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EVALUACIÓN DE UN HUMEDAL ARTIFICIAL COMO ALTERNATIVA PARA EL
TRATAMIENTO DE LAS AGUAS RESIDUALES DEL MACROPROYECTO CIUDAD
FLORECER, EN EL MUNICIPIO DE MOSQUERA - CUNDINAMARCA
EVALUACIÓN DE UN HUMEDAL ARTIFICIAL COMO ALTERNATIVA PARA EL
TRATAMIENTO DE LAS AGUAS RESIDUALES DEL MACROPROYECTO CIUDAD FLORECER, EN EL MUNICIPIO DE MOSQUERA - CUNDINAMARCA
JOHN ALBERTO GONZÁLEZ PUIN
LEIDY JOHANNA ACEVEDO RODRÍGUEZ
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNÓLOGICA
INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ D.C.
2018
EVALUACIÓN DE UN HUMEDAL ARTIFICIAL COMO ALTERNATIVA PARA EL
TRATAMIENTO DE LAS AGUAS RESIDUALES DEL MACROPROYECTO CIUDAD
FLORECER, EN EL MUNICIPIO DE MOSQUERA - CUNDINAMARCA
EVALUACIÓN DE UN HUMEDAL ARTIFICIAL COMO ALTERNATIVA PARA EL
TRATAMIENTO DE LAS AGUAS RESIDUALES DEL MACROPROYECTO
CIUDAD FLORECER, EN EL MUNICIPIO DE MOSQUERA - CUNDINAMARCA
PROYECTO DE GRADO EN MODALIDAD DE MONOGRAFÍA
TUTOR
CESAR AUGUSTO GARCÍA UBAQUE
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNÓLOGICA
INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ D.C.
2018
EVALUACIÓN DE UN HUMEDAL ARTIFICIAL COMO ALTERNATIVA PARA EL
TRATAMIENTO DE LAS AGUAS RESIDUALES DEL MACROPROYECTO CIUDAD
FLORECER, EN EL MUNICIPIO DE MOSQUERA - CUNDINAMARCA
NOTA DE ACEPTACIÓN
FIRMA DE JURADO
FIRMA DE JURADO
EVALUACIÓN DE UN HUMEDAL ARTIFICIAL COMO ALTERNATIVA PARA EL
TRATAMIENTO DE LAS AGUAS RESIDUALES DEL MACROPROYECTO CIUDAD
FLORECER, EN EL MUNICIPIO DE MOSQUERA - CUNDINAMARCA
AGRADECIMIENTOS
A nuestras familias y a todas aquellas personas que de alguna manera
colaboraron en esta investigación. A nuestro Director Ing. Cesar García Ubaque.
A la Universidad Distrital y toda su estructura, que nos formaron como ingenieros
capaces y eficientes para salir a la vida laboral y marcar una gran diferencia.
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TRATAMIENTO DE LAS AGUAS RESIDUALES DEL MACROPROYECTO CIUDAD
FLORECER, EN EL MUNICIPIO DE MOSQUERA - CUNDINAMARCA
1
RESUMEN
La preocupación por la contaminación del río Bogotá ha hecho que varias
entidades o fundaciones busquen nuevas alternativas para su tratamiento, como
solución se han elaborado varios sistemas para disminuir la concentración de
contaminantes en las aguas residuales.
Los humedales naturales por su capacidad de absorción, actúan como esponjas
que retienen el exceso de agua durante los periodos lluviosos, reservándolas para
temporadas secas, por lo que regula los efectos de las crecientes de los ríos y los
consecuentes riesgos de inundación. Así mismo, reduce la contaminación del
agua, pues las plantas lacustres propias del humedal retienen sedimentos y
metales pesados, por lo que funcionan como digestores de materia orgánica y
purificadores naturales de las aguas contaminadas; muchas veces estos
humedales se ven afectados por la sociedad donde son modificados o rellenados
causando daños a estos ecosistemas.
Los humedales artificiales compuestos por agua, plantas y microorganismos que
al integrarse contribuyen al tratamiento de las aguas residuales y reducen la
contaminación. La función principal es fijar físicamente los contaminantes en la
superficie del suelo junto con la materia orgánica, además de utilizar y transformar,
por medio de microorganismos los elementos.
Como resultado el proyecto busca tratar las aguas domesticas generadas por las
viviendas del proyecto ciudad florecer mediante un humedal artificial como
también mejorar la calidad ambiental con un mejoramiento paisajístico.
EVALUACIÓN DE UN HUMEDAL ARTIFICIAL COMO ALTERNATIVA PARA EL
TRATAMIENTO DE LAS AGUAS RESIDUALES DEL MACROPROYECTO CIUDAD
FLORECER, EN EL MUNICIPIO DE MOSQUERA - CUNDINAMARCA
2
ABSTRACT
Concern about the contamination of the Bogota River has caused several entities
or foundations to seek new alternatives for their treatment. As a solution, several
systems have been developed to reduce the concentration of contaminants in the
wastewater.
Natural wetlands, due to their absorption capacity, act as sponges that retain
excess water during rainy periods, reserving them for dry seasons, regulating the
effects of rising rivers and consequent flood risks. It also reduces water pollution,
as the lake's own wetland plants retain sediments and heavy metals, so they
function as digesters of organic matter and natural purifiers of contaminated water;
many times these wetlands are affected by society where they are modified or
replenished causing damage to these ecosystems1.
Artificial wetlands composed of water, plants and microorganisms that, when
integrated, contribute to the treatment of wastewater and reduce pollution. The
main function is to physically fix the contaminants on the soil surface together with
the organic matter, in addition to using and transforming, through microorganism,
the elements2.
As a result, the project seeks to treat the domestic water generated by the housing
of the city project flourish through an artificial wetland as well as improve
environmental quality with a landscape improvement.
EVALUACIÓN DE UN HUMEDAL ARTIFICIAL COMO ALTERNATIVA PARA EL
TRATAMIENTO DE LAS AGUAS RESIDUALES DEL MACROPROYECTO CIUDAD
FLORECER, EN EL MUNICIPIO DE MOSQUERA - CUNDINAMARCA
CONTENIDO
1 1INTRODUCCIÓN ........................................................................................... 1
2 JUSTIFICACIÓN .............................................................................................. 3
3 OBJETIVOS ..................................................................................................... 5
3.1 OBJETIVO GENERAL ............................................................................... 5
3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ...................................................................... 5
4 SITUACIÓN PROBLEMÁTICA ......................................................................... 6
5 MARCO CONCEPTUAL .................................................................................. 7
5.1 LOCALIZACIÓN ......................................................................................... 7
5.2 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO ............................................................. 9
5.2.1 PAISAJISMO Y EQUIPAMIENTOS ..................................................... 9
5.2.2 ESTRUCTURA ECOLÓGICA PRINCIPAL ........................................ 10
5.2.3 TOPOGRAFÍA ................................................................................... 11
5.2.4 GEOLOGÍA Y SUELOS ..................................................................... 12
5.2.5 HIDRÁULICA E HIDROLOGÍA .......................................................... 13
5.3 EL AGUA .................................................................................................. 14
5.3.1 EL AGUA RESIDUAL ........................................................................ 15
5.4 TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES ............................................ 16
5.4.1 CARACTERÍSTICAS IMPORTANTES EN AGUAS RESIDUALES ... 16
5.5 SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES ................... 20
5.5.1 PRETRATAMIENTO .......................................................................... 21
5.5.2 TRATAMIENTO PRIMARIO .............................................................. 26
5.5.3 TRATAMIENTO SECUNDARIO ........................................................ 29
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TRATAMIENTO DE LAS AGUAS RESIDUALES DEL MACROPROYECTO CIUDAD
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5.5.4 LECHOS DE SECADO ...................................................................... 46
5.6 NORMATIVIDAD ...................................................................................... 47
5.6.1 PERMISOS DE VERTIMIENTO ........................................................ 49
6 PARÁMETROS DE DISEÑO ......................................................................... 54
6.1 NIVEL DE COMPLEJIDAD DEL SISTEMA .............................................. 54
6.2 PERÍODO DE DISEÑO ............................................................................ 54
6.3 CAUDALES .............................................................................................. 55
6.3.1 CAUDAL MEDIO DIARIO DE AGUAS RESIDUALES (QMD) ........... 55
6.3.2 CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS (QD) ................ 55
6.3.3 CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES (QI) ............... 56
6.3.4 CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES COMERCIALES (QC) .............. 57
6.3.5 CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES INSTITUCIONALES (QIN)........ 58
6.4 SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES ................... 58
6.4.1 PRETRATAMIENTO .......................................................................... 58
6.4.2 TRATAMIENTO PRIMARIO .............................................................. 65
6.4.3 TRATAMIENTO SECUNDARIO ........................................................ 69
6.4.4 LECHOS DE SECADO ...................................................................... 72
7 DISEÑO DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES ..... 74
7.1 ASIGNACIÓN DEL NIVEL DE COMPLEJIDAD ....................................... 74
7.2 ASIGNACIÓN DEL PERIODO DE DISEÑO ............................................. 74
7.3 CÁLCULO DEL CAUDAL MEDIO DIARIO (QMD) ..................................... 74
7.4 CANAL RECOLECTOR Y LA REJILLA .................................................... 77
7.4.1 DATOS PROPUESTOS .................................................................... 77
7.4.2 ASIGNACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE DISEÑO ....................... 77
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7.4.3 DISEÑO ............................................................................................. 78
7.5 DESARENADOR...................................................................................... 81
7.5.1 DATOS PROPUESTOS .................................................................... 81
7.5.2 ASIGNACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE DISEÑO ....................... 82
7.5.3 DISEÑO ............................................................................................. 82
7.6 TANQUE SEDIMENTADOR .................................................................... 93
7.6.1 DATOS PROPUESTOS .................................................................... 93
7.6.2 ASIGNACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE DISEÑO ....................... 94
7.6.3 DISEÑO ............................................................................................. 95
7.7 HUMEDAL ARTIFICIAL ......................................................................... 102
7.7.1 DATOS PROPUESTOS .................................................................. 102
7.7.2 ASIGNACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE DISEÑO ..................... 103
7.7.3 DISEÑO ........................................................................................... 104
7.8 LECHOS DE SECADO .......................................................................... 108
7.8.1 DATOS PROPUESTOS .................................................................. 108
7.8.2 ASIGNACIÓN DE PARÁMETROS DE DISEÑO.............................. 108
7.8.3 DISEÑO ........................................................................................... 109
7.9 UBICACIÓN Y CONDUCCIÓN DE LAS AGUAS TRATADAS ............... 111
7.9.1 VERTIMIENTO AL RÍO BOGOTÁ ................................................... 111
7.10 DIAGNOSTICO Y RENDIMIENTO DEL SISTEMA ............................. 112
7.10.1 DIAGNOSTICO DEL PROCESO DE DEPURACIÓN ................... 113
7.10.2 RENDIMIENTO DEL PROCESO DE DEPURACION ................... 113
8 CONCLUSIONES ........................................................................................ 119
9 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................ 121
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LISTA DE TABLAS
Tabla 1 Total de habitantes proyectados para el Macroproyecto ............................ 9
Tabla 2 Clasificación de las aguas residuales ....................................................... 16
Tabla 3 Tipos de sedimentación ............................................................................ 27
Tabla 4 Clasificación de tanques de sedimentación .............................................. 28
Tabla 5 Especies más utilizadas ........................................................................... 45
Tabla 6 Asignación del nivel de complejidad ......................................................... 54
Tabla 7 Período de diseño según el nivel de complejidad del sistema ................. 55
Tabla 8 Coeficiente de retorno de aguas residuales domésticas .......................... 55
Tabla 9 Dotación por habitante según el nivel de complejidad del sistema .......... 56
Tabla 10 Contribución de aguas residuales - industrias pequeñas ....................... 57
Tabla 11 Características de rejillas de barras ....................................................... 59
Tabla 12 Clasificación de las rejillas ...................................................................... 60
Tabla 13 Criterios de factores de forma ................................................................ 60
Tabla 14 Geometría de los sedimentadores primarios .......................................... 66
Tabla 15 Parámetros de la pantalla difusora ......................................................... 67
Tabla 16 Estándares de diseño para sedimentadores primarios........................... 68
Tabla 17 Criterios para humedales de flujo subsuperficial .................................... 70
Tabla 18 Características típicas del medio para humedales ................................. 70
Tabla 19 Características de agua doméstica típica ............................................... 71
Tabla 20 Datos de la capa de lodo ........................................................................ 72
Tabla 21 Parámetros del lecho de secado ............................................................ 72
Tabla 22 Parámetros asignados para calcular QD ................................................. 74
Tabla 23 Parámetros asignados para calcular QI .................................................. 75
Tabla 24 Parámetros asignados para calcular QC ................................................. 75
Tabla 25 Parámetros para para calcular QIN ......................................................... 76
Tabla 26 Concentraciones Máximas Permisibles ................................................ 113
Tabla 27 Rendimiento Pretratamiento ................................................................. 114
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Tabla 28 Rendimiento tratamiento primario......................................................... 116
Tabla 29 Rendimiento tratamiento secundario .................................................... 117
Tabla 30 Eficiencia total del sistema propuesto .................................................. 118
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LISTA DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1 Localización regional ........................................................................... 7
Ilustración 2 Localización Macroproyecto ................................................................ 8
Ilustración 3 Ubicación predios Macroproyecto Mosquera ...................................... 8
Ilustración 4 Paisajismo Ciudad Florecer .............................................................. 10
Ilustración 5 Imagen predios Macroproyecto ......................................................... 11
Ilustración 6 Canal recolector con by-pass ............................................................ 22
Ilustración 7 Rejilla de limpieza manual ................................................................ 23
Ilustración 8 Desarenador ..................................................................................... 24
Ilustración 9 Vertedero sutro ................................................................................. 25
Ilustración 10 Trampa de grasas ........................................................................... 26
Ilustración 11 Sedimentador rectangular convencional ......................................... 29
Ilustración 12 Tipos de Humedales Artificiales ...................................................... 31
Ilustración 13 Plantas acuáticas comunes ............................................................ 32
Ilustración 14 Tipos de humedales para el tratamiento de aguas residuales ........ 33
Ilustración 15 Sección transversal de un sistema de flujo subsuperficial .............. 35
Ilustración 16 Esquema típico de planta emergente .............................................. 41
Ilustración 17 Typha .............................................................................................. 42
Ilustración 18 Detalle distancia entre Espadañas .................................................. 43
Ilustración 19 Scirpus ............................................................................................ 43
Ilustración 20 Phragmites ...................................................................................... 44
Ilustración 21 lecho típico de secado .................................................................... 47
Ilustración 22 Localización general de los ríos Bogotá y Balsillas ......................... 49
Ilustración 23 Variación de niveles ........................................................................ 50
Ilustración 24 Sección Típica Río Bogotá .............................................................. 51
Ilustración 25 Localización ríos Bogotá y Balsillas ................................................ 52
Ilustración 26 Río Balsillas .................................................................................... 53
Ilustración 27 Río Bogotá ...................................................................................... 53
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FLORECER, EN EL MUNICIPIO DE MOSQUERA - CUNDINAMARCA
Ilustración 28 Sección parabólica .......................................................................... 63
Ilustración 29 Detalle vertedero sutro .................................................................... 65
Ilustración 30 Sedimentador convencional ............................................................ 66
Ilustración 31 Río Balsillas ................................................................................. 112
Ilustración 32 Concentración pretratamiento ....................................................... 115
Ilustración 33 Concentración tratamiento primario .............................................. 116
Ilustración 34 Concentración tratamiento secundario .......................................... 117
Ilustración 35 Eficiencia total ............................................................................... 118
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I
GLOSARIO
Agua Residual: Son aguas resultantes de diversas actividades domésticas,
industriales y comunitarias. Su importancia es tal que requiere sistemas de
canalización, tratamiento y desalojo. Su tratamiento nulo o indebido genera
graves problemas de contaminación.
