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Ernesto Hontoria García*
Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Catedrático de Ingeniería Sanitaria y Ambiental. Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Universidad de Granada
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Descriptores: Depuración de aguas, Pequeñas depuradoras, Depuradoras compactas, Evolución de la depuración
De todos es sabido que las estaciones de depuración construidas hasta hace unos años no han funcionado adecuadamente. Las causas las podemos cifrar en diversos aspectos, pero fundamentalmente se ha debido a una mala información del receptor de la obra, además de a un mal diseño, construcción y, sobre todo, a una deficiente explotación.
Se pretende dar en este artículo las bases para un diseño correcto, lo que de alguna forma engloba a casi todas las causas citadas anteriormente.
El diseñador tiene que mentalizarse de que toda estación depuradora es como un traje a medida, y por tanto, única para las características del núcleo en estudio, y que se debe seleccionar después de realizar el planteamiento de diferentes alternativas.
La preparación de una metodología de trabajo para diseñar una instalación es fundamental y, sin duda, debe comenzar con el conocimiento del problema; es decir, hay que localizar los focos de contaminación, conocer si existe o no depuradora y, en caso afirmativo, determinar cuáles han sido las causas que han provocado los problemas.
Pero sin duda, hay un segundo punto de esta metodología que es primordial a la hora de encajar nuestro traje, que consiste en el conocimiento del núcleo, que puede estar o no precedido por los objetivos que nos marquemos (socioeconómicos, técnicos…); pero dado que éstos en gran medida están prefijados por las normativas existentes, sobre todo la directiva 271, que nos marca las máximas concentraciones de contaminantes en los efluentes en función del encuadre de la zona, deberíamos fijar los objetivos tras la toma de datos característicos del núcleo, y aunque se apunte a continuación los más relevantes, se quiere precisar la importancia de adquirirlos de una manera lo más exhaustiva posible.
Dentro de esta toma de datos es primordial realizar estudios sobre la población para evaluar el caudal y las cargas contaminantes. Este tipo de instalaciones deben preverse al menos con veinte años, debiendo por tanto definirse la evolución y movimientos demográficos semanal y anual, así como disponer de información sobre planes de ordenación urbana.
Ahora bien, cuando se habla de población, en estaciones depuradoras, ésta se refiere a habitantes equivalentes, y para conocerla se precisa considerar también el ganado estabulado, que en pequeños núcleos, y sobre todo en aquellos que son de sierra, es digno de tener en cuenta. De igual forma la industria contribuye en gran medida a incrementar los habitantes equivalentes del núcleo, y en muchos casos tendrá mayor significación cuanto mayor sea éste.
De igual forma que se debe conocer el tipo y cantidad de ganado estabulado, es también fundamental conocer la tipología de su industria, ya que algún tipo de industria nos define claramente el carácter contaminante de sus aguas vertidas. Otro aspecto a conocer es el período de funcionamiento, ya que muchas industrias tienen un carácter estacional o temporero y, según su incidencia en el núcleo, puede ser aconsejable realizar una toma de datos analíticos en su época de funcionamiento. Por último, el número de empleados, su capacidad productiva, el tipo de proceso, la utilización de pozos, así como el conocimiento de si tiene o no algún tipo de depuración de sus aguas, son datos imprescindibles.
Toda esta información está íntimamente relacionada con la población equivalente, pero su estudio puede ayudarnos en la toma de decisión en cualquier punto de la instalación.
Además de la población, otro estudio a tener en cuenta es el diagnóstico y prognosis de la dotación, que va íntimamente ligada con la población, pues el producto de ambas nos dará el caudal con que vamos a diseñar nuestra futura depuradora, aspecto que sería totalmente cierto si conociésemos las fugas en la red de distribución, las pérdidas en la red de alcantarillado y el número de pozos (con sus caudales) que surten a los habitantes del núcleo en particular. Pero lo que sí es cierto es que este dato, con las estadísticas y con la definitiva toma de muestras del caudal vertido, nos sirve para encajar casi de forma exacta el caudal medio influente a la depuradora, lo que, sin duda, es uno de los estudios menos realizados a la hora de acometer el dimensionamiento de ésta.
