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APUNTES SOBRE CONTAMINACIN Y TRATAMIENTO DE AGUAS

Material preparado por:Pablo Ortiz Muoz Fiscalizador SISS, Oficina Regional OHiggins Ingeniero en Ordenacin Ambiental (INACAP) Licenciado en Ciencias de la Ingeniera (U. Central) Diplomado en Contaminacin de Aguas ( U. de Chile)

Rancagua, julio de 2010.

INDICE DE CONTENIDOS

1. EL RECURSO AGUA Y SU IMPORTANCIA ...................................................................................... 2 1.1. El Ciclo del agua ........................................................................................................................... 2 1.2. Disponibilidad del agua ................................................................................................................. 4 2. CONCEPTO GENERAL DE CONTAMINACIN Y FUENTES CONTAMINANTES .......................... 5 3. CONCEPTO GENERAL DE NORMAS DE EMISIN Y CALIDAD .................................................... 5 4. CONCEPTO DE USOS Y CALIDAD DEL AGUA ............................................................................... 6 5. CONTAMINACIN DEL AGUA........................................................................................................... 8 5.1. Causas de la contaminacin del agua .......................................................................................... 8 5.2. Clasificacin de los Contaminantes del Agua ............................................................................... 9 5.3 Qu parmetros debemos monitorear en terreno........................................................................ 11 5.4. Otros parmetros relevantes a monitorear en aguas residuales ................................................ 12 6. CARACTERIZACN DE LAS AGUAS RESIDUALES ..................................................................... 14 7. AUTODEPURACIN DE UN CAUSE ............................................................................................... 15 8. EUTROFIZACIN .............................................................................................................................. 17 9. PASOS PARA DEFINIR LA ALTERNATIVA DE TRATAMIENTO A IMPLEMENTAR ................... 18 10. TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES ................................................................................... 21 11. TRATAMIENTO BIOLGICO.......................................................................................................... 22 11.1. Clasificacin tratamiento biolgico............................................................................................ 24 11.2. Tratamientos biolgicos naturales ............................................................................................ 24 11.3. Tratamientos biolgicos convencionales .................................................................................. 25 12. DISEO DE UN SISTEMA NATURAL BASADO EN PLANTAS EMERGENTES ......................... 27 13. LOMBRIFILTRO (SISTEMA TOH)................................................................................................ 31 14. FILTROS VERDES........................................................................................................................... 35 15. REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS................................................................................................ 37

Preparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz

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1. EL RECURSO AGUA Y SU IMPORTANCIA

El agua es un elemento fundamental para la vida, no es raro entonces que gran parte de sta se haya desarrollado cerca de ros y lagos. Por mucho tiempo se asumi que la naturaleza poda deshacerse de todos nuestros desechos y, mientras la cantidad de estos desechos era razonable y su composicin era natural, as sucedi. Sin embargo, con la aparicin de la agricultura y ms an con el desarrollo industrial, la cantidad de residuos se increment dramticamente y su composicin se modific para incluir compuestos extraos, creados por el hombre. Si bien la naturaleza tiene una gran capacidad de asimilacin y autodepuracin, degradando una serie de compuestos e incorporndolos 1 nuevamente al ciclo de vida, esta capacidad es limitada y las actividades antropognicas la han rebasado en varias ocasiones. El agua tiene varias caractersticas que la hacen nica al otorgarle la capacidad para regular el clima terrestre, mantener la vida en los cuerpos de agua bajo condiciones de temperatura extremas o permitindole transportar nutrientes a los tejidos y rganos de los seres vivos, gracias a su caracterstica de disolvente universal. A pesar de que el 75% de la Tierra est compuesta por agua, slo se puede tener acceso al 0,003% 13 (4,08 x 10 m3) para consumo humano; el resto es, en su mayora, agua salada, subterrnea inaccesible, contaminada o congelada. Aun as, el problema no es la falta de agua, sino su distribucin inequitativa, el derroche irresponsable que hacemos de ella y su contaminacin. La preocupacin por la contaminacin de los cuerpos de agua surgi cuando comenzaron a observarse problemas a la salud por el consumo de agua contaminada. Hoy da, la calidad del agua potable y de los cuerpos de agua es un tema que recibe gran inters y ya se han establecido lmites mximos permisibles para una amplia gama de compuestos que pueden estar presentes en ella.