Caudal a tratar: Es el volumen de agua residual por unidad de tiempo que va a
entrar en la estación depuradora (humedal artificial).
Caudal máximo horario: Caudal a la hora de máxima descarga.
Caudal medio: Caudal medio anual.
Criterios de Diseño: Normas o guías de ingeniería que especifican objetivos,
resultados o límites que deben cumplirse en el diseño de un proceso o
componente de un sistema.
Demanda Biológica de Oxigeno (DBO): Es un parámetro que mide la cantidad
de dioxigeno consumido al degradar la materia orgánica de una muestra líquida.
Demanda Química de Oxigeno: Es un parámetro que mide la cantidad se
sustancias susceptibles de ser oxidadas por medios químicos que hay disueltas o
en suspensión en una muestra líquida.
Disposición final: Disposición del efluente de una planta de tratamiento o de los
lodos tratados por algún mecanismo.
Efluente: Liquido que sale de un proceso de tratamiento.
Flujo Sub superficial: Corriente de fluido por debajo de la superficie.
Flujo Superficial: Corriente de fluido por encima de la superficie.
Jarillón: Estructura hidráulica compuesta de uno o varios materiales sueltos que
tiene dentro de sus funciones el almacenamiento de agua para el agrícola, sirve
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II
de contención a aguas para la prevención de inundaciones, para el mantenimiento
de los niveles de los canales.
Macroproyecto: Garantizan la habilitación del suelo para la construcción de
vivienda y otros usos asociados a la vivienda y la correspondiente infraestructura
de soporte para el sistema vial, de transporte, de servicios y espacios públicos y
equipamientos colectivos.
Oxígeno disuelto: Concentración de oxígeno medida en un líquido por debajo de
la saturación, su importancia para la vida acuática se debe a que, en los casos en
que su nivel este por debajo de 4 mg/L, se pueden producir efectos nocivos en
especies aerobias, es decir aquellas que necesiten oxígeno para sobrevivir.
Pretratamiento: Procesos de tratamiento localizados antes del tratamiento
primario.
Sedimentación: Proceso de clarificación de las aguas residuales mediante la
precipitación de la materia orgánica.
Sólidos Suspendidos: Pequeñas partículas de sólidos dispersas en el agua, no
disueltas. Componentes orgánicos e inorgánicos presentes en el agua, su unidad
de medida es mg por litro.
Tratamiento Primario: Tratamiento en el que se remueve una porción de los
sólidos suspendidos y de la materia orgánica del agua residual. El efluente de
este tratamiento usualmente contiene alto contenido de materia orgánica y una
DBO relativamente alta
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III
GLOSARIO DE SIGLAS
CAR: Corporación Autónoma Regional
CF: Macroproyecto Ciudad Florecer
DBO: Demanda Biológica de Oxigeno.
DQO: Demanda Química de Oxigeno.
FWS: Sistema de Flujo Superficial
GPS: Sistema de Posicionamiento Global, por sus siglas en inglés (Global
Positioning System)
OD: Oxígeno Disuelto
RAS: Reglamento Técnico del Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico
SFS: Sistema de Flujo Subsuperficial.
SS: Sólidos Suspendidos
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1
1 1INTRODUCCIÓN
El Macroproyecto Ciudad Florecer tiene como objetivo presentar una solución
urbana integral, que articule el desarrollo de usos logísticos y vivienda, en
particular vivienda de interés social en el municipio de Mosquera – Cundinamarca.
Ciudad Florecer aportará un área de 555.578 m2 para el desarrollo de vivienda de
interés social a través de una intervención urbanística planificada que promueve la
competitividad, generando sinergias entre el desarrollo social y el económico, que
derivarán en una mejor calidad de vida para sus habitantes y la región.
Es así como el proyecto constituye una importante alternativa para avanzar en la
solución de los problemas de hábitat de la región como el déficit habitacional.
La propuesta urbanística del Macroproyecto Ciudad Florecer se encuentra definida
por el aprovechamiento de las áreas de protección ambiental presentes en su
territorio. Es decir, por el aprovechamiento paisajístico y de protección que estas
áreas generan a los usos del Macroproyecto.
Es aquí donde surge la necesidad de implementar un sistema capaz de tratar las
aguas residuales que serán generadas por el proyecto, para así evitar problemas
ambientales de saneamiento básico (salud, contaminación de suelos, aguas
subterráneas, etc.) principalmente en la conservación y protección de las
estructuras ecológicas que articulan ambientalmente en el proyecto como lo son el
Cerro Gordo, los cuerpos de agua del Río Balsillas, Río Bogotá y Canal Victoria.
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2
Los humedales artificiales compuestos por agua, plantas y microorganismos que
al integrarse contribuyen al tratamiento de las aguas residuales y reducen la
contaminación. La función principal es fijar físicamente los contaminantes en la
superficie del suelo junto con la materia orgánica, además de utilizar y transformar,
por medio de microrganismo los elementos (1).
Teniendo en cuenta lo anterior se evalúa si es factible económica y técnicamente
realizar el tratamiento de las aguas residuales para el Macroproyecto Ciudad
Florecer (MCF) con aproximadamente 50.000 habitantes mediante un humedal
artificial de flujo subsuperficial.
En primera instancia se recopilo toda la información necesaria para presentar la
definición y el diseño del sistema de tratamiento de las aguas residuales y del
humedal artificial donde se mostrarán los principales criterios de acuerdo con la
norma RAS – 2000 y los criterios de diseño propuestos por Jairo Alberto Rojas
Romero – Tratamiento de aguas residuales Teoría y principios de diseño.
Posteriormente se evaluará por medio del método de diseño de Romero la
factibilidad del humedal artificial para el Macroproyecto donde se determinará el
dimensionamiento de las estructuras necesarias para el tratamiento de las aguas
residuales del proyecto como también los costos.
Finalmente se presentarán memorias de cálculo, planos, conclusiones y
recomendaciones pertinentes de la evaluación del sistema de tratamiento.
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3
2 JUSTIFICACIÓN
En la actualidad el panorama ambiental se encuentra en un estado crítico por la
contaminación y por los desastres naturales provocados por el hombre. Es por
esta razón que nos vemos obligados a fomentar procesos que nos ayuden a
disminuir el impacto negativo que trae consigo el desarrollo de la industria de la
construcción (2).
En el pasado, las acciones de los procesos naturales de autodepuración eran
suficientes para controlar el efecto de contaminantes vertidos en los cuerpos de
agua, sin embargo, el causal del crecimiento en cuanto al uso del agua en los
diversos sectores (domésticos, comerciales, de servicios, industriales, agrícolas y
pecuarios) la capacidad natural de dichos cuerpos ha sido superada causando la
degradación del ambiente. Lo anterior ha provocado la necesidad de investigar,
analizar y proponer soluciones que mitiguen esta problemática (3).
Al observar las capacidades de remoción de contaminantes en los humedales se
diseñaron sistemas artificiales que funcionaban como filtros biológicos para
retener los sedimentos, nutrientes y otros contaminantes además de eliminar
organismos patógenos y fijar minerales como el fosforo (P) y el nitrógeno (N);
entre sus funciones se pueden mencionar el almacenamiento y purificación del
agua, así como la conservación de acuíferos (3).
Los humedales artificiales son estanques o cauces poco profundos donde se
controla la cantidad de agua a tratar, así como la poda, extracción y disposición de
la vegetación (ya que, al morir esta libera contaminantes en su proceso de
descomposición).
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4
Un humedal se puede construir en cualquier sitio, generalmente funciona por
gravedad en un sistema tipo cascada pasando el agua residual por diferentes
etapas de tratamiento hasta lograr su depuración, cabe señalar que los humedales
artificiales se logran remociones superiores al 80%, además de proporcionar
beneficios intangibles ya que mejoran el paisajismo del lugar en donde se
encuentran (4).
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5
3 OBJETIVOS
3.1 OBJETIVO GENERAL
Estudiar la factibilidad técnica, económica y ambiental de implementar un humedal
artificial para tratar las aguas residuales domésticas causada por el desarrollo del
proyecto de vivienda Ciudad Florecer.
3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Analizar los componentes básicos de un humedal artificial.
Realizar el diseño de humedad artificial por el método de Jairo Romero para
el tratamiento de aguas residuales.
Minimizar el impacto ambiental causado al río Bogotá por causa del
proyecto de vivienda Ciudad Florecer.
Evaluar el sistema de tratamiento para aguas residuales domésticas.
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6
4 SITUACIÓN PROBLEMÁTICA
El desarrollo y proceso de urbanización del país plantea retos importantes para la
sociedad y el gobierno, entre ellos se destaca el problema ambiental como
también la contaminación atmosférica, la proliferación de residuos sólidos y
peligrosos, la contaminación del agua, así como la invasión y modificación de
territorios de conservación y recarga de acuíferos; problemas que tienen
importancia en las ciudades y municipios del país.
El proyecto mitigaría algunos problemas como lo son:
La contaminación ambiental
La contaminación del Río Bogotá
La contaminación del Río Balsillas
La contaminación y preservación de Cerro Gordo
Es desde este punto que se evalúa la factibilidad de desarrollar un humedal
artificial, que trate las aguas residuales del Macroproyecto Ciudad Florecer.
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7
5 MARCO CONCEPTUAL
5.1 LOCALIZACIÓN
El Macroproyecto Ciudad Florecer se ubica en la Sabana de Bogotá, en el
Municipio de Mosquera, colindante con los municipios de Soacha, Funza y Madrid
en el departamento de Cundinamarca.
Ilustración 1 Localización regional
Fuente: Elaboración propia
El globo de terreno en el que se desarrollará el MCF se desarrollará en predios
ubicados al sur-occidente de la ciudad de Bogotá, en el Municipio de Mosquera,
específicamente en la vereda Balsillas, clasificada como zona rural,
aproximadamente 9 Km al suroccidente del casco urbano.
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8
Ilustración 2 Localización Macroproyecto
Fuente: Elaboración Propia
El globo de terreno se encuentra ubicado en el borde del perímetro del municipio,
entre el Río Balsillas, el Río Bogotá, el Canal Victoria y el Cerro Gordo, colindando
por el norte con los predios Amargosal, Lomas de las goteras, La Porquera; por el
sur, con el municipio de Soacha, el Río Bogotá, canoas y Fute; por el oriente, con
la Hacienda Playón; por el occidente, con el predio Amargosal (5).
Ilustración 3 Ubicación predios Macroproyecto Mosquera
Fuente: Elaboración propia sobre Google Earth
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9
5.2 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO
El MCF se desarrollará en una plataforma logística que contempla diversos usos y
que permite conectarse con los corredores principales del país al aprovechar la
localización estratégica para conectar a Bogotá y su región con los corredores de
comercio más importantes del país (5).
El desarrollo urbanístico del proyecto contemplara los instrumentos de planeación,
financiación y gestión del suelo establecidos en la ley 388 de 1997 y el decreto
4260 de 2007, que tiene como objetivo primordial permitir la ejecución de la
operación urbanística integral de provisión y desarrollo de vivienda que contribuye
al desarrollo territorial de la región Sabana de Occidente, especialmente del
Municipio de Mosquera y al objetivo que busca el Gobierno Nacional, de habilitar
suelo para vivienda, prioritariamente de interés social y construir infraestructuras y
equipamientos que garanticen un desarrollo local y nacional de calidad (5).
5.2.1 PAISAJISMO Y EQUIPAMIENTOS
La definición de los espacios de equipamientos se basó en el cálculo de la
población total que acogerá Ciudad Florecer una vez desarrollada el 100% de la
construcción, la cual evidenciamos en la siguiente tabla (5):
Tabla 1 Total de habitantes proyectados para el Macroproyecto
ÁREA NETA URBANIZABLE 1.665.146,88
Unidades de Vivienda 14.500
Total de Habitantes 50.300
Fuente: DTS Macroproyecto Ciudad Florecer
En el siguiente esquema identificamos los usos por zonas que destinarán en el
proyecto, este desarrollo se realizará por etapas:
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Ilustración 4 Paisajismo Ciudad Florecer
Fuente: Elaboración Propia
5.2.2 ESTRUCTURA ECOLÓGICA PRINCIPAL
El MCF se desarrollará en un marco de sostenibilidad, para lo cual se identificaron
la red de espacios y corredores que sostienen y conducen la biodiversidad y los
procesos ecológicos esenciales a través del territorio y que componen su
Estructura Ecológica (5):
Áreas de rondas de los ríos Bogotá, Balsillas y Canal Victoria. Son objeto
de preservación, conservación y restauración.
Área de infiltración y recarga de acuíferos de Cerro Gordo.
Área Arqueológica o Histórica Cultural.
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Parques
El MCF cuenta con cinco parques principales:
Parque lineal Río Bogotá
Parque lineal Río Balsillas
Parque Florecer
Parque los Cerezos
Parque Paisajístico Cerro Gordo
(VER ANEXO N° I)
5.2.3 TOPOGRAFÍA
El estudio topográfico desarrolló un plano de la topografía, con base en la realidad
vista en campo identificando las formas de relieve, predios, viviendas y redes de
servicios públicos para los predios que integran el MCF (ver ilustración 5). Se
utilizaron imágenes digitales y el sistema de posicionamiento geográfico global
(GPS), con el cual se tomaron datos para 4 puntos coordenados GPS1, DX05,
ALO-13 y ALO-11, para cada una de ellos se capturó información en cuanto a su
poligonal inicial en tiempos comprendidos desde 48 minutos hasta 1 hora y 59
minutos (5).
Ilustración 5 Imagen predios Macroproyecto
Fuente: Elaboración Propia
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El terreno se encuentra en un 66% con pendientes menores al 25%, el 7% tiene
pendientes entre el 25 y 35% y el 27% se encuentra con pendientes mayores al
35%. El predio se desarrolla entre las cotas 2540 y 2545 m sobre el nivel del mar
en el área plana y el área de montaña se encuentra entre las cotas 2545 y 2770 m
sobre el nivel del mar (5).
