ESCUELA DE POSGRADO UNIDAD DE POSGRADO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA DE MINAS, GEOLOGÍA Y CIVIL Tratamiento final del agua residual mediante el Sistema Wetland en el distrito de Santa Rosa - Ayacucho 2023 Tesis para obtener el grado de: MAESTRO EN CIENCIAS DE LA INGENIERÍA, MENCIÓN GERENCIA DE PROYECTOS Y MEDIO AMBIENTE Presentado por: Bach. Wilinthon Raul Zamora Gutierrez Asesor: Mtro. Jaime Bendezú Prado UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN CRISTÓBAL DE HUAMANGA Ayacucho - Perú 2024 ii Dedicatoria Este presente trabajo se lo dedico con todo el cariño del mundo a mí adorada madre Fernandina Gutiérrez García quien con su amor infinito y comprensión me guiaron durante toda mi vida; así mismo darle gracias, Dios por darme vida y fortaleza. Dedico este trabajo a la mujer quien supo entenderme y llevarme de la mano por la vida, así como el mar siempre vive atado a su orilla, así como el viento recio surca los mares, así crecí a tu lado como persona y como profesional, para ti Jenifer Janira H.M iii Agradecimiento A la Universidad Nacional de San Cristóbal de Huamanga por cobijarme en sus grandiosas aulas que inspiran superación. A la Escuela de Post Grado de la Universidad Nacional de San Cristóbal de Huamanga que me permitió cumplir con una de mis metas académicas, a su plana docentes y a mis compañeros de aula por su apoyo incondicional. A mi asesor el Mtro. Jaime Bendezú Prado por su loable labor de enseñanza y comprensión infinita, quien me ha guiado en la vida profesional y laboral. iv Índice General Dedicatoria ........................................................................................................................... ii Agradecimiento .................................................................................................................. iii Índice General ..................................................................................................................... iv Índice de Tablas .................................................................................................................. ix Índice de Figuras ................................................................................................................ xi Índice de Anexos .............................................................................................................. xiii Resumen ............................................................................................................................ xiv Summary ........................................................................................................................... xvi Introducción ....................................................................................................................... 18 Capítulo I Planteamiento Del Problema .......................................................................... 21 1.1. Descripción de la situación problemática .............................................................. 21 1.2. Realidad problemática ........................................................................................... 24 1.2.1. Realidad problemática internacional ........................................................ 24 1.2.2. Realidad problemática nacional ............................................................... 24 1.2.3. Realidad Problemática Local .................................................................... 25 1.3. Definición del problema ........................................................................................ 28 1.4. Planteamiento del problema .................................................................................. 30 1.5. Delimitación del problema .................................................................................... 32 1.5.1. Delimitación de estudio ............................................................................. 32 1.5.2. Delimitación de tipología .......................................................................... 32 Características físicas. ...................................................................................... 32 Características químicas ................................................................................... 33 Características biológicas ................................................................................. 33 1.5.3. Delimitación espacial ................................................................................ 34 v 1.5.4. Delimitación de campos ............................................................................ 34 1.6. Formulación del problema..................................................................................... 34 1.6.1. Problema general ...................................................................................... 34 1.6.2. Problema específico .................................................................................. 34 1.7. Objetivos de la investigación ................................................................................ 36 1.7.1. Objetivo general ........................................................................................ 36 1.7.2. Objetivo específico .................................................................................... 36 1.8. Alcance .................................................................................................................. 36 Capitulo II Marco Teórico ................................................................................................ 37 2.1. Generalidades ........................................................................................................ 37 2.2. Tratamiento de agua residual orígenes .................................................................. 37 2.3. Caudales de agua residual ..................................................................................... 38 2.4. Estimación de caudal de agua residual .................................................................. 38 2.4.1. Caudal de agua residual ........................................................................... 38 La infiltración en las alcantarillas..................................................................... 41 2.4.2. Caudal de diseño ....................................................................................... 43 2.5. Caudal de agua residual para pequeñas comunidades ........................................... 43 2.6. Características de agua residual ............................................................................ 45 2.6.1. Características físicas ............................................................................... 46 Sólidos totales. .................................................................................................. 47 Olores. .............................................................................................................. 49 Temperatura ...................................................................................................... 50 Densidad ........................................................................................................... 51 Color. ................................................................................................................ 52 Turbiedad. ......................................................................................................... 52 vi 2.6.2. Características químicas ........................................................................... 52 Materia orgánica ............................................................................................... 53 Pesticidas y productos agrícolas. ...................................................................... 54 2.7. Diagrama de flujo para el tratamiento de agua residual ........................................ 55 2.8. Tratamientos anaerobios........................................................................................ 56 2.8.1. Hidrólisis ................................................................................................... 57 2.8.2. Acidogénesis .............................................................................................. 58 2.8.3. Metanogénesis ........................................................................................... 59 2.8.4. Ventajas y desventajas de los procesos de tratamiento anaerobio ........... 62 Ventajas de los procesos de tratamiento anaerobio .......................................... 63 2.8.5. Desventajas de los procesos de tratamiento anaerobio ............................ 64 2.9. Sistema Wetland .................................................................................................... 66 2.10. Tanque séptico ....................................................................................................... 66 2.10.1. Diseño de tanque séptico ........................................................................... 68 Tiempo de retención ......................................................................................... 68 Volumen del tanque séptico ............................................................................. 68 Dimensiones ..................................................................................................... 69 2.10.2. Humedales artificiales como tratamiento final ......................................... 70 Aplicaciones de los humedales artificiales ....................................................... 70 Tipos de humedales artificiales ........................................................................ 72 Componentes de un humedal artificial FSS ..................................................... 75 Microorganismos (Biopelícula) ........................................................................ 79 Mecanismos básicos de depuración en un humedal artificial .......................... 81 Diseño de humedales artificiales de flujo subsuperficial ................................. 82 Capítulo III Diseño Metodológico .................................................................................... 84 vii 3.1. Tipo de investigación ............................................................................................ 84 3.2. Nivel de investigación ........................................................................................... 84 3.3. Hipótesis de la investigación ................................................................................. 85 3.3.1. Hipótesis general ....................................................................................... 85 3.3.2. Hipótesis específicas ................................................................................. 85 3.4. Prueba Estadística.................................................................................................. 85 3.5. Lugar de ejecución ................................................................................................ 86 3.6. Universo y Muestro ............................................................................................... 86 3.6.1. Universo .................................................................................................... 86 3.6.2. Muestra ...................................................................................................... 86 3.6.3. Unidad de análisis ..................................................................................... 86 3.7. Técnicas e instrumentos de recolección de datos .................................................. 86 3.7.1. Materiales .................................................................................................. 86 3.7.2. Equipo respirometro .................................................................................. 87 3.7.3. Equipo tubos múltiples .............................................................................. 87 3.7.4. Potenciómetro ............................................................................................ 87 3.7.5. Equipo espectometría ................................................................................ 