Si el 100% del agua de la tierra fuesen 100 litros: 97 litros sera agua salada 3 litros seria agua dulce 0,5 litros sera agua dulce disponible. cucharadita (0,003 litros) sera agua dulce utilizable

Algunas formas de derrochar agua: Lavar auto con manguera 161 litros Ducha 10 minutos 95 119 litros Tia de bao promedio 136 litros Goteo de una llave 95 111 litros / da Afeitarse con agua corriendo 76 litros Cepillado de dientes con agua corriendo 8 litros

Fuente: Miller, 1994


1.1. El Ciclo del agua El ciclo hidrolgico o ciclo del agua es el proceso de circulacin del agua entre los distintos compartimentos de la hidrsfera. Se trata de un ciclo biogeoqumico en el que hay una intervencin mnima de reacciones qumicas, y el agua solamente se traslada de unos lugares a otros o cambia de estado fsico.

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Actividades desarrolladas por el hombrePgina 2 08/07/2010


Figura 1. Ciclo hidrolgico

Fuente: www.webquest.es/wq/ciclo-del-agua

Los principales procesos implicados en el ciclo del agua son: 1 Evaporacin y transpiracin. El agua se evapora en la superficie ocenica, sobre la superficie terrestre y tambin por los organismos, en el fenmeno de la transpiracin en plantas y sudoracin en animales. Los seres vivos, especialmente las plantas, contribuyen con un 10% al agua que se incorpora a la atmsfera. En el mismo captulo podemos situar la sublimacin, cuantitativamente muy poco importante. 2 Condensacin. El agua en forma de vapor sube y se condensa formando las nubes, constituidas por agua en pequeas gotas. 3 Precipitacin. Es cuando las gotas de agua que forman las nubes se enfran acelerndose la condensacin y unindose las gotitas de agua para formar gotas mayores que terminan por precipitarse a la superficie terrestre en razn a su mayor peso. La precipitacin puede ser slida (nieve o granizo) o lquida (lluvia). 4 Infiltracin. Ocurre cuando el agua que alcanza el suelo, penetra a travs de sus poros y pasa a ser subterrnea. La proporcin de agua que se infiltra y la que circula en superficie (escorrenta) depende de la permeabilidad del sustrato, de la pendiente y de la cobertura vegetal. 5 Escorrenta. Este trmino se refiere a los diversos medios por los que el agua lquida se desliza cuesta abajo por la superficie del terreno. En los climas no excepcionalmente secos, incluidos la mayora de los llamados desrticos, la escorrenta es el principal agente geolgico de erosin y de transporte de sedimentos.Preparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz

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6 Circulacin subterrnea. Se produce a favor de la gravedad, como la escorrenta superficial, de la que se puede considerar una versin. 7 El proceso se repite desde el inicio, consecutivamente por lo que nunca se termina, ni se agota el agua.

1.2. Disponibilidad del agua La Tabla 1 muestra la distribucin de agua en la Tierra, parte de la cual es almacenada en distintos lugares de la naturaleza. Como se mencion anteriormente, ms del 97% de los 1.36 x 1018 m3 de agua en la Tierra se encuentra en los ocanos; el resto es agua dulce, de la cual el 75% se encuentra atrapada en bancos de hielo polares, en el suelo, rocas y en la atmsfera y el 25% restante se encuentra disponible como agua superficial y subterrnea. Sin embargo, de este porcentaje, slo se puede acceder al 0,5% para abastecimiento humano (ya sea por difcil acceso o por tratarse de agua contaminada). Miller, 1994, ilustra esta situacin de la siguiente manera: si el 100% del agua en la Tierra fuesen 100 litros, tres de ellos (3%) son agua dulce, 0,5L (0,5%) corresponden a agua dulce disponible y slo 1/2 cucharadita (0,003L) representa la cantidad de agua dulce utilizable. Tabla 1. Provisin de agua en la tierra

Depsito

Volumen (en millones de km)

Porcentaje

Ocanos

1 370

90,40386

Casquetes y glaciares

546

8,90

Agua subterrnea

9,5

0,68

Lagos

0,125

0,01

Humedad del suelo

0,065

0,005

Atmsfera

0,013

0,001

Arroyos y ros

0,0017

0,0001

Biomasa

0,0006

0,00004

Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_hidrol%C3%B3gico


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2. CONCEPTO GENERAL DE CONTAMINACIN Y FUENTES CONTAMINANTES

Una definicin ampliamente aceptada del trmino contaminacin se refiere a un cambio no deseado en las caractersticas fsicas, qumicas o biolgicas del aire, el agua, el suelo o los alimentos, que tenga o pueda tener un impacto nocivo en la salud, la sobrevivencia o las actividades de los organismos vivos, incluyendo al ser humano. La contaminacin ambiental puede definirse como el empobrecimiento de todo aquello que podemos ver, or, oler, tocar y saborear, es decir, del entorno fsico, la flora y la fauna que nos rodea. Con relacin a la contaminacin del agua, podemos encontrar la siguiente clasificacin de sus fuentes contaminantes: Tabla 2. Clasificacin de fuentes contaminantes.Tipo de Fuente De origen antrpico De origen natural Puntuales Descripcin Corresponde a la contaminacin generada por la actividad humana Corresponden a la contaminacin de origen natural. tienen un origen bien definido y son fciles de identificar y controlar en la mayora de los casos Las fuentes no puntuales son fuentes que estn dispersas en grandes reas, lo que hace difcil su identificacin y control. Ejemplos Descarga de aguas servidas Emanaciones volcnicas Descargas de una industria