(VER ANEXO N° II)
5.2.4 GEOLOGÍA Y SUELOS
De acuerdo con los resultados del análisis geológico y geomorfológico y de las
perforaciones realizadas en el predio, es posible dividir el terreno donde se hará el
MCF en dos zonas claramente definidas (5):
Zona 1 o Zona de Montaña: Zona media y alta del Cerro Gordo se exponen
niveles de roca de la formación Labor – tierna. En general esta zona no
presenta evidencias recientes de la presencia de movimientos en masa de
gran extensión o erosión externa, no obstante, a que hay afloramientos del
macizo rocoso que se encuentran muy fracturados generando caída de
bloques, este proceso se debe tener en cuenta al momento de considerar la
ubicación de alguna estructura.
Zona 2 o Zona Plana: Conformadas por capas gruesas de areniscas, con
capas muy delgadas de acrillolitas, liditas, limolitas y en menor proporción
areniscas de grano muy fino. En esta zona se hará el desarrollo
urbanístico, se encontraron depósitos lacustres típicos de la formación de la
sabana y que están constituidos por arcillas, limos arcillosos y arenosos
intercalados con capas delgadas de arenas gruesas.
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5.2.5 HIDRÁULICA E HIDROLOGÍA
Los resultados de los estudios arrojaron que la precipitación media multianual
varía desde 900 mm para las partes altas del área, hasta valores entre 600 y 700
mm en la parte plana de la cuenca del río Balsillas, registrándose el periodo de
lluvias entre los meses de abril a mayo con un porcentaje de precipitación anual
de 11.5% y octubre a noviembre con un porcentaje del 13.5%, siendo octubre el
mes de mayor precipitación (5).
Escorrentía
De acuerdo a la geomorfología del área de estudio, las corrientes superficiales son
de tipo dendrítico, también es muy común observar cauces intermitentes en
períodos de lluvia. La dinámica fluvial subterránea tiene la misma orientación de
las corrientes superficiales, la cual está determinada por la conformación
geomorfológica del área, representada por Cerro Gordo y valle semiplano del río
Balsillas.
Riesgo de Inundación
El área donde se desarrollará el MCF queda en una zona baja susceptible de
inundación que está protegida por medio de jarillones. La elevación de la mayor
parte del jarillón que se desarrolla a lo largo del río Balsillas, corresponde a la cota
2542 m. La Corporación Autónoma Regional (CAR) adelanta los diseños para las
obras de adecuación hidráulica del río Bogotá, los cuales recomiendan que el
jarillón tenga una cota en la corona de 2543.15 m en la zona del proyecto.
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5.3 EL AGUA
El agua es un compuesto químico muy estable, formado por átomos de hidrogeno
y oxígeno, de formula H2O. El agua es inodora, insípida e incolora, y su enorme
presencia en la Tierra (el 71% de ésta se encuentra cubierta de agua) determina
en buena parte la existencia de vida en nuestro planeta (6).
El agua es la única sustancia que existe a temperaturas ordinarias en los tres
estados de la materia. Existe en estado sólido como hielo, encontrándose en los
glaciares y casquetes polares, y en forma de nieve, granizo y escarcha (6).
Como líquido se halla en las nubes de lluvia formadas por gotas de agua, en forma
de rocío en la vegetación, y en océanos, mares, lagos, ríos, etc. Como gas, o
vapor de agua, existe en forma de niebla, vapor y nubes (6).
Pero el agua no es sólo importante para el consumo del ser humano, sino que
también tiene que ver con permitir la existencia de un complejo número de seres
vivos. En primer lugar, el agua es uno de los alimentos más importantes de los
vegetales, por lo cual el agua que llega a través del riego o de la lluvia es la
responsable del crecimiento de todo tipo de plantas y de la vegetación que existe
en el planeta. Por otro lado, el agua es consumida por los animales y sirve
entonces también como un elemento natural de vital importancia para el desarrollo
de los mismos (7).
A nivel mundial, 1.700 millones de personas carecen de acceso a agua potable y
3.300 no disponen de servicios de saneamiento adecuados. Los problemas de
acceso al agua potable causan más de 3.350 millones de casos anuales de
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enfermedades. Según la Organización Mundial de la Salud (OMS), el 80% de las
enfermedades más comunes en las regiones en desarrollo (diarreas, fiebres,
dengue, malaria, etc.) están relacionadas con la calidad del agua (8).
5.3.1 EL AGUA RESIDUAL
Se consideran Aguas Residuales a los líquidos que han sido utilizados en las
actividades diarias de una ciudad (domésticas, comerciales, industriales y de
servicios). Comúnmente las aguas residuales suelen clasificarse como (9):
Aguas Residuales Municipales. Residuos líquidos transportados por el
alcantarillado de una ciudad o población y tratados en una planta de
tratamiento municipal
Aguas Residuales Industriales. Las Aguas Residuales provenientes de las
descargas de Industrias de Manufactura
Otra forma de denominar a las Aguas Residuales es en base al contenido de
contaminantes que esta porta, así se conocen como (9):
Aguas negras a las Aguas Residuales provenientes de inodoros, es decir,
aquellas que transportan excrementos humanos y orina, ricas en sólidos
suspendidos, nitrógeno y coliformes fecales
Aguas grises a las Aguas Residuales provenientes de tinas, duchas,
lavamanos y lavadoras, que aportan sólidos suspendidos, fosfatos, grasas y
coliformes fecales, esto es, aguas residuales domésticas, excluyendo las de
los inodoros
Aguas negras industriales a la mezcla de las aguas negras de una industria
en combinación con las aguas residuales de sus descargas. Los
contaminantes provenientes de la descarga están en función del proceso
industrial, y tienen la mayoría de ellos efectos nocivos a la salud si no existe
un control de la descarga.
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5.4 TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
El tratamiento de aguas residuales o aguas negras involucra una serie de pasos,
cada uno de gran importancia en el proceso de depuración del agua de
contaminantes obtenidos por su utilización en las diferentes actividades de la vida
diaria. En general las aguas residuales se clasifican de la siguiente manera (10):
Tabla 2 Clasificación de las aguas residuales
CLASIFICACIÓN ORIGEN
Aguas Residuales
Domésticas (ARD)
Provenientes de las actividades domésticas de la vida diaria como lavado
de ropa, baño, preparación de alimentos, limpieza, etc. Estos desechos
presentan un alto contenido de materia orgánica, detergentes y grasas. Su
composición varía según los hábitos de la población que los genera.
Aguas Lluvias (ALL)
Originadas por el escurrimiento superficial de las lluvias que fluyen desde
los techos, calles, jardines y demás superficies del terreno. Los primeros
flujos de ALL son generalmente muy contaminados debido al arrastre de
basura y demás materiales acumulados en la superficie. La naturaleza de
esta agua varía según su procedencia: zonas urbanas, rurales, semirurales
y aún dentro de estas zonas se presentan enormes variaciones según el
tipo de actividad o uso del suelo que se tenga.
Residuos Líquidos
Industriales (RLI)
Provenientes de los diferentes procesos industriales. Su composición varía
según el tipo de proceso industrial y aún para un mismo proceso industrial,
se presentan características diferentes en industrias diferentes. Los RLI
pueden ser alcalinos o ácidos, tóxicos, coloreados, etc., su composición
refleja el tipo de materias primas utilizado dentro del proceso industrial.
Fuente: Elaboración propia
5.4.1 CARACTERÍSTICAS IMPORTANTES EN AGUAS RESIDUALES
Las aguas residuales se caracterizan por su composición física, química y
biológica. Estas características son parámetros importantes para el tipo de
tratamiento, así como para la gestión técnica de la calidad ambiental (10).
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5.4.1.1 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS
Color
Las aguas residuales domésticas frescas son generalmente de color gris y a
medida que el agua envejece cambia a color gris oscuro y luego a negro. El color
negro de las aguas residuales sépticas es producido principalmente por la
formación de sulfuros metálicos (10).
Temperatura
Es un parámetro importante en aguas residuales por su efecto sobre las
características del agua, sobre las operaciones y procesos de tratamiento, así
como sobre el método de disposición final. En general, las aguas residuales son
más cálidas que las de abastecimiento (10).
Olor
El olor de un agua residual fresca y bien tratada es inofensivo, razonablemente
soportable, similar al del moho. Pero cuando el proceso de degradación de
contaminantes se realiza en condiciones anaerobias, existe una amplia gama de
olores desagradables que son liberados (3).
Turbidez
Se define a la turbidez de una muestra de agua, como medida de la pérdida de su
transparencia, ocasionada por el material particulado o en suspensión que arrastra
la corriente de agua. Este material puede consistir en arcillas, limos, algas, etc.,
que se mantienen en suspensión debido a la fuerza de arrastre de la corriente o a
su naturaleza coloidal. Una elevada turbidez puede afectar el proceso de
depuración de aguas de la siguiente forma (3)
Protegiendo a los microorganismos patógenos de los efectos de la
desinfección por acción de la luz solar.
Estimulando la proliferación de bacterias.
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Disminuyendo la capacidad de fotosíntesis de plantas acuáticas y
zooplancton.
Sólidos Totales
Los sólidos totales son la materia que se obtiene como residuo después de
someter al agua a una temperatura entre 103 °C y 105 °C hasta que se evapore,
se expresan comúnmente en mL/L (3).
Compuestos orgánicos volátiles
En aguas residuales es común encontrar compuestos orgánicos volátiles, los
cuales al ser emitidos a la atmosfera pueden construirse en contaminantes tóxicos
para los usuarios o en gases orgánicos altamente reactivos.
5.4.1.2 CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS
Materia orgánica
Los sólidos suspendidos de un agua residual pueden contener un75% de materia
orgánica; los sólidos disueltos un 40%. La materia orgánica de las aguas
residuales es una combinación de carbono, hidrogeno, oxígeno y nitrógeno
(CHON) principalmente; con las proteínas (40% - 60%), los carbohidratos (25 –
50%) y las grasas y aceites (10%) como grupos más importantes (10).
Aceites y Grasas
Se consideran grasas y aceites los compuestos de carbono, hidrógeno, y oxígeno
que flotan en el agua residual, recubren las superficies con las cuales entran en
contacto, causan iridiscencia y problemas de mantenimiento e interfieren con la
actividad biológica ya que son difíciles de degradar (10).
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Metales Pesados
Entre los metales presados se destacan la plata, bario, cadmio, cromo, cobre,
cobalto, níquel, plomo, zinc, hierro, mercurio, titanio, vanio, niobio, molibdeno y
magnesio.
Características de los metales pesados:
Densidad relativa del metal mayor de 4 o 5
La localización dentro de la tabla periódica
La Respuesta específica zoológica o botánica
La toxicidad del elemento
Detergentes
Son compuestos constituidos por moléculas orgánicas grandes, polares, solubles
en agua y aceites que tienen la propiedad de disminuir la tensión superficial de los
líquidos en que se hallan disueltas. Generalmente se fabrican mediante la mezcla
del detergente o agente tensoactivo con sales sódicas como sulfatos, fosfatos,
carbonatos, silicatos o boratos. Los detergentes son ampliamente usados y
existen en las aguas residuales. Su presencia disminuye la tensión superficial del
agua y favorece la formación de espumas, aun en bajas concentraciones (10).
Fósforo (P)
Como el nitrógeno, es esencial para el crecimiento de protistas y plantas. En
aguas residuales domésticas el contenido de fósforo oscila entre 6 y 20 mg/L; las
formas usuales son los ortofosfatos, polifosfatos y fosfatos orgánicos (10).
Potencial Hidrógeno (PH)
Medida de la concentración de ion hidrógeno en el agua, expresada como el
logaritmo negativo de la concentración molar de ion hidrógeno, aguas en
concentración adversa del ion hidrógeno son difíciles de tratar biológicamente.
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aguas residuales con pH menor de 6, en tratamiento biológico favorecen el
crecimiento de hongos sobre las bacterias.
Nitrógeno (N)
Nutriente esencial para el crecimiento de protista y plantas. Las formas de interés
en aguas residuales son las de nitrógeno orgánico, nitrógeno amoniacal, nitrógeno
de nitritos y nitratos. Todas las formas interconvertibles bioquímicamente y
componentes de ciclo del nitrógeno. En aguas residuales domésticas la
concentración de nitrógeno total puede ser de 30 a 100 mg/L, 5 a 15 g/c.d; la de
nitrógeno amoniacal de 5 a 20 mg/L, 1 a 3 g/c.d; los nitritos y nitratos menor de 1
mg/L, menor de 1 g/c.d (10).
5.4.1.3 CARACTERÍSTICAS BIOLÓGICAS
Coliformes
El hombre arroja diariamente en sus excrementos entre 109 y 4x1011 coliformes,
por tanto, su presencia puede detectarse con facilidad y utilizarse como norma de
control sanitario. En la remoción de coliforme tienen efecto principal el tiempo de
retención, la temperatura, la radiación ultravioleta, la concentración algar y el
consumo de protozoos, rotíferos y dafnias. Con excepción de algunas cepas de
coliformes fecales enteropatogenos que causan diarrea, los coliformes no son
patógenos para el hombre. Sin embargo, los coliformes pueden aceptar y transferir
genes resistentes a las drogas, por lo cual hacen necesaria su eliminación (10).
5.5 SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
Los sistemas de tratamiento para aguas residuales se diseñan con la finalidad de
remover sólidos suspendidos, DBO, microorganismos, patógenos, nitrógeno,
fósforo, sustancias orgánicas (detergentes, fenoles y pesticidas), trazas de
metales pesados y sustancias inorgánicas disueltas (10).
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Aquellos tratamientos en los que predominan los fenómenos físicos se conocen
como operaciones unitarias, mientras que aquellos métodos en los que la
eliminación de contaminantes se realiza con base en procesos químicos o
biológicos se conocen como procesos unitarios.
Al referirse a operaciones y procesos unitarios es porque se agrupan entre sí para
construir los pretratamientos, tratamientos primarios, secundarios y terciarios.
(VER ANEXO N° III)
5.5.1 PRETRATAMIENTO
El tratamiento preliminar prepara el afluente de aguas residuales para su posterior
tratamiento, mediante la reducción o eliminación de características específicas del
agua residual que, de otra manera, podrían impedir el funcionamiento o
indebidamente incrementar el mantenimiento de los procesos y equipos de las
unidades siguientes al pretratamiento. Las características típicas del agua residual
podrían provocar problemas comunes por la inclusión de sólidos grandes, trapos,
granos abrasivos, olores y en algunos casos, altas cargas hidráulicas u orgánicas
inaceptables (11).
5.5.1.1 CANAL RECOLECTOR
Un canal recolector es un conducto abierto en el cual circula el agua debido a la
acción de la gravedad y sin ninguna presión, pues la superficie libre está en
contacto con la atmósfera. De acuerdo con su origen los canales se clasifican en:
Canales Naturales: Incluyen todos los cursos del agua que existen de
manera natural en la tierra; quebradas, ríos, arroyos, lagunas, etc.
Canales Artificiales: Son canales construidos o desarrollados por el hombre
entre estos se destacan los canales artificiales, canales de riego, canaletas,
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etc. Las secciones transversales más usadas son: rectangular, trapezoidal
triangular y parabólica.