87 3.8. Ubicación de la zona de investigación .................................................................. 87 3.9. Mapas cartográficos del Centro Poblado de Rinconada Baja ............................... 90 3.10. Recopilación y análisis de datos estadísticos ........................................................ 90 3.10.1. Alumbrado eléctrico por red pública ........................................................ 90 3.10.2. Grupos de edad .......................................................................................... 91 3.10.3. Conexión del servicio higiénico ................................................................ 92 3.10.4. Abastecimiento de agua ............................................................................. 92 3.10.5. Porcentaje de población NBI .................................................................... 93 viii 3.11. Diseño y descripción del sistema Wetland ............................................................ 94 3.11.1. Etapas del tratamiento .............................................................................. 96 Buzón de desagüe ............................................................................................. 96 Tanque séptico .................................................................................................. 96 Salida de Tubería de agua tratada ..................................................................... 97 Sistema Wetland ............................................................................................... 98 Pozo Percolador .............................................................................................. 105 Lecho de Secado ............................................................................................. 106 3.11.2. Hierba Napier como planta de tratamiento ............................................ 107 Capítulo IV Resultados ................................................................................................... 110 4.1. Caracterización del agua residual a la salida del Pozo de Percolación - Tanque Séptico ............................................................................................................................. 110 4.1.1. Resultados del ensayo físico y químico ................................................... 111 4.1.2. Evaluación de los Límites Máximos Permisibles (LMP) con la norma vigente ................................................................................................................. 113 4.2. Caracterización del agua residual después del tratamiento pasivo experimental (sistema Wetland) a una semana de tratamiento ............................................................... 116 4.2.1. Resultados del ensayo físico y químico ................................................... 116 4.2.2. Evaluación de los Límites Máximos Permisibles (LMP) con la norma vigente ................................................................................................................. 118 4.3. Eficiencia del sistema Wetland ........................................................................... 120 Conclusiones ..................................................................................................................... 123 Recomendaciones ............................................................................................................. 124 Referencias Bibliográficas .............................................................................................. 125 Anexos ............................................................................................................................... 128 ix Índice de Tablas Tabla 1 Zonas Residenciales: Caudales de agua residual típicos ....................................... 39 Tabla 2 Establecimientos Comerciales: Caudales de aguas residuales típicos................... 40 Tabla 3 Centros Institucionales: Caudales de agua residual típicos ................................... 40 Tabla 4 Centros de Recreo: Caudales de aguas residuales típicos ..................................... 41 Tabla 5 Caudales típicos de agua residual procedentes de residencias .............................. 44 Tabla 6 Factores de punta para pequeñas comunidades, residencias individuales y pequeños establecimientos ................................................................................................... 45 Tabla 7 Contaminantes de importancia en el tratamiento del agua residual ...................... 46 Tabla 8 Intervalos de temperatura para algunas bacterias .................................................. 51 Tabla 9 Información típica sobre el peso específico y la concentración del fango procedente de los tanques de decantación primaria ............................................................... 52 Tabla 10 Datos Cinéticos a diferentes tipos de sustratos .................................................... 62 Tabla 11 Ventajas y desventajas de procesos anaeróbicos ................................................. 62 Tabla 12 Mecanismos de depuración predominantes en los humedales artificiales .......... 82 Tabla 13 Valores típicos de diseño de humedales artificiales ............................................. 83 Tabla 14 Ubicación geográfica ........................................................................................... 89 Tabla 15 Datos del informe de ensayo del agua residual (primera semana) .................... 111 Tabla 16 Ensayo Físico ..................................................................................................... 112 Tabla 17 Ensayo Químico ................................................................................................ 112 Tabla 18 Evaluación de los LMP del agua residual ......................................................... 113 Tabla 19 Datos del informe de ensayo del agua residual después del uso del sistema Wetland ........................................................................................................................... 116 Tabla 20 Ensayo Físico ..................................................................................................... 117 Tabla 21 Ensayo Químico ................................................................................................ 117 x Tabla 22 Evaluación de los LMP del agua residual a la salida del sistema Wetland ....... 118 Tabla 23 Evaluación de los LMP del agua residual a la salida del sistema Wetland luego de un mes de tratamiento. ....................................................................................... 122 xi Índice de Figuras Figura 1 Parámetros de diseño ........................................................................................... 27 Figura 2 Identificación gráfica de la infiltración y las aportaciones incontroladas ............ 42 Figura 3 Cono Imhoff empleado determinar solidos sediméntales. ................................... 47 Figura 4 Intervalos de tamaños de los contaminantes orgánicos presentes en el agua residual ............................................................................................................................... 48 Figura 5 Clasificación de sólidos presentes en agua residual de concentración media...... 50 Figura 6 Clasificación de sólidos presentes en agua residual de concentración media...... 53 Figura 7 Representación esquemática del flujo de carbono en el proceso de digestión anaeróbica .............................................................................................................. 56 Figura 8 Humedal artificial de flujo superficial ................................................................. 73 Figura 9 Sección transversal de un sistema de flujo subsuperficial horizontal .................. 74 Figura 10 Sección transversal de un sistema de flujo subsuperficial vertical ..................... 75 Figura 11 Mapa de Ubicación provincial ............................................................................ 88 Figura 12 Mapa de Ubicación Distrital .............................................................................. 89 Figura 13 Alumbrado eléctrico por red pública ................................................................. 91 Figura 14 Distribución de población por grupo de edad .................................................... 91 Figura 15 Distribución de métodos de desagüe .................................................................. 92 Figura 16 Distribución de fuentes de abastecimiento de agua ........................................... 93 Figura 17 Distribución de Necesidades Básicas Insatisfechas (NBI) ................................ 94 Figura 18 Ubicación del proyecto ...................................................................................... 95 Figura 19 Plano del Buzón de Desagüe .............................................................................. 96 Figura 20 Plano del Tanque séptico ................................................................................... 97 Figura 21 Plano de la Tubería de la salida de agua tratada ................................................ 98 Figura 22 Plano del Sistema Wetland ................................................................................ 99 xii Figura 23 Secuencia del sistema Wetland .......................................................................... 99 Figura 24 Proceso 1 del sistema Wetland ........................................................................ 100 Figura 25 Proceso 2 del sistema Wetland ........................................................................ 101 Figura 26 Proceso 3 del sistema Wetland ........................................................................ 103 Figura 27 Plano general del Sistema Wetland .................................................................. 104 Figura 28 Plano del Pozo Percolador ............................................................................... 105 Figura 29 Plano del Lecho de Secado .............................................................................. 106 Figura 30 Hierba Napier ................................................................................................... 107 Figura 31 Hierba Napier como sumidero de Carbono...................................................... 108 Figura 32 Hierba Napier utilizada en el proceso del sistema Wetland............................. 109 Figura 33 Diagrama de procesos del tratamiento de aguas residuales ............................. 110 Figura 34 Parámetros que cumplen con LMP .................................................................. 114 Figura 35 Parámetros que no cumplen con LMP ............................................................. 115 Figura 36 Peligros del pH en relación con el valor dado por los ensayos ........................ 115 Figura 37 Parámetros que cumplen con LMP .................................................................. 119 Figura 38 Parámetros que no cumplen con LMP ............................................................. 120 Figura 39 Comparación de Resultados M-1 con LMP de la Norma ................................ 121 Figura 40 Comparación de Resultados M-2 (t=30) con LMP de la Norma .................... 122 xiii Índice de Anexos Anexo 1 Mapa Cartográfico 01 ......................................................................................... 129 Anexo 2 Mapa cartográfico 02, Zona de estudio. ............................................................. 130 Anexo 3 Mapa cartográfico 03. ......................................................................................... 131 Anexo 4 Informe de Ensayo N° 14050-2015 QU – DLRRSO – DIRESA LABRATORIO DE QUÍMICA PROXIMAL .............................................................................. 132 Anexo 5 Informe de Ensayo N° 14072-2015 QU – DLRRSO – DIRESA LABRATORIO DE QUÍMICA PROXIMAL .............................................................................. 