósfera, para impedir la implosión de la mezcla de gases CH₄,CO₂, H₂ . El correcto diseño hará innecesario el uso de sistemas de válvulas para impedir, en todo caso, el retroceso del agua a la entrada del reactor y la entrada de aire.

Presión estática = Presión atmosférica +Densidad agua negra * altura del reactor* g + Presión parcial gaseosa

Calidad del agua:

Se asegura una calidad final del agua óptima, adaptada a los niveles más exigente de la normativa, con un valor máximo de nitrógeno inferior a 5 ppm, lista para cualquier uso autorizado, incluido la agricultura de especies que soporten niveles medios de cationes alcalinos. Solamente concentración de sodio será el límite en su uso. Por ello, para la implementación de esta depuradora para el uso genérico del agua proponemos dos medidas.

Propuestas de acciones complementarias:

(1) Reducción del sodio del agua de abasto. Ello es factible con electrodiálisis o ósmosis inversa en las Estaciones de Aguas Potables para el abasto. En ese caso, el rechazo es utilizable puesto que los niveles de sales son mucho menores que los provenientes de las aguas depuradas. Además, este tratamiento previo reduce la concentración del anión fluoruro, F^-, del agua potable, problema del abasto actual, sin necesidad de mezclar las excelentes agua de las galerías manantial con las deficientes aguas de pozo.

(2) Campaña ciudadana institucional a fin de que se reduzca las cantidades de cloruro sódico, sal común doméstica, que se echen por los sumideros.

Capítulo VII . Conclusiones.

Las orientaciones europeas establecidas en los objetivos de la agenda 2030 recomiendan para la depuración de las aguas residuales sistemas sostenibles, con bajo impacto ambiental y mínimas emisiones de CO2.

En concordancia de esa nueva visión presentamos este proyecto.

En cambio, la propuesta del Cabildo de Tenerife a través de su Consejo Insular de Agua está más centrado en la regeneración industrial del agua que en la depuración eficiente y económica. Por eso, y a fin de que el proceso sea económicamente rentable, el plan pretende reunir las aguas de muchas localidades y municipios en una sola instalación donde se depuraran por la tecnología de de lodos activos con tratamiento de biomenbranas seguido de un afino para la reducción de sales y del fósforo usando el obsoleto método de la electrodiálisis reversibles. Además del excesivo costo, se producirá un flujo o rechazo, con un caudal del 30% del agua depurada que habrá en todo caso que desalojar a través del emisario situado en el litoral de los Silos.

Además ello obliga a la acumulación de de aguas negras de toda la comarca a una altura de superior a los 170 metros, que serán bombeada a cargo del bolsillo del vecino en su recibo de saneamiento. En esa instalación será depurada, regenerada, acumulada y distribuida, por gravedad, para su venta. Es decir, el PHT se centra más en la venta de agua que en la propia depuración. Eso es harina de otro costal (actividad subvencionada por los vecinos que, sin saberlo, deben pagar en sus recibos de agua, no solo el obligado saneamiento y depuración además del bombeo de las peligrosas aguas negras para su posterior regeneración y venta a cargo de la concesionaria del servicio.

La centralización llenará la isla de estaciones de bombeo, de impulsión y de tuberías de aguas negras con el riesgo que ello comporta. La distribución de las aguas negras reporta el 70% del presupuesto. El PHT (al que hemos puesto alegaciones en sus fases 2 y 3), planifica bombear las aguas sucias de todos los núcleos de población de los municipios de Garachico, el Tanque, Los Silos y Buenavista hasta Las Canteras, en Buenavista, Los Silos (entre 170 a 198 m altura), o las aguas residuales de las poblaciones del Sauzal, La Matanza, Santa Ursula y La Victoria que se llevan hasta un espacio natural en la Victoria. Todos esos municipios no superan por separado los 10 000 habitantes.

Julio Vicente Muñiz Padilla.