Ilustración 6 Canal recolector con by-pass
Fuente: Stewart, Oakley. 2011. Tratamiento de aguas resídales domésticas
5.5.1.2 CRIBADO
El cribado es la operación utilizada para separar material del agua, mediante el
paso de ella por una criba o rejilla. La criba puede ser de cualquier material
agujerado ordenadamente, por ejemplo, una plancha o lámina metálica, de
madera o de concreto, con agujeros redondos, cuadrados o de cualquier forma
geométrica. También puede construirse una criba con una celosía fija o
emparrillado de barras o varillas de hierro o de acero.
5.5.1.3 REJILLA
El pretratamiento con rejillas es uno de los procesos más antiguos. En las plantas
de tratamiento de aguas residuales, las rejillas remueven los contaminantes
gruesos procedentes de la corriente para proteger de posibles daños la operación
y al equipo de las unidades siguientes.
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Ilustración 7 Rejilla de limpieza manual
Fuente: Universidad Nacional José Faustino Sánchez Carrión
En el tratamiento de aguas residuales se usan rejillas gruesas, principalmente de
barras o varillas de acero, para proteger bombas, válvulas, tuberías y equipos,
etc., del taponamiento o interferencia causada por trapos, tarros y objetos
grandes. Las partículas suspendidas mayores a 0.64 cm pueden removerse más
económicamente mediante cribado que por cualquier otra operación unitaria (10).
En la parte superior de la rejilla debe proveerse una placa de drenaje o placa
perforada, con el objeto de permitir el drenaje temporal del material removido. El
canal de acceso a la rejilla temporal debe diseñarse para prevenir la acumulación
de arena u otro material pesado, antes y después de la rejilla. El canal debe ser
preferiblemente horizontal, recto y perpendicular a la rejilla, para promover una
distribución uniforme de los sólidos retenidos por ella (10).
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5.5.1.4 DESARENADOR
Se utilizan para remover arena, grava, partículas u otro material sólido pesado que
tenga velocidad de asentamiento o eso específico mayor que el de los sólidos
orgánicos degradables de las aguas residuales (10).
Ilustración 8 Desarenador
Fuente: Engineering
Los desarenadores cuentan con ventajas como las siguientes:
Protegen el equipo mecánico del desgaste anormal
Reducen la formación de depósitos pesados en tuberías
Minimizan la frecuencia de limpieza
Facilitan la operación de las demás etapas del proceso ya que pueden
localizarse antes de todas las demás unidades
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5.5.1.5 VERTEDERO SUTRO
Los vertederos sutros o también llamados proporcionales, son dispositivos
utilizados en plantas de tratamiento de aguas residuales, y tienen como función
regular el caudal, el cual es proporcional a la carga. Estos vertederos están
compuestos de una sección rectangular adherida a una sección curva, la cual
garantiza proporcionalidad y una velocidad de flujo constante.
Ilustración 9 Vertedero sutro
Fuente: UNATSABAR
5.5.1.6 TRAMPA DE GRASAS
La trampa de grasas es un dispositivo que se coloca en la parte final del
desarenador con el objeto de retener las grasas que se encuentran en suspensión
de manera manual (10).
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Ilustración 10 Trampa de grasas
Fuente: Arquitectura21
5.5.2 TRATAMIENTO PRIMARIO
Los tratamientos primarios son aquellos que eliminan los sólidos en suspensión
presentes en el agua residual. Los principales procesos físico-químicos que
pueden ser incluidos en el tratamiento primario son los siguientes: sedimentación,
flotación, coagulación – floculación y filtración. Generalmente el tratamiento
primario remueve alrededor del 60% de sólidos suspendidos y entre 30% y 40%
de DBO (12) .
5.5.2.1 SEDIMENTACIÓN
Es un proceso físico de separación por gravedad que hace que una partícula más
densa que el agua tenga una trayectoria descendente, depositándose en el fondo
del sedimentador. Está en función de la densidad del líquido, del tamaño, del peso
específico y de la morfología de las partículas. Esta operación será más eficaz
cuanto mayor sea el tamaño y la densidad de las partículas a separar del agua, es
decir, cuanto mayor sea su velocidad de sedimentación, siendo el principal
parámetro de diseño para estos equipos. A esta operación de sedimentación se le
suele denominar también decantación (12).
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En función de la concentración y de la tendencia a la interacción de las partículas,
se pueden producir cuatro tipos de sedimentación:
Tabla 3 Tipos de sedimentación
SEDIMENTACIÓN DESCRIPCIÓN APLICACIÓN
De partículas
discretas (Tipo 1)
Se refiere a la sedimentación de partículas
en una suspensión con baja concentración
de sólidos y no existe interacción sustancial
con las partículas vecinas.
Eliminación de las arenas de
agua residual.
Floculenta
(Tipo 2)
Se refiere a una suspensión bastante diluida
de partículas que se agregan, durante el
proceso de sedimentación. Al unirse, las
partículas aumentan de masa y sedimentan
a mayor velocidad.
En los tanques de
sedimentación primaria y en
la zona superior de los
decantadores secundarios.
Retardada o zonal
(Tipo 3)
Se refiere a suspensiones de concentración
intermedia, en las que las fuerzas entre las
partículas son suficientes para entorpecer la
sedimentación de las partículas vecinas.
Las partículas tienden a permanecer en
posiciones relativas fijas y la masa de las
partículas sedimenta como una unidad. Se
desarrolla una interface sólida – líquido en
la parte superior de la masa que sedimenta.
Se presenta en los tanques
de sedimentación secundaria
empleados en las
instalaciones de tratamiento
biológico.
Compresión
(Tipo 4)
Se refiere a la sedimentación en las que
partículas las partículas están concentradas
de tal manera que se forma una estructura y
la compresión se produce por el peso de las
partículas, que se van añadiendo
constantemente a la estructura por
sedimentación desde el líquido
sobrenadante.
Generalmente se produce en
las capas inferiores de una
masa de fango de gran
espesor como el fondo de los
decantadores secundarios
profundos y en las
instalaciones de
espesamiento de fangos.
Fuente: Instituto de Ciencias Básicas e Ingeniería
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La sedimentación o decantación se realiza de acuerdo al tipo de partícula y el
sentido de flujo que se remueva en cada unidad. La clasificación más
recomendable es la siguiente:
Tabla 4 Clasificación de tanques de sedimentación
SENTIDO DE FLUJO TIPO DE
SEDIMENTACIÓN EJEMPLO
TASA DE
FLUJO
(m3/m
2/d)
Horizontal 1 y 2 Desarenadores 200 – 420
15 - 30
Vertical 2 y 3 Manto de lodos 45 - 60
Inclinado (ascendente o
descendente) 1 y 2
Decantadores con
placas 120 - 180
Fuente: Maestría Noemí Romero
5.5.2.2 TANQUE DE SEDIMENTACIÓN
Estos tanques se sedimentación pueden ser rectangulares como se muestra en la
figura 9 y circulares; donde son denominados tanques primarios de sedimentación
a aquellos que reciben aguas residuales crudas, generalmente antes del
tratamiento biológico secundario (13).
En el tanque rectangular, el agua residual cruda ingresa a través de una serie de
aberturas, cerca de la superficie del extremo de entrada del tanque, moviéndose a
lo largo de este con velocidad muy baja, hasta descargar por el extremo opuesto
sobre un vertedero. La pantalla corta y disipa la velocidad del afluente y dirige el
flujo hacia abajo. El material arrastrado hacia la tolva de lodos, para su
tratamiento. El lodo se extrae periódicamente, desde la tolva de lodos para su
tratamiento y disposición (13).
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Ilustración 11 Sedimentador rectangular convencional
Fuente: Repositorio institucional SENA
5.5.3 TRATAMIENTO SECUNDARIO
El tratamiento secundario de depuración constituye una serie de importantes
procesos de naturaleza biológica de tratamiento de las aguas residuales que
tienen en común la utilización de microorganismos (entre las que destacan las
bacterias) para llevar a cabo la eliminación de materia orgánica biodegradable,
tanto coloidal como disuelta, así como la eliminación de compuestos que
contienen elementos nutrientes (N y P) (12).
En la mayor parte de los casos, la materia orgánica constituye la fuente de energía
y de carbono que necesitan los microorganismos para su crecimiento. Además,
también es necesaria la presencia de nutrientes, que contengan los elementos
esenciales para el crecimiento, especialmente los compuestos que contengan N y
P, y, por último, en el caso de sistema aerobio, la presencia de oxígeno disuelto en
el agua. Este último aspecto será clave a la hora de elegir el proceso biológico
más conveniente (12).
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5.5.3.1 HUMEDALES ARTIFICIALES
El convenio define a los humedales como “extensiones de marismas, pantanos y
turberas, o superficies cubiertas de agua, sean éstas de régimen natural o
artificial, permanentes o temporales, estancadas o corrientes, dulces, salobres o
saladas, incluidas las extensiones de agua marina, cuya profundidad en marea
baja no exceda los 6 metros” (11).
Básicamente, los humedales artificiales son zonas construidas por el hombre en la
que se reproducen, de manera controlada, los procesos físicos, químicos y
biológicos de eliminación de contaminantes que ocurren normalmente en los
humedales naturales (14).
Los humedales artificiales, al igual que los naturales, se pueden reducir una
amplia gama de contaminantes del agua tales como: sólidos en suspensión DBO,
nutrientes, metales, patógenos y otros productos químicos. Esta eliminación se da
por una variedad de procesos que incluyen la sedimentación, filtración,
metabolismo microbiano (aeróbico y anaeróbico), absorción de la planta y
respiración. La principal diferencia entre un humedal natural y un humedal artificial
es que éste último permite el tratamiento de aguas residuales bajo diseños que se
basan en objetos específicos de calidad del efluente. El funcionamiento de los
humedales artificiales se fundamenta en tres principios básicos (14):
1. La actividad bioquímica de los microorganismos.
2. El aporte de oxígeno a través de las plantas durante el día.
3. El apoyo físico de un lecho inerte que sirve como soporte para el
enraizamiento de las plantas, además de funcionar como material filtrante.
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Existen diferentes tipos de humedales artificiales en función del sentido de
circulación del flujo de agua.
Ilustración 12 Tipos de Humedales Artificiales
Fuente: iagua
5.5.3.2 HUMEDAL ARTIFICIAL DE FLUJO SUBSUPERFICIAL
Los sistemas de flujo subsuperficial, se caracterizan por la circulación del agua en
los mismos se realiza a través de un medio granular (subterráneo) con una
profundidad de agua cercana a los 0,6 m. La vegetación se planta en este medio
granular y el agua ésta en contacto con los rizomas y raíces de las plantas (10).
La vegetación proporciona superficies para la formación de películas bacterianas,
facilitando la filtración y la adsorción de los constituyentes del agua residual,
permite la transferencia de oxígeno a la columna de agua y controla el crecimiento
de algas al limitar la penetración de luz solar. El agua residual se trata a medida
que fluye lateralmente a través de un medio poroso (flujo pistón). La profundidad
del lecho varía entre 0,45 a 1m y tienen una pendiente entre 0,5% y 1%. El agua
residual no ingresa directamente al medio granular principal, sino que existe una
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zona de amortiguación generalmente formada por grava de mayor tamaño. La
zona de implantación está constituida por grava fina de un solo diámetro, entre
3mm a 32mm (10).
Ilustración 13 Plantas acuáticas comunes
Fuente: Jairo Romero, Tratamiento de Aguas Residuales: Teoría y Principios de Diseño
Es fundamental que el agua residual que ingresa al sistema se mantenga en un
nivel inferior a la superficie (5-10cm), los cual se logra regulando el nivel del
dispositivo de salida en función a este requerimiento (10).
Los humedales tienen tres funciones básicas que los hacen tener un atractivo
potencial para el tratamiento de aguas residuales:
1. Fijan físicamente los contaminantes en la superficie del suelo y la materia
orgánica.
2. Utilizan y transforman los elementos por medio de los microorganismos.
3. Logran niveles de tratamiento consistentes con un bajo consumo de
energía y bajo mantenimiento.
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33
Existen dos tipos de sistemas de humedales artificiales desarrollados para el
tratamiento de agua residual. Sistemas a Flujo Libre (FWS) y Sistemas de Flujo
Subsuperficial (SFS).
En los casos en que se emplean para proporcionar tratamiento secundario o
avanzado, los sistemas FWS suelen consistir en balsas o canales paralelos con la
superficie del agua expuesta a la atmósfera y el fondo constituido por suelo
relativamente impermeable o con una barrera subsuperficial, vegetación
emergente, y niveles de agua poco profundos (0.1 a 0.6 m) (10).
Ilustración 14 Tipos de humedales para el tratamiento de aguas residuales
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Fuente: Jairo Romero, Tratamiento de Aguas Residuales: Teoría y Principios de Diseño
A los sistemas FWS normalmente se les aplica agua residual pretratada en forma
continua y el tratamiento se produce durante la circulación del agua a través de los
tallos y raíces de la vegetación emergente. Los sistemas de flujo libre también se
pueden diseñar con el objetivo de crear nuevos hábitats para la fauna y flora o
para mejorar las condiciones de humedales naturales próximos. Esta clase de
sistemas suele incluir combinaciones de espacios abiertos y zonas vegetadas e
islotes con la vegetación adecuada para proporcionar hábitats de cría para aves
acuáticas. Los sistemas de flujo subsuperficial se diseñan con el objeto de
proporcionar tratamiento secundario o avanzado y consisten en canales o zanjas
excavadas y rellenos de material granular, generalmente grava en donde el nivel
de agua se mantiene por debajo de la superficie de grava. Las mismas especies
vegetales se usan en los dos tipos de humedales artificiales (10).
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Ilustración 15 Sección transversal de un sistema de flujo subsuperficial
Fuente: Jairo Romero, Tratamiento de Aguas Residuales: Teoría y Principios de Diseño
El concepto de SFS tiene varias ventajas. Existe la creencia de que las reacciones
biológicas en ambos tipos de humedales se deben al crecimiento de organismos.
El lecho de grava tendrá mayores tasas de reacción y por lo tanto puede tener un
área menor. Como el nivel del agua está por debajo de la superficie del medio
granular no está expuesto, con lo que se evitan posibles problemas de mosquitos
que pueden llegar a presentarse en sistemas de flujo libre en algunos lugares.
Tampoco se presentan inconvenientes con el acceso de público, así como se
evitan problemas en climas fríos, ya que esta capa presta una mayor protección
térmica (10).
Aunque el área requerida sea menor que la de un sistema FWS, la viabilidad
económica del sistema dependerá del coste de conseguir y poner el material
granular en el lecho (10).
Es improbable que un sistema SFS sea competitivo desde el punto de vista de
costos, frente a uno FWS para pequeñas comunidades y caudales, pero esto
siempre dependerá de los costos de la tierra, el tipo de impermeabilización que se
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requiera y el tipo y disponibilidad del material granular empleado. Adicionalmente
de las aguas residuales municipales, los humedales construidos han sido usados
para una variedad de industrias, escorrentía de aguas agrícolas y de lluvias,
lixiviados de vertederos, rebose de alcantarillados combinados, drenaje de minas y
aguas residuales domésticas en pequeños humedales tras tanques sépticos
convencionales (10).