134 Anexo 6 Matriz de consistencia ........................................................................................ 135 Anexo 7 Matriz de operacionalización de variables ......................................................... 137 Anexo 8 Panel fotográfico del proceso constructivo ........................................................ 138 xiv Resumen Esta investigación tiene el objetivo central determinar el grado de eficiencia del sistema de tratamiento Wetland para el tratamiento final de las aguas residuales en los efluentes domésticos en el centro poblado de la Rinconada Baja cuya localización geográfica se encuentra en el distrito de Santa Rosa, Ayacucho 2023, para lo cual se ha empleado una metodología cuantitativa, experimental donde hubo un grupo de control y un grupo de experimento. En cuanto refiere a los resultados obtenidos en esta investigación, el análisis fue llevado a cabo por el laboratorio Química Proximal en el cual se planteó un método pasivo para el tratamiento final en la que sustituya al pozo de absorción y pueda reducir el DBO5 para que la descarga se encuentre entre los parámetros establecidos por los Límites Máximos Permisibles (LMP), se evaluó la calidad como la caracterización del agua residual procedente de un Pozo de Percolación - Tanque Séptico. En cuanto respecta a la evaluación, esta abarcó ensayos de propiedades fisicoquímicas para determinar la conformidad del agua en relación con los Límites Máximos Permisibles (LMP) regulados por las políticas ambientales peruanas vigentes. El agua residual antes de la implementación del sistema Wetland demostró tanto en los ensayos físicos como químicos que no se cumplía en gran medida la norma de los LMP de acuerdo con el D.S 04-20217 MINAM, las muestras registraron un Ph de 6, solidos suspendidos de 1.35 mg/L y una temperatura de 15 °C, mientras que, en el agua residual, postratamiento en un sistema experimental de humedales (Wetland), reveló hallazgos significativos. Estos hallazgos en ensayos físicos demostraron que el sistema era en gran medida eficaz en cuanto respecta los resultados, evidenciando un pH de 8, el cual es equilibrado y una reducción notable en los sólidos totales en suspensión el cual se registró 0.82 mg/L, ambos son cruciales para la reutilización segura del agua. A su vez, los ensayos químicos expusieron ciertos contaminantes como el cromo, plomo y cadmio superando los límites máximos permisibles, resaltando la necesidad de una revisión xv y posiblemente una intensificación del proceso de tratamiento. Las conclusiones presentadas se ha evidenciado que puede bajar la carga orgánica en un corto periodo pero que, en un tiempo, así como se ha elevado el pH del agua residual de 6 a 8 estando este dentro del rango establecido por la Norma de los LMP. Palabras Claves: Wetland, Ph, Límites Máximos Permisibles, Tanque Séptico, Pozo de Percolación, Ensayo físico, Ensayo químico. xvi Summary This research has the main objective of determining the degree of efficiency of the Wetland treatment system for the final treatment of wastewater in domestic effluents in the population center of Rinconada Baja whose geographical location is in the district of Santa Rosa, Ayacucho 2023, for which a quantitative methodology has been used, experimental where there was a control group and an experiment group. Regarding the results obtained in this research, the analysis was carried out by the Proximal Chemistry laboratory in which a passive method was proposed for the final treatment in which it replaces the absorption well and can reduce the BOD5 so that the discharge is within the parameters established by the Maximum Permissible Limits (LMP). The quality was evaluated as the characterization of the wastewater from a Percolation Well - Septic Tank. As for the evaluation, it included physicochemical property tests to determine the compliance of the water in relation to the Maximum Permissible Limits (LMP) regulated by current Peruvian environmental policies. The wastewater prior to the implementation of the Wetland system demonstrated in both physical and chemical tests that the LMP standard was not largely complied with according to D.S 04-20217 MINAM, the samples registered a pH of 6, suspended solids of 1.35 mg/L and a temperature of 15 °C, while, in wastewater, post-treatment in an experimental wetland system (Wetland), revealed significant findings. These findings in physical tests showed that the system was largely effective in terms of results, evidencing a pH of 8, which is balanced, and a notable reduction in total suspended solids which was recorded at 0.82 mg/L, both of which are crucial for the safe reuse of water. At the same time, the chemical tests exposed certain contaminants such as chromium, lead and cadmium exceeding the maximum permissible limits, highlighting the need for a review and possibly an intensification of the treatment process. The conclusions presented have shown that the organic load can be xvii lowered in a short period of time but that, over time, the pH of the wastewater has been raised from 6 to 8, being within the range established by the LMP Standard. Key Words: Wetland, Ph, Maximum Permissible Limits, Septic Tank, Percolation Well, Physical Test, Chemical Test. 18 Introducción Los humedales son ecosistemas naturales caracterizados por agua estancada o que fluye lentamente, estos ecosistemas desempeñan un papel importante en el medio ambiente y brindan una variedad de beneficios, incluida la regulación del clima, la retención de agua, la purificación del agua y la conservación de la biodiversidad. Los sistemas de tratamiento de humedales son tecnologías que utilizan los procesos naturales de los humedales para tratar las aguas residuales, estos sistemas se pueden utilizar para tratar una variedad de aguas residuales, incluidas aguas residuales domésticas, industriales y agrícolas. Los sistemas de tratamiento de humedales ofrecen muchas ventajas sobre las tecnologías tradicionales de tratamiento de aguas residuales. Estos beneficios incluyen eficiencia, costo y sostenibilidad. A lo largo de los años se ha desarrollado y aplicado diversas tecnologías en cuanto respecta el tratamiento de los cuerpos de aguas residuales, cuyo propósito es la aminorar los daños ambientales las cuales son causados por las aguas residuales urbanas (ARUS), conocido también como efluentes líquidos domiciliarios; pero que el siglo XXI la atención se centró a los efluentes de las minas producto de los relaves mineros, dejando a un lado los impactos negativos hacia el medio ambiente producido por las aguas negras, más aún en el Perú existiendo las Normativas vigentes, la contaminación por efluentes domiciliarios es latente en pequeñas comunidades pues según la norma IS020, el cual está establecido en el reglamento nacional de edificaciones establece el uso de tanques sépticos para zonas rurales como medida de tratamiento para zonas alejadas, pero que en realidad estos tanques sépticos en la mayoría solo son instalados en los centros educativos y a la población se instalaron letrinas sanitarias, en otras que hay un sistema de red de alcantarilla se instalaron sistemas de lagunas facultativas pero sin ninguna verificación si estas están cumpliendo el tratamiento para los cuales fueron construidos, siendo de esta manera el descuido que hoy se tiene a los efluentes líquidos en las pequeñas comunidades. 19 Normalmente el tratamiento de los efluentes domiciliarios antes de su vertido al cuerpo receptor ya sea un río, lago, suelo u otro deberá ser tratado en diversas operaciones con fines de eliminar agentes contaminantes y que estas deberán estar en concordancia a los límites máximos permisibles, instaurados en la ley peruana con el D.S. 007-2017MINAM. Que establece también que dichos tratamientos deberán ser lo más económicamente posible; dándose este último con los procesos biológicos para tratar los efluentes domiciliarios que por hoy son la solución para pequeñas comunidades, los cuales son de fácil control, cuando los requerimientos de depuración no son demasiado exigentes. Los principales problemas que afrontan las pequeñas comunidades para tratar los efluentes domiciliarios son el factor económico, altos costos de mantenimiento, capacitación técnica para el adecuado mantenimiento, disponibilidad de terreno. Estos problemas son limitantes en cuanto al tratamiento de los efluentes domiciliarios en distrito de Santa Rosa, específicamente en las comunidad de Rinconada Baja que el sistema de tanque séptico no cumplen con el correcto tratamiento de los cuerpos de aguas servidas debido, a que su cabida de diseño ha sobrepasado; por consiguiente, existe una contaminación en el cuerpo receptor que existe a unos metros de la poza de infiltración, por tal motivo este trabajo de investigación tiene el propósito de caracterizar el agua residual y así plantear el tratamiento final complementario al que existe como es el tanque séptico, con esta medida poder mitigar la contaminación al medio ambiente. El primer capítulo abordará la formulación del problema, describiendo detalladamente la situación actual de la comunidad de Rinconada Baja, junto con la justificación, las restricciones y los propósitos que dirigen la elaboración de esta tesis. Posteriormente, el marco teórico se desplegará más información para el entendimiento de las bases teóricas, seguidamente en el segundo capítulo, donde se examinarán trabajos previos y literatura pertinente que sustentan la investigación. Luego, se explicará la 20 metodología adoptada, enfatizando la aplicación de técnicas cuantitativas y un modelo experimental para la obtención de datos. En el cuarto apartado se dará la explicación y las interpretaciones de los resultados alcanzados. Para concluir, el capítulo final englobará las conclusiones y sugerencias resultantes del estudio. Es por ello, que esta investigación, titulada Tratamiento final del agua residual mediante el sistema Wetland plantea el objetivo central de determinar el grado de eficiencia del sistema de tratamiento Wetland para el tratamiento final de las aguas residuales en los efluentes domésticos en el centro poblado de la Rinconada Baja, ubicada en el distrito de Santa Rosa, Ayacucho en el periodo de 2023. 21 Capítulo I Planteamiento Del Problema 1.1. Descripción de la situación problemática En la actualidad se presentan diversos problemas ambientales en las pequeñas comunidades ubicadas en el distrito de Santa Rosa como en otros lugares del país, por lo que una implementación, elaboración y explotación de la PTAR resolvería una gran parte de la problemática de las aguas sépticas, que muchas de ellas se encuentran a cargo de las Municipalidades como entes gestionadores, y gran parte de ellos no tienen una eficiencia en sus tratamientos, siendo una problemática ambiental de gran importancia. Los antecedentes nacionales se ha evidenciado que muchos de las plantas de tratamiento de aguas residuales, o pozos de oxidación no reciben un tratamiento eficientes en sus procesos, incluso otros solo reciben tratamiento mediante las fosas sépticas o tanques sépticos y en muchos de los casos ya sobrepasaron la capacidad para lo cual fueron implementados, otros están en desuso debido a que no tuvieron en cuenta el tipo de suelo al momento de concebir el proyecto o no se realizaron las pruebas de infiltración o pruebas de absorción que generalmente se hacen durante la etapa de la concepción del proyecto y actualmente no trata el agua residual de forma adecuada. El problema latente existente en el centro poblado de Rinconada Baja del distrito de Santa Rosa es el empleo desmedido del tanque séptico instalado en las viviendas y estas han sobre pasado su vida útil y la capacidad para el cual fue diseñado, esto de acuerdo con la Norma del MINAM, en la cual indica que está prohibido que se haga la instalación de fosas sépticas a no menos de 500 m de las fuentes de agua, el mismo que fue vulnerado durante la instalación de los pozos sépticos. Es por ello, que en la mayoría de las pequeñas comunidades del Distrito de Santa