Difusas

Uso de fertilizantes en la agricultura

Fuente: Elaboracin propia

3. CONCEPTO GENERAL DE NORMAS DE EMISIN Y CALIDAD Las normas de calidad ambiental establecen las metas de la gestin ambiental en cuanto definen las caractersticas y composicin de los medios, agua, aire y suelo que el pas espera tener (Borregaard et al, 1997). La ley 19.300, sobre bases generales del medio ambiente, define dos tipos de normas de calidad ambiental. Las normas primarias, que tienen por objeto proteger la salud de la poblacin, y las normas secundarias, cuya finalidad es proteger el patrimonio ambiental del pas. Las normas primarias son de aplicacin en todo el territorio de la Repblica, mientras que las secundarias pueden tener un carcter regional. Por otro lado, las normas de emisin establecen la cantidad mxima permitida para un contaminante medido en el efluente de la fuente emisora.


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Tabla 3. Tipos de normas vigentes en Chile.Tipo de Norma Norma Primaria Norma Secundaria Norma de emisin Objetivo Proteger la salud de la poblacin Proteger el medio ambiente y conservacin de la naturaleza Prevenir la contaminacin Donde medir En el curso de agua En el curso de agua En el punto de descarga

Fuente. Elaboracin propia En nuestro pas, segn lo establece la Ley 18.902/1990, el organismo encargado de fiscalizar el cumplimiento de las normas de emisin relacionadas con la descargas de residuos lquidos industriales es la Superintendencia de Servicios Sanitarios (SISS). A la fecha se encuentran vigentes las siguientes normas de emisin:

Decreto 609 de 07 de mayo de 1998. Norma que regula las descargas de residuos industriales lquidos a sistemas de alcantarillado. Decreto 90 de 30 de marzo de 2000. Norma que regula las descargas de residuos lquidos a aguas marinas y continentales superficiales. Decreto 46 de 08 de marzo de 2002. Norma que regula las descargas de residuos lquidos a aguas subterrneas. En materia de calidad del agua se encuentran vigentes las siguientes normas: Norma Chilena N1.333, aprobada por el Ministerio de Obras Pblicas, DS N867 del 7 de Abril de 1978. Fija criterio de calidad del agua de acuerdo a requerimientos cientficos, referidos a aspectos fsicos, qumicos y biolgicos, segn el uso determinado. Norma Chilena N409, parte 1, 2004. Establece los requisitos de calidad que debe cumplir el agua potable en todo el territorio nacional.

4. CONCEPTO DE USOS Y CALIDAD DEL AGUA El agua dulce es empleada por los seres humanos para consumo directo y coccin de los alimentos; para limpieza personal, de las ropas y del hogar en general; para la agricultura y la ganadera; para usos industriales; para recreacin; como medio de transporte y para la produccin de energa. De acuerdo con los estudios realizados por la Direccin General de Aguas (documento Poltica Nacional de Recursos Hdricos), el uso del agua en el pas alcanza a un valor aproximado a los 2.000 m3/s de caudal continuo, de los cuales el 67.8 por ciento corresponde a usos hidroelctricos y el 32.2 por ciento a usos consuntivos (aquellos no obligados a restituir los caudales a los cauces, como por ejemplo el uso agrcola. El concepto de consuntividad es slo aplicable a las aguas superficiales. Entre los usos consuntivos, el riego representa el 84.5 por ciento a nivel nacional, con un caudal medio de 546 m3/s, utilizado en el abastecimiento de aproximadamente 2 millones de hectreas, que se localizan casi completamente de la IX Regin al norte, de las cuales se estima que 1.3 millones de hectreas tienen una seguridad de riego razonable. El uso domstico equivale al 4.4 por ciento de los usos consuntivos, con unos 35 m3/s, y es utilizado para dar abastecimiento al 98 por ciento de la poblacin urbana y aproximadamente al 80 por ciento de la poblacin rural (concentrada). Los usos mineros e industriales representan el 11 por ciento del uso consuntivo total.Preparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz Pgina 6 08/07/2010