En cuanto al rendimiento de los humedales, se puede decir que pueden tratar con
eficiencia niveles altos de DBO, SS y nitrógeno (rendimientos superiores al 80%),
así como niveles significativos de metales, trazas orgánicas y patógenos. No
ocurre lo mismo con la eliminación de fósforo que es mínima en estos sistemas
(10).
5.5.3.3 COMPONENTES DE UN HUMEDAL ARTIFICIAL DE FLUJO
SUBSUPERFICIAL
Los humedales construidos consisten en el diseño correcto de una cubeta que
contiene agua, substrato, y la mayoría normalmente, plantas emergentes. Estos
componentes pueden manipularse construyendo un humedal. Otros componentes
importantes de los humedales, como las comunidades de microbios y los
invertebrados acuáticos, se desarrollan naturalmente (10).
EL AGUA
El empleo del agua potable en los hogares genera agua servida. Parte de los
residuos propios de la actividad humana son materia que consume o demanda
oxígeno por oxidación de ésta, como la materia fecal, restos de alimentos, aceites
y grasas; otra parte son detergentes, sales, sedimentos, material orgánico no
biodegradable y también microorganismos patógenos (10).
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La hidrología es el factor de diseño más importante en un humedal construido
porque reúne todas las funciones del humedal y porque es a menudo el factor
primario en el éxito o fracaso del humedal. Mientras la hidrología de un humedal
construido no es muy diferente que las otras aguas superficiales y cercanas a
superficie, difiere en aspectos importantes (10):
Pequeños cambios en la hidrología pueden tener efectos importantes en
un humedal y en la efectividad del tratamiento.
Debido al área superficial del agua y su poca profundidad, un sistema
actúa recíproca y fuertemente con la atmósfera a través de la lluvia y la
evapotranspiración (la pérdida combinada de agua por evaporación de
la superficie de agua y pérdida a través de la transpiración de las
plantas).
La densidad de la vegetación en un humedal afecta fuertemente su
hidrología, primero, obstruyendo caminos de flujo siendo sinuoso el
movimiento del agua a través de la red de tallos, hojas, raíces, y rizomas
y, segundo, bloqueando la exposición al viento y al sol.
SUSTRATO (MEDIO GRANULAR)
Los substratos en los humedales construidos incluyen suelo, arena, grava, roca, y
materiales orgánicos como el compost. Sedimentos y restos de vegetación se
acumulan en el humedal debido a la baja velocidad del agua y a la alta
productividad típica de estos sistemas. El substrato, sedimentos, y los restos de
vegetación son importantes por varias razones (15):
Soportan a muchos de los organismos vivientes en el humedal.
La permeabilidad del substrato afecta el movimiento del agua a través
del humedal.
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38
Muchas transformaciones químicas y biológicas (sobre todo
microbianas) tienen lugar dentro del substrato.
El substrato proporciona almacenamiento para muchos contaminantes.
La acumulación de restos de vegetación aumenta la cantidad de materia
orgánica en el humedal. La materia orgánica da lugar al intercambio de
materia, fijación de microorganismos, y es una fuente de carbono, que
es la fuente de energía para algunas de las más importantes reacciones
biológicas en el humedal.
Las características físicas y químicas del suelo y otros substratos se alteran
cuando se inundan. En un substrato saturado, el agua reemplaza los gases
atmosféricos en los poros y el metabolismo microbiano consume el oxígeno
disponible y aunque se presenta dilución de oxígeno de la atmósfera, puede darse
lugar a la formación de un substrato anóxico, lo cual será importante para la
remoción de contaminantes como el nitrógeno y metales (10).
MICROORGANISMOS
Una característica fundamental de los humedales es que sus funciones son
principalmente reguladas por los microorganismos y su metabolismo. Los
microorganismos incluyen bacterias, levaduras, hongos, y protozoarios. La
biomasa microbiana consume gran parte del carbono orgánico y muchos
nutrientes (10).
La actividad microbiana:
Transforma un gran número de sustancias orgánicas e inorgánicas en
sustancias inocuas o insolubles.
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Altera las condiciones de potencial redox del sustrato y así afecta la
capacidad de proceso del humedal.
Está involucra en el reciclaje de nutrientes.
Algunas transformaciones microbianas son aeróbicas (es decir, requieren oxígeno
libre) mientras otras son anaeróbicas (tienen lugar en ausencia de oxígeno libre).
Muchas especies bacterianas son facultativas, es decir, son capaces de funcionar
bajo condiciones aeróbicas y anaeróbicas en respuesta a los cambios en las
condiciones medioambientales (10).
Las poblaciones microbianas se ajustan a los cambios en el agua que les llega y
se pueden extender rápidamente cuando se tiene la suficiente energía. Cuando
las condiciones medioambientales no son convenientes, muchos microorganismos
se inactivan y puede permanecer inactivos durante años (10).
La comunidad microbiana de un humedal construido puede ser afectada por
sustancias tóxicas, como pesticidas y metales pesados, y debe tenerse cuidado
para prevenir que tales sustancias se introduzcan en las cadenas tróficas en
concentraciones perjudiciales.
ANIMALES
Los humedales construidos proveen un hábitat para una rica diversidad de
invertebrados y vertebrados. Los animales invertebrados, como insectos y
gusanos, contribuyen al proceso de tratamiento fragmentando el detritus
consumiendo materia orgánica. Las larvas de muchos insectos son acuáticas y
consumen cantidades significantes de materia durante sus fases larvales. Los
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invertebrados también tienen varios papeles ecológicos; por ejemplo, las ninfas de
la libélula son rapaces importantes de larvas de mosquito (15).
Aunque los invertebrados son los animales más importantes en cuanto a la mejora
de la calidad del agua, los humedales construidos también atraen a una gran
variedad de anfibios, tortugas, pájaros, y mamíferos. Los humedales construidos
atraen variedad de pájaros, incluso patos silvestres (15).
VEGETACIÓN
El mayor beneficio de las plantas es la transferencia de oxígeno a la zona de la
raíz. Su presencia física en el sistema (los tallos, raíces y rizomas) permite la
penetración a la tierra o medio de apoyo y transporte a él oxigeno de manera más
profunda, de lo que llegaría naturalmente a través de la sola difusión. Lo más
importante en los humedales es que las porciones sumergidas de las hojas y tallos
muertos se degradan y se convierten en lo que se ha llamado restos de
vegetación, que sirven como substrato para el crecimiento de la película
microbiana fija es la responsable de gran parte del tratamiento que ocurre (10).
Las plantas emergentes contribuyen al tratamiento del agua residual y escorrentía
de varias maneras:
Estabilizan el substrato y limitan la canalización del flujo.
Dan lugar a velocidades de agua bajas y permiten que los materiales
suspendidos se depositen.
Toman el carbono, nutrientes, y elementos de traza y los incorporan a
los tejidos de la planta.
Transfieren gases entre la atmósfera y los sedimentos.
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41
El escape de oxígeno desde las estructuras subsuperficiales de las
plantas, oxigena otros espacios dentro del substrato.
El tallo y los sistemas de la raíz dan lugar a sitios para la fijación de
microorganismos.
Cuando se mueren y se deterioran dan lugar a restos de vegetación.
Ilustración 16 Esquema típico de planta emergente
Fuente: Jairo Romero, Tratamiento de Aguas Residuales: Teoría y Principios de Diseño
Las plantas emergentes que frecuentemente se encuentran en la mayoría de los
humedales para aguas residuales incluyen espadañas, carrizos, juncos y juncos
de laguna.
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Typha
Ilustración 17 Typha
Fuente: Naturalista
La espadaña es ubicua en distribución, robusta, capaz de crecer bajo diversas
condiciones medioambientales y se propaga fácilmente, por lo que representa una
especie de planta ideal para un humedal artificial. También es capaz de producir
una biomasa anual grande y tiene un potencial pequeño de remoción de nitrógeno
y fósforo por la vía de la poda y cosecha. Los rizomas de Espadaña plantados a
intervalos de aproximadamente 0,6m pueden producir una cubierta en menos de
un año (14).
La penetración de las raíces en grava es relativamente pequeña aproximadamente
0,3m por lo que no es recomendable para sistemas de flujo subsuperficial.
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Ilustración 18 Detalle distancia entre Espadañas
Fuente: Naturalista
Scirpus
Ilustración 19 Scirpus
Fuente: Wikipedia
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Son de la familia de las ciperáceas, son perennes y crecen en grupos. Son plantas
ubicuas que crecen en un rango diverso de aguas interiores y costeras, pantanos
salobres y humedales. Los juncos son capaces de crecer bien en agua desde 5cm
a 3cm de profundidad. Las temperaturas deseables son de 16°C a 27°C. Se
encuentran juncos creciendo en un PH de 4 a 9. La mayoría de las especies
tienen un crecimiento moderado y pueden lograr un buen cubrimiento en alrededor
de un año con separaciones aproximadamente de 0,3m (10).
Phragmites
Ilustración 20 Phragmites
Fuente: science.halleyhosting.com
Estas plantas crecen anualmente, con un rizoma extenso. Logran un buen
cubrimiento en un año con separación de 0,6m. En Europa se han usado carrizos
y han sido las plantas acuáticas emergentes más extendidas. Los sistemas que
utilizan carrizos pueden ser más eficaces en la transferencia de oxígeno por que
los rizomas penetran verticalmente y a mayor profundidad que las espadañas,
aunque menos que los juncos en aproximadamente 40cm. Son muy usados en los
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45
humedales artificiales porque presentan la ventaja de tener un bajo calor
alimenticio por lo que no se ven atacadas por animales como con otros tipos de
plantas (10).
Estas plantas pueden soportar bastantemente bien niveles moderados de
salinidad en el agua y en el suelo, necesitando suelos encharcados hasta
profundidades de 5 dm.
Tabla 5 Especies más utilizadas
FAMILIA NOMBRE LATINO NOMBRES
COMUNES
TEMPERATURA °C
MÁXIMA
SALINIDAD
TOLERABLE,
PPT
RANGO
EFECTIVO
DE PH DESEABLE
GERMINACIÓN
DE LAS
SEMILLAS
Ciperáceas
Carex sp.
N/A 14 – 32 N/A N/A 5 – 7,5
Eleocharis sp. N/A N/A N/A N/A N/A
Scispuus lacustris
L.(*)
Junco de
laguna 18 – 27 N/A 20 4 - 9
Gramíneas
Glyceria fluitans (L.)
R.Br.
Hierba del
maná
Phragmites australis
(Cav) trin. Steudel
(*)
Carrizo 12 – 23 10 – 30 45 2 – 8
Iridáceas Iris pseudacorus L.
Lirio
amarillo,
espadaña
fina
Juncáceas Juncus sp. Juncos 16 – 26 20 5 – 7,5
Tifáceas Thypha sp (*)
Eneas,
aneas,
espadañas
10 – 30 12 – 24 30 4 - 10
(*) Especie más utilizada en todas
Fuente: Jairo Romero, Tratamiento de Aguas Residuales: Teoría y Principios de Diseño
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REALCE DE LA ESTÉTICA Y PAISAJE
Aunque los humedales son principalmente sistemas de tratamiento, proporcionan
beneficios intangibles aumentando la estética del sitio y reforzando el paisaje.
Visualmente, los humedales son ambientes extraordinariamente ricos.
Introduciendo el elemento agua al paisaje, el humedal construido, tanto como el
natural, agrega diversidad al paisaje. Pueden construirse humedales artificiales
siguiendo las formas que tienen los contornos naturales del sitio, hasta el punto de
que algunos humedales para el tratamiento de agua son indistinguibles, a simple
vista, de los humedales naturales.
IMPERMEABILIZACIÓN
Los humedales artificiales requieren generalmente que se coloque una barrera
impermeable para impedir que se contamine con agua residual el subsuelo o el
agua subterránea. Algunas veces esta barrera está presente naturalmente por una
capa de arcilla o por los materiales que se encuentran in-situ y que pueden ser
compactados hasta un estado cercano al impermeable. Otras posibilidades son los
tratamientos químicos, una capa de bentonita o una capa de asfalto o algún tipo
de membrana. El fondo del humedal debe ser cuidadosamente alisado antes de la
colocación del impermeabilizante, sobre todo si éste es del tipo de alguna fibra
sintética, que pueda llegar a perforarse.
5.5.4 LECHOS DE SECADO
Los lechos de secado de arena constituyen uno de los métodos más antiguos para
reducir el contenido de humedad de los lodos en forma natural.
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Ilustración 21 lecho típico de secado
Fuente: repositorio SENA
El lecho típico de arena para secado de lodos es un lecho rectangular poco
profundo, con fondos porosos colocados sobre un sistema de drenaje. El lecho de
secado consiste en colocar capas de arena y grava, en cuya superficie se
almacenan los lodos y los líquidos que se van al fondo a través de una canaleta.
Una vez seco el lodo, se retira y se utilizará para acondicionador de suelos.
5.6 NORMATIVIDAD
Resolución 0501 del 11 de marzo de 2009: Por medio de la cual se anuncia por
motivos de utilidad pública e interés social el Macroproyecto de Interés Social
Nacional Recodo de San Antonio del municipio de Mosquera, departamento de
Cundinamarca. Llamado hoy Ciudad Florecer.
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Ley 162 de 1994: Por medio de la cual se aprueba el Convenio sobre la
Diversidad Biológica, establece que por área protegida se entiende un área
protegida geográficamente que haya sido designada o regulada y administrada a
fin de alcanzar objetivos específicos de conservación.
Decreto 1594 de 1984 – Artículo 72: Reglamenta las normas de vertimiento a un
cuerpo de agua.
Decreto – Ley 2811 de 1974: Establece que cuando las aguas residuales no
puedan llevarse al alcantarillado público, deberán ser tratadas mediante sistemas
previamente aprobados.
Decreto 2858 de 1981: Orienta el procedimiento que debe seguir la autoridad
ambiental para el otorgamiento de concesiones de aguas y establece los
requisitos que deben cumplir los usuarios para su obtención, conservación y
preservación de las aguas y sus cauces.
Resolución 632 del 17 de marzo de 2015: Se establecen los parámetros y los
valores límites máximos permisibles en los vertimientos puntuales a cuerpos de
aguas superficiales y a los sistemas de alcantarillado público.
Decreto 92 del 12 de junio de 2000: Se expide la reglamentación urbanística
para el municipio de Mosquera.
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5.6.1 PERMISOS DE VERTIMIENTO
El Macroproyecto CIUDAD FLORECER se localizará a orillas de los ríos Bogotá y
Balsillas en la parte baja de la cuenca media del río.
El río Bogotá tiene una longitud de 260km hasta las compuertas de Alicachín y en
la zona de interés, tiene una pendiente muy baja dando origen a su carácter de río
meandrinoso con velocidades bajas; y con un nivel de aguas controlado por las
compuertas de Alicachín operadas por EMGESA.
Ilustración 22 Localización general de los ríos Bogotá y Balsillas
Fuente: Ecociudades
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50
Río Bogotá
El río Bogotá no presenta grandes variaciones en su nivel debido a la regulación
que hace EMGESA para lograr una operación óptima de la estación de Bombeo
Muña III y de la bocatoma de la estación de generación Canoas.