Rosa y otras pequeñas comunidades del Perú tienen las mismas problemáticas, que se agravan más cuando estos efluentes son vertidos a los cuerpos receptores como las micro cuencas sin el debido tratamiento. En cuanto refiere a la 22 normatividad peruana, establece las leyes de acuerdo con el D. S. Nº 002-2008 MINAM; el D. S. N° 015-2015-MINAM, la Ley N° 28611 Ley General del Ambiente, en cuyos artículos 121°, 122º y la Ley N° 29338. Ley de Recursos Hídricos en los artículos 76º al 85º. En los cuales se determinan los parámetros de los LMP determinados para las salidas de los cuerpos de agua antes de ser descargados a los cuerpos de aguas receptoras; entendiéndose como ríos, riachuelos, lagunas, suelo, entre otras. Las limitantes muchas veces para la implementación de estas plantas de tratamiento son: ▪ Coste por habitante elevado. ▪ Limitación de financiamiento. ▪ Escasos presupuestos cuyo propósito sea la explotación y el correcto mantenimiento de las instalaciones. El problema fundamental de los efluentes domésticos en las comunidades de menor población es que están básicamente forzados a tener un nivel de tratamiento igual que las comunicades urbanas de mayor población y todo ello con pequeño recurso lo cual hace inviable cada proyecto, por lo que hoy en día tenemos una gran contaminación del medio ambiente por estos efluentes. Cabe mencionar también que los lugares más poblados son la zona de la selva a comparación de la sierra y por ende se generan mayor cantidad de efluentes, otro problema es que cada centro poblado o pequeña comunidad son muy aislados para ser considerados en una sola planta de tratamiento. Muchas de ellas también tienen problemas de pendientes, esto referido a que dicha comunidad o centro poblado (CP) están ubicados en laderas o zonas de mayor pendiente, donde es difícil la implementación de lagunas de oxidación; en otros caso no hay terreno donado para dicho tratamiento o no quieren donar el terreno para el tratamiento por el motivo de estos problemas que se 23 implantan proyectos que al final no cumplen con el tratamiento adecuado y ello conlleva efectos secundarios para el bienestar de los ciudadanos colindantes del proyecto. El problema por la financiación limitada que sufren las pequeñas comunidades para la gestión de sus aguas residuales obedece a los siguientes motivos: ▪ Menores ingresos por viviendas. ▪ Recaudación de impuestos por vivienda. ▪ Financiación. Las comunidades urbanas de menor oblación tienen posibilidades limitadas de uso y mantenimiento. La primera razón es que cuentan con recursos financieros escasos o limitados y poca o nula experiencia en la gestión de equipos y tratamiento de aguas residuales. También, plantea cuestiones relacionadas con la planificación, la contratación, la mala gestión de la ejecución del trabajo y la gestión de proyectos. Estos incluyen facturación, contabilidad, elaboración de presupuestos, operaciones y mantenimiento. (Metcalf, 2003); Por tanto, para superar estos obstáculos es necesario buscar soluciones eficaces con un mínimo mantenimiento. Por ello, en las obras que ya se ejecutan en el centro urbano de Rinconada Baja se están planteando soluciones al problema de la alternación del ambiente provocada por las aguas negras de origen doméstica; obra en la cual se instaló Tanque Séptico y que a la fecha ha sobrepasado para el diseño con el cual fue concebido, por lo que se plantea un tratamiento alternativo como tratamiento final, como es el tratamiento pasivo llamado humedales artificiales o Wetland, empleando para ello plantas autóctonas de la zona como son especies Paragüitas Cyperus alternifolius (tratamiento pasivo mediante sistema Wetland) con este sistema hibrido se aspira mitigar loa impactos ambientales y esté ejemplo pueda servir para que puedan tratar el resto de las comunidades que aún se encuentran contaminando el medio ambiente debido a que sus aguas siguen siendo vertidos al medio natural debido a que el 24 sistema planteado en el proyecto es inoperativo hasta el momento como son de los centros poblados de Chamayruchayocc, Iribamba, entre otros que se encuentran inoperables y vierten sus aguas al medio natural, como son los sembríos, rio Samugari contaminando al medio ambiente. Actualmente existe un malestar por parte de la población debido a los problemas ya mencionados debido a que el Estado se ha olvidado de las poblaciones más alejadas y necesitadas, teniendo un problema latente también la alteración de las características del agua potable, ya que actualmente vienen consumiendo agua entubada, ello se agrava con la contaminación de agentes químicos como los agro químicos que abundan en la zona. 1.2. Realidad problemática 1.2.1. Realidad problemática internacional No fue hasta mediados del siglo XIX, en el que el procesamiento de las aguas negras se convirtió en una prioridad, basándose en las teorías de Robert Koch y Louis Pasteur, el tratamiento microbiológico se convirtió en la base para un correcto tratamiento de las aguas séticas. Se requirió un apoyo bacteriológico para tener un tratamiento eficaz y adecuado a dichos cuerpos de agua. Finales del siglo XIX, Estados Unidos sintió la obligación de tratar las aguas negras más allá de simplemente recogerlas en las alcantarillas, ya que las aguas residuales de grandes masas empezaron a causar daños en la salud, ya que a medida que a medida que crecían la población eran más necesario tratar sus aguas por lo que impulsaron a una mayor demanda de la eficiencia del correcto tratamiento y gestión de los cuerpos de aguas sépticas, dándose así el inicio a la ingeniería sanitaria (Metcalf, 2003). 1.2.2. Realidad problemática nacional En el informe del 8 de junio de 2022, la Autoridad Nacional de Supervisión Sanitaria (SUNASS) elaboró un informe detallado sobre las entidades de ofertan los servicios; y lo que operan actualmente en el Perú tienen una totalidad de 202 instalaciones y 171 de ellas 25 en funcionamiento, sólo el 85% realiza operaciones de loa tratamientos de aguas negras para reducir la contaminación. (SUNASS, 2022). Las PTAR en operación están ubicadas en 31 de los 50 proveedores de servicios del país. Las empresas con el mayor número de PTARs en funcionamiento incluyen: EPS GRAU ubicada en Piura (31 empresas), EPSEL localizada en Chiclayo (25 empresas), SEDAPAL operada en Lima (20 empresas), AGUA TUMBES ubicada en Tumbes (14 empresas) y Trujillo con (14 empresas). Estas cinco empresas representan el 61% de las instalaciones de tratamientos adecuados de las aguas sépticas que operan. Un dato importante que se desprende del diagnóstico presentado es que entre 2016 y 2020, el procesamiento de las aguas negras dentro de las EPS aumentó de 66,40% a 7,70%, o 11,30%. Uno de los motivos de este crecimiento fue la puesta en funcionamiento en 2016 de la PTAR La Chira, cuyo objetivo es tratar aguas residuales de la región sur de Lima en la zona de SEDAPAL. (SUNASS, 2022). (Ministerio de Vivienda, Construcción y Saneamiento, 2021), indica que El Plan Nacional de Saneamiento 2020-2030 establece la meta de tratar de manera segura el 79,7% de las aguas residuales del Perú al 2030. Para lograr este objetivo requiere una inversión significativa en infraestructura de saneamiento y educación en higiene. Resolver los problemas de saneamiento del Perú requiere los esfuerzos conjuntos de todas las partes interesadas, incluidos el gobierno, la industria privada y la sociedad civil. 1.2.3. Realidad Problemática Local Los tratamientos que se realizan en la Provincia de La Mar, en el distrito de Santa Rosa, no propias puesto que en toda la provincia no cuenta con una EPS. A su vez, se debe recalcar que se conforma 24 centros poblados alrededor del distrito, por su parte, en el censo 26 del 2017 se ubicó a más de 93 mil habitantes en toda la provincia, por lo que, todos los procesos de tratamiento están a cargo de las municipalidades, por sus divisiones de limpieza y ornato. En cuanto refiere al acceso a agua potable, solo el 20% de la población se encuentra desatendida, del mismo modo el mismo porcentaje en cuanto refiere al acceso a un sistema de saneamiento. Si delimitamos la problemática en centros poblados el nivel de ciudadanos desatendidos es superior al 36%, y el nivel de personas con acceso a agua clorada su brecha es del 100%. En una comparativa con los tratamientos de aguas domesticas en la provincia de Ayacucho es responsabilidad de la EPS SEDA AYACUCHO, de la cual se obtiene información sobre las relaciones de los hogares, y la tasa de cobertura del servicio de drenaje es del 80,30%, correspondiente a una distribución atendida de 167 437 personas, las cuales presenta la siguiente distribución: a) Social (61) b) Doméstica (37,663) c) Comercio (5,329) d) Industria (87) e) Gobernación (239) Totalidad 43,379 Teniendo así una red colectora de 316,011 ml con tuberías de diversos diámetros como son de 6”, 8”, 10”, 12”, 14” llegando al PTAR denominada TOTORA, el cual fue construido en el año 1974 para una capacidad de 60, 000. Habitantes el cual a la fecha fue rebasada por lo que el año 2004 se ha realizado una ampliación teniendo en cuenta las siguientes características de diseño: 27 Figura 1 Parámetros de diseño Fuente: SEDA AYACUCHO, 2004 Desde la apertura del servicio el año 2004 la PTAR de TOTORA está compuesta por lo siguiente: 01 Obra de Ingreso 01 Cámara de materiales gruesos. 01 Rejillas manuales de 2” de espaciamiento. 01 Lecho de grava. 01 Desarenador de 03 canales. 02 Rejillas automáticas finas de 6 mm. 01 Tornillo transportador de basuras 01 Lecho de arena. 01 Medidor ultrasónico de caudales. 06 Tanques Imhoff. 03 Lechos de secado. 04 Filtros Percoladores. 04 Sedimentadores integrados ó Ats. 02 Lagunas facultativas. 03 Lagunas de maduración. 28 01 Laguna de Cloración. 01 Edificio de operación y laboratorio. 01 Estación de Bombeo. 01 Casa fuerza o grupo electrónico. 01 Estación de cloración. Misceláneos equipos de bombeo y otro Del cuadro precedente se puede evidenciar que los años de proyección para el PTAR TOTRA ha sido proyectada para una población de 278,215 habitantes por lo que la población al 688,657 habitante al año 2023 (INEI, 2023). El distrito de Ayacucho trata las aguas sépticas mediante de los municipios con una laguna oxidante, pero esta entidad sólo cuenta con tanques sépticos o digestores biológicos, mientras que otros municipios del siglo XXI utilizan silos, donde no hay tratamiento adecuado, muchas veces las aguas domesticas son vertidas a cuerpos mayores receptoras sin previo tratamiento. Esto representa una potencial contaminación para la región. 