Grfico 1. Demanda actual usos consuntivos

Dependiendo del uso que se le pretenda dar al agua, se han establecido una serie de estndares de calidad del agua que incluyen caractersticas fsicas, qumicas y microbiolgicas. Estos estndares sirven para determinar si el agua requiere de un tratamiento previo al uso al que sera destinada y permiten vigilar los procesos de tratamiento de aguas. En la siguiente tabla se muestran los estndares para aguas destinadas a uso recreativo sin contacto directo, con contacto directo y vida acutica


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Tabla 4. Estndares de calidad del agua para diferentes usos.INDICADOR Aceites y grasas flotantes Aceites y grasas emulsificadas Alcalinidad total (Ca co3) Claridad Coliformes fecales Color Oxigeno Disuelto PH Petrleo e Hidrocarburos Slidos flotantes visibles y espumas no naturales Slidos sedimentables Sustancias que produzcan olor y sabor inconveniente Temperatura en flujo de agua Turbiedad debido a descargas mg/l C Unidades de escala slice 50 Ausentes Ausentes 30,00 (1) V. N. + 3 V. N. +3 Ausentes Ausentes UNIDAD mg/l mg/l mg/l Metros NMP/100 ml Unidades de escala Pt-Co mg/l 6,5 8,3 > 1,20 (1) (2) USOS B 5,00 10,00 (1) (1) 20,00

A 5,00 (1) 10,00 (1)

C

1000 (1) 100 (1) Ausencia de colorantes art. Ausente 5,00 6,0 9,0 (3) Ausentes < V. N.

USOS: A : Uso recreativo sin contacto directo, B: Uso recreativo con contacto directo, C : Aguas destinadas a vida acutica NOTAS: V.N: Valor Natural (1): Podr ser modificado por autoridad competente. (2): Visualizacin de Discos Secchi. (3): No debe haber olor perceptible, deteccin visual o cubrimiento de fondo, orilla o ribera. Fuente: Norma Chilena N1.333, aprobada por el Ministerio de Obras Pblicas, DS N867 del 7 de Abril de 1978.

5. CONTAMINACIN DEL AGUA En este apartado se presenta un resumen de las principales causas de la contaminacin del agua, los contaminantes ms caractersticos y se entregan algunas recomendaciones respecto de los parmetros que, de acuerdo a la experiencia del autor, se deben medir. 5.1. Causas de la contaminacin del agua El agua se contamina fundamentalmente por las siguientes causas: Contaminacin industrial: es producida por los vertidos que las industrias realizan directamente a los ros o a la atmsfera a travs de chimeneas de expulsin de humos (gasesPreparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz

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o partculas que reaccionan o se depositan con la lluvia llegando al suelo y finalmente se filtran hacia los acuferos). Contaminacin agrcola y ganadera: Es aquella que se produce por el tratamiento de los productos con herbicidas, pesticidas y fertilizantes, los que por escurrimiento o infiltracin llegas hasta cursos o masas de agua. Contaminacin domstica o urbana: Es la producida por los hogares al descargar por el desage gran cantidad de residuos orgnicos e inorgnicos. Contaminacin marina: el agua de mar con alto contenido en sal es responsable de la contaminacin de los acuferos cercanos a la costa por salinizacin del agua. Este fenmeno ocurre cuando los acuferos bajan su nivel, lo que facilita que el agua de mar penetre en el agua dulce ocasionando una prdida de las cualidades del agua por adicin de sales. 5.2. Clasificacin de los Contaminantes del Agua Los contaminantes del agua se clasifican en tres categoras: Contaminantes Qumicos Estos componen tanto productos qumicos orgnicos como inorgnicos. El aspecto fundamental de la contaminacin de productos orgnicos es la disminucin del oxigeno como resultante de la utilizacin del existente en le proceso de degradacin biolgica, llevando con ello a un desajuste y a serias perturbaciones en el medio ambiente. En el caso de compuestos inorgnicos el resultado ms importante es su posible efecto txico, mas que una disminucin de oxigeno. Sin embargo, hay casos en los cuales los compuestos inorgnicos presentan una demanda de oxigeno, contribuyendo a la disminucin del mismo. Figura 2. Contaminantes qumicos de las aguas residuales.

Contaminantes FsicosPreparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz Pgina 9 08/07/2010

Las caractersticas fsicas ms importantes que se determinan en las aguas residuales son: Slidos totales Turbidez Temperatura Densidad Espumas Color

Figura 4. Densidad del agua en funcin de la temperatura.