La EAAB opera la estación hidrométrica Las Huertas localizada aproximadamente
5km aguas abajo de la desembocadura del río Balsillas. El análisis de la
información de la estación, confirma que la variación de los niveles es menor. En
la figura siguiente se presenta la variación de nivel durante la temporada invernal
del 2010, en la que se presentaron variaciones que escasamente superan un
metro.
Ilustración 23 Variación de niveles
Fuente: Ecociudades
Por otra parte, la pendiente del río en la zona es muy baja y presenta un cambio
de solo 1.5m en 22 km para el tramo comprendido entre las compuertas de
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51
Alicachín y la desembocadura del río Tunjuelo, esto es una pendiente de 0.068
m/km y velocidades de menos de 1m/s en el paso de las grandes crecientes1.
Como consecuencia de las bajas velocidades y la escasa variación en el nivel, las
orillas en la zona son muy estables. Una sección típica del río Bogotá se presenta
a continuación.
Ilustración 24 Sección Típica Río Bogotá
Fuente: Ecociudades
Río Balsillas
El río Balsillas se origina en la confluencia de los ríos Subachoque y Bojacá, abajo
de la carretera Mosquera – La Mesa en el sitio denominado Los Puentes.
Al igual que el río Bogotá, el río Balsillas presenta pendientes muy bajas y es un
río que en temporadas de estiaje prácticamente se seca debido a la extracción
que de éste hacen las industrias agropecuarias en la parte alta y media de su
cuenca.
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52
El río Subachoque ha sido intervenido cerca de su desembocadura, como se
evidencia por la presencia de un tramo recto. El nivel del agua en el río Balsillas
en la zona de Ciudad Florecer está altamente influenciado por los niveles del río
Bogotá debido a la proximidad de su desembocadura en esta zona. En periodos
de estiaje, cuando el caudal en el río Balsillas es muy bajo, el agua del río Bogotá
penetra por el Balsillas y presenta agua con la misma calidad de las aguas del río
Bogotá. En la figura 22, 23 y 24, se muestra algunos de los aspectos aquí
mencionados
Ilustración 25 Localización ríos Bogotá y Balsillas
Fuente: Ecociudades
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Ilustración 26 Río Balsillas
Fuente: Ecociudades
Ilustración 27 Río Bogotá
Fuente: Ecociudades
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54
6 PARÁMETROS DE DISEÑO
A continuación, se presentan los parámetros de diseño para evaluar y dimensionar
las estructuras necesarias para el tratamiento de aguas residuales del
Macroproyecto Ciudad Florecer.
6.1 NIVEL DE COMPLEJIDAD DEL SISTEMA
La clasificación del proyecto en uno de los niveles depende del número de
habitantes en la zona urbana del municipio, su capacidad económica y el grado de
exigencia técnica que se requiera para adelantar el proyecto, de acuerdo con lo
establecido en la siguiente tabla:
Tabla 6 Asignación del nivel de complejidad
NIVEL DE
COMPLEJIDAD
POBLACIÓN EN LA ZONA
URBANA (1)
(HABITANTES)
CAPACIDAD ECONÓMICA DE
LOS USUARIOS (2)
Bajo < 2.500 Baja
Medio 2.501 a 12.500 Baja
Medio Alto 12.501 a 60.000 Media
Alto > 60.000 Alta
Fuente: Norma RAS – 2000 Titulo A
(1) Proyectado al periodo de diseño, incluida la población flotante.
(2) Incluye la capacidad económica de población flotante. Debe ser evaluada
según metodología del DNP.
6.2 PERÍODO DE DISEÑO
De conformidad con la Resolución 2320 de 2009, para el caso de las obras de
captación, los periodos de diseño se especifican en la siguiente tabla:
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55
Tabla 7 Período de diseño según el nivel de complejidad del sistema
NIVEL DE COMPLEJIDAD DEL SISTEMA PERÍODO DE DISEÑO
Bajo, Medio y Medio Alto 25 años
Alto 30 años
Fuente: Norma RAS – 2000 Titulo A
6.3 CAUDALES
6.3.1 CAUDAL MEDIO DIARIO DE AGUAS RESIDUALES (QMD)
El caudal medio diario de aguas residuales (QMD), para un tramo con un área de
drenaje dada, es la suma de los aportes domésticos, industriales, comerciales e
institucionales (16).
Ecuación 1
6.3.2 CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS (QD)
Con el fin de llevar a cabo el cálculo del caudal de diseño de aguas residuales
domésticas para cada uno de los tramos que conforman la red de alcantarillados
de aguas residuales, la demanda de agua potable es vital para calcular dicho
caudal de diseño, a través de un coeficiente de retorno. La demanda de agua
potable se puede calcular con la proyección de la población en el área objeto del
diseño (16).
Tabla 8 Coeficiente de retorno de aguas residuales domésticas
NIVEL DE COMPLEJIDAD DEL SISTEMA COEFICIENTE DE RETORNO
Bajo, Medio 0,80
Medio Alto y Alto 0,85
Fuente: Norma RAS – 2000 Titulo D
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Tabla 9 Dotación por habitante según el nivel de complejidad del sistema
NIVEL DE COMPLEJIDAD
DEL SISTEMA
DOTACIÓN NETA (L/Hab*Día)
CLIMAS TEMPLADO Y FRÍO
DOTACIÓN NETA
(L/Hab*Día) CLIMA CALIDO
Bajo 90 100
Medio 115 125
Medio Alto 125 135
Alto 140 150
Fuente: Norma RAS – 2000 Titulo D
Ecuación 2
Donde:
QD = Caudal de aguas residuales domésticas (L/s)
CR = Coeficiente de retorno (adimensional)
P = Número de habitantes proyectados al periodo de diseño (hab)
DNeta = Demanda neta de agua potable proyectada por habitante (L/hab/día)
6.3.3 CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES (QI)
Para industrias pequeñas localizadas en zonas residenciales o comerciales
pueden utilizarse los valores mostrados en la tabla 10 correspondiente a la
contribución de caudal por hectárea de área de industria (16).
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57
Tabla 10 Contribución de aguas residuales - industrias pequeñas
NIVEL DE COMPLEJIDAD DEL SISTEMA CONTRIBUCIÓN INDUSTRIAL (L/s-haInd)
Bajo 0,40
Medio 0,60
Medio Alto 0,80
Alto 1,0
Fuente: Norma RAS – 2000 Titulo D
Ecuación 3
Donde
Ci = Contribución Caudal industrial
Ha = Área industrial en Hectáreas
6.3.4 CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES COMERCIALES (QC)
Para la determinación del caudal de aguas residuales comerciales donde “existen
zonas mixtas, comerciales y residenciales, los caudales comerciales deben
estimarse teniendo en cuenta la concentración comercial relativa a la
concentración residencial, utilizando una contribución de caudal comercial
correspondiente a 0,5 L/s por Hectárea (Ha) comercial” (16).
Ecuación 4
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58
6.3.5 CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES INSTITUCIONALES (QIN)
Los aportes de agua residuales institucionales QIN deben determinarse para cada
caso en particular, con base en información de consumos de entidades similares
registrados en la localidad. Sin embargo, para pequeñas instituciones ubicadas en
zonas de residencia, los aportes de aguas residuales pueden estimarse en 0,5 L/s
por Hectárea (Ha) (16).
Ecuación 5
6.4 SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
Los sistemas de tratamiento para aguas residuales se diseñan con la finalidad de
remover sólidos suspendidos, DBO, microorganismos patógenos, nitrógeno,
fósforo, sustancias orgánicas (detergentes, fenoles y pesticidas), trazas de
metales pesados y sustancias inorgánicas disueltas.
6.4.1 PRETRATAMIENTO
6.4.1.1 CANAL RECOLECTOR
El canal de acceso a la rejilla se debe diseñar para prevenir la acumulación de
arena u otro material pesado, antes y después de la rejilla. El canal debe ser
preferiblemente horizontal, recto y perpendicular a la rejilla.
El agua residual vierte por medio de tubería de 8”, directamente al canal. El caudal
de agua máximo que pasará por el canal para su posterior tratamiento, es de
0.107 m3/s. Se ha previsto la instalación de un by pass de 8” que permitirá realizar
evacuación de aguas en momento de una eventualidad en caso de colmatarse el
canal. Habitualmente se diseñan con secciones de figuras geométricas regulares
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59
rectangulares, triangulares etc. Se deben tener en cuenta los siguientes factores
geométricos:
Factores Geométricos propuestos
Sección del canal: Rectangular
Base o ancho del canal recolector (B) = 70 cm
Borde Libre (Hs) = 30 cm
Espesor del muro (e) = 15 cm
Pendiente = 4%
6.4.1.2 REJILLA
De acuerdo con el método de limpieza, las rejillas o cribas son de limpieza manual
o mecánica. Presentando las siguientes características:
Tabla 11 Características de rejillas de barras
CARACTERÍSTICAS LIMPIEZA MANUAL LIMPIEZA MECÁNICA
Ancho de las barras 0,5 – 1,5 cm 0,5 – 1,5 cm
Profundidad de las barras 2,5 – 7,5 cm 2,5 – 7,5 cm
Abertura o espaciamiento 2,5 – 5,0 cm 1,5 – 7,5 cm
Pendiente con la vertical 30° - 45° 0° - 30°
Velocidad de acercamiento 0,3 – 0,6 m/s 0,6 – 1,0 m/s
Pérdida de energía permisible 15 cm 15 cm
Fuente: Jairo Romero, Tratamiento de Aguas Residuales: Teoría y Principios de Diseño
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60
Según el tamaño de las aberturas se clasifican como:
Tabla 12 Clasificación de las rejillas
CLASIFICACIÓN ABERTURA
Rejillas Gruesas ≥ 0,64 cm (1/4 pulgada)
Rejillas Finas < 0,64 cm (1/4 pulgada)
Fuente: Elaboración propia
PERDIDAS EN REJILLAS
La pérdida de energía a través de la rejilla es función de la forma de las barras y
de la altura o energía de velocidad del flujo entre las barras. El factor de forma (β)
de las barras es la siguiente:
Tabla 13 Criterios de factores de forma
DESCRIPCIÓN FACTOR DE FORMA (Β)
Para barras rectangulares de caras rectas 2,42
Para barras rectangulares con cara
semicircular aguas arriba y abajo 1,67
Para barras rectangulares con cara
semicircular aguas arriba 1,83
Para barras circulares 1,79
Fuente: Jairo Romero, Tratamiento de Aguas Residuales: Teoría y Principios de Diseño
Según Kirschmer, la perdida de energía en una rejilla puede calcularse por la
siguiente ecuación:
(
)
Ecuación 6
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61
Donde:
H = pérdida de energía, m
β = factor de forma
w = ancho máximo de la sección transversal de las barras, en la dirección de flujo,
m
b = espaciamiento o separación mínima entre las barras, m
hv = altura o energía de velocidad del flujo de aproximación, m
θ = ángulo de la rejilla con la horizontal.
También se usa la siguiente ecuación para calcular perdidas en rejillas:
(
)
Ecuación 7
Donde:
H = pérdida de energía, m
V = velocidad de flujo a través de la rejilla, m/s
v = velocidad de aproximación de flujo, m/s
g = aceleración de la gravedad, m/s2
Otros utilizan la expresión clásica para orificios.
(
)
Ecuación 8
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62
Donde:
H = Pérdida de energía, m
Q = Caudal de aproximación, m3/s
C = 0.60 para rejillas limpias
A = área efectiva del flujo de la rejilla, m2
6.4.1.3 DESARENADOR
Los desarenadores de flujo horizontal se diseñan para una velocidad horizontal de
flujo aproximada de 30 cm/s. Para el diseño se recomienda conocer los caudales
extremos de operación con el fin de garantizar la remoción del material inorgánico
para todas las condiciones de flujo. Generalmente los desarenadores se diseñan
para remover partículas de diámetro > 0.21 mm; aunque también se diseñan para
remover partículas de diámetro de 0.15 mm. Teniendo como supuesto de diseño
arena de densidad relativo 2.65, la velocidad de asentamiento para partículas de
0.21 mm de diámetro se supone igual a 1.15 m/min y para partículas de 0.15 mm
de diámetro una velocidad de asentamiento de 0.75 m/min (10).
La transición del flujo del agua debe tener un ángulo suave no mayor de 12° 30’,
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63
CANTIDAD DE ARENA
Generalmente la sección rectangular tiene una profundidad de 1 a 1,5 veces el
ancho y la profundidad de la cámara de almacenamiento de arena es de 15 a 30
cm. La cantidad de arena a disponer de un desarenador de aguas residuales
oscila entre 4 – 200 mL/m3 de aguas tratada, con un valor típico de 15 mL/m3 (10).
CÁMARA DESARENADORA DE SECCIÓN PARABÓLICA
Para la sección de control se requiere para velocidad constante, una cámara
desarenadora de sección parabólica y se determina con la siguiente ecuación
Ilustración 28 Sección parabólica
Fuente: Aquatrol - Perú
Ecuación 9
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64
Donde:
A = Área de la sección
h = Altura de la sección
T = Ancho superior de la sección
6.4.1.4 VERTEDERO SUTRO
El cálculo para este tipo de vertedero parte de la siguiente ecuación:
⁄
Ecuación 10
Donde:
Q: Gasto sobre el vertedero (mᶟ/s)
L: Ancho del vertedero (m)
H: Carga sobre el vertedero (m)
Luego para un Qmax (mᶟ/s) obtenemos el área transversal (At) y la altura máxima
(h’)
Ecuación 11
Ecuación 12
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65
Ilustración 29 Detalle vertedero sutro
Fuente: Organización Panamericana de la salud
6.4.1.5 TRAMPA DE GRASAS
En aguas residuales domésticas el contenido de grasas puede ser del orden de 30
a 50 mg/L y constituir alrededor del 20% de la DBO. La entrada del agua residual
se hace por debajo de la superficie y la salida generalmente por el fondo; entre
más grande es el tanque, más eficiente es el sistema. Normalmente se diseñó con
tiempos de retención de 15 a 30 minutos (10).
6.4.2 TRATAMIENTO PRIMARIO
6.4.2.1 TANQUE SEDIMENTADOR
Se diseñará un sistema de sedimentación de flujo horizontal con recolección
manual y con clarificación tipo 1. El sedimentador se puede dividir en 4 partes o
zonas como se muestran a continuación:
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66
Ilustración 30 Sedimentador convencional
Fuente: Organización panamericana de la salud
Características geométricas de los sedimentadores
Tabla 14 Geometría de los sedimentadores primarios
DESCRIPCIÓN DATO UNIDADES
Relación Largo/Ancho – Largo/Profundidad 3/1 - 5/1 -
Ancho 3 a 24 m
Pendiente suave hacia la tolva de lodos 6 a 17 % Fuente: Elaboración propia
1. Zona de entrada: Distribuye a los sedimentadores el flujo proveniente de los
floculadores de forma que la velocidad sea uniforme en toda la sección
transversal. Además, minimiza las corrientes o turbulencia.