1.3. Definición del problema Para el correcto procesamiento de los cuerpos de aguas servidas en el centro poblado de Rinconada Baja fue construido un tanque de aguas servidas y un tanque de percolación ya hace 15 años mediante el proyecto de saneamiento básico rural de dicha comunidad, la misma que a la fecha ha llegado al fin su utilidad y existe una mayor demanda por lo que ha sobre pasado su capacidad con la cual fue diseñado y construido, así mismo la ubicación del del pozo de percolación se encuentra a tres metros aproximadamente de un fuente de agua el cual agrava más ya que para un pozos de infiltración según Norma debería localizarse con una distancia menor de 500 metros de alguna fuente o cuerpo de agua, todo ello para salvaguardar la infiltración por micro poros del suelo y así retener la carga bacteriana y así garantizar e tratamiento final del agua residual, el mismo que no se da en este caso, según 29 manifiestan la población fue concebido así debido a la limitante del libre disposición del terreno para la construcción, por tal motivo, esta investigación pretende realizar un tratamiento final mediante el sistema Wetland como un tratamiento pasivo, para disminuir el DBO5 la carga orgánica del agua servida a nivel experimental, es decir se haga modelos de pequeñas dimensiones y ver que se cumpla con la eliminación de la carga orgánica y se pueda verter a los cuerpos receptores estando de acuerdo a lo establecido por la Norma ECAS, de acuerdo con el D. S. N° 04-2017-MINAM. La ingeniería sanitaria desarrolló el alcantarillado y con ello comenzó con la necesidad de garantizar la salud de la ciudadanía y así eludir las condiciones nocivas causadas por las aguas servidas de origen doméstico, o aguas denominadas cloacales. Inicios del siglo XX, se dio en los Estados Unidos, cuando las ciudades empezaron a crecer, como consiguiente las aguas servidas urbanas; necesitaban tener un tratamiento, a su vez contar con la disponibilidad de un espacio para los procesos y evaluación de las aguas residuales por filtración e irrigación intermitente (Schoepfer, 1964). Hasta el año 1970 la ingeniería sanitaria solo se preocupaba en tratar las materias en suspensión, tratamiento de la materia orgánica, materia biodegradable y supresión de agentes patógenos. A fines de 1980 aproximadamente donde se ven con criterios medio ambientales donde los objetivos de reducción DBO5 y los agentes patógenos y sólidos en suspensión se mantuvieron, pero a mayor nivel, implementando también como objetivos el tratamiento de tóxicos y compuestos de trazas que también cómo pueden tener problemas sanitarios a largo plazo. A partir de los inicios de los años setenta las aguas servidas se tomaron como una seria problemática para los ecosistemas y con ella los problemas de la salud; tratando cada de implementar normas, emitiendo Leyes que regulen el vertido de aguas residuales para preservar el entorno ambiental y preservar con ello las especies comprendidas en la flora y también en la fauna de los recursos hídrico. A consecuencia de ello la legislación peruana a 30 través del Ministerio del ambiente quien a través de leyes regula las Normativas Ambientales Ley Nº 28611 y las entidades públicas encargadas de cumplir la ejecución de las normas son el MINAM, OEFA, OSINERG como entes fiscalizadores. A través del D.S Nº 003-2010- MINAM cuya última modificación el MINAM establece los nuevos LMP para aguas residuales de instalaciones de aguas residuales de origen doméstico o también denominado municipal, en muchos casos son letra muerta pues no hay una fiscalización adecuada ni mucho menos recursos destinados a tratar el problema latente que atraviesa el Perú, pues la mayoría de las Municipalidades no ven el problema a fondo, y tampoco cuentan con recursos destinados para implementar plantas de tratamiento en pequeñas comunidades donde se agudizan el problema y que por abandono del estado y sus medios, se siguen contaminando ríos, lagos, suelo, y tiene efectos sobre la salud de los ciudadanos, así como impactos al medio ambiente; que son contaminadas hasta el punto de ser insalubre para que puedan beber la fauna que viven en ellas. Las problemas fundamentales de los centros poblados o pequeñas comunidades del distrito en la región de estudio, es que están contaminan debido a que el sistema planteado Tanque Sépticos como en la mayoría de los Centros Poblados (C.P) donde se implementa estos tratamientos para pequeñas comunidades no están funcionando debido al problema de suelos de fundación en la cual fueron concebidos, otros a que han cumplido su vida útil, o han colapsado debido a que no han recibido un mantenimiento adecuado, contaminando así al medio ambiente. 1.4. Planteamiento del problema En relación con la problemática a nivel internacional, el tratamiento de aguas residuales es un proceso fundamental para proteger el medio ambiente y la salud pública. Sin embargo, la Organización Mundial de la Salud (OMS), sustenta que cerca del 80% de las aguas residuales a nivel internacional se vierten directamente al medio ambiente sin 31 haber recibido un tratamiento adecuado con dichas aguas. Los principales problemas que contribuyen a esta situación son la falta de cobertura de servicios de alcantarillado en la urbe. Esto significa que sus aguas sépticas se vierten directamente al entorno ambiental, sin ningún tipo de tratamiento eficiente o cumplimiento las normativas del país, teniendo como efecto inmediato un daño a la salud pública y a los ecosistemas del lugar. A su vez, la falta de capacidad de tratamiento es otro de los problemas que se tienen en los países donde existe poco o nula cobertura de servicios de alcantarillado. Como también, la falta de inversión es otro problema fundamental en el tratamiento de aguas residuales. En cuanto, respecto a la problemática a nivel nacional, el tratamiento de aguas residuales es un problema muy importante en el Perú. SUNASS menciona que, solo el 32% las aguas residuales generadas en el país reciben tratamiento adecuado antes de ser vertidas al medio ambiente. Este problema se debe a una serie de factores, entre los que se encuentran por ejemplo la falta de cobertura de servicios de alcantarillado, a nivel nacional, solo el 69,6% la población urbana tiene acceso a servicios de alcantarillado. Esto significa que el 30,4% la población urbana no tiene acceso a sistemas de alcantarillado, por lo que sus aguas residuales se vierten directamente al medio ambiente, sin ningún tipo de tratamiento. Y finalmente, la falta de inversión en el tratamiento de aguas residuales es una prioridad urgente para el Perú. En cuanto respecta a la problemática local que aborda este estudio es tratar el agua residual de una pequeña comunidad (municipio de pequeño tamaño poblacional según la Ley N° 28440 que apoya la creación de un centro poblacional; es cualquier lugar del país identificado por su nombre y destinado a residencia permanente, generalmente de varias familias, o por excepción de la siguiente manera: una sola familia o individuo) debido a que el sistema planteado actual ha sobre pasado su capacidad, por lo que existe una contaminación permanente por lo que se busca hacer un tratamiento complementario para 32 los procedimientos que se involucran en el tratamiento final del agua servida, para que se pueda verter al cuerpo receptor de acuerdo a las Normas del LMP del MINAN que se establece, todo ellos se pretende realizar mediante el sistema Wetland instalado para asegurar el correcto tratamiento y vertido final a un cuerpo receptor ya sea suelo o fuentes de agua, para lo cual se verificará que el efluente cumpla con la totalidad de los ECAS y los LMP determinados en la Normativa vigente, de esta manera mitigar la contaminación al medio hídrico, al medio natural y se vea afectado la salud pública. 1.5. Delimitación del problema 1.5.1. Delimitación de estudio Esta investigación se caracterizó el agua residual de la pequeña comunidad de Rinconada Baja como primera medida, así mismo se hará el tratamiento final del efluente mediante el sistema Wetland para bajar el DBO del efluente tratado. 1.5.2. Delimitación de tipología En la caracterización del agua residual se analizará: Características físicas. ➢ Sólidos. ✓ Sólidos sedimentables. ✓ Sólidos en suspensión. ✓ Disoluciones coloidales. ✓ Sólidos disueltos. ➢ Turbidez. ➢ Color. ➢ Temperatura. ➢ Olor. 33 Características químicas Para evaluar las propiedades de los cuerpos de aguas domiciliarias es necesario conocer el nivel de contaminación microbiana a su vez se determina y mide por el oxígeno necesario para oxidar sustancias orgánicas, por lo que se caracterizará: ➢ Vía biológica: DBO ➢ Vía química: DQO ➢ Nutrientes. ➢ Fósforo. ➢ Nitrógeno. ➢ Alcalinidad. ➢ Cloruros. ➢ Oxígeno disuelto. ➢ Grasa, aceite. ➢ Pesticidas. ➢ Ph. ➢ Cloruros. ➢ Metales pesados. Características biológicas Las aguas servidas urbanas, o también denominadas aguas negras o servidas (ARUS), registran una gran cantidad de organismos que mantienen actividades biológicas específicas, tales como (Guevara, 1996): ➢ Eliminación o reducción de la carga orgánica. ➢ Supresión de compuestos orgánicos tóxicos. ➢ Intervenir en los procesos biogeoquímicos del nitrógeno(N), fósforo(P) y azufre(S). 34 1.5.3. Delimitación espacial Lugar : Centro Poblado La Rinconada Baja Distrito : Santa Rosa Provincia : La Mar Departamento : Ayacucho El estudio se enmarca en C.P de Rinconada Baja, en cuyas aguas residuales (efluentes líquidos domiciliarios, nombre con la cual también se le conoce) existe la construcción de Tanques Sépticos las cuales no vienen tratando el agua residual debido a que su capacidad fue rebasada, y que se necesita un tratamiento final complementario para estar acorde a las exigencias del MINAM. 1.5.4. Delimitación de campos El estudio del efluente domiciliario se enmarca en tres tipos de estudio y son: o Características químicas. o Características físicas. o Características biológicas. 1.6. Formulación del problema 1.6.1. Problema general ¿Cuál será la eficiencia del sistema de tratamiento Wetland para el tratamiento de aguas residuales en los efluentes domestico en el distrito de Santa Rosa, Ayacucho 2023? 1.6.2. Problema específico ▪ ¿En qué medida se determina la reducción de los niveles de parámetros fisicoquímicos al implementar un sistema de tratamiento Wetland para el tratamiento final de aguas residual en el distrito de Santa Rosa, Ayacucho 2023?. 35 ▪ ¿En qué medida se determina la reducción de los niveles de metales pesados al implementar un sistema de tratamiento Wetland para el tratamiento final de aguas residual en el distrito de Santa Rosa, Ayacucho 2023?. El estudio es de mucha importancia debido al problema latente y existente en el distrito de Santa Rosa, pues los efluentes domiciliarios no son tratados de acuerdo a la norma LMP debido a que el tanque séptico ha sobre pasado la demanda para lo cual fue construido, debiendo este complementarse mediante un tratamiento pasivo como es el sistema Wetland o humedal artificial para rebajar el DBO a los niveles exigidos por la Normativa Peruana a través del Ministerio del ambiente quien a través de leyes regula las Normativas Ambientales Ley Nº 28611 y las entidades gubernamentales responsables de velar por el estricto cumplimiento son el MINAM, OEFA, OSINERG como entes fiscalizadores. A través del D.S Nº 003-2010-MINAM cuya última modificación el MINAM decreta los nuevos límites máximos permisibles para los efluentes de las PTAR de aguas servidas domésticas o también denominada municipal, que en muchos casos son letra muerta pues no hay una fiscalización adecuada ni mucho menos recursos destinados a tratar el problema latente que atraviesa el Perú, pues la mayoría de las Municipalidades no ven el problema a fondo, y tampoco cuentan con recursos destinados para implementar plantas de tratamiento en pequeñas comunidades donde se agudizan el problema y que por abandono del estado y sus medios, se siguen contaminando ríos, lagos, suelo, y la salubridad de los ciudadanos. Así como los impactos hacia el medio ambiente son contaminadas hasta el punto de ser insalubre para que puedan beber la fauna que viven en ellas. Las problemas fundamentales de los centros poblados o pequeñas comunidades del distrito en estudio, es que los proyectos de Saneamiento Básico no tienen el estudio definitivo real hecho en campo, con sus realidades circundantes de cada centro poblado y es el resultado latente que hoy existe en las comunidades que se estudian en el presente, las cuales necesitan un tratamiento alternativo que pueda salvaguardar el 36 proyecto y sobre todo la contaminación existente y la desconformidad de la población involucrada. 1.7. Objetivos de la investigación 1.7.1. Objetivo general ➢ Determinar el grado de eficiencia del sistema de tratamiento Wetland para el tratamiento final de las aguas residuales en los efluentes domésticos en el distrito de Santa Rosa, Ayacucho 2023. 1.7.2. Objetivo específico ➢ Determinar la eficiencia en la reducción de los niveles de los parámetros fisicoquímicos al implementar un sistema de tratamiento Wetland para el tratamiento final de aguas residual en el distrito de Santa Rosa, Ayacucho 2023. ➢ Determinar la eficiencia en la reducción de metales pesados al implementar un sistema de tratamiento Wetland para el tratamiento final de aguas residual en el distrito de Santa Rosa, Ayacucho 2023. 