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Trabajo Fin de Grado Optimización del Tratamiento de Aguas Residuales en Zona de Operaciones Autor Jesús Ramón Arévalo Jódar Director/es Director académico: Dra. Dña. María del Carmen Blanco Ortiz Director militar: Cap. D. Miguel Ballesteros Peral Centro Universitario de la Defensa-Academia General Militar Año 2016 Agradecimientos A mi DIRACA Mamen, por su guía en mi último trabajo del Grado, a mi DIRMIL el Capitán Ballesteros y al Capitán San Martín por su ayuda en la documentación y también al Tte. Guerra, por su apoyo durante las PEXT. Agradecer a todo el personal destinado en el REI 11 que sin su ayuda, no se habría conseguido este resultado. Índice Resumen ................................................................................................................................................... 1 Abstract .................................................................................................................................................... 1 1. Introducción y Objetivos ...................................................................................................................... 3 2. Impacto en el medioambiente y en la salud ........................................................................................ 4 2.1. Impacto en el medioambiente ..................................................................................................... 5 2.2. Impacto en la salud ...................................................................................................................... 7 3. Situación y Procedimientos Actuales ................................................................................................... 8 3.1. Aguas Negras .............................................................................................................................. 10 3.1.1. Tratamientos para Aguas Negras ........................................................................................ 10 3.2. Aguas grises y pluviales .............................................................................................................. 13 3.2.1. Tratamientos para Aguas Grises y Pluviales ........................................................................ 14 4. Propuesta ...........................................................................................................................................15 4.1. Diseño de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales ......................................................... 16 4.1.1. Pretratamiento .................................................................................................................... 16 4.1.2. Tratamiento Primario .......................................................................................................... 17 4.1.3. Tratamiento Secundario ...................................................................................................... 17 4.1.4. Tratamiento terciario .......................................................................................................... 18 4.1.5. Dimensiones de la PTAR ...................................................................................................... 18 4.2. Selección del proceso de filtrado para aguas grises ................................................................... 19 5. Ventajas y debilidades estratégicas en Zona de Operaciones ...........................................................20 5.1. Ventajas del tratamiento de las aguas residuales con recursos propios ................................... 20 5.2. Debilidades del tratamiento de aguas residuales con recursos propios.................................... 21 6. Conclusiones .......................................................................................................................................23 7. Futuras Líneas de Trabajo ..................................................................................................................23 8. ANEXOS...............................................................................................................................................24 9. Lista de Tablas ....................................................................................................................................34 10. Lista de Figuras .................................................................................................................................35 11. Bibliografía ........................................................................................................................................36 1 Resumen Uno de los aspectos que las Fuerzas Armadas españolas tienen que abordar cuando se encuentran en misiones internacionales, es la gestión de los residuos que producen dentro de sus bases, entre ellos las aguas residuales. La mayor parte de esta agua proviene del uso de duchas, cocinas, lavabos e inodoros. Estos residuos acuosos se recogen en fosas sépticas que hay que vaciar periódicamente para evitar su acumulación. De este modo, el problema de la gestión del agua residual supone también un problema de seguridad, al necesitar diariamente empresas civiles ajenas al Ejército que se hagan cargo de estas sustancias. A lo largo de este trabajo, se estudiarán las medidas tomadas actualmente por las Fuerzas Armadas españolas en el exterior y se plantearán posibles mejoras o soluciones para el tratamiento de las aguas negras, grises y pluviales. Abstract One of the main problems that the Spanish Armed Forces have to deal with when they are deployed in international missions, is the sewage treatment inside their bases, including sewage water. Most of this water comes from the use of showers, kitchen, sinks and toilets. These liquid wastes are collected in septic tanks which have to be emptied periodically to prevent its accumulation. On this way, the sewage water management problem also means a security problem, because of civil companies are needed to take over of these wastes. Throughout this work, the measures currently taken by the Spanish Armed Forces abroad will be studied and also, it will be offered possible improvements and solutions for black water, gray water and rainwater treatment. 