Estación depuradora de aguas residuales sostenible.
Elementos esenciales y ejemplarización para un módulo escalable de 100 habitantes equivalentes.
Complemento de la publicación EDAR para una urbanización en Fuerteventura.
La presente EDAR es fruto del estudio de similares sistemas sostenible que desde hace décadas funcionan con eficiencia, sin consumo energético externo, sin olores ni consumo de territorio, natural y totalmente biológico a los que añado aspectos que, despueś de décadas de evaluación externa, mejoran el sistema global. Algunos de estos puntos restructurados son:
(1)Tratamiento final de los bionutrientes, nitrógeno y fósforo, que, reduzco del agua final mediante una alternancia anaerobia/aerobia/anaerobia añadiendo un RAFH, acrónimo de Reactor Anaerobio de Flujo Horizontal.
(2) Tratamiento oxidativo de los gases hidrogenados que, en pequeña cantidad, se generan en el RAFA. En la depuración de aguas domésticas, no es susceptible, por su poca intensidad, el uso de CH4 como fuente energética; se propone como alternativa a su combustión, una oxidación química a CO2, SO2, NO2, mediante el uso del hipoclorito o peróxido de hidrógeno, seguido, antes de su liberación a la atmósfera, de una precipitación, como carbonatos, por borboteo en dilución alcalinas de NaOH.
(3) Valoración y recálculo de las alturas del agua del humedal.
(4) Engorde de bacterias acumuladoras de fósforo.
(5) Recirculación HSS <> RAFH contra la formación de costras de fosfato y nitratos.
Elementos esenciales del sistema son:
(1) Arqueta de separación de graves, puerta para retirada, y sifón para ajustar las presiones internas del reactor al que se conecta mediante válvula anti retorno. El tiempo de retención de 60 minutos.
(2) Reactor Anaerobio de Flujo Ascendente, RAFA, con una altura estimada de 4 a 6 metros y un tiempo de retención de 10 días.
(3)Humedal Sub Superficial, HSS, para el tratamiento aerobio, con un tiempo de retención de 1 día solar (8 horas de insolación en la latitud de Canrias ) y una altura de agua de 0,5 metros. (Justifico esa altura en el apartado de nitrificación y fosforización aerobias)
(4) Reactor Anaerobio de Flujo Horizontal, RAFH, con una retención de 1 día, situado, en la construcción en la base del HSS, compartiendo su misma superficie y una altura de agua similar para la recirculación no forzada.
(5) Depósito para la (5.1) oxidación y (5.2)lavado básico de los gases generados en el RAFA seguido por un (5.3) gasómetro elástico (globo o sopladera) con llave manométrica al exterior.
(6) Tubería de salida al
(7) Depósito de agua para su (7.1) reutilización, (7.2) recarga mediante pozo filtrante o (7.3) emisario al barranquillo o rambla.
Leyendas:
He =número de habitante equivalente con una producción de residuales de 100 L/dia.
Qh=Caudal diario por habitante equivalente (En la ejemplificación usaremos 100 L/día, 0,1 m3/dia)
TR=tiempo de retención medio en días.
V=volumen, en m³, S=superficie en m², h=altura relativa en m, Y=altura absoluta respecto al suelo.
Valores para un módulo de 100 habitantes equivalentes.
Breve justificación teórica.
La energías y cinemáticas de los procesos.
El sistema de depuración sostenible aprovecha:
(e.1) Energía potencial del campo gravitatorio como motor para el desplazamiento de los fluidos, (por lo que el ajuste de alturas y presiones internas es esencial en el buen funcionamiento).
(e.2) Fase anaerobia primaria. Lugar RAFA.
Se trata de un proceso global exotérmico.
la degradación molecular de las cadenas largas de ácidos grasos, en ácidos de cadenas corta, especialmente acético, y de polisaçaridos en monosacárido, en ambiente anaerobio, conlleva un aumento de la entropía, lo que implica una liberación de energía
Energía degradación molecular = -T*∆S
e.2.1 degradación de polisacárido en monosacáridos:
CnH2n+2CO = m C6H12O6 + energía (ATP)
e.2.2 ácido de cadena larga:
-(CH2)n-COOH => m CH3-COOH + nH2
e.2.3 proteínas = péptidos y aminoácidos:
R-C(NH2)-COOH
Son bacterias hidrogenofobas, capaces de absorber el hidrógeno, las que, en la fase final de la metanogénesis, producen la reducción por hidrogenación de los ácidos de cadena corta, que se forman, a CH4.