Fuente: Masters, 1991. Contaminantes Biolgicos Esta se refiere fundamentalmente a microorganismos patgenos (virus y bacterias) responsables de las transmisiones de enfermedades que se contagian por la va hdrica (tifus, clera, etc), o a la proliferacin excesiva de algas, plantas y animales no deseados. Figura 5. Componentes biolgicos de las aguas residuales


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5.3 Qu parmetros debemos monitorear en terreno Temperatura La elevacin de la temperatura del agua como resultado de descargas de aguas templadas puede tener impactos ecolgicos significativos, por ejemplo: Reduccin contenido de oxigeno disuelto(OD) del agua Aumento actividad biolgica, produciendo disminucin del OD, especialmente en aguas con materia orgnica Alteracin en solubilidad de diversas sales, condiciones y velocidades de reaccin Alteracin de equilibrio de flora y fauna

Normativas ambientales de pases desarrollados prohben descargas que aumenten en ms de 2C la temperatura natural del agua receptora. pH El pH indica el balance entre cidos y bases del agua. El pH en aguas naturales se relaciona con la geologa del terreno por donde escurre el agua y est = gobernado por el equilibrio CO2/HCO3 /CO3 . El pH es importante en: Disolucin de minerales Ionizacin de cidos y bases Especiacin de metales Biodisponibilidad de metales

Transparencia La transparencia o claridad del agua es funcin de la concentracin de slidos suspendidos en la columna de agua. En aguas turbias se produce una marcada disminucin de la intensidad de la luz con la profundidad que origina una mayor absorcin de energa solar cerca de la superficie. La reduccin de la penetracin de la luz disminuye la fotosntesis y tiene una influencia directa en la cantidad de produccin biolgica que ocurre en un cuerpo de agua. La transparencia se mide con el disco Secchi. En lagos la transparencia es una medida indirecta de la cantidad de biomasa algal en suspensin en el agua. Oxgeno Disuelto El oxigeno disuelto (OD) es importante para los sistemas acuticos. Todos los animales acuticos necesitan oxgeno para sobrevivir. Las aguas naturales que poseen altos niveles de oxigeno disuelto son probablemente los ambientes ms estables y pueden albergar una gran diversidad de organismos acuticos. Los cambios producidos por la naturaleza o por el hombre al ambiente acutico pueden afectar la disponibilidad de oxgeno disuelto


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Los microorganismos que degradan la materia orgnica requieren de grandes concentraciones de oxgeno para transformar esta materia en compuestos estables. Esto provoca una disminucin en la concentracin de oxgeno disuelto (OD) en el agua, poniendo en peligro a peces y otras formas de vida acutica. Adicionalmente, la reduccin de oxgeno disuelto en el agua genera olores, sabores y colores no deseables, disminuyendo su aceptabilidad para consumo humano y su atractivo para uso recreativo. La oxidacin de algunas substancias inorgnicas y la presencia natural de hojas y desechos animales, que son degradados por accin microbiana, tambin reducen la cantidad de OD en el agua.Fuentes Aeracin Fotosntesis Consumo Respiracin de organismos Demanda de materias orgnicas Oxidacin de inorgnicos Solubilidad Temperatura Presin Salinidad

El porcentaje de saturacin del OD en el agua es una importante medicin de la calidad del agua. En trminos generales el agua fra presenta ms oxgeno disuelto que el agua caliente, ya que la solubilidad del oxgeno aumenta al disminuir la temperatura. Cuando el agua est saturada de O2 la concentracin de oxgeno es llamada concentracin de equilibrio. Su valor depende de la presin parcial del oxgeno en la fase gaseosa, de la temperatura del agua y de la concentracin de sales en el agua. Tabla 5. Concentracin de oxgeno disuelto en funcin de la temperatura. Temperatura agua (C) 0 8 16 24 30 Concentracin de Saturacin de oxgeno en agua (mg/l) 14,6 11,9 10,0 8,5 7,6 Porcentaje saturacin (%) 100 100 100 100 100

5.4. Otros parmetros relevantes a monitorear en aguas residuales Nutrientes en aguas Hay muchos macro y micronutrientes necesarios para la vida, pero los nutrientes ms importantes en aguas son Carbn (C), Nitrgeno (N) y Fsforo (P), stos son nutrientes esenciales para el crecimiento de formas de vida. Otro nutriente muy importante es el Azufre (S). Desde el punto de vista de calidad del agua, los nutrientes pueden convertirse en contaminantes cuando su concentracin en los cuerpos de agua es suficientemente alta como para provocar un crecimiento excesivo de las algas; este proceso se conoce como eutrofizacin. La muerte y descomposicin de las algas remueve oxgeno disuelto del agua (utilizado por los microorganismos para degradar la materia orgnica) hasta niveles insuficientes para muchas formas de vida acutica. Las algas y la materia orgnica en descomposicin tambin pueden aadir color, turbidez, olores y sabores desagradables, hacindola no apta para consumo humano. Cuando se depositan nutrientes en el terreno, stos pueden producir contaminacin de las aguas subterrneas.Preparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz

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Slidos totales La caracterstica fsica ms importante del agua residual est en su contenido total de slidos, ya que sus componentes orgnicos e inorgnicos se presentan en forma soluble e insoluble, dentro de los cuales se reconocen tres tipos de acuerdo con su tamao: slidos sedimentables, slidos suspendidos y slidos disueltos. La suma de slidos suspendidos y disueltos se conoce como slidos totales. Figura 6. Slidos totales en aguas residuales.

Materia orgnica La materia orgnica es uno de los principales componentes de las aguas servidas y en consecuencia es uno de los principales contaminantes de los cuerpos de agua superficiales. Los componentes de la materia orgnica de las aguas residuales estn constituidos por un gran nmero de compuestos, que tienen en comn la posesin de al menos un tomo de carbono, los cuales pueden ser oxidados qumica y biolgicamente para obtener bixido de carbono (CO2). Las reacciones de oxidacin producen energa y en consecuencia los compuestos carbonceos son oxidados por la mayora de los microorganismos, de donde obtienen la energa necesaria para su desarrollo. La materia orgnica presente en el agua puede ser degradable por accin de microorganismos que demandan o consumen oxgeno y no degradable cuando es resistente a la accin microbiana. Para evaluar la cantidad de materia orgnica en las aguas servidas se utilizan pruebas que miden la demanda de oxgeno. Las pruebas ms comunes son: Demanda Bioqumica de Oxgeno (DBO): es una prueba muy utilizada para determinar el grado de contaminacin de las aguas servidas que se define como una medida del oxgeno consumido por los microorganismos durante la degradacin de la materia orgnica.Preparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz

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Dado que la oxidacin de la materia orgnica por accin de los microorganismos es un proceso lento, esta prueba se ha estandarizado para un tiempo de cinco das, perodo en el cual la materia orgnica se oxida en aproximadamente un 70%, por tal motivo, la prueba de DBO para cinco das se representa como DBO5. Demanda Qumica de Oxgeno (DQO) es una medida del oxgeno equivalente a la materia orgnica contenida en una muestra de agua, que es susceptible a ser oxidada por un agente qumico fuerte. Durante la determinacin de DQO, la materia orgnica es transformada a dixido de carbono (CO2) y agua, sin importar si es asimilable o no por los microorganismos, por esta razn, el valor de DQO es siempre mayor que el valor de DBO. Substancias inorgnicas txicas La presencia de substancias inorgnicas txicas en el agua se debe generalmente a vertidos industriales o a la adicin de substancias desinfectantes al agua. Existe un gran nmero de substancias inorgnicas txicas que pueden estar presentes en el agua y cada una puede generar alteraciones distintas y requerir de un tratamiento distinto. Entre las substancias de este tipo se encuentran los metales pesados, que se van acumulando en los organismos hasta causar graves daos; en el hombre pueden afectar el sistema nervioso y daarlos riones, generar mutaciones e inducir tumores. El cloro, utilizado como desinfectante, tambin puede causar graves daos a la salud, si no es manejado adecuadamente. Tabla 6. Potenciales efectos negativos de substancias txicas. Elemento Arsnico (As) Efectos potenciales en la salud Piel, sistema nervioso, cncer Efecto en aguas para uso en riego El nivel toxico para las plantas vara ampliamente. Se recomiendan lmites bajos debido a su acumulacin potencial en suelos y plantas, a nivel peligroso para seres humanos. Entre 0.1 a 1.0 mg/l es toxico para ciertas plantas Entre 0.5 y 1.0 mg/l toxico para ciertas plantas; su toxicidad es reducida en medios de pH >7.0 En altas concentraciones, puede inhibir crecimiento celular

Cadmio (Cd)

Dao renal

Cobre (Cu)

Irritante gastrointestinal

Nquel (Ni)

Efectos en vejiga Efectos en rin y sistema nerviosos

Plomo (Pb)

Fuente: Jour. American Water Works Association, March 1998.