2 3 1. Introducción y Objetivos En algunas ocasiones, la participación en una misión internacional implica construir una base en el país designado. La construcción de estas bases se lleva a cabo por niveles en función del personal que va a habitarlo y del tiempo estimado de la misión [1]. Los diferentes niveles son:  Nivel 1: En este primer nivel se plantean los campamentos en base a tiendas de diferentes tipos: utilis, drash, etc.  Nivel 2: Representa el salto a contenedores de vida, de 20 pies y con una capacidad de hasta ocho personas. Según la versión pueden contar incluso con calefacción y refrigeración.  Nivel 3: Es el último nivel en el cual se pasa de contenedores a prefabricados. Se construye con paneles “sándwich” (tipo pladur) reduciendo el número de paredes y creando habitaciones de diferentes dimensiones, dependiendo de su cometido. Estos campamentos evolucionan con el tiempo y aunque en ocasiones se montan bases directamente de nivel 2 ó 3, por regla general se diseñan con vistas a alcanzar estos niveles pero empezando desde el primero. Debido a esto, no solo hay que pensar en los alojamientos del personal y en su evolución, sino en todos los tipos de instalaciones (en particular de agua, electricidad y residuos) que por norma general quedan enterrados y no varían con la evolución del campamento una vez establecido el nivel 1. Las unidades de Especialidades de Ingenieros se encuentran con el problema añadido de que, a la vez que remodelan un campamento para incrementar su nivel, parte del personal que está de misión sigue alojado y deben reubicarlo progresivamente. El mayor limitante al construir el campamento es la dimensión. Al Contingente que sale desplegado se le asigna una zona a ocupar, limitada en el espacio, por lo que su aprovechamiento ha de ser máximo. Esto supone construir en vertical, ya sea enterrando instalaciones o disponerlas en doble altura (máxima altura en el Ejército). Además, el exterior de las instalaciones debe hacerlas poco identificables, de tal manera que resulte difícil diferenciar, por ejemplo, entre el puesto de mando y las cocinas. Por otro lado, no se realiza un seguimiento de la evolución de las instalaciones, ni tampoco se documenta. Esto quiere decir que, cuando se vuelve a desplegar de misión, no hay documentación preparada para saber qué y cómo instalar determinados elementos en beneficio del Contingente. En consecuencia de todo lo expuesto anteriormente, se entiende la necesidad de diseñar los campamentos con una visión más evolutiva, documentando las mejoras y los fallos percibidos y dejando las bases preparadas para los cambios futuros, aunque en ocasiones esto no sea lo más cómodo al principio del despliegue. En este trabajo se van a abordar cuestiones relacionadas con uno de los aspectos a tener en cuenta en esta planificación: las aguas residuales que se van a generar durante la ocupación de la base. Las aguas residuales contienen aguas negras, grises y pluviales. Las aguas negras son, generalmente, aquellas que están contaminadas con heces y orina, que provocan la aparición en el agua de patógenos con la posibilidad de producir enfermedades en las personas. Las aguas grises son aquellas que se producen tras el uso doméstico, como darse una ducha o lavar los platos. Por último, las aguas pluviales son aquellas que con las 10 3.1. Aguas Negras En cuanto al tipo de aguas negras generadas en una Base en Zona de Operaciones, podría decirse que la situación es similar a la de una zona urbanizada. Por ello, en este punto se van a describir los procedimientos y técnicas habituales en el tratamiento de aguas en núcleos urbanos, con objeto de dar una visión general de cuál podría ser la metodología a seguir con las aguas residuales en Zona de Operaciones. 3.1.1. Tratamientos para Aguas Negras 3.1.1.1. Pretratamiento El pretratamiento consiste en el proceso por el cual se separan de las aguas a tratar residuos de gran tamaño tales como piedras y ramas, y además grasas que puedan interferir en posteriores tratamientos. Los diferentes métodos son:  Desbaste: Mediante esta operación se busca la separación de sólidos gruesos de la corriente de agua. Para ello, los mecanismos que se usan son rejillas o tamices, siendo habitual el uso de ambos para conseguir un mejor filtrado. Las rejillas se pueden limpiar manualmente o tener una rasqueta incorporada para su auto limpieza, sin embargo es necesaria una alimentación de energía y repuestos para su desgaste. En cuanto a los tamices, los hay estáticos y rotativos, siendo los segundos más complejos al llevar un motor que lo hace girar, mientras que en el estático el agua pasa por gravedad (ANEXO 4).  Desarenado: Durante este proceso se busca la sedimentación de las partículas en suspensión para su separación. Para lograrlo, se busca reducir la velocidad de la corriente ensanchando su zona de paso.  Desengrasado: Parecido al anterior, pues se pretende extraer las grasas de la corriente mediante la diferencia de densidad. Al reducir la velocidad de la corriente Figura 2. Prefabricado de Fangos Activos. Fuente: UPM. 11 de agua residual se facilita que suban a la superficie las grasas y se cree una película fácil de extraer.  