Por tanto, además de la ausencia de oxígeno, anoxia, el reactor debe ser hermético, para que no se pierda el hidrógeno formado.
En Canarias, en general, las temperatura de los reactores soterrados, no necesitan calentamiento extra. En situaciones normales, se mantendrá una temperatura interna, fruto de las fermentaciones, superior a los 22 ºC, suficiente que permite, ininterrumpidos, los procesos biológicos metabólicos y catabólicos.
(e.2.4) Reducción quimica, bacteriana, en medios ricos en electrones. (metanogénesis)
e.2.4.1 m CH3-COOH + nH2 = CH4 + CO2
e.2.4.2 derivados azufrados, aminas y amidas se reducen a H2S y NH3, NH4+
En conclusión, la realización de las cuatro reacciones globales anaerobias, necesitan:
(1) Una DBO suficiente para el mantenimiento de las colonias de bacterias productoras de la hidrólisis o desintegración de las cadenas largas y la reducción. Por tanto, un exceso de tiempo del proceso anaerobio primario, o una naturaleza con poca carga orgánica no son adecuados. De aquí que, teniendo en cuenta que el tiempo óptimo para la metanogénesis en aportes acuoso con alta carga orgánica, alta DBO, es de 28 día, el tiempo óptimo para que se realice con éxito el tratamiento de a DBO en un 90%, lo que permite mantener suficiente DBO para los procesos consiguientes, debe osciclar entre 9 a 13 días. En nuestro caso, optamos por 10 días de retención en el Reactor anaerobio.
(2) Una constancia en la temperatura. Las variaciones bruscas de T en el RAFA pueden cortar las reacciones y, fracasar el proceso. Por ello, el presente proyecto opta por:
2.1 Reactor enterrado.
2.2 Retención de 2.4 horas del agua de entrada en la arqueta de desbaste. Facilita, aparte de la eliminación de las gravillas y arena superiores a 1 mm, nivelar la temperatura de entrada del fluido al reactor.
(3) Una oscilación pequeña el pH del agua de saneamiento, por lo que se evitará el exceso de contaminantes ácidos o básico. De hecho, la reducción del número de usuario del sistema puede perjudicar el funcionamiento global del sistema. A menos usuarios, más oscilación de las condiciones e pH iniciales.
(4) Aguas con suficiente DBO. Fluidos con muy baja carga orgánica, por ejemplo, aguas de lluvia, de manera continua, reduce los niveles mínimos del DBO que necesitan las colonias de bacterias. Por tanto, el sistema soporta perfectamente niveles altos de azucares y grasas naturales, sin que se necesite ningún proceso previo de desengrase o dilución. Todo lo contrario, siempre que se mantengan adecuados los tiempos de retención hídrica en el RAFA.
(e.3) fase aerobia. Lugar HSS. Son procesos oxidativos sincrónicos y el endotérmicos, que absorben energía, de la fotosíntesis de las plantas del humedal, en la fase lumínica, que produce el oxígeno
Fotosíntesis CO2 + H2O + energía solar= sacáridos + O2
necesario para las oxidaciones de: (a) parte de la materia orgánica no degradada en el RAFA,y la (b) nitrificación y (c)fosforilización aerobia.
El contenido de oxígeno disuelto producido por las plantas no puede bajar de 2.5 ppm, por lo que, para una superficie eficientemente cultivada, la altura de la columna de agua no debería superar los 75 cm.
(a) degradación aerobia de la DBO y DQO remanente.
El proceso anaerobio, reductivo, limitado en el tiempo al 40% degrada la materia orgánica en un 90%.
La oxidación aerobia disminuye ese remanente, con un tiempo de retención lumínico de unas 8 horas, en otro 90%.
Entre las principales bacterias aerobias que realizan esta función, se encuentran géneros como Pseudomonas, Bacillus, Alcaligenes, Flavobacterium, Acinetobacter, y Aeromonas, entre otros. Estas bacterias utilizan el oxígeno disuelto en el agua para quemar la materia orgánica.
En esta fase, y, en la sucesiva nitrificación y fosforilización el óptimo de oxígeno en agua osciclar entre 2–4 mg/L y, como veremos, es, por ello necesario, dimensionar el volumen del agua de la fase aerobia y la superficie ocupada por las plantas productoras del O2. Esta concentración de oxígeno limita la altura de agua del humedal. La misma no debería superar por m² de plantas oxidantes como Ronunculus aquatilis, Hippurius vulgaris etc que, separadas 10 cm entre si, limitan la profundidad de agua a 75 cm.