6. CARACTERIZACN DE LAS AGUAS RESIDUALES Las cuatro fuentes fundamentales de aguas residuales son: Aguas domsticas o urbanas Aguas residuales industriales Escorrentas de uso agrcola PluvialesPgina 14 08/07/2010


Normalmente al hablar de aguas residuales nos referimos a aguas domsticas, aguas industriales, o la mezcla de ambas. Los contaminantes de las aguas residuales generalmente son una mezcla compleja de compuestos orgnicos e inorgnicos, siendo en trminos prcticos y econmicos muy difcil de lograr un anlisis completo de ellas. En la siguiente tabla, a modo referencial se incluye, una orientacin para la clasificacin de aguas residuales urbanas. Tabla 7. Caractersticas de las aguas residuales urbanas Concentracin mg/l Constituyente Fuerte Slidos totales Slidos disueltos totales Slidos suspendidos totales DBO5 DQO Oxgeno disuelto Nitrgeno total Amoniaco libre Fsforo total Grasas pHFuente: Hernndez, 1996.

Media 500 200 300 200 450 0,1 50 30 7 20 6-9

Dbil 200 100 100 100 160 0,2 25 15 2 0 6-9

1000 500 500 300 800 0 86 50 17 40 6-9

Para conocer las composicin de las aguas residuales debemos efectuar campaas de monitoreo, en las cuales se determina el caudal de la descarga y se toman muestras que se analizan en terreno y/o se envan a laboratorios especializados para conocer su composicin en funcin de los contaminantes que se haya estimado pertinente analizar.

7. AUTODEPURACIN DE UN CAUSE Las aguas superficiales son muy susceptibles a la contaminacin e histricamente se han utilizado como vertederos para la industria y las aguas residuales domsticas, al mismo tiempo que sirven de suministro de agua para satisfacer todas nuestras necesidades. A travs de las aguas corrientes superficiales se realiza el transporte unidireccional del agua, desde el nacimiento de la corriente hasta su desembocadura en el mar.


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Idealmente, cualquier vertido a una corriente de agua debera recibir un tratamiento previo para evitar la contaminacin del cuerpo de agua. Sin embargo, debido a los altos costos que esto puede significar, el enfoque ha sido permitir el vertido de contaminantes en cuerpos de agua en una concentracin que permita al cauce receptor su autodepuracin, la cual estar determinada por las caractersticas fsico-qumicas y biolgicas del cauce mismo. Con esto, las necesidades de tratamiento de un efluente, antes de ser descargado a un cuerpo de agua, dependern de los siguientes factores, entre otros: Relacin de caudales entre el cauce receptor y el cauce vertido. Calidad de las aguas del cauce receptor antes del vertido. Caractersticas del cauce receptor corriente abajo del vertido (pendiente, presencia de rpidos y cascadas que puedan facilitar la aireacin, etc.). Posibilidad de otros vertidos corriente abajo. Posibilidad de tomas de agua cerca del vertido

Con el fin de evitar un desequilibrio biolgico irreversible en los cuerpos de agua, es importante conocer las constantes de desoxigenacin y reoxigenacin de la corriente. Para evaluar la calidad del agua de una corriente, se deben tomar muestras de distintos parmetros, como oxgeno disuelto, sulfatos, fosfatos, nitratos, slidos suspendidos, etc. Al tener un vertido en dicha corriente, se recomienda tomar muestras de estos parmetros a intervalos dados de distancia o de tiempo desde el punto de la descarga, para determinar la recuperacin del cuerpo de agua. Normalmente, despus de una descarga con alto contenido de materia orgnica (por ejemplo, de aguas servidas), la corriente pasar por las siguientes fases consecutivas, que conforman el proceso de autodepuracin de un cauce:

a) zona de degradacin b) zona de descomposicin activa c) zona de recuperacin d) zona de aguas limpiasZona de degradacin En la zona de degradacin, las bacterias descomponen la materia orgnica, consumiendo rpidamente el oxgeno disuelto en el agua (disminucin del OD y aumento de la DBO). Las formas de vida superiores son sustituidas por formas inferiores ms tolerables a la contaminacin. Las aguas presentan un aspecto sucio y los vegetales verdes, sobre todo las algas, tienden a desaparecer. Zona de descomposicin activa En la zona de descomposicin activa o zona sptica, ocurre el desprendimiento de gases como el metano (CH4); hay una disminucin importante de OD (pudiendo incluso desaparecer) y se dan condiciones spticas o de putrefaccin. Como resultado, las aguas adquieren un aspecto pardusco o negro y surgen lodos flotantes; como resultado de la falta de oxgeno se presenta la descomposicin anaerobia de la materia, con la aparicin de olores desagradables por la generacin de sulfuro de hidrgeno (H2S). Zona de recuperacin En la zona de recuperacin, gradualmente el curso de agua recupera sus condiciones normales, gracias a la oxidacin de los materiales. El movimiento del agua permite una mayor disolucin de oxgeno del aire en el agua y se recupera el nivel de OD. Las aguas se tornan ms claras y reaparecen los vegetales verdes.


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Zona de aguas limpias Finalmente, ocurre la recuperacin del curso de agua, el cual va adquiriendo caractersticas similares a las que tena antes del vertido de aguas contaminadas. En la zona de aguas limpias, las poblaciones vegetales y animales se recuperan. En la figura 7 es posible observar cmo despus de una descarga de aguas contaminadas a una corriente, el oxgeno disuelto (OD) disminuye rpidamente mientras que la demanda bioqumica de oxgeno (DBO) se incrementa, por el acelerado consumo de oxgeno por los microorganismos que degradan la materia orgnica. A medida que la concentracin de materia orgnica disminuye, la DBO se reduce y el nivel de OD en el agua se recupera. Figura 7. Proceso de autodepuracin de un cauce


8. EUTROFIZACIN

La eutrofizacin es un proceso natural de envejecimiento de los lagos, en el cual la materia orgnica y los sedimentos se van acumulando con el tiempo como resultado del incremento en el crecimiento acutico (por ejemplo algas). Este fenmeno natural puede demorar miles de aos, sin embargo las actividades humanas aceleran dramticamente este proceso debido al aporte de nutrientes (eutrfico significa rico en nutrientes), dando origen al concepto de eutrofizacin acelerada o de origen humano, que corresponde al caso que actualmente afecta por ejemplo al embalse Rapel. Si bien la lista dePreparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz Pgina 17 08/07/2010

nutrientes es larga, el crecimiento explosivo de las algas se encuentra limitado a dos: fsforo (como fosfato) y nitrgeno (como nitrato). En la gran mayora de los ecosistemas de agua dulce el factor limitante es el fosfato, pero en muchos mares el factor limitante es el nitrgeno. Las principales fuentes de eutrofizacin, como se grfica en la siguiente figura, son las aguas servidas generadas en los centros urbanos, que llevan detergentes y desechos orgnicos, los vertidos agroindustriales que aportan fsforo y nitrgeno, y los vertidos ganaderos y agrcolas que aportan desechos orgnicos, fertilizantes y otros residuos ricos en fosfatos y nitratos. Figura 8. Fuentes causantes de la eutrofizacin.

9. PASOS PARA DEFINIR LA ALTERNATIVA DE TRATAMIENTO A IMPLEMENTAR

Para definir la alternativa de tratamiento a implementar se sugieren los siguientes pasos. Alternativas de descarga o uso del agua residual Se debern verificar los posibles puntos de descarga, los usos posteriores de los potenciales cursos receptores y la factibilidad de utilizar el agua residual fuera del proceso productivo, por ejemplo en riego. Para las alternativas ms viables se deber efectuar un anlisis de la normativa aplicable.


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Tabla 8. Normas o regulacin aplicable segn alternativa de uso o disposicin. Alternativa de uso o disposicin Curso de agua superficial Infiltracin Alcantarillado Norma/ regulacin aplicable D.S. 90/2000 Fiscalizador Requisitos para su aplicacin

SISS Directemar

Capacidad de dilucin DGA Autorizacin canalistas Vulnerabilidad del acufero DGA Factibilidad otorgada por la empresa sanitaria Establecidos en la RCA Establecidos en la RCA

D.S. 46/2002 D.S. 609/98

SISS Concesionaria SISS

Riego Aplicacin al suelo

NCh 1333 / Gua SAG Gua SAG

SAG /SISS SAG /SISS

Diagrama del proceso industrial Se deber conocer las distintas lneas del proceso industrial, considerando los consumos de agua de cada lnea y los potenciales materiales o insumos que puedan repercutir en la calidad del agua finalmente descargada. Lo anterior deber ser representado mediante diagramas de flujo.

Determinacin de caudales y cargas contaminantes Se deber efectuar la medicin o estimacin de caudal en la totalidad de los procesos que generen aguas residuales, se tomaran muestras para analizar lo parmetros que se consideren relevante en funcin del proceso productivo y finalmente se calcularan las cargas contaminantes. Figura 9. Determinacin de la carga contaminante.

CC = Ci x VD

CC = Concentracin parmetro i (g/m3) x Caudal (m3/da) = gr/da


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Posibilidad de reducir el consumo de agua. En funcin de la informacin recopilada se determinar la factibilidad de reducir el consumo de agua. Posibilidad de reutilizar las aguas dentro del proceso En funcin de la informacin recopilada se determinar la factibilidad de reducir el consumo de agua. Objetivos de la reduccin de la contaminacin Conociendo las caractersticas de las aguas residuales y teniendo claro las alternativas