Neutralización: Trata de neutralizar la acidez o la basicidad de las aguas. Generalmente, este tratamiento sólo es necesario para aguas del tejido industrial. 3.1.1.2. Tratamiento Primario Una vez se han extraído las grasas y los sólidos de mayor tamaño de la corriente de agua, a continuación es el turno de aquella materia que se encuentra en suspensión. Para este proceso se cuenta con dos métodos:  Decantación primaria: Su funcionamiento es similar al desarenador, pero con la diferencia de que se busca extraer toda la materia en suspensión [8]. Cuando esta materia sedimenta, produce en el fondo del decantador lo que se conoce como fango (materia húmeda). Existen dos tipos de decantadores: circulares y rectangulares. El decantador circular cuenta con unas palas o rasquetas que van girando en torno a un eje motriz, arrastrando los fangos a una poceta para su extracción posterior y para separar el agua ya tratada. En cambio, el decantador rectangular tiene el fondo con cierta inclinación buscando que los fangos se acumulen en una misma zona y así sea más fácil su extracción (ANEXO 5). Hay una variante dentro de los rectangulares, denominado decantador lamelar, que cuenta con paneles o lamelas donde las partículas chocan y sedimentan.  Coagulación-floculación: Mediante la adición de agentes coagulantes (iones polivalentes) se busca que la materia coloidal en suspensión pierda su carga eléctrica superficial para que pueda agregarse dando coágulos, para después provocar la unión de estos coágulos para crear flóculos, aumentando su tamaño y favoreciendo por tanto su sedimentación por gravedad. Este proceso se suele usar antes de la decantación, pues se ve favorecido en presencia de más materia. Sin embargo, su uso en zonas urbanas, como son consideradas las Bases del Ejército en Zona de Operaciones, no es un proceso imprescindible, si se va a realizar algún tratamiento biológico como los que se explican a continuación. 3.1.1.3. Tratamiento Secundario Este tratamiento se centra en la eliminación de la materia orgánica presente en el agua. Además, en este proceso se reduce también el nitrógeno y el fósforo disuelto en el agua. El más destacado es el tratamiento biológico, seguido del decantador secundario, compuesto por tratamientos aerobios y anaerobios (en fase dispersa o en película fina). La base del funcionamiento de este sistema es la degradación de la materia orgánica por parte de microorganismos. Los residuos generados quedarán en el fondo del decantador secundario, formando de nuevo fango. Como ya se ha mencionado, el tipo de aguas residuales generadas en Zona de Operaciones, son similares a las de una zona urbana y por tanto, suelen contener suficientes microorganismos y nutrientes como para no necesitar un aporte extra de los mismos.  Tratamiento aerobio y anaerobio: La diferencia entre uno y otro es la participación o no de oxígeno en los procesos de degradación. El tratamiento anaerobio es un proceso más costoso pues debe estar cerrado herméticamente, sin embargo, con este tratamiento se obtiene también una serie de gases, entre ellos el metano, que puede extraerse y obtener energía. También hay que tener en cuenta que el 12 tratamiento aerobio es más propenso a la creación de fangos, pues los microorganismos producen más residuos y además suele requerir aportación de oxígeno al tanque, lo que encarece el proceso y lo complica. A pesar de todo lo anterior, en las plantas de tratamiento de las aguas residuales de las zonas urbanizadas, el método más utilizado es el aerobio por su simplicidad, localizándose estas plantas en las zonas exteriores de la urbe.  Tratamiento en fase dispersa o en película fina: En el primer caso, denominado también método de fangos activos, se introduce agua a tratar en un tanque con una turbina que además de ayudar a homogeneizar el proceso, también supone, en el caso de procesos aerobios, un mayor aporte de oxígeno debido a la aireación (ANEXO 6). Conjuntamente, se añaden bacterias suficientes para consumir la materia orgánica y precipitando los residuos en el fondo, como un decantador, formando el fango. En cuanto al proceso del tratamiento en película fina, el más destacado es el uso de un reactor de lechos bacterianos o también llamado de filtros percoladores [9]. Se trata de un reactor con relleno de diferentes formas, generalmente de plástico (Figura 3) y con gran área superficial. Sobre ellos se deja caer la corriente de agua, con lo que los microorganismos se adhieren a rellenos creando películas adsorbidas sobre la superficie. Cuando no son capaces de alcanzar materia orgánica se mueren y desprenden, siendo arrastrados por el agua en su expulsión (ANEXO 7). 3.1.1.4. Tratamiento Terciario Llegados a este punto, el agua residual ha reducido considerablemente su contenido tanto de materia orgánica como inorgánica. Sin embargo, aún puede contener sustancias perjudiciales para la salud. En algunas ocasiones y dependiendo del tipo de agua residual, en este momento del tratamiento ya es posible verterla al exterior, pues no es perjudicial para el medio ambiente. En el caso de que el medio receptor sea susceptible de sufrir un proceso de eutrofización 5 , será necesaria la eliminación tanto del nitrógeno como del fósforo restante. Generalmente se utiliza el método biológico debido a que las bacterias utilizadas en el 5 La eutrofización es un proceso por el cual, y debido a un elevado contenido en nitrógeno y fósforo en el agua, se produce un desarrollo elevado de algas. Figura 3. Rellenos. Fuente: UNFAMED. 