Hasta aquí se tiene el estudio del dato hidráulico fundamental para dimensionar la estación depuradora, pero, ¿qué otro dato se necesitaría y que se ha venido esbozando? Se trata, sin duda, de la contaminación de las aguas y de si se ha contemplado dentro de la industria la posibilidad de que se vierta algún parámetro inhibidor. Pues bien, se debería recopilar, si hubiese, cualquier analítica realizada, tanto de las aguas conjuntas, como de alguna zona o industria del núcleo a estudiar. Cuando nos referimos a cualquier analítica debe entenderse de aguas residuales, y no como ocurre en muchos estudios en los que se puede ver datos analíticos de este o aquel pozo, esta o aquella fuente y de la propia red de distribución; estos datos y otros muchos son la paja del predimensionamiento, que no hace más que aburrir al lector del informe y que le obliga a ir de un tomo a otro del estudio de depuración.
Otro dato a pedir es la red de colectores. Estos planos nos pueden informar de dónde tendríamos que realizar un muestreo industrial, del estudio o comprobación de la ventilación en tramos largos y de la pendiente del emisario, entre otros aspectos. Todo ello nos da una idea, si la red es unitaria, del grado de contaminación que puede arrastrarse en caso de lluvia, lo que nos enfoca a la posibilidad de contar con algún depósito de retención o de homogeneización.
De igual forma, a través de los planos de alcantarillado, y con consulta a los técnicos del Ayuntamiento, se conocerían los puntos de vertidos del núcleo y las aguas que cada uno de ellos recoge, rogando que sean los mínimos posibles, ya que un par de ellos nos permitirían controlar las aguas. Un mayor número nos obligaría a decidir cuáles pueden ser los más significativos, interviniendo en ello no sólo la superficie urbana recogida, sino las ubicaciones de las distintas industrias.
El resto de los datos van enfocados a la elección de los distintos sistemas a proponer en el estudio de alternativas y se podrían resumir en el conocimiento del terreno y en la obtención de la normativa de vertidos, si es que existe.
Con respecto al conocimiento del terreno, se trata de recoger información sobre la ubicación y superficie disponible, lo que es, sin duda, el dato más importante, por varias consideraciones. Hay que saber, además, si los terrenos son o no propiedad del Ayuntamiento (sin olvidar que se debe primar una ubicación elegida técnicamente), ya que éstos están implicados en la compra o expropiación de los terrenos; se debe considerar también el tipo de cultivo (si lo hubiese), la facilidad de compra, etc. Todo ello nos serviría para conocer en qué grado es factible poder contar con ellos para la implantación de la instalación.
Otro dato es la topografía del lugar, que puede orientarnos, debido al movimiento de tierra y al aprovechamiento energético, a algunos de los tipos de depuración. Por otro lado, la meteorología de la zona, con el conocimiento de la pluviometría, de las temperaturas, evaporación y vientos dominantes, enfoca de igual forma hacia algún tipo de sistema; por último, la hidrogeología y la edafología nos dan el grado de posible contaminación del acuífero o bien el encarecimiento de la obra, por su posible impermeabilización o cimentación y la posible utilización de uno u otro tipo de sistema de estabilización de lodos, pensando en su posible reutilización.
En cuanto a la superficie disponible y ubicación, se puede aceptar cualquier tipo de sistema si se cuenta con amplios espacios, siempre que sea acorde con las características del núcleo; sobre todo en lo referente al número de habitantes equivalentes a que la instalación va a servir. Haciendo un esfuerzo de imaginación se podría situar un escalón importante en torno a los 30.000 habitantes equivalentes, que puede ser la línea que separe los sistemas llamados de bajo coste de los convencionales. Pero de nada nos sirve pensar en un sistema de grandes extensiones, como línea completa de lagunaje, si nuestra superficie disponible está en torno al metro cuadrado por habitante, y en caso de disponer de espacios reducidísimos, ello nos obligaría a pensar en sistemas compactos.
Por otro lado, la ubicación puede ser un inconveniente para plantearse algunos tipos de sistemas. Una situación próxima a viviendas, debe hacernos descartar aquellas líneas o parte de ellas que tengan riesgos de producción de olores y/o vectores. De igual forma, la necesidad de situar una estación depuradora en el interior de zonas habitables nos obligaría a realizar instalaciones compactas, por lo que puede ser recomendable cubrirlas y encajarlas en el entorno, anulando o minimizando la intrusión visual.