1.8. Alcance En el presente trabajo se enfoca a los parámetros medioambientales que se deben generar para un desarrollo sostenible, entendiendo por desarrollo sostenible el medio en el cual el hombre pueda desarrollarse económica y socialmente sin causar estragos al medio ambiente; por tanto, podemos decir que el presente trabajo busca crear una conciencia en los pobladores y poder ofrecer una mejor calidad de vida con un agua saludable para todos. 37 Capitulo II Marco Teórico 2.1. Generalidades La Ingeniería sanitaria de nuestros tiempos nos permite diversos métodos de tratamiento para las aguas servidas y de esta manera mitigar el impacto ambiental. La principal reacción bioquímica, la oxidación de sustancias orgánicas, se lleva a cabo dentro de los reactores en las que pueden clasificarse como aeróbicos o anaeróbicos. La ausencia o la poca presencia del oxígeno, las características fisicoquímicas del cuerpo de agua servida, la concentración de las aguas residuales, el rendimiento del tratamiento, la selección del sistema de tratamiento y el costo son algunos de los esenciales factores que se involucran en la selección del tipo de tratamiento (Cervantes, 2006). También es necesario distinguir entre aguas residuales, cloacas y aguas grises, por lo que se puede decir que los efluentes grises son aguas domésticas que provienen de los lavados de utensilios, ropas entre otras pero que no estas no contienen material fecal, estas aguas pueden vértice a las plantas previo tratamiento; mientras que las aguas negras o aguas servidas, aguas residuales que normalmente se denominan a las aguas que contienen material fecal, cloacal, las cuales provienen de los baños y son recolectados a través de una red de alcantarilla para su adecuado tratamiento de acuerdo a las Normativas. Por lo que en el presente se evaluará este tipo de aguas residuales y se verá componentes físico químico y bilógico que lo componen. 2.2. Tratamiento de agua residual orígenes No fue que hasta mediados del siglo XIX que el tratamiento de los cuerpos de aguas servidas llamó la atención a la población sobre los efectos que esta tiene hacia el medio ambiente y la población; sus orígenes se dan con el comienzo del desarrollo de la teoría de los planteada por Koch y Pasteur, y el desarrollo de la biología de las aguas residuales con 38 el apoyo de la bacteriología. Fines del siglo XIX, Estados Unidos sintió la obligación de tratar las aguas residuales además de recolectarlas en las alcantarillas, ya que grandes cantidades de aguas residuales comenzaron a causar problemas de salud. Esto ha aumentado la demanda del procesamiento y gestión eficiente de las aguas sépticas, lo que ha llevado al desarrollo de tecnología de saneamiento. (Melcalf, 2003). 2.3. Caudales de agua residual La distribución de alcantarillado recoge los efluentes de aguas servidas de una determinada población, por lo que podemos afirmar que a su paso podrá incluir lo siguiente(1): ▪ Agua residual municipal o domestica ▪ Aportación incontrolada o infiltración a la red de alcantarillado. ▪ Aguas pluviales. Esta investigación no se considera la recopilación de aguas sépticas de origen industrial, puesto que el problema a la cual se enfoca la presente investigación es a una pequeña comunidad, donde no existe industria alguna. Por el contrario, se tomará en cuenta las añadiduras incontroladas por las aguas pluviales a la distribución de la red. 2.4. Estimación de caudal de agua residual Generalmente el tratamiento de aguas domesticas hacen la estimación en base a la aportación de agua consumida por habitante, por lo que en el presente se hace un recuento de cálculos por establecimientos, por vivienda, caudal de dotación, entre otros. Pero se hará énfasis al cálculo de caudal para la estimación de caudal de agua servida en pequeñas comunidades. 2.4.1. Caudal de agua residual Los caudales de efluentes líquidos domiciliarios se determinan en base a los caudales del abastecimiento de aguas, dotación de agua o empleo del agua; ya que estas mantienen 39 una correlación entre los caudales de las aguas domésticas. La metodología empleada para estimar los caudales es el método volumétrico ya que se desea conocer los volúmenes que atraviesan por los ductos por un periodo determinado. Las municipalidades cuentan con dichos registros de dotación, ya sea el caudal máximo diario u otro, pero también existen otros métodos paralelos a ello si es que no se contaran con dichas informaciones, las cuales se hacen en base a tablas, dichas tablas están en función a los usos destinados del agua, como también a los diversos tipos de establecimientos. Es preciso también enmarcar que el caudal que da origen a las aguas residuales también tendrá infiltraciones y aportaciones incontroladas durante su recolección y que estas deberán de considerarse en el caudal de diseño. Se muestran dichas tablas como una opción al no tener datos de suministro de agua. Tabla 1 Zonas Residenciales: Caudales de agua residual típicos Fuente: (Melcalf, 2003) 40 Tabla 2 Establecimientos Comerciales: Caudales de aguas residuales típicos Fuente: (Melcalf, 2003) Tabla 3 Centros Institucionales: Caudales de agua residual típicos Fuente: (Melcalf, 2003) 41 Tabla 4 Centros de Recreo: Caudales de aguas residuales típicos Fuente: (Melcalf, 2003) La infiltración en las alcantarillas Parte del agua de lluvia fluye rápidamente a través de los desagües pluviales y otros desagües, otra parte se evapora y el resto se filtra en la capa subterránea. La tasa de infiltración de agua depende de las propiedades en la superficie, las propiedades del sedimento y la precipitación estacional. La reducción de la capacidad de absorción del suelo ya sea por construcciones, carreteras o heladas, aumenta la escorrentía superficial y reduce las proporciones de infiltración del agua de lluvia. En suelos de mayor impermeabilidad o subsuelos densos, sólo se infiltra una pequeña cantidad de agua, pero en suelos arenosos, donde el agua se drena fácilmente, la cantidad de agua infiltrada es del 25 al 30 por ciento de la precipitación, pudiendo ser equivalente a la 42 intrusión de agua provenientes de ríos u otros cuerpos de agua en las puede afectar los niveles de agua subterránea en áreas cercanas, provocando subidas y bajadas continuas. Los niveles más altos de agua subterránea tienden a realizar intrusiones en el alcantarillado, lo que incrementa los volúmenes de aguas residuales y los valores monetarios de evacuación. Dicha infiltración subterránea suele lograr rangos de valores entre 0,0094 a 0,94 m3/d.mm.km o valores mayores. El milímetro-kilómetro (mm-km) de un sistema de alcantarillas se determina a partir del total de los productos de los diámetros de las tuberías (en mm) y su correspondiente longitud (en km). Es decir, la tasa de infiltración puede alcanzar valores entre 0,2 y 28 m3/a.d. Durante la temporada de lluvias, el agua ingresa a la red a través de tapas de registro y, además de la propia infiltración, también pueden ocurrir impactos incontrolados, alcanzando rango de valores hasta 470 m3/ha.d. El resultante y descarga incontrolada es un componente no controlado de las aguas sépticas, y depende de los materiales y mano de obra utilizados en la instalación de alcantarillados y conexiones de edificios, el tipo de mantenimiento y la altura del nivel freático en relación con el nivel freático. Eso depende. Ubicación de la red de alcantarillado.(Melcalf, 2003). Figura 2 Identificación gráfica de la infiltración y las aportaciones incontroladas Fuente: (Melcalf, 2003) 43 Los caudales tienden a variar ya sea por el aporte de las lluvias, así como se mencionó anteriormente, pero que también pueden variar cuando se establece una pequeña industria o industrias, las cuales no se pueden precisar en el tiempo ya que con el tiempo pueden crearse o cerrarse y muchas de ellas son informales. Las variaciones principales de las aguas residuales son: o Variación a corto plazo o Variación estacionaria 2.4.2. Caudal de diseño El proceso de planificación tiene un impacto significativo en el diseño del sistema de alcantarillado y PTAR; y estos deben ser analizado y determinado (Melcalf, 2003). Los procesos de diseño pueden derivarse de datos en poder de gobiernos y suministran agua cuentan con datos de suministro como caudal máximo y mínimo diario, caudal máximo, caudal pico máximo, y caudal constante. El valor más recomendable para trabajar es caudal máximo permanente máximo promedio, caudal semanal máximo anual, el cual se obtendrá del promedio de datos obtenidos de un tiempo aproximado, se recomienda sea de los dos últimos años; con este caudal se diseñará la planta, así como las redes de alcantarillas. La metodología empleada en esta investigación es un método empírico, puesto que los datos se obtendrán bajo una observación con datos reales, este método se usó para estimar el caudal de las aguas domésticas, puesto que el tamaño de la investigación es pequeño y poseen características similares. 2.5. Caudal de agua residual para pequeñas comunidades El caudal residual para pequeñas comunidades, en nuestro caso para un Centro Poblado, difieren notablemente de las grandes urbes, por lo que se deberá tener en cuenta el caudal por habitante y sus variaciones; para poder facilitar se adjunta un cuadro para su guía 44 respectiva. La tabla fue elaborada teniendo en cuenta una cantidad de habitantes por familia de 2.4 a 2.8 por cada vivienda. Tabla 5 Caudales típicos de agua residual procedentes de residencias Fuente: (Melcalf, 2003) Debido que el cuadro anterior se hizo en los Estados Unidos considerando una cantidad de habitantes por familia, es necesario contar con una Formula para adecuar a nuestro entorno y así aproximar el caudal del agua residual para nuestro estudio, por lo que se presenta la siguiente fórmula (Melcalf, 2003). 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙, 𝑚3 𝑣𝑖𝑣𝑖𝑒𝑛𝑑𝑎⁄ = 0.16 𝑚3 𝑣𝑖𝑣𝑖𝑒𝑛𝑑𝑎⁄ + 0.16 𝑚3 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒⁄ (𝑛º 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑣𝑖𝑣𝑖𝑒𝑛𝑑𝑎⁄ )… Ec.(1) Las variaciones de caudales generalmente para pequeñas comunidades donde se dan los picos más altos son en horas de la mañana y horas de la tarde, puesto que la gran parte de la población están en los campos, por lo que hacen mayor uso en las mañanas y las tardes para asearse, limpieza y demás servicios. Para uso de guía se muestra la siguiente tabla, en el cual se muestra las variaciones de caudal para pequeñas comunidades. 45 Tabla 6 Factores de punta para pequeñas comunidades, residencias individuales y pequeños establecimientos Fuente: (Melcalf, 2003) 2.6. Características de agua residual La caracterización de las aguas servidas es esencial para los proyectos y operaciones de infraestructura de aguas negras porque determina cómo se deben tratar las aguas servidas. Entre las características físicas como químicos o biológicos de las aguas sépticas, se especifican los compuestos de las aguas negras para caracterizarlas. Para tal efecto se presenta la siguiente tabla N° 05. Se menciona los caudales típicos de agua residual procedentes de residencias (Melcalf, 2003). Para caracterizar las aguas residuales se utilizan métodos analíticos cuantitativos (composición química) y cualitativos (propiedades físicas como biológicas). La metodología cuantitativa puede ser gravimétricos tanto como volumétricos como fisicoquímicos. Este último se utiliza para caracterizar parámetros no relacionados con las propiedades másicas o volumétricas del agua, como turbidez, colorimetría, potenciometría, polarografía, 46 espectroscopia de absorción, fluorometría, espectroscopia y radiación nuclear.(Health Association, 1989). Tabla 7 Contaminantes de importancia en el tratamiento del agua residual Fuente: (Melcalf, 2003) 2.6.1. Características físicas Los atributos físicos más primordiales de las aguas servidas están relacionada al contenido total de sólidos. Este término incorpora material suspendido, sedimentos, material coloidal y material disueltos presente en las aguas residuales que se analizan. 