13 tratamiento secundario en ocasiones son aptas para este método. Son necesarias las nitrobacter y las nitrosomas para eliminar el nitrógeno, y bacterias eliminadoras de fósforo (denominadas PolyP). En ocasiones, con el tratamiento biológico se logra eliminar estos nutrientes, de modo que se puede evitar un tratamiento posterior, sin embargo, no siempre se consigue. Finalmente, si el agua tratada va a ser empleada para consumo humano es imprescindible la potabilización de la misma. Para ello hay que eliminar todas aquellas bacterias y agentes patógenos que puedan quedar disueltos o en suspensión. El uso del cloro y de los rayos ultravioleta son los tratamientos más habituales para eliminarlos. Si el agua fuera a emplearse para ciertos usos como el lavado de vehículos, uso en obras, etc., no sería necesaria la potabilización. 3.2. Aguas grises y pluviales Generalmente las aguas grises y pluviales no suelen contener sólidos de gran tamaño, pero sí pueden contener otras sustancias disueltas o en suspensión además de patógenos. Las aguas grises, que se generan tras el uso doméstico, transportan no sólo suciedad, sino también jabón, como ocurre tras la ducha o tras lavar los platos o la ropa. Las aguas pluviales son aquellas que se recogen tras las precipitaciones, y pueden arrastrar gran cantidad de residuos. Aunque generalmente no suponen ninguna amenaza, podrían serlo si se contaminan con residuos cercanos a los sumideros [10]. Con todo esto, se llega a la conclusión de que el agua gris y la pluvial tienen un cierto grado de similitud en su contaminación, por lo que van a ser analizados conjuntamente. El interés de este trabajo de separar las aguas negras y grises surge en la posibilidad de aprovechamiento de las aguas grises para su reutilización. Actualmente, las Fuerzas Armadas cuando construyen una base no diferencian las aguas residuales. Este hecho provoca que las aguas grises, al juntarse con las aguas negras, se contaminen y pasen a ser negras en su conjunto. Este cambio supone un paso atrás en el tratamiento de las aguas grises, ya que, en un primer momento, éstas no producen malos olores ni contienen agentes patógenos perjudiciales para los humanos. Sin embargo, su estancamiento e inmovilización durante un periodo largo de tiempo (1 ó 2 semanas), hace que se den las condiciones idóneas para que los microorganismos que viven en las aguas grises proliferen y lleguen a producir los efectos antes comentados. Atendiendo a la condición anterior, se hace imprescindible tratar el agua gris al poco tiempo de ser expulsada de los contenedores de ablución, impidiendo de esta manera la proliferación de microorganismos. Seguidamente, se tratarán diferentes sistemas del tratamiento de aguas grises describiendo sus cualidades y capacidades, eligiéndose al final el más recomendable para el uso del Ejército de Tierra. 14 3.2.1. Tratamientos para Aguas Grises y Pluviales 3.2.1.1. Proceso de filtrado horizontal Como indica el nombre del proceso, se trata de una instalación de filtros de agua durante un curso horizontal de la misma, por su propia circulación sin necesidad de colocar ninguna bomba para su movimiento. Para ello, es necesario que el filtro horizontal tenga una inclinación mínima del 4%. El sistema dispone de una sucesión de cavidades o de celdas, preferiblemente de hormigón o de PVC, que contienen diferentes tipos de materiales, separados por una tela arpillera que sirve como filtro también (Figura 4). La primera celda contiene piedras de gran tamaño o rocas partidas, por las que circula el agua dejando las partículas en suspensión adheridas a las rocas. Seguidamente, el agua atraviesa una celda con rocas más pequeñas que las anteriores y con arcilla, de tal manera que los microorganismos o los materiales disueltos queden retenidos. Tras este filtro se coloca arena de río para darle el último lavado, dejando el agua limpia y a falta de potabilizarla. En función del nivel de tratamiento que buscamos, o del nivel de la contaminación del agua que entra en estos filtros, es bastante común que debido a la condición mecánica de este sistema la limpieza no sea lo suficientemente óptima, por lo que puede ser aconsejable que este proceso se repita. De este modo, la sucesión de piedras grandes, piedras pequeñas/arcilla y arena es repetido sucesivamente, finalizando siempre con una celda de piedras de gran tamaño o rocas troceadas. 3.2.1.2. Proceso de filtrado vertical Este proceso es similar al de filtrado horizontal en cuanto a que se usa arena para el tratamiento del agua y ningún agente químico. Es idóneo si no se cuenta con mucho espacio horizontal, o si el terreno es muy costoso de trabajar y no se consigue alcanzar la inclinación del 4% necesaria en el filtrado horizontal. Se pueden encontrar dos tipos de filtros verticales en función de lo contaminada que esté el agua con grasas y aceites, provocando la necesidad de usar diferentes tipos de filtros. En el caso más sencillo, existen unos filtros de arena [11] por los que el agua Figura 4. Filtro Horizontal. Fuente: Instituto Carlos Slim de la Salud. 