Con lo anterior se está poniendo las bases para el planteamiento de las alternativas, lo que no debe entenderse como sistemas completos de depuración. Es decir, si decimos lagunaje, predimensionamos una línea que va desde el desbaste hasta las lagunas de maduración, pasando por las lagunas anaeróbicas y facultativas. Lo que se debe hacer es usar cada tratamiento, incluso cada elemento de la depuradora, de la forma más conveniente y pensar cuál es la función exacta que podemos precisar. De aquí que se planteen sistemas combinados de depuración y sistemas avanzados, orientación hacia la que se están dirigiendo las últimas investigaciones.
En las plantas completas de lagunaje, las primeras lagunas que nos encontramos son las anaerobias, llamadas así porque, debido a su profundidad, se produce en su parte inferior una anaerobiosis y, por tanto, los fangos sedimentables así se digieren. ¿Qué me está diciendo esto? Pues que en una laguna anaeróbica se está produciendo una decantación y una digestión, y por sus características de tiempos de retención, no de horas, sino de días, se produce una mayor decantación, acompañada por procesos bioquímicos, provocando con ello un mayor rendimiento, que podemos cifrar en DBO en torno al 60%, y dado que la permanencia de los lodos hasta su limpieza pasa de meses a años, conseguimos una mayor digestión, reduciendo materia volátil.
Con todo ello se tiene un elemento que es un decantador-digestor con un mayor rendimiento, pero con las siguientes desventajas:
— Mayor superficie.
— Mayor producción de olores y vectores.
— Mayor volumen de lodos a la hora de ser retirados.
Por tanto, conociendo sus ventajas e inconvenientes, se debe saber cuándo y por qué podemos utilizar estas instalaciones.
Otros sistemas últimamente utilizados con un rendimiento alto, ya que éste está, en DBO, en torno al 60-70%, son los lechos de turba. Evidentemente, no se alcanzarían las limitaciones impuestas por la Directiva, pero, entendiendo cómo actúa, se comprueba que sus funciones principales son la de filtración y digestión aeróbica de la capa superior de los lodos, y, por lo tanto, se podría así utilizarlas.
Este principio de enfocar el tratamiento primario puede sernos de gran utilidad y sentar las bases de depuración de sistemas combinados en pequeños y medianos núcleos.
En cuanto a sistemas de fangos activados, se saben las diferencias de unos a otros, por lo que no se va a entrar en ello; ahora bien, como se comentó al principio, se podría jugar con la relación de materia orgánica y microorganismos, y también se puede casi seleccionar el tipo de éstos que están en el reactor. Esto es lo que hace el sistema de doble etapa, que a través de una selección de microorganismos consigue un alto rendimiento en el primer escalón, pues las bacterias son las que crecen; debido a un tiempo de retención bajo no se deja que aparezcan protozoos, y menos rotíferos, además de conseguir una biofloculación. Este bajo tiempo de retención obliga a una carga alta, por lo que el primer reactor es de pequeño volumen y de un rendimiento en torno al 60%, lo que nos permite trabajar en la segunda etapa con un reactor de media carga, consiguiendo no sólo el ahorro de volumen de obra, sino también energético. En España existen plantas con este proceso, y la figura 1 es el último ejemplo de este tipo de depuradoras, en este caso aún en fase de construcción.
Dentro de los sistemas de biopelículas, que realizan una mejor selección de los microorganismos, no sólo tenemos los lechos bacterianos y biorrotores, sino que las últimas técnicas van dirigidas a disminuir el tamaño del relleno, con lo que el filtro se inunda y es preciso proporcionarle una aireación forzada, pero tienen la ventaja de actuar como filtro, por lo que se puede eliminar la decantación secundaria, dando un importante ahorro en superficie, que unido a un decantador lamelar primario nos posibilita cubrir la instalación o acoplarla a cualquier edificio. Arquitectónicamente puede encuadrarse con el entorno, no produciendo ningún tipo de impacto visual, siendo además fácil minimizar el resto de los impactos, por el reducido volumen. Este es el caso de la estación depuradora del Puerto de Santa María que se muestra en la figura 2.
Siguiendo con las últimas tendencias, se quiere reflejar los sistemas de doble etapa en digestión de fangos, bien sea separando fases ácida y metánica en digestión anaeróbica o utilizando digestión aeróbica y anaeróbica con microorganismos termófilos y mesófilos.