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67
Pantalla difusora
La velocidad de entrada en los orificios de la pantalla difusora no debe ser mayor a
0.15 m/s. No obstante, tampoco puede ser muy baja (no menor a 0.10 m/s) ya que
generan cortocircuitos y zonas muertas.
Tabla 15 Parámetros de la pantalla difusora
DESCRIPCIÓN DATO UNIDADES
Ángulo de emboquillado del orificio 15 grados
Distancia de la pantalla difusora de la pared de la entrada
0,6 a 0,9 m
Fuente: Elaboración propia
Según Romero Rojas, un diámetro cercano a los 0,125m (5” aproximadamente)
genera los mejores resultados en tabiques difusores (10).
Los orificios más altos de la pared difusora deben estar a 1/5 o 1/6 de la altura (H)
a partir de la superficie del agua y los más bajos entre 1/4 o 1/5 de la altura (H) a
partir de la superficie del fondo.
2. Zona de sedimentación: Zona cuyo régimen de flujo y área superficial permite
la sedimentación de la partícula de diseño y las velocidades iguales o mayores
que ésta.
Los estándares de diseño básicos de diseño de tanques de sedimentación
primaria de aguas residuales se muestran a continuación:
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68
Tabla 16 Estándares de diseño para sedimentadores primarios
TIPO DE TRATAMIENTO
CARGA SUPERFICIAL m/d PROFUNDIDAD
(m)
CARGA SOBRE EL
VERTEDERO L/s*m
TIEMPO DE RETENCIÓN
% REMOCIÓN
CAUDAL PROMEDIO CAUDAL PICO
DBO SS
Primario seguido de tratamiento secundario
32 - 49 80 - 122 3 - 5 1,4 - 4,3 1,5 - 2,5 50 - 70
32 - 49 80 - 122 < 5,8 35 - 45 50 - 60
32 - 49 80 - 122 3 - 3,7 1,4 - 5,7 1,5 - 2,5
Primario con lodo activado de desecho
24 - 33 48 -70 3 - 5 1,4 - 4,3 1,5 - 2,5 50 - 70
24 - 33 49 - 69 < 5,8 35 - 45 50 - 60
24 - 32 49 - 61 3,7 - 4,6 1,4 - 5,7 1,5 - 2,5
Primario 30 45 > 1,5 < 5,2 2 35 - 40 50 - 70
24 - 33 2,1 - 3,6 1,4 - 2,2 1 - 2 Fuente: Jairo Romero, Tratamiento de Aguas Residuales: Teoría y Principios de Diseño
Según Jairo Romero el efecto de la carga superficial y del tiempo de retención
sobre la remoción de DBO y SS varía mucho, según las características del agua
residual, la proporción de sólidos sedimentables, la concentración de sólidos y
otros factores. Hay que tener en cuenta que las cargas superficiales deben ser lo
suficientemente pequeñas como para asegurar una operación satisfactoria del
sedimentador en caudales máximos.
La velocidad de flujo deber ser menor de 1.5 m/min para prevenir la suspensión se
sólidos; la velocidad crítica de arrastre se puede calcular por medio de la ecuación
de Camp y Shields:
* ( )
+
Ecuación 13
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69
Donde:
Vc = Velocidad crítica de arrastre, m/s
K = 0.04 para material granular
K = 0.06 para material viscoso
F = 0.02 – 0.03, factor de fricción de Darcy – Weisbach
S = densidad relativa de las partículas
g = aceleración gravitacional, m/s2
d = diámetro de las partículas, m
3. Zona de lodos: Zona adicional utilizada para almacenar los lodos hasta el
momento que se retiren del sedimentador.
4. Zona de salida: Constituida por un vertedero donde se recoge uniformemente
el flujo de salida de forma que la velocidad no varíe a lo ancho del
sedimentador.
Vertedero de pared delgada
Ecuación 14
6.4.3 TRATAMIENTO SECUNDARIO
6.4.3.1 HUMEDAL ARTIFICIAL DE FLUJO SUBSUPERFICIAL
Medio comúnmente con grava gruesa y arena de 0,45 a 1 m
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70
Pendiente 1%
La vegetación es semejante a la de los humedales con espejo de agua y no
requiere cosechar plantas.
Características importantes para el diseño de humedales artificiales de flujo
subsuperficial:
Tabla 17 Criterios para humedales de flujo subsuperficial
CRITERIO VALOR
Tiempo de retención (t), d 3 – 4 (DBO), 6 – 10 (N); 4 – 15
Carga hidráulica superficial (CH), m3/ha D 470 – 1.870
Carga orgánica (CO), Kg DBO/ha d <112
Carga SST, Kg/ha d 390
Profundidad del agua (y), m 0,3 – 0,6
Profundidad del medio (h), m 0,45 – 0,75
Control de mosquitos No requiere
Programa de cosecha No requiere
Calidad esperada del efluente DBO/SST7NT/PT, mg/L <20/20/10/5 Fuente: Jairo Romero, Tratamiento de Aguas Residuales: Teoría y Principios de Diseño
Características típicas del medio para humedales artificiales de flujo
subsuperficial:
Tabla 18 Características típicas del medio para humedales
MEDIO TAMAÑO
EFECTIVO (mm) POROSIDAD
(n) CONDUCTIVIDAD
HIDRÁULICA (KS), m/d
Arena media 1 0,3 500
Arena gruesa 2 0,32 1.000
Arena y grava 8 0,35 5.000
Grava media 32 0,4 10.000
Grava gruesa 128 0,45 100.000 Fuente: Jairo Romero, Tratamiento de Aguas Residuales: Teoría y Principios de Diseño
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71
Características de agua residual doméstica típica:
Tabla 19 Características de agua doméstica típica
PARÁMETRO MAGNITUD UNIDADES
DBO 200 mg/L
DQO 400 mg/L
Sólidos suspendidos totales 200 mg/L
Sólidos volátiles 150 mg/L
Nitrógeno amoniacal 30 mg/L – N
Ortofósfatos 10 mg/L – P Fuente: Jairo Romero, Tratamiento de Aguas Residuales: Teoría y Principios de Diseño
Verificación del efluente DBO
Valores de K20, KS y e
( )
Ecuación 15
Donde:
Ce = Concentración de DBO en el efluente (mg/L)
Co = Concentración de DBO en el afluente (mg/L)
As = Área Superficial del Humedal (m2)
T = Temperatura (°C)
e = Porosidad promedio del sistema, en fracción decimal
Q = caudal (m3/d)
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72
At = Área de la sección transversal del lecho (m2)
Ks = Conductividad Hidráulica (m/d)
V = Volumen humedal (m3)
T = Tiempo de retención hidráulico (d)
a = ancho del humedal (m)
l = Longitud del humedal (m)
KR = Constante de remoción (d-1)
K20 = Constante a 20 °C, (d-1)
6.4.4 LECHOS DE SECADO
Aplicación de las capas de lodo
Tabla 20 Datos de la capa de lodo
DESCRIPCIÓN CANTIDAD UNIDADES
Capas de lodo en el lecho 20 a 30 cm Fuente: Jairo Romero, Tratamiento de Aguas Residuales: Teoría y Principios de Diseño
Parámetros de diseño para lechos de secado
Tabla 21 Parámetros del lecho de secado
DESCRIPCIÓN CANTIDAD UNIDADES
Área requerida per cápita
Lodo Primario 0,09 m^2/c
Lodo Primario y filtro percolador 0,15 m^2/c
Lodo Primario y lodos activados 0,28 m^2/c
Lodo percapitado químicamente 0,18 m^2/c
Carga de sólidos secos
Lodo Primario 134 Kg/m^2.año
Lodo Primario y filtro percolador 110 Kg/m^2.año
Lodo Primario y lodos activados 73 Kg/m^2.año
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73
DESCRIPCIÓN CANTIDAD UNIDADES
Lodo percapitado químicamente 110 Kg/m^2.año
Altura sobre la arena 0,5 - 0,9 m
Diámetro tubería de drenaje principal > 0,10 m
Pendiente tubería de drenaje principal > 1 %
Distancia entre drenajes principales 2,5 - 6 m
Distancia entre tuberías laterales de drenaje
2,5 - 3 m
Espesor de grava 20 - 46 cm
Tamaño de grava 3 - 25 mm
Profundidad de arena 20 - 46 cm
Coeficiente de uniformidad de arena < 4 -
Tamaño efectivo de arena 0,3 - 0,75 mm
Ancho del lecho para limpieza manual 7,5 m
Longitud del lecho de secado < 60 m Fuente: Jairo Romero, Tratamiento de Aguas Residuales: Teoría y Principios de Diseño
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74
7 DISEÑO DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
Los cálculos que se presentan a continuación, evalúan el sistema de tratamiento
de aguas residuales derivadas de la red de alcantarillado del Macroproyecto
Ciudad Florecer.
7.1 ASIGNACIÓN DEL NIVEL DE COMPLEJIDAD
Según tabla 6 para una población de 50.300 habitantes el nivel de complejidad del
proyecto es Medio Alto.
7.2 ASIGNACIÓN DEL PERIODO DE DISEÑO
Según tabla 7 el periodo de diseño es de 25 años.
7.3 CÁLCULO DEL CAUDAL MEDIO DIARIO (QMD)
Cálculo de QD
Tabla 22 Parámetros asignados para calcular QD
DESCRIPCIÓN DATOS UNIDADES OBSERVACIONES
Coeficiente de retorno 0,85 - Parámetro Tabla 8
Demanda neta 125 L/hab*día Parámetro Tabla 9
Fuente: Elaboración propia
Cálculo del caudal de aguas residuales domésticas, tomada de la ecuación 2:
Ecuación 16
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75
Cálculo de QI
Tabla 23 Parámetros asignados para calcular QI
DESCRIPCIÓN DATOS UNIDADES OBSERVACIONES
Contribución industrial 0,80 L/s*Ha Parámetro Tabla 10
Área industrial 31,96 Ha Dato Ecociudades Fuente: Elaboración propia
Cálculo del caudal de aguas residuales industriales, tomada de la ecuación 3:
Ecuación 17
Cálculo de QC
Tabla 24 Parámetros asignados para calcular QC
DESCRIPCIÓN DATOS UNIDADES OBSERVACIONES
Contribución comercial 0,50 L/s*Ha Parámetro Numeral 6.3.4
Área comercial 15,53 Ha Dato Ecociudades Fuente: Elaboración propia
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76
Cálculo del caudal de aguas residuales comerciales, tomada de la ecuación 4:
Ecuación 18
Cálculo de QIN
Tabla 25 Parámetros para para calcular QIN
DESCRIPCIÓN DATOS ABREVIATURA UNIDADES OBSERVACIONES
Contribución institucional 0,50 Cin L/s*Ha Parámetro Numeral 6.3.5
Área institucional 22,20 Ain Ha Dato Ecociudades Fuente: Elaboración propia
Cálculo del caudal de aguas residuales institucionales, tomada de la ecuación 5:
Ecuación 19
Cálculo del caudal medio diario, tomada de la ecuación 1:
Ecuación 20
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77
7.4 CANAL RECOLECTOR Y LA REJILLA
7.4.1 DATOS PROPUESTOS
A continuación, se describen los datos propuestos para el dimensionamiento del
canal recolector:
Base o ancho del canal recolector
Borde Libre del canal
Espesor del muro
Pendiente del canal
7.4.2 ASIGNACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE DISEÑO
Según tabla 11 se establecen los siguientes parámetros de diseño para calcular la
rejilla:
Velocidad de acercamiento
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78
Ángulo de inclinación de la rejilla
Ancho de la sección de la barra
Abertura o espaciamiento de la barra
Según tabla 12 se establece el siguiente diámetro:
Diámetro de la barra (propuesto)
Según tabla 13 se establece el siguiente factor de forma:
7.4.3 DISEÑO
Altura o energía de la velocidad de flujo
Ecuación 21
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79
Donde:
Vb = Velocidad de acercamiento
g = aceleración de la gravedad, m/s2
Pérdida de energía en la rejilla
Cálculo de la pérdida de la energía en la rejilla según la ecuación 6, se tiene:
(
)
Ecuación 22
(
)
Área del canal
Ecuación 23
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80
Altura de la lámina de agua
Ecuación 24
Altura total del canal
Ecuación 25
Longitud de las barras sumergidas
Ecuación 26
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81
Longitud total de las barras
Ecuación 27
Número de barras requeridas
(
)
Ecuación 28
(
)
7.5 DESARENADOR
7.5.1 DATOS PROPUESTOS
Ancho en la parte superior de la sección
Se diseñarán 2 unidades desarenadoras lo cual se de flujo horizontal, con sección
de control construida por un vertedero sutro colocado en el extremo del efluente
de la cámara.
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82
7.5.2 ASIGNACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE DISEÑO
Velocidad de flujo
Velocidad de sedimentación para partículas de 0,21 mm
Tiempo de retención
7.5.3 DISEÑO
Caudal medio diario
Caudal máximo diario
(
) ( )
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83
Caudal mínimo diario
Caudal máximo de emergencia
De la ecuación 9 se obtiene:
Profundidad de flujo en el canal desarenador
Para la determinación de la Altura de velocidad y la profundidad para la sección de
control se utiliza la ecuación de Bernoulli, igualando la energía aguas arriba, en el
canal, con la energía en la sección de control.
Ecuación 29
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84
Para canales rectangulares, la profundidad crítica está dada por:
Ecuación 30
Entonces obtenemos:
Altura de velocidad en la sección de control
(
( )
( )
)
Profundidad en la sección de control
Velocidad en la sección de control
√
Área de la sección de control
Ecuación 31
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85
Ancho de la sección de control
Ecuación 32
CÁLCULO DEL ANCHO PARA CAUDAL MEDIO
Área de flujo en la sección de control
√
Ecuación 33
√(
)
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86
Profundidad de flujo en la sección de control
Ecuación 34
Profundidad en la cámara desarenadora
Ecuación 35
(
)
( )
Ancho de la lámina de agua en el canal
Ecuación 36
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87
CÁLCULO DEL ANCHO PARA CAUDAL MÍNIMO
Área de flujo en la sección de control
√(
)
Profundidad de flujo en la sección de control
Profundidad en la cámara desarenadora
Ecuación 37
(
)
( )
Ancho de la lámina de agua en el canal
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88
CÁLCULO DEL ANCHO PARA CAUDAL DE EMERGENCIA
Área de flujo en la sección de control
√(
)
Profundidad de flujo en la sección de control
Profundidad en la cámara desarenadora
Ecuación 38
(
)
( )
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89
Ancho de la lámina de agua en el canal
Longitud del desarenador teórica
Ecuación 39
Longitud mínima recomendada
Ecuación 40
Longitud máxima adicional es el 50% de la longitud teórica
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90
Longitud total
Adoptando una longitud adicional de 4,04 obtenemos:
Ecuación 41
Tiempo de retención en el desarenador para el caudal máx.
( )
Ecuación 42
(
)
Tiempo de sedimentación para caudal máx.