15 simplemente circula, dejando tras de sí la materia orgánica e inorgánica (Figura 5). Este paso se puede realizar en paralelo o en serie, forzando el paso del agua por los filtros repetidas veces y suele requerir el empleo de una bomba. El mayor riesgo de este sistema es el paso de granos de arena en la corriente de agua, por lo que es necesaria la revisión de los filtros regularmente. Si el agua a tratar contiene grasas o aceites, es necesario el uso de filtros separadores. En este caso, se opta por un tanque de mayor tamaño con una serie de filtros separados por un tejido filtrante como es la tela arpillera. Se colocan piedras, grava y arena en orden, separadas y de arriba abajo, de tal manera que por gravedad el agua recorre estos filtros dejando la materia a su paso y saliendo por la parte inferior para su potabilización o para su vertido. Este método tiene la ventaja de carecer de bomba, pero su mantenimiento es más costoso pues se tiene que limpiar los filtros cada dos meses, y cambiarlos al año, debido al desgaste producido por la erosión y la acumulación de la materia. En cuanto a la tela arpillera, es recomendable cambiarla al año junto con el resto del material filtrante. Existe un filtro diseñado como una cajonera en la que cada cajón es un tipo de filtro, lo que permite sacarlos independientemente y facilitan su mantenimiento. Empero, es necesaria una mayor superficie excavada para que un operario pueda abrir y extraer el material. 4. Propuesta Una vez descritos los tratamientos más habituales para las aguas residuales de zonas urbanizadas, en este apartado se expondrá la metodología seleccionada para el tratamiento de aguas negras por un lado, y las aguas grises y pluviales por otro. Se basa en la separación de las aguas residuales, por lo que la diferenciación de éstas, tanto en las cañerías como en los depósitos de ablución, es una condición indispensable que el jefe de la Base en Zona de Operaciones deberá imponer y conseguir mantener. Además, se busca reducir el coste de adquirir una PTAR completa de una empresa civil, ya que el Ejército cuenta con medios para construir o fabricar la mayor parte de sus elementos. Figura 5. Filtro Vertical para aguas grises. Fuente: Fresno. Valves and Castings INC. 16 Lo siguiente es seleccionar entre los diferentes sistemas que hay en el mercado aquellos que cumplan las condiciones de tener un manejo y mantenimiento simples, que no requiera una formación muy exigente para los operadores, que la logística sea adecuada, que se pueda enterrar y que sea la gravedad la que provoque el desplazamiento de los residuos. En el caso de no ser posible que se cumpliesen todas, se seleccionaría aquella que cumpla la mayoría. En cuanto a las aguas pluviales, se podrían considerar grises dependiendo de las zonas por las que han pasado y de la materia que hayan arrastrado con ellas. Es decir, siempre y cuando el material no sea contaminante (grasas o aceites de motores, productos químicos, etc.), podrían redirigirse y tratarlas junto a las grises en pos de una reducción de esfuerzos. Si se diese el primer caso, deberían tratarse como aguas negras, tal y como se explica en el apartado anterior. Para su diferenciación, se debe hacer un análisis de la distribución de los focos contaminantes de la base en el exterior. Por tanto, aquellas zonas como los garajes o talleres mecánicos con sumideros, los laboratorios y clínicas deberán estar conectadas con la red del tratamiento de aguas negras. Lo mismo ocurre con las cocinas, pues los restos de comida atraen a los microorganismos, siendo muchos de éstos patógenos. El resto de sumideros, canalones, cunetas y demás elementos que direccionan el agua, pueden estar interconectados con una red de tratamiento de aguas grises. El único aspecto a tener previsto frente al arrastre de materiales por la lluvia es el uso de rejillas, por los posibles elementos tales como plantas o piedras sueltas y en suspensión. De esta manera, se optimizarán los recursos empleados esforzándose por separado en tratar las aguas grises de las negras, lo que permite una posible reutilización sin un tratamiento tan exhaustivo. De esta manera, se abriría una ventana de posibilidades de reutilización de las aguas grises y pluviales que reducirían exponencialmente el consumo de agua y aumentarían su aprovechamiento, a saber:  Para las cisternas de los retretes.  Para el lavado de vehículos [12].  Para el uso en obras.  Para el riego de plantas. 4.1. Diseño de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales Un aspecto crucial para esta decisión será el hecho de que, como se explicó con anterioridad, el personal que despliega en las misiones dura en ellas un máximo de seis meses. Además, la mayor parte del personal que se dedica a controlar y a mantener estos elementos son los Ingenieros, lo que los convierte en un recurso crítico. Por tanto, la PTAR que se proponga debe ser sencilla, que nos permita un adiestramiento en su uso rápido y que no sea costosa de mantener. 4.1.1. Pretratamiento Lo óptimo sería usar rejillas sin rasqueta mecánica, siendo los operadores los encargados de limpiarla con frecuencia. En cuanto al tipo de tamiz, sería conveniente un tamiz estático y que el agua residual pasase por gravedad. Tener un eje motriz o una rasqueta mecánica simplificaría la labor de los operarios, sin embargo, su fallo o rotura puede dejar inoperativa la PTAR durante un tiempo que puede alargarse meses pues la logística en operaciones es lenta, incluso para los recambios de las maquinarias. Una 17 solución sería comprar los repuestos en el país de despliegue, pero corremos el riesgo de no encontrarlos o de que sean de menor calidad. Habrá que analizar in situ estas posibilidades antes de realizar una instalación u otra. El desengrasado es necesario en las aguas residuales urbanas, debido a los lípidos presentes en las heces, por lo que el uso de un desarenador-desengrasador sería óptimo para finalizar la secuencia del pretratamiento, siendo a su vez la parte más crítica por su mantenimiento. En función del gasto asumible y de la dimensión de la Base, sería conveniente colocar el sistema elegido tras el colector de aguas negras de la misma, para ser llevadas ya al tratamiento primario con una tubería de diámetro menor, reduciendo así el coste de la instalación. 