Antes de continuar con la metodología del estudio de alternativas, se enumerará un posible resumen de las últimas tendencias:
1. Utilización de distintos sistemas de forma combinada para alcanzar los rendimientos marcados por la Directiva.
2. Reconversiones de plantas convencionales en sistemas de doble etapa, que dan flexibilidad a la planta, absorben basculaciones demográficas y se adaptan a procesos de eliminación de nutrientes.
3. Utilización de sistemas de biopelícula, por su inercia y aceptación de inhibidores.
4. Desarrollo de sistemas en que se pueda conseguir una disminución de superficie controlando los fangos biológicos y eliminando la decantación secundaria.
5. Procesos de doble etapa en digestión de fangos, con la finalidad de reducir la obra.
6. Estaciones depuradoras con un aprovechamiento.
Continuando con la metodología planteada, no se debe olvidar nunca el mantenimiento de conversaciones con los distintos entes que intervengan en la instalación, que nos dará a conocer quién y cómo paga la primera instalación y de qué forma se va a gestionar la explotación, lo que nos sirve para conocer el grado de tecnicismo que podemos alcanzar en el diseño de la estación.
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Haga click en la imagen para ampliar Fig. 1. Estación depuradora de Sanlúcar de Barrameda |
Al margen de estas consideraciones generales, deben tenerse reuniones específicas con el Ayuntamiento, como administración última que recibe la instalación, y en ellas debemos conocer:
— Si existe o no preferencia por alguno de los sistemas de depuración y de dónde procede la idea; en consecuencia, se debería pensar en incluirla o bien intentar convencer razonadamente de la necesidad de eliminarla.
— Si se piensa reutilizar el agua depurada, y si es así, para qué fin, estudiando los distintos usos como recarga de acuífero o de riego. En este último caso, el tipo de cultivo nos determina la posible inclusión dentro de las alternativas de algún elemento imprescindible.
— Si se piensa reutilizar el fango, de qué forma y para qué; de este modo se estaría en condiciones de encauzar la línea de fango.
— Conocer, sólo en caso de un gran núcleo, si se tiene pensado reutilizar el gas con fines energéticos, aspecto que en la mayoría de los casos debería comentarse con las administraciones.
De esta forma, no sin dejar claro que pueda existir algún otro dato aquí no relacionado, se podría dar por finalizado este segundo o tercer punto del conocimiento del núcleo.
No se comenta en la anterior enumeración los objetivos perseguidos, pues están ya apuntados; sólo quedaría hacer hincapié en que durante las conversaciones con el Ayuntamiento podríamos conocer si se pretende recuperar los terrenos para ocio, en cuyo caso podríamos definir alguna modificación en nuestra instalación, tal como la posibilidad de incluir una recuperación de márgenes, si es que el lugar de vertido es un cauce público.
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Haga click en la imagen para ampliar Fig. 2 . Estación depuradora del Puerto de Santa María |
El cuarto punto de la metodología, que al igual que el anterior es fundamental, es una correcta realización de una campaña de muestras.
Se comenzaría con una visita y acondicionamiento de los puntos de vertido, tanto urbanos como industriales. Dependiendo del tamaño del núcleo y, por supuesto, del presupuesto para el estudio, podremos:
— Asemejar las concentraciones a casos similares.
— Realizar la analítica de una muestra completa.
— Presentar un estudio pormenorizado del muestreo.
Este último punto es el que se debería desarrollar, siguiendo los siguientes principios:
1. Determinar cuáles son los puntos de muestreo más representativos. Nunca deberían superarse tres.
2. Repartir el muestreo en tres días consecutivos cubriendo la mayor parte de las 24 horas.
3. En los núcleos o industrias con funcionamiento de forma esporádica, muestrear en las fechas de actividad.
Con estos principios se puede cubrir, tanto en caudales como en concentraciones, las 24 horas del día, y al hacerlo de forma consecutiva durante tres días, se obtendrán las incidencias de algún vertido incontrolado.
¿Qué parámetros se precisan para un correcto dimensionamiento de alternativas?