Vertedero sutro
Según ecuación 43 se obtiene:
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91
Ancho máximo
( )
Ecuación 43
( ( ) )
Área transversal media
Ecuación 44
Área transversal mínima
Ecuación 45
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92
Altura media
Ecuación 46
Altura mínima
Ecuación 47
Ancho medio
( )
Ecuación 48
( ( ) )
Ancho mínimo
( )
Ecuación 49
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93
( ( ) )
7.6 TANQUE SEDIMENTADOR
Se diseñan 2 unidades sedimentadoras para efectos de mantenimiento.
7.6.1 DATOS PROPUESTOS
Diámetro de los orificios de la pantalla difusora
Caudal Pico
El diseño se realiza para un caudal promedio y un caudal pico suponiendo una
relación de 3 presentado a continuación.
(
) ( )
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94
Pendiente suave hacia la tolva de lodos
Borde Libre
7.6.2 ASIGNACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE DISEÑO
Zona de entrada
Distancia entre la pantalla difusora y la pared de la entrada
Angulo de emboquillado del orificio
Velocidad de paso por los orificios
Zona de sedimentación
Según tabla No. 18 se asignan los siguientes parámetros de diseño:
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95
Carga superficial
Carga superficial máxima
Profundidad de agua
Zona de sedimentación
Carga de rebose sobre el vertedero
7.6.3 DISEÑO
Área requerida para caudal promedio
Ecuación 50
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96
Área requerida para caudal pico
Ecuación 51
Ancho del sedimentador
√
Ecuación 52
√
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97
Longitud total del tanque
Ecuación 53
(
)
Volumen del tanque
Ecuación 54
Zona de entrada
Área total de los orificios
Ecuación 55
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98
Área del orificio
Ecuación 56
Número de orificios
Ecuación 57
Porción de altura de la pantalla difusora con orificios
Ecuación 58
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99
Número de filas de orificios
Número de columnas de orificios
Espaciamiento entre filas
Ecuación 59
Espaciamiento entre columnas
( )
Ecuación 60
( )
Relación Largo/Ancho 3 – 6
Ecuación 61
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100
Relación Largo/Profundidad 5 – 20
Ecuación 62
Velocidad horizontal
Ecuación 63
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101
Velocidad crítica de arrastre
* ( )
+
Ecuación 64
[ ( )
]
Periodo de retención hidráulica
Ecuación 65
Altura máxima
( )
Ecuación 66
(
)
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102
Carga de rebose sobre el vertedero
Ecuación 67
( ) ( )
Zona de salida
Vertedero de salida
(
)
Ecuación 14
(
)
7.7 HUMEDAL ARTIFICIAL
7.7.1 DATOS PROPUESTOS
Pendiente del lecho
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103
7.7.2 ASIGNACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE DISEÑO
Según tabla No.17 se asignan los siguientes parámetros:
Profundidad del agua
Tiempo de retención DBO
Tiempo de retención nitrógeno amoniacal
Según tabla No.18 se asignan los siguientes parámetros:
Conductividad hidráulica - Grava media
Porosidad
Según tabla No.18 se asignan los siguientes parámetros:
CARGA DE DBO
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104
CARGA DE NITRÓGENO AMONIACAL
DBO EN EL SEDIMENTADOR PRIMARIO
CONSTANTE DE REMOCIÓN NITRÓGENO AMONIACAL
7.7.3 DISEÑO
Caudal promedio en m3/día
Volumen de agua en el humedal
Ecuación 68
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105
Área superficial del humedal
Ecuación 69
Área transversal del humedal
Ecuación 70
Ancho del humedal
Ecuación 71
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106
Largo del humedal
Ecuación 72
Cargas orgánicas
DBO
Ecuación 73
DBO en el sedimentador primario
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107
Carga hidráulica superficial
Ecuación 74
Verificación efluente DBO
( )
Ecuación 75
La porosidad del lecho filtrante la determinamos mediante la Tabla No.18:
Arena gruesa = 0,40
K0 = 1,839 d-1
( )
( )
Calidad del efluente DBO
(
) )
Calidad del efluente N
(
) )
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108
7.8 LECHOS DE SECADO
Caudal promedio
Población
7.8.1 DATOS PROPUESTOS
Número de lechos
7.8.2 ASIGNACIÓN DE PARÁMETROS DE DISEÑO
Según tabla No. 21 se asignan los siguientes parámetros de diseño:
Área requerida per cápita
Ancho del lecho para limpieza manual
Profundidad de la capa de lodo
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109
Altura sobre la arena
Profundidad de arena
Borde libre por encima de la arena
7.8.3 DISEÑO
Área del lecho de secado
Ecuación 76
Área individual de los lechos de secado
Ecuación 77
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110
Longitud del lecho de secado
Ecuación 78
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111
7.9 UBICACIÓN Y CONDUCCIÓN DE LAS AGUAS TRATADAS
En el anexo número 4 LOCALIZACION HUMEDAL, se indican las coordenadas
Magna Sirgas del área que ocupara el Humedal y el sitio de vertimiento.
Se presenta un plano con la planta y el perfil de la conducción del efluente tratado
desde el Humedal hasta el sitio previsto para la descarga del efluente en el río
Bogotá
La conducción será una tubería a presión de diámetro de 8” que cruza el río
Balsillas y el Canal Victoria, se ha previsto que el cruce sea subfluvial inicie y
termine por fuera de la ronda del río Balsillas y del Canal Victoria.
7.9.1 VERTIMIENTO AL RÍO BOGOTÁ
La capacidad de asimilación de una corriente es función de una serie de factores
que incluyen el oxígeno disuelto presente en ésta, la velocidad y turbulencia de la
corriente y balance de cargas.
El Río Bogotá en la zona en la cual se proyecta el vertimiento presenta
condiciones anaerobias por lo que no está en condiciones de degradar la materia
orgánica. Las descargas de aguas residuales de la ciudad de Bogotá han
consumido la totalidad del oxígeno que pudiera estar presente en la corriente
En cuanto a las características del medio abiótico, biótico y socioeconómico, es
posible afirmar que el río Bogotá en el sitio en el cual se realizará el vertimiento
tiene oxígeno disuelto igual a cero por lo que no es de esperarse vida alguna en la
corriente.
Las siguientes imágenes son tomadas en la zona de la descarga del río Balsillas y
durante la limpieza del cauce adelantada por la CAR, presenta el estado del río
Bogotá en la zona de interés. En ellas es posible ver las burbujas que se
presentan por la altísima carga de materia orgánica presente en los lodos del
fondo del río.
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112
Ilustración 31 Río Balsillas
Fuente: Propia
El río Bogotá tiene en el sector un caudal medio del orden de 27 mᶟ/s, mientras
que el vertimiento del humedal calculado para el proyecto en su etapa final apenas
alcanzará un caudal de 0.1 mᶟ/s, que tan solo representa un 0.37 % del caudal de
río.
El agua del río Bogotá se utiliza para generación de energía a través de las
centrales del Paraíso y la Guaca que opera EMGESA después de bombearlas al
embalse del Muña.
7.10 DIAGNOSTICO Y RENDIMIENTO DEL SISTEMA
Según el MINISTERIO DE AMBIENTE Y DESARROLLO SOSTENIBLE establece,
en su Resolución 631 de 2015, los parámetros y los valores límites máximos
permisibles en vertimientos puntuales a cuerpos de aguas superficiales y a
sistemas de alcantarillado público (17).
Como mínimo, se deben tener en cuenta los siguientes estudios de la calidad de la
fuente receptora (10): Aceites y grasas, DBO, DQO, Sólidos Suspendidos Totales
y Sólidos Sedimentables.
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113
Tabla 26 Concentraciones Máximas Permisibles
PARÁMETRO Norma (mg/L)
DBO 200
DQO 400
Grasas Y Aceites 50
Sólidos Sedimentables 5
Sólidos Suspendidos Totales 100 Fuente: Resolución 631 de 2015
7.10.1 DIAGNOSTICO DEL PROCESO DE DEPURACIÓN
Para el tratamiento de aguas residuales del Macroproyecto se dimensionó un
sistema de depuración que cuenta con:
Un pretratamiento en el cual se remueve teóricamente alrededor de 0 a 5%
de los Sólidos Suspendidos, 0 a 5% DQO, 0 a 5% DQO (17).
Un tratamiento primario que remueve alrededor del 30 a 70% de DBO, 30 a
40% DQO, 50 a 65% Sólidos suspendidos y Sólidos sedimentables, 80% de
grasas y aceites (10).
Un tratamiento secundario que remueve alrededor del 70 a 80% de DBO,
65 a 80% DQO, 60 a 70% de sólidos suspendidos y sólidos sedimentables
y 70% de grasas y aceites.
7.10.2 RENDIMIENTO DEL PROCESO DE DEPURACION
El rendimiento determinará la eficiencia del sistema de tratamiento de aguas
residuales del Macroproyecto y la concentración máxima permitida para verter a
un cuerpo de agua. Dicho rendimiento estará dado en porcentaje y se determina
de la siguiente manera:
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114
Concentración en el efluente - fase de pretratamiento
(
)
Ecuación 79
(
)
Rendimiento - fase de pretratamiento
(
)
Ecuación 80
(
)
Tabla 27 Rendimiento Pretratamiento
Parámetro Concentración
Permitida
Remoción teórica
asumida
Eficiencia de la
Remoción
Concentración que pasa a la siguiente fase
DBO 200 5% 25% 190
DQO 400 5% 49% 380
Grasas Y Aceites 50 0% 0% 50
Sólidos Sedimentables 5 0% 0% 5
Sólidos Suspendidos Totales 100 5% 7% 95 Fuente: Elaboración propia
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115
Ilustración 32 Concentración pretratamiento
Fuente: Elaboración propia
Concentración en el efluente - fase de tratamiento primario
(
)
Rendimiento - fase de tratamiento primario
(
)
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116
Tabla 28 Rendimiento tratamiento primario
Parámetro Concentración
Permitida
Remoción teórica
asumida
Eficiencia de la
Remoción
Concentración que pasa a la siguiente fase
DBO 190 40% 24% 114
DQO 380 40% 48% 228
Grasas Y Aceites 50 80% 0% 10
Sólidos Sedimentables 5 65% 0% 1,75
Sólidos Suspendidos Totales 95 65% 6% 33,25 Fuente: Elaboración propia
Ilustración 33 Concentración tratamiento primario
Fuente: Elaboración propia
Concentración en el efluente - fase de tratamiento secundario
(
)
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117
Rendimiento - fase de tratamiento secundario
(
)
Tabla 29 Rendimiento tratamiento secundario
Parámetro Concentración
Permitida
Remoción teórica
asumida
Eficiencia de la
Remoción
Concentración que pasa a la siguiente fase
DBO 114 70% 9% 34,2
DQO 228 80% 30% 45,6
Grasas Y Aceites 10 70% 0% 3
Sólidos Sedimentables 2 70% 0% 0,525
Sólidos Suspendidos Totales 33,3 70% 0% 9,975 Fuente: Elaboración propia
Ilustración 34 Concentración tratamiento secundario
Fuente: Elaboración propia
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118
Rendimiento para el sistema de tratamiento
Ecuación 81
Tabla 30 Eficiencia total del sistema propuesto
Parámetro Concentración sin
sistema de tratamiento
Concentración con sistema de
tratamiento
Eficiencia Total del sistema de
tratamiento
DBO 200 34,2 82,90%
DQO 400 45,6 88,60%
Grasas Y Aceites 50 3 94,00%
Sólidos Sedimentables 5 0,525 89,50%
Sólidos Suspendidos Totales 100 9,975 90,03% Fuente: Elaboración propia
Ilustración 35 Eficiencia total
Fuente: Elaboración propia
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119
8 CONCLUSIONES
Como resultado de la evaluación realizada en el Proyecto Ciudad Florecer, es
posible concluir que el humedal artificial como alternativa para el tratamiento de
aguas residuales, tiene altos beneficios como la mejora paisajística, ecosistemas
para diferentes animales de la zona, la mitigación de impactos ambientales, bajos
costos, fácil uso y mantenimiento, teniendo en cuenta que el agua residual en su
fase de disposición final llega con una remoción en promedio del 60% de los
parámetros más relevantes de contaminación como lo son el DBO.
Con los valores arrojados de los cálculos de diseño se puede determinar que para
la implementación de este sistema se necesita contar con un área de terreno
considerable, ya que tan solo para la construcción del humedal se necesita contar
con un área de alrededor de 7 hectáreas, para el presente proyecto no es un
factor que altere el presupuesto ya que dentro de las cargas generales se
encuentra un área destinada para este objetivo.
La implementación del humedal artificial para el MCF objeto de este estudio,
cumple con los requisitos para su funcionamiento, el agua residual está siendo
tratada y muestra una eficacia del 80% aumentando así la remoción de la carga
orgánica disminuyendo a su vez la carga orgánica que llevará a la disposición final
que es el Río Bogotá.
De acuerdo al análisis realizado en este trabajo, la implementación del sistema de
humedales artificiales para Ciudad Florecer es una solución viable para el
tratamiento de las aguas residuales generadas en el proyecto, por las ventajas
que tiene:
No requiere equipos mecánicos
Es una tecnología fácilmente adaptable,
No genera un impacto visual al ser construidos.
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120
Una de las desventajas que se tiene con el diseño de este tipo de humedales es
que no se puede estandarizar solo con el número de habitantes, ya que hay otros
factores determinantes como lo son la carga orgánica y el área disponible para su
construcción.
En Colombia no existe un dato puntual de la cantidad de humedales artificiales
construidos para el tratamiento de las aguas residuales, de lo cual es fácil deducir
que la implementación de este sistema es mínima y que es difícil que se convierta
en una de las principales tecnologías empleadas para el tratamiento, es por esta
razón que como ingenieros debemos promover todas las tecnologías que
beneficien el medio ambiente y a su vez sean viables, eficientes y económicas.
Cada unidad de tratamiento ha sido diseñada según los criterios de diseño y
ecuaciones sugeridas por las normas y guías de diseño de Jairo Romero, para
sistemas de tratamiento de aguas residuales con el fin de obtener y garantizar un
grado acertado de depuración.
Se logra evidenciar como la eficiencia de depuración del sistema de tratamiento de
aguas residuales logra remover un poco más del 80% de los contaminantes más
importantes de las aguas servidas, cumpliendo con los límites permisibles de la
normativa del Ministerio de Ambiente.
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TRATAMIENTO DE LAS AGUAS RESIDUALES DEL MACROPROYECTO CIUDAD
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121
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[Citado el: ]
18. Hernández, Ennóe Milanes. Diseño de un humedal subsuperficial de flujo
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Farmacia. [En línea]
http://dspace.uclv.edu.cu/bitstream/handle/123456789/1285/Q07036.pdf?sequenc
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EVALUACIÓN DE UN HUMEDAL ARTIFICIAL COMO ALTERNATIVA PARA EL
TRATAMIENTO DE LAS AGUAS RESIDUALES DEL MACROPROYECTO CIUDAD
FLORECER, EN EL MUNICIPIO DE MOSQUERA - CUNDINAMARCA
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ANEXOS
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