4.1.2. Tratamiento Primario Se propone realizar en un solo depósito tanto la decantación como la coagulación. Sería adecuado un decantador primario en forma rectangular, sin lamelas para facilitar su mantenimiento y que sea la pendiente la responsable de acumular los fangos por gravedad. La primera fase debe ser la coagulación floculación, que requiere una velocidad media, ya que la coagulación necesita una velocidad alta para que se mezclen los componentes, y la floculación lenta, para que no se rompan los flóculos formados. A continuación, se iniciaría el proceso de decantación, que requiere de una velocidad lenta. Por lo tanto, se utilizará un mismo depósito, al cual se le agitará más o menos rápido en función de la fase en la que se encuentre. Finalmente, se retirarían los fangos para volver a empezar. 4.1.3. Tratamiento Secundario El reactor de lechos bacterianos y el sistema de fangos activos permiten dos modalidades, tanto aerobia como anaerobia. Las necesidades de espacio obligan a elegir la modalidad anaerobia de ambos sistemas, siendo la producción de metano y otros gases un factor muy relevante en el proceso. El reactor de lechos bacterianos tiene el inconveniente de que requiere renovar periódicamente los rellenos, siendo su sustitución más costosa que el caso de los fangos. Además, el hecho de necesitar este tipo de material tan específico es susceptible de que su suministro se convierta en un riesgo. El sistema de fangos activos tiene el inconveniente de la acumulación de fangos, como se aprecia en la Figura 6. Por regla general, la limpieza o renovación es necesaria cada año. Sin embargo, estos fangos pueden emplearse como abono, por lo que aparte de su posible eliminación mediante incineradoras, se pueden ofrecer a los agricultores locales para su uso. Además, especialistas del Regimiento de Especialidades Número 11 de Salamanca opinan que sería la solución más idónea, poniéndose en contacto con empresas civiles en busca de soluciones (Tecnove [13], Arpa [14], etc.). 18 Ante lo expuesto anteriormente, el modelo más idóneo será el de fangos activos, siendo la eliminación de gases y del cambio de los fangos los factores más a tener en cuenta. Finalmente, los fangos llegarán a un decantador secundario donde iniciarán la recirculación. 4.1.4. Tratamiento terciario En este punto, hay que decidir, en función del uso que se le dará a las aguas tratadas, si es necesario una PTAR con este tratamiento o no. Si se decide potabilizar el agua, la solución a este problema es el uso de la SETA 3000 6 [15], en dotación en el Ejército. Este aparato es una potabilizadora que trataría sólo la cantidad de agua necesaria para el consumo humano, dejando aquella destinada para el lavado de coches o para las obras sin potabilizar, reduciendo el coste del tratamiento. 4.1.5. Dimensiones de la PTAR La dimensión de las plantas para el tratamiento de aguas residuales viene condicionada por el concepto de habitante equivalente (h-eq). Según el Real Decreto-Ley 11/1995 [16] se define como habitante equivalente la carga orgánica biodegradable, con una demanda bioquímica de oxígeno de cinco días, de 60 gramos de oxígeno por día. Es una medida de referencia para definir las PTAR por lo que hay más h-eq que habitantes, debido a la contaminación de las aguas por la industria y demás elementos de la población. Considerando una población equivalente de 1150 soldados desplegados en una Base en zona de Operaciones (ANEXO 8), la dimensión del tanque de fangos activos debe tener una dimensión de 552 m3. Partiendo de esta cifra, y de la necesidad de repartir las PTAR por la Base para optimizar el tratamiento del agua, se propone instalar tres PTAR con capacidad de 184 m3. Con objeto de minimizar costes, se propone encargar a las unidades de Especialidades la misión de construcción, de todos los elementos de la planta, excepto el 6 . La SETA 3000 es una potabilizadora capaz de tratar 5000 litros a la hora de agua dulce y 2500 litros a la hora de agua salada. En operaciones se ha utilizado para tratar el agua que se compraba, generalmente extraída de pozos o lagunas, llegando a producir cien mil litros de agua potable al día. Figura 6. Biogás producido por kg de M. Orgánica. Fuente: Imhoff. 19 tanque de fangos activos que, debido a su complejidad técnica, requeriría ser adquirido mediante encargo. 4.2. Selección del proceso de filtrado para aguas grises Como ocurría con el tratamiento de aguas negras, un limitante es la superficie disponible. Sin embargo, este proceso de filtrado podría hacerse enterrado, por lo que el problema del espacio quedaría solventado. No obstante, habría que preparar el terreno para que no hubiese filtraciones, ya fuese mediante hormigón o mediante contenedor. Como punto inicial, es aconsejable un separador de grasas, una cavidad donde, por la diferencia de densidad, quedarán separadas del agua que se pretende tratar. El proceso de filtrado vertical tiene el inconveniente de la accesibilidad. Al tener que excavar para introducir el tanque de filtrado, a su vez habría que remover mayor volumen de tierras para permitir a un operario el mantenimiento del tanque. Además, el uso de bombas para el movimiento del agua por el filtro añade otro riesgo al uso de este proceso: en primer lugar por su rotura y en segundo lugar por la necesidad de un operario con una formación adecuada para usar este tanque. Debido a los problemas descritos, la solución más favorable sería el uso del filtrado horizontal por las siguientes razones: 1. Al igual que el tanque del proceso vertical, puede estar enterrado, lo que nos permite un mayor aprovechamiento del espacio. 