47 Otras características importantes para considerar se pueden mencionar al color, a su vez a la temperatura del cuerpo de agua, la densidad, color y turbiedad. Sólidos totales. En la capacidad total de sólidos se obtiene sometiendo el agua restante (muestra) a un procedimiento de evaporación a 103 °C a 105 °C, y se descartan los sólidos que se evaporan debido a la presión de vapor durante la evaporación. También podemos argumentar que los sólidos totales si los sólidos se disuelvan en la base de un envase cónico (cono de Imhoff) en 60 minutos.(Melcalf, 2003). Figura 3 Cono Imhoff empleado determinar solidos sediméntales. Nota. Balnova, 2016 Representan una medida aproximada con relación a la cantidad de lodos producidos durante la decantación base o primaria de aguas servidas. Los restos de la evaporación se puede separar en materiales filtrables y no filtrables (sólidos en suspensión), una cantidad conocida de líquido pasa a través del filtro. Para este proceso se pueden utilizar filtros de vidrio en cual emplea dicho método (Whatman GF/C con un tamaño de poro de 1,2 micras) o filtros de membrana de policarbonato con una diferencia de 0,2 micras respecto a los anteriores. 48 El contenido de sólidos filtrables corresponde a materias coloidales y disueltos. Esta parte coloidal formada por partículas de sólidos con un valor de 0,001 a 1 micrómetro. Las materias disueltas consisten en moléculas y iones orgánicos e inorgánicos disueltos en agua. La parte coloidal no puede eliminarse por sedimentación. La eliminación de la fracción coloidal suele requerir complementar la oxidación biológica o la coagulación mediante precipitación. En la Figura N° 03 - 05 muestra los tipos esenciales de materiales que componen los sólidos filtrables y no filtrables y sus tamaños aproximados. Figura 4 Intervalos de tamaños de los contaminantes orgánicos presentes en el agua residual Fuente: (Melcalf, 2003) 49 Cada una de las categorías de sólidos analizadas hasta ahora se puede subdividir según la volatilidad que se encuentra en valores entre 550 ± 50 °C. Dicha temperatura, la parte orgánica se oxida y desaparece en forma de gas, mientras que la parte no orgánica permanece en forma de ceniza. Por lo tanto, las definiciones de "sólidos volátiles" como "sólidos fijos" se utilizan para referirse a los compuestos orgánicos e inorgánicos (o minerales) de los sólidos suspendidos, respectivamente. La temperatura comprendida de 550 ± 50 °C, la descomposición de las sales inorgánicas se limita al carbonato de magnesio, que se descompone en óxido de magnesio y dióxido de carbono cuando la temperatura alcanza los 350 °C. Entre las sales inorgánicas, el carbonato de calcio es la más común y predominante y es estable hasta temperaturas de 825 °C. El análisis de sólidos volátiles se utiliza comúnmente para determinar la estabilidad biológica de los lodos de aguas residuales. La figura siguiente es una tabla que clasifica aproximadamente los valores de las materias de aguas residuales de aglutinación media.(Melcalf, 2003). Olores. El olor que emiten las aguas residuales domésticas se debe gracias a gases generados durante el procedimiento de descomposición de la carga orgánica. El agua negra fresca tiene la emisión de olor característico, desagradable, el cual es tolerable en comparación al agua residual purificada, que tiene un olor más característico, pero esto se debe a la existencia de sulfuro de hidrógeno, el cual reduce el sulfato a sulfito mediante la reacción de diversos microorganismos existentes Patterson Et al. (2017). 50 Figura 5 Clasificación de sólidos presentes en agua residual de concentración media Fuente: (Melcalf, 2003) La generación y producción de estos olores por las aguas servidas hace que muchos proyectos, no se ejecuten o tengan un rechazo en la población; por lo que el presente proyecto plantea un método anaerobio para el problema de investigación, las cuales emiten menor cantidad de olores por ser un proceso cerrado a comparación de las lagunas facultativas del tratamiento aerobio. A continuación, se muestran tablas de compuestos asociados al agua residual que generan dichos olores. Temperatura Una de las variables a considerar es la a temperatura del agua la cual podría afectar al correcto desarrollo de la vida de los organismos acuáticos existentes como también las características químicas como la velocidad de reacción. Se puede decir que el oxígeno tiene menor capacidad soluble en cuerpos de agua de temperaturas elevadas que en aguas frías. Las recciones químicas que se presentan tienen una velocidad de reacción que resultan en un incremento de la temperatura y cambios con la disminución del oxígeno que se encuentra 51 en los cuerpos de agua superficial; es un efecto común de concentraciones reducidas de oxígeno disueltos durante el periodo de solsticio. El vertimiento de agua hirviendo en el receptor puede matar la vida acuática y provocar un crecimiento no deseado de plantas y hongos acuáticos. Debido a que el agua caliente de las casas se descarga al alcantarillado, las aguas negras generalmente están calientes. La mayoría de los casos, la temperatura de dichas aguas sépticas es superior a la temperatura de aire durante el año. En este caso, la T° de las aguas sépticas será baja sólo en verano, cuando el viento es relativamente fuerte. Por lo tanto, también se puede decir que la T° de las aguas negras es función de la ubicación geográfica donde se producen las aguas residuales. Tabla 8 Intervalos de temperatura para algunas bacterias Densidad La densidad es una propiedad primordial de las aguas negras, puesto que depende la posibilidad de que se formen lodos sedimentados y corrientes de densidad en otras plantas de tratamiento. La unidad de medida es kg/m3 (relación masa-volumen). 52 Tabla 9 Información típica sobre el peso específico y la concentración del fango procedente de los tanques de decantación primaria Color. Esta variable está de acuerdo con la composición del cuero de agua como a la concentración de esta, así como de su edad. Esto se debe a que las aguas residuales tienen un color clásico y tardan más en pasar a través de la red de alcantarillado en condiciones casi anaeróbicas la cual presenta un color gris oscuro a negro (aguas residuales). Dicho color se debe a la formación de sulfuros metálicos por acción anaeróbica. Turbiedad. Parámetro empleado para caracterizar la calidad en la que se encuentra el agua las cuales pueden ser crudas o naturales relacionadas con sustancias coloidales y residuos en suspensión (Metcalf, 2003). Estos parámetros se miden comparando la intensidad de la luz dispersada dentro de la muestra y la intensidad de la luz registrada dentro de la suspensión. 2.6.2. Características químicas Un elemento importante de la composición química en aguas sépticas, la cual se basa en medición de la carga orgánica, contenido orgánico, minerales y gases presentes en las 53 aguas sépticas. Todo esto debe tenerse en cuenta durante el pretratamiento y el procesamiento de aguas sépticas. Materia orgánica La mayoría de las aguas servidas se componen de materiales orgánicos (sólidos de los reinos animal y vegetal) y actividades urbanas asociadas con la síntesis de compuestos orgánicos (Metcalf, 2003). Las materias fundamentales presentes en las aguas sépticas son: ➢ Proteínas entre el 40% a 60%. ➢ Hidratos de carbono entre 25% a 50%. ➢ Grasas y aceites 10 % (agentes tenso activos). Otros compuestos que se hallan en las aguas sépticas incluyen la urea y pequeñas proporciones de moléculas orgánicas sintéticas con estructuras complejas. Esto se debe a que las aguas residuales contienen sustancias químicas como compuestos orgánicos como carbono, hidrógeno, oxígeno y, a veces, una combinación de nitrógeno. Figura 6 Clasificación de sólidos presentes en agua residual de concentración media Fuente: (Metcalf, 2003) 54 Los orgánicos incluyen los COV que son compuestos orgánicos volátiles, que tienen puntos de ebullición inferiores a 100 °C o presiones de vapor superiores a 1 mm Hg. Incluso cuando los compuestos orgánicos volátiles se liberan al medio natural, son transportados en forma gaseosa a través de tuberías (redes de alcantarillado), por lo que es primordial considerar los compuestos orgánicos volátiles en las propiedades de las aguas sépticas Puede tener efectos al entorno ambiental como a la salud de los ciudadanos, contribuir a la producción de fotoquímicos que destruyen la atmósfera y, en última instancia, afectar la salud de los empleados de las PTAR. En el sistema de alcantarillado y las PTAR, los contaminantes de origen orgánico se pueden eliminar, transformar, producir o simplemente transportar tal cual. Estos procesos involucran cinco mecanismos básicos las cuales se presentan como: ➢ Volatilización ➢ Degradación ➢ Adsorción en partículas o lodos ➢ Circulación (transporte – red de alcantarillado) ➢ Generación (degradación de compuestos o cloración) Por esta razón, la EPA ha establecido límites de emisión para aproximadamente 129 contaminantes prioritarios divididos en 65 clases (Castro, Et al.; 2001). Estas prioridades se asignan en relación asociativa o potencial asociación con los procesos cancerígenos, alteraciones, tetrátomos o hipertoxicidad, y gran parte de estos contaminantes de dan por el origen de los compuestos orgánicos volátiles. Pesticidas y productos agrícolas. Estos compuestos de origen orgánicos se encuentran en cantidades menores en herbicidas, fungicidas entre otros productos químicos de uso agrícola. Debido a que en las aguas sépticas no es habitual encontrar dichos agentes, pero se considera ya que en pequeñas 55 comunidades agrícolas como las que se aborda son frecuente su uso. Estos pueden adicionarse al agua residual por medio de infiltraciones incontroladas o aportaciones incontroladas. 2.7. Diagrama de flujo para el tratamiento de agua residual Fuente: Reserchgate, s/f Caracterización de agua residual (caudal básico) Análisis de DBO, DQO, PH, entre otros Se trata mediante tanque séptico Rediseño del tanque séptico Análisis de DBO, DQO, PH, entre otros Diseño de reactor UASB Tratamiento final humedales aerobios Primera, segunda y tercera celda S i N o Descarga Análisis de DBO, DQO, PH, entre otros 56 2.8. Tratamientos anaerobios Aunque el tratamiento anaeróbico ha tenido grandes avances en todo el mundo, en nuestro país es poco utilizado por ser una opción tecnológicamente avanzada en la gestión de aguas de origen industrial. (Noyola, 1999). El tratamiento anaeróbico de la sustancia orgánica es de diversos procesos realizados por microorganismos estrictamente anaeróbicos en ausencia de elementos como el oxígeno, nitratos y sulfatos (ambiente irregular). El proceso anaeróbico más completo es el cultivo en suspensión, que es un proceso de digestión anaeróbica. Se requiere una mezcla completa para estabilizar la materia orgánica y los biosólidos. Las actividades que se involucran en el tratamiento anaeróbico también se utilizan para tratar diversos residuos industriales y producir biogás. La digestión anaeróbica es uno de los tratamientos empleados hace muchos años atrás para estabilizar lodos. Proceso en el que se produce la descomposición de sustancias orgánicas como inorgánicas en la no presencia del oxígeno. (Metcalf, 2003). Figura 7 Representación esquemática del flujo de carbono en el proceso de digestión anaeróbica Fuente: (Metcalf, 2003). Lípidos Polisacáridos Proteinas Acidos nucléicos acidos grásos Monosacaridos Aminoácidos Otros productos de la fermentación (p. ej., propionato, butirato, succionato, lactano, etanol, etc) Substratos metanogénicos, H2, CO2, formiato, metanol, metilaminas, acetato Metano + dióxido de carbono Aromas simples Purinas y pirimidinas Hidrólisis Etapas teóricas Acidogénesis Metanogénesis 57 2.8.1. Hidrólisis Este proceso consta en hidrolizar compuestos orgánicos de alto peso molecular para reducir el compuesto orgánico cuyo peso molecular es apto para una superior degradación (Catalán, 1997). La hidrólisis de sustancias orgánicas poliméricas en compuestos solubles o monómeros es el primer paso en la degeneración anaeróbica de sustratos orgánicos complejos, ya que los microorganismos sólo pueden