Desde luego el exigir un sinfín de parámetros no tiene ninguna justificación (excepto el decir cuanto más mejor o ser la tapadera de lo que no se sabe); sin embargo, se necesitan:
a. Parámetros que justifiquen si podemos optar o no por un proceso biológico.
b. Los que son básicos para el diseño en la estación depuradora.
c. Aquellos que aunque no sean básicos, sean sencillos y económicos de obtener y puedan darnos una información posterior.
Basándose en esta premisa se dividirá los parámetros en los tomados in situ y los que deben obtenerse en laboratorio: no vale la pena realizar una analítica ni de la dureza ni, muchísimo menos, de toda una retahíla de metales pesados y otros; esto se solucionará con la comprobación del crecimiento de los microorganismos, de modo que si son incontables no sería preciso nada más; en caso contrario se buscaría entre la tipología industrial cuál o cuáles serían los inhibidores precisos a determinar.
No se puede dejar de lado el que el transporte de las muestras sea correcto, en neveras portátiles y en algún caso en botellas con tapón esmerilado, según el tipo de parámetro a analizar.
Por último, y dentro de la campaña de muestras, debe considerarse un apartado de observaciones, y en él indicar cualquier incidencia de cambio de color, olor, o bien las condiciones meteorológicas de una semana anterior al muestreo.
Análisis e interpretación de resultados
La resolución analítica parte con una buena elección del laboratorio. Las necesidades analíticas en todo el territorio han hecho que muchos pequeños y grandes laboratorios que se dedicaban a otros temas se metan en análisis de aguas, sin saber no sólo de la resolución sino tampoco de la fiabilidad de los resultados. También se debería indicar cuál es la metodología para los parámetros que queremos, y así se estará en condiciones de poder interpretar los resultados de forma comparativa y lógica.
Después de interpretar los resultados, momento en el que se rechazarán los no lógicos o se mandará repetir algunos análisis, se está obligado a trazar las curvas de ajuste (con polinomios de quinto grado), así como la curva de cargas de los dos parámetros fundamentales: DBO y SS.
Con todo ello seremos capaces de conocer su evolución, se sabrá las horas punta y, lo que es más importante, la entrada de agua en horas valle y el coeficiente punta del núcleo.
Con los cinco puntos anteriores estamos en condiciones de realizar una revisión del planteamiento, una pequeña vuelta atrás en la que se reconsideren desde las superficies precisas y costes, hasta el cambio de parámetros, e incluso el cambio de objetivos.
Llegado este punto, es el momento en el que se está en condiciones de plantear las alternativas. Acorde con los factores del estudio previo, el siguiente paso dentro de la metodología es establecer las bases de selección de la alternativa adecuada, y es en este punto donde se realizará una valoración económica de todas (no se debería considerar más de cuatro); dicha valoración, junto con los objetivos sociales marcados en un principio, o mejor socioeconómicos (tales como aprovechamiento para el ocio de zonas adyacentes, revalorización de terrenos próximos, o bien correcciones de impactos ambientales negativos), nos determinará cuál es la solución idónea para depurar las aguas residuales.
Para ello se predimensionan las soluciones que se han planteado, pensando siempre en el mayor número de líneas posibles, para alcanzar una mayor flexibilidad.
Se debe realizar un presupuesto aproximado de obra civil por un lado y por otro de equipos electromecánicos, dado que las amortizaciones de la primera instalación son diferentes, por el número de años de servicio, sin olvidar que pasado el tiempo se precisa la renovación de equipos. Esta separación de presupuestos de obra civil y equipos nos ayudará en la estimación de los costes de mantenimiento y de explotación de las alternativas planteadas.
Si se realiza una suma de los costes de amortización de la obra y gastos de mantenimiento y explotación para el tiempo previsto de duración, sin olvidar la renovación de equipos, estaremos en condiciones de determinar económicamente la mejor solución y, por lo tanto, de decidir cuál es la solución óptima para la depuración de las aguas residuales de ese núcleo. No se debe olvidar que, para costes semejantes, se debe elegir aquella alternativa en que el gasto de mantenimiento y explotación sea menor.
Una vez seleccionada la alternativa, se está en condiciones de dimensionarla, de realizar un plan de obra y de mantenimiento y explotación. Como último punto de la metodología, el ingeniero nunca debe olvidarse de la presentación, discusión y defensa ante las administraciones de la solución adoptada.