2. Su accesibilidad es más sencilla pues aun estando bajo tierra, podría construirse una trampilla que de acceso a cada celda, ya sea para su mantenimiento o si sufre alguna rotura o filtración. 3. El material necesario para construirlo es de fácil acceso para las unidades de Especialidades de Ingenieros. En primer lugar, el material del que está hecho puede ser de hormigón o de PVC. La opción más recomendable es la primera pues, ya que habría que hacer una pared de hormigón para recubrir el tanque de PVC, resulta más sencillo usar ese mismo hormigón para construir las celdas. En cuanto al contenido, todas las rocas, arena y grava de diferentes granulometrías, son materiales de uso ordinario en las obras que desarrollan los Ingenieros. Por lo tanto, su acceso y reposición resulta más sencillo y mucho menos costoso. 4. El personal encargado del filtro con funciones de operador, no necesita una cualificación destacada, pues sólo tiene que rellenar las celdas con el material nuevo tras el tiempo marcado. 5. El flujo del agua se consigue mediante la gravedad y la inclinación del 4% de filtro. De esta manera, se evita el uso de la bomba que era necesaria para el movimiento del agua en el proceso vertical. Esto permite además poder expulsar el agua al exterior sin tener que almacenarla en un pozo y extraerla. Será suficiente con colocar el filtro cerca del límite de la Base y añadir una tubería que dé al exterior, en el caso de que no fuese a reutilizarse. En el caso del agua saliente de las cocinas, debido a la presencia de patógenos, sería conveniente instalar otro desarenador-desengrasador, de tal manera que el agua se filtre y llegue algo más limpia antes de ser mezclada con la que proviene de los lavabos. En cuanto al mantenimiento, sería necesario limpiar regularmente el separador de grasas, mínimo una vez cada dos semanas y además cambiar la tela arpillera cada dos 26 ANEXO 2 NORMATIVA 91/271 La Directiva 91/271/CEE, define los sistemas de recogida, tratamiento y vertido de las aguas residuales urbanas. Sintetiza las obligaciones de España sobre el tratamiento de las aguas residuales urbanas, entre las que destacan el informar periódicamente del desarrollo de estas actividades y cuándo informar. A continuación, se expondrán los requisitos mínimos a cumplir, considerando las bases en el extranjero como pequeños núcleos urbanos. Ciertas unidades están muy por encima del nivel del mar y otras más próximas. Es un parámetro importante por la relación con el contenido de oxígeno en el aire en función de la altitud. Por ello se muestran datos para diversas localizaciones. REQUISITOS PARA LOS VERTIDOS PROCEDENTES DE INSTALACIONES DE DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES URBANAS MEDIANTE TRATAMIENTO SECUNDARIO Parámetros Concentración Porcentaje mínimo de reducción7 DBO5 25 mg/L de oxígeno 70-90% DQO 125 mg/L de oxígeno 75% Total sólidos en suspensión 35 mg/L 90% REQUISITOS PARA LOS VERTIDOS PROCEDENTES DE INSTALACIONES DE DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES URBANAS EN ZONAS DE ALTA MONTAÑA (> 1500 m) Parámetros Concentración Porcentaje mínimo de reducción DBO5 25 mg/L de oxígeno 70-90% DQO 125 mg/L de oxígeno 75% Total sólidos en suspensión 2000-10000 h-eq serán 60 mg/L 70% >10000 h-eq serán 35 mg/L 90% REQUISITOS PARA LOS VERTIDOS PROCEDENTES DE INSTALACIONES DE DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES URBANAS MEDIANTE TRATAMIENTO PRIMARIO Parámetros Porcentaje mínimo de reducción DBO5 20% Total sólidos en suspensión 50% REQUISITOS PARA LOS VERTIDOS PROCEDENTES DE INSTALACIONES DE DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES URBANAS MEDIANTE TRATAMIENTO MÁS RIGUROSO Parámetros Concentración Porcentaje mínimo de reducción 10000-100000 h-eq >100000 h-eq Fósforo total 2 mg/L P 1 mg/L P 80% Nitrógeno total 15 mg/L N 10 mg/L N 70-80% 7 Porcentaje mínimo de reducción: reducción relacionada con la carga del caudal de entrada. 27 ANEXO 3 PRINCIPALES VIRUS TRANSMITIDOS POR EL AGUA VIRUS FUENTE PERIODO DE INCUBACIÓN DURACIÓN SÍNTOMAS CLÍNICOS Enterovirus Heces 3-14 días Variable Gastrointestinales, encefalitis, enfermedades respiratorias, conjuntivitis Astrovirus Heces 1-4 días 2-3 días Náusea, vómito, dolor abdominal, fiebre Virus de la Hepatitis A Heces 15-50 días 1-2 semanas hasta meses Cansancio, ictericia, dolor de cabeza, piel amarilla Virus de la Hepatitis E Heces 15-65 días Similar al VHA Similar al VHA Rotavirus Grupo A Heces 1-3 días 5-7 días Gastroenteritis con náusea y vómito Rotavirus Grupo B Heces 2-3 días 3-7 días Gastroenteritis Calicivirus Heces 1-3 días 1-3 días Gastroenteritis Virus Norwalk Like Heces 1-2 días 1-4 días Diarrea, vómito, dolor de cabeza, dolor abdominal Tabla 2. Virus en el agua. Fuente: CYTED. 28 ANEXO 4 TAMICES ESTÁTICO Y ROTATIVO, ESQUEMAS En la parte superior, se aprecia un tamiz estático y un esquema de su funcionamiento, mientras que en la parte inferior, se expone un tamiz rotativo con el suyo. Mientras el estático se vale de la gravedad y de la diferencia de granulometría, para separar las partículas del agua, el rotativo usa un cilindro giratorio que las extrae y las expulsa del agua a tratar. Figura 11. Tamiz Estático. Fuente: UPM. Figura 12. Esquema de Tamiz Estático. Fuente: UPM. Figura 13. Tamiz Rotativo. Fuente: UPM. Figura 14. Esquema de Tamiz Rotativo. Fuente: UPM. 29 ANEXO 5 DECANTADORES CIRCULAR, VERTICAL Y RECTANGULAR Figura 16. Decantador rectangular con rasquetas. Fuente: UPM. Figura 15. Decantador circular (izquierda) y decantador vertical (derecha). Fuente: IMA. 30 ANEXO 6 FANGOS ACTIVOS Figura 17. Esquema PTAR Fangos activos. Fuente: UPM. Figura 18. Esquema Tanque de Aireación. Fuente: UPM. 31 ANEXO 7 REACTOR DE LECHOS BACTERIANO El tanque de lechos bacterianos