utilizar sustancias orgánicas solubles que puedan traspasar las paredes celulares (Borzacconi, et al., 2000). Esta etapa de hidrólisis puede ser un proceso limitante de la velocidad para todo el proceso, especialmente cuando se trata de desechos con alto contenido de sólidos (Álvarez, et al., 2006). La hidrólisis depende de la temperatura que involucra en el proceso, a vez del tiempo de residencia, la composición del sustrato como la proporción de grasas, proteínas, lignina y carbohidratos, el tamaño de los sólidos, el valor en la que se encuentra el pH, concentración de NH4+ (Speece, 1996). Las bacterias que causan hidrólisis incluyen anaerobias estrictas y anaerobias facultativas, incluidas Clostridium, Peptococcus anaerobus, Bifidobacterium, Desulfovibrio, Corynebacterium, Lactobacillus, Actinobacteria. Estas incluyen E. coli y Staphylococcus; en otros grupos fisiológicos presentes incluyen productores de enzimas proteolíticas, ureolíticas o celulitis y lipolíticas, (Catalán, 1997). Cada sustrato está compuesto por 3 aspectos básicos de macromoléculas: carbohidratos, proteínas y lípidos: Estos carbohidratos estan compuestos por monosacáridos unidos entre sí mediante enlaces glicosídicos, cuya hidrólisis produce diversos polisacáridos. Su degradación necesita la intervención de diferentes sistemas enzimáticos con diferentes propiedades y mecanismos de acción (Poirrier, 1996). Por ejemplo, la celulosa se descompone mediante una mezcla de enzimas de exoglucanasas, endoglucanasas y celobiasas, comúnmente llamadas celulasas. La quitinasa hidroliza la quitina y el quitosano; el almidón necesita la intervención de una 58 mezcla compleja de enzimas que consisten en α-amilasa, β-amilasa, glucoamilasa y glucanasa (Poirrier, 1996). Las proteínas son sustratos muy importantes en las actividades que involucra la digestión anaeróbica porque los aminoácidos obtenidos por hidrólisis no sólo son fuente de carbono y energía, también; estos poseen un valor nutricional alto. Las proteínas se hidrolizan en péptidos y aminoácidos mediante la acción de enzimas proteolíticas llamadas proteasas. Algunos de estos aminoácidos se utilizan directamente para la síntesis de nuevos materiales celulares y el restante se descompone en ácidos grasos volátiles (AGV), dióxido de carbono, hidrógeno, amonio y azufre en pasos posteriores del proceso. Dicha descomposición de estos lípidos en un ambiente anaeróbico inicia con la descomposición de la grasa mediante la interacción de enzimas hidrolíticas llamadas lipasas, que producen ácidos grasos de cadena larga y glicerol. La degradación tiene una velocidad con las sustancias lignocelulósicos, que consisten esencialmente en hemicelulosa, lignina y celulosa, es tardo que normalmente corresponde al paso que limita el proceso de hidrólisis, es decir, la atenuación anaeróbica de ciertos sustratos. Esto se debe a que la lignina es altamente resistente a la degradación por microorganismos anaeróbicos, lo que afecta la biodegradabilidad de la celulosa, la hemicelulosa y otros carbohidratos. Los fundamentales productos de la hidrólisis de la celulosa son la celobiasa y la glucosa, siendo así, que la hemicelulosa genera pentosas, hexosas y ácidos urónicos. (Borzacconi, 2000). 2.8.2. Acidogénesis La producción de ácido es la conversión biológica en los compuestos orgánicos de poco peso molecular en ácidos grasos volátiles (AGV) como el ácido acético, también el ácido propiónico, como el ácido butírico y el ácido valérico (Roberts, 2000). 59 En este punto del tratamiento, gran parte de las bacterias de tipo anaeróbicas han sustraído todos los nutrientes de la biomasa y deben eliminar los productos de desecho de la célula a través del metabolismo. (Catalán, 1997). La fermentación ácida presenta una característica de un decrecimiento del pH, con rangos contiguos a un pH neutro, hasta valores comprendidos entre 3,5 y 6,0 (15). Es primordial indicar que el proceso de fermentación ácida no reduce significativamente la DBO o la DQO, ya que solo convierte un tipo de compuesto orgánico en otro. Los microorganismos que están encargados de estos dos primeros pasos son los denominados bacterias productoras de ácido, que son facultativas y muy resistentes a las condiciones. Se trata de microorganismos de acelerado incremento, con tiempos de duplicación de al menos 30 minutos. Partiendo de la glucosa se produce la siguiente reacción: 𝐶6𝐻12𝑂6 + 2𝐻2𝑂 → 2𝐶𝐻3 − 𝐶𝑂𝑂𝐻 + 2𝐶𝑂2 + 4𝐻2 (Á𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑎𝑐é𝑡𝑖𝑐𝑜) 2𝐶6𝐻12𝑂6 → 3𝐶𝐻3 − 𝐶𝐻2 − 𝐶𝑂𝑂𝐻 − 3𝐶𝑂2 + 3𝐻2 (Á𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑖𝑛𝑖𝑐𝑜) 𝐶6𝐻12𝑂6 → 𝐶𝐻3 − 𝐶𝐻2 − 𝐶𝐻2 − 𝐶𝑂𝑂𝐻 + 2𝐶𝑂2 + 2𝐻2 (Á𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑏𝑢𝑡í𝑟𝑖𝑐𝑜) 2.8.3. Metanogénesis Los microorganismos que producen los gases como el metano, las transforma en los AGV’s a dióxido de carbono y metano. Roberts y col. (2000). La reacción de las bacterias acidogénicas y acetogénicas produce elevadas concentraciones de acetato, hidrógeno y CO2 (en forma de bicarbonato), estas son metabolizados por metanógenos en conjunto con el metanol y formiato producidos en el paso. (Catalán, 1997). Las bacterias metanogénicas desarrollan un grupo pequeño en el cual los microorganismos anaeróbicos muy primitivas. Suelen ser mesófilos (35-40°C), pero algunos están adaptados a condiciones termófilas (55-60°C) o psicrofílicas (por debajo de 15°C) (sedimentos y lechos de lagunas como marinos). Son autótrofos y emplean el CO2 como fuente de carbono y H2 como fuente de energía y poder reductor de electrones. Algunos 60 pueden emplear los electrones obtenidos en oxidación de ácido fórmico, metanol y acetato en lugar de H2. Las principales reacciones metanogénicas a nivel mundial son: La siguiente reacción es provocada por una bacteria hidrófila que produce unos 25 litros de metano. Estas bacterias se multiplican muy rápidamente, con un intervalo promedio de duplicidad aproximadamente seis horas. El ácido acético posee una reacción; esto se debe a que el ácido acético tritura las bacterias produciendo aproximadamente 75% de metano. Estas bacterias crecen más lentamente que las bacterias anteriores, con un tiempo de generación de 2 a 3 días. Los metanógenos y las bacterias acidogénicas poseen una relación microbiana el cual es beneficioso para ambos en la que los metanógenos transforman productos como hidrógeno, formiato y acetato en metano y CO2. Los metanógenos obtienen energía para el crecimiento al convertir el sustrato en un número no ilimitado de sustratos en gases de metano. Los sustratos son H2+CO2, formiato, acetato son algunas de las mejores generadas. Estas bacterias que reducen de sulfato se consideran una molestia en las operaciones anaeróbicas y pueden ser un problema cuando las aguas residuales contienen concentraciones significativas de sulfato. Estas bacterias tienden a disminuir el sulfato a un sulfuro, que pueden contener tóxicos para los metanógenos en concentraciones elevadas. Aunque estas bacterias que tiene acción de reducción de sulfato y las bacterias anaerobias obligadas son morfológicamente diversas, una característica común es la capacidad de utilizar el sulfato como aceptor de electrones, produciendo uno o dos ácidos 61 grasos o utilizando acetato. Los agentes reductores de sulfato del grupo I utilizan una variedad de compuestos de origen orgánico como donadores de electrones, los oxidan al acetato y reducen el sulfato a sulfuro. Un género que se encuentra comúnmente en procesos bioquímicos anaeróbicos es desulfovibrio. Los agentes reductores de sulfato del grupo II oxidan los ácidos grasos, especialmente el acetato, a dióxido de carbono, y el sulfato se reduce a sulfuro. Una bacteria común en este grupo es el género desulfobacter. Las actividades anaeróbicas tienen limitaciones por las conversiones hidrolíticas y el empleo del sustrato. En primer lugar, se da el proceso de conversión microbiana anaeróbica implica el tratamiento de partículas orgánicas en el sustrato mediante hidrólisis. Dependiendo de la fuente del sustrato orgánico, que puede ser lodo, desechos animales, biomasa, basura u otras fuentes, la tasa de hidrólisis es muy variable. Se puede hacer esta suposición, pero las condiciones del experimento y los factores ambientales pueden tener un impacto. Las tasas de hidrólisis oscilaron entre 0,04 y 0,13, 0,54, 0,08 o 1,7 por día para la celulosa, los azúcares y el contenido de grasa de los polisacáridos hemoclorados (H2O3), y entre 0,02 y 0,3 por 24 horas en biopolímeros complejos expuestos a procesos anaeróbicos (Hernández, 2000). Para la utilización de la tasa de los sustratos solubles para la fermentación y la producción de metano. La Tabla 10 proporciona un resumen de los datos cinéticos para varios sustratos y fases del proceso anaeróbico. 62 Tabla 10 Datos Cinéticos a diferentes tipos de sustratos Fuente: Pohland (1992). 2.8.4. Ventajas y desventajas de los procesos de tratamiento anaerobio Los beneficios y perjuicios en los desarrollos anaeróbicos se resumen en la tabla 11 A su debido tiempo, se explicarán algunos de ellos (por ejemplo, factores energéticos, bajas producciones de biomasa, nutrientes mínimos y cargas de volúmenes elevadas). Tabla 11 Ventajas y desventajas de procesos anaeróbicos Fuente: (Gandarillas y otros, 2017) 63 Ventajas de los procesos de tratamiento anaerobio A diferencia de los desarrollos aeróbicos, estas actividades anaeróbicas tienden a producir energía en lugar de usarlo. El consumo energético para actividades aeróbicas es de 1,9x106 kJ/d. En los procesos anaeróbicos se genera una suma de 12,5x106 kJ/d. Se necesita aproximadamente 2,1x106 de la energía total generada mediante procesos anaeróbicos para elevar la temperatura de las aguas sépticas de 20 a 30 °C, lo que se encuentra dentro del rango bajo de temperatura mesófila. La producción de energía del tratamiento anaeróbico es aproximadamente 10,4x106 kJ/d, que es aproximadamente 5 veces superior diferente a la entrada de energía requerida para el tratamiento aeróbico. Los procesos anaeróbicos consumen menos biomasa en comparación con otros organismos. Los costos asociados con el tratamiento y eliminación de lodos son bajos. La energía generada por el metano se puede utilizar en otras áreas de las PTAR, lo que confiere conservar más del 90% del valor calórico enviado a sustratos orgánicos. Asimismo, los biorreactores anaeróbicos contemporáneos no necesitan mucha energía para ser agitados mecánicamente (lo cual es necesario para mantener un rendimiento aireado adecuado durante condiciones aeróbicas) (Kleerebezem, 2003). Las aguas negras de origen industriales a menudo no contienen suficientes nutrientes para sustentar el crecimiento aeróbico. La reducción de la biomasa producida por procesos anaeróbicos da como resultado un uso de nutrientes mucho más rentable. (Metcalf, 2003). Los procesos anaeróbicos pueden acomodar carga orgánica volumétricas más grandes, puede conducir a una reducción de tamaño y el espacio requerido para la instalación. La utilización de valores de carga orgánica de 3,2 y 32 kgDQO/m3d es adecuada para procesos anaeróbicos, mientras que los procesos aeróbicos requieren de 0,5 a 2,2 kgD/km30. (Speece, 1996). 64 El uso de un cultivo de biomasa es esencial para el logro del proceso de puesta en marcha. Normalmente, el inóculo se mantiene en un medio apropiado que pueda someterse a las actividades de descomposición metanogénicos, como un digestor anaeróbico de lodos, sedimentos o excrementos animales. Hay casos en los que es preferible un inóculo que ya haya sido adaptado al sustrato. Se elige un método de alimentación específico para garantizar que el inóculo siga siendo viable hasta que esté presente una población microbiana significativa, lo que permitirá que el reactor se ejecute de manera eficiente. En términos generales, una mayor concentración de sustrato promueve un crecimiento poblacional más rápido. Se recomienda aportar el sustrato en cargas si la situación lo requiere, por ello. (Álvarez, 2006). Este sistema permitirá mantener concentraciones de su