(b) Nitrificación aerobia – Conversión de NH₄⁺ a NO₃⁻ mediante bacterias nitrificantes Nitrosomonas y Nitrobacter en medio acuático rico en oxigeno
Es necesario una concentración de O2 disuelto (OD): ≥ 2 mg/L (óptimo 4 mg/L).
Tomaremos como profundidad ideal del agua en el HSS, 50 cm, para la total nitrificación. El pH, ligeramente básico 7.5–8.5 pues la nitrificación consume 7.14 mg de CaCO₃ por mg de NH₄⁺ oxidado. Las aguas moderadamente cálcicas de Canarias no hace necesario añadir carbonato de sodio (Na₂CO₃) o bicarbonato (NaHCO₃).
En esas condiciones, a 15-18 º C exterior, el tiempo de retención hidráulica (TRH) oscila entre 4 a 8 horas.
(c)Fosforilización aerobia o degradación aeróbica de compuestos fosforados convierte PH3 (fosfina) y fosfonatos a anión fosfato (PO4³⁻) es llevada a cabo principalmente por bacterias que oxidan PH3 (fosfina) a ortofosfato :
c.1 Ralstonia sp.* y **Bacillus spp. oxidan fosfina (PH3) a fosfato en condiciones aeróbicas. También algunas Pseudomonas spp oxidan el fósforo a anión ortofosfato.
c.2 Bacterias que degradan los fosfonatos : Pseudomonas putida: metaboliza fosfonatos como el glifosato o los polímeros de los jabones (con un grupo fosfonato) liberando fosfato.
Sinorhizobium meliloti y Escherichia coli poseen enzimas como la C-P liasa, que rompen el enlace C-P de los fosfonatos.
La altura de agua no debería superar los 50 cm.
(e.2) Fase anaerobia secundaria. Lugar RAFH.
e.2.1 Eliminación Biológica del fósforo inorgánico (EBPR - Enhanced Biological Phosphorus Removal):
Requiere condiciones alternas de anaerobiosis/aerobiosis/anaerobiodid para favorecer la acumulación de fósforo en bacterias PADs
Bacterias acumuladoras de polifosfato (PADs) son:
e.2.1.1 Proteobacteria (Betaproteobacteria).
Almacena polifosfatos y fosfoglúcidos Usa ácidos grasos volátiles, acético, como fuente de carbono en las condiciones aeróbicas del RAFA.
e.2.1.2 Tetrasphaera spp
Puede acumular P incluso sin alternancia estricta de fases aeróbica/anaeróbica.
Las bacterias se cargan de fósforo en el RAFA y debido a su capacidad facultativa, en el HSS oxida parte del fósforo de las fosfinas y de los fosfonatos a ortofosfato que fácilmente serán utilizado por las plantas del humedal y en el mantenimiento de las colonias bacterianas de propio RFAH.
Si no se implementa el crecimiento de colonias PADs, el fósforo precipitará como fósforo inorgánico produciendo una costra de fosfato responsable de la salinización secundaria del humedal. En el caso de humedales sin sustratos, hidropónicos, las aguas depuradas contendrán niveles altos de fósforo que en medios naturales provocarían eutrofización.
e.2.2 Desnitrificación (Anoxia) – Conversión de NO₃⁻ a N₂* mediante bacterias desnitrificantes Pseudomonas, Paracoccus en ausencia de oxígeno (anoxia) < 0.5 mg/L de OD (pero con presencia de NO₃⁻).
Es necesaria para la respiración anaerobia de los desnitrificantes por lo que mantendremos unos niveles mínimos de DBO de un 2 a 5 ppm de O2. En el caso de que las fases en el RAFA yen el HSS reduzcan demasiado el DBO del agua residual, se introducirá en el segundo reactor una parte proporcional equivalente al 1% del agua residual directamente al RAFH
La relación entre la materia orgánica y el nitrógeno C/N 4 mg de DBO/ 1 mg de NO₃⁻.
El pH preferentemente neutro (Entre 6.5 a 8),
e.2.3 Recirculación del agua entre el HSS y el RFAH, no forzada, regulando los calibres de las tuberías de salidas del HSS hacia el RFAH, de la salida de esta hasta el HSS y hacia el depósito final.
(c) 2025 JulioMuñiz Padilla. Químico.
Profesor de Depuración de Aguas Residuales
Islas Canarias.
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