puede contener áridos, plásticos o una combinación de ambos. En el momento que se va a decidir el contenido del tanque, hay que tener en cuenta el índice de huecos y la superficie específica (la relación entre los metros cuadrados de huecos y los metros cúbicos del tanque). A continuación se expone un cuadro comparativo con las características de los diferentes rellenos: COMUNES SINTÉTICOS Piedra silícea, generalmente Plásticos 45-55% de huecos 85-98% de huecos 4-8 cm de diámetro Diámetro variable Menor peso, hasta un 95% Mayor superficie específica Tabla 3. Comparación de Rellenos. Figura 19. Reactor de Lechos Bacterianos. Fuente: UPM. 32 ANEXO 8 DIMENSIÓN ELEMENTOS PTAR Población estimada: 1000 personas . Se mayorará en un 15% debido al uso de cocinas y lavaderos, por lo que los habitantes serán 1150 personas. Agua media consumida en Zona de Operaciones: 100 litros/día por persona. Agua necesaria: 115000 l/día = 115 m3/día. Según la Directiva 91/271, la producción de DBO5 por habitante es de 60 gramos/habitante, por lo que la DBO5 será de 69000 g/día = 69kg/día. Para estos cálculos, se adoptarán los siguientes datos:  Edad del fango: 20 días.  Temperatura del fango: 15 ºC.  Concentración de sólidos en suspensión (CSS): 2,5 kg/m3. Teniendo estas consideraciones, el volumen del tanque (VT) de los fangos se calcula de la siguiente manera: 𝑽𝑻= 𝑲𝒈 𝒅í𝒂 𝑫𝑩𝑶𝟓∗𝑬𝒅𝒂𝒅 𝒅𝒆𝒍 𝒇𝒂𝒏𝒈𝒐 𝑪𝑺𝑺 =𝟔𝟗 ∗𝟐𝟎 𝟐, 𝟓 =𝟓𝟓𝟐 𝒎𝟑 Obviamente, esta dimensión es demasiado grande para un solo tanque. Como se ha explicado, habrá que distribuir diferentes PTAR por la Base y así optimizar el tratamiento de las aguas residuales. Si dividimos este volumen entre 3, se obtiene una dimensión de 184 m3. Por lo tanto, la dimensión de los decantadores debe ser la misma pues tratarán el mismo caudal, 184 m3. Al haber elegido el decantador rectangular, las dimensiones elegidas serán las que se aprecian en la figura, en metros. Figura 11. Modelo decantador Primario/Secundario. Fuente: Propia. 33 ANEXO 9 DETALLE TUBERÍAS 50 Y 110 mm La diferencia de volumen, principalmente por los sólidos que contienen las aguas residuales, entre aguas negras y grises, tiene como consecuencia la necesidad de instalar dos tipos diferentes de tuberías de PVC. Sus principales características son similares, salvo el diámetro: Para aguas negras se utiliza una tubería de 110 mm de diámetro y para las grises de 50 mm. Actualmente, en aquellas Bases donde hay contenedores con las agua separadas, pero se carece de sistemas de tratamiento distintos, se anula una salida, generalmente la de las aguas grises, redirigiéndolas con las negras, mediante el empleo de una tubería en “Y”, como se muestra más abajo. De esta manera, se usa solamente un tipo de tubería, la de 110 mm. Figura 21. Detalle salida 110mm. Fuente: Propia. Figura 22. Uso de "Y" conectora. Fuente: Propia. 34 9. Lista de Tablas Tabla 1. Relación Nº de Usuarios/Dimensión de Fosa Séptica. Fuente: UPM . ..................... 9 Tabla 2. Virus en el agua. Fuente: CYTED. ..........................................................................27 Tabla 3. Comparación de Rellenos.......................................................................................31 35 10. Lista de Figuras Figura 1. Contenedor de Ablución. Fuente: Propia. ............................................................... 8 Figura 2. Prefabricado de Fangos Activos. Fuente: UPM. ....................................................10 Figura 3. Rellenos. Fuente: UNFAMED. ..............................................................................12 Figura 4. Filtro Horizontal. Fuente: Instituto Carlos Slim de la Salud. ...................................14 Figura 5. Filtro Vertical para aguas grises. Fuente: Fresno. Valves and Castings INC. ........15 Figura 6. Biogás producido por kg de M. Orgánica. Fuente: Imhoff. .....................................18 Figura 7. PAL. Fuente: Propia. .............................................................................................21 Figura 8. Retrete. Fuente: Propia. ........................................................................................25 Figura 9. Lavabos y duchas. Fuente: Propia. .......................................................................25 Figura 10. Duchas. Fuente: Propia. ......................................................................................25 Figura 11. Esquema de Tamiz Estático. Fuente: UPM. ........................................................28 Figura 12. Tamiz Estático. Fuente: UPM. .............................................................................28 Figura 13. Tamiz Rotativo. Fuente: UPM ..............................................................................28 Figura 14. Esquema de Tamiz Rotativo. Fuente: UPM. ........................................................28 Figura 15. Decantador circular (izquierda) y decantador vertical (derecha). Fuente: IMA. ....29 Figura 16. Decantador rectangular con rasquetas. Fuente: UPM. ........................................29 Figura 17. Esquema PTAR Fangos activos. Fuente: UPM. ..................................................30 Figura 18. Esquema Tanque de Aireación. Fuente: UPM. ....................................................30 Figura 19. Reactor de Lechos Bacterianos. Fuente: UPM. ...................................................31 Figura 20. Modelo decantador Primario/Secundario. Fuente: Propia. ...................................32 Figura 21. Detalle salida 110mm. Fuente: Propia. ................................................................33 Figura 22. Uso de "Y" conectora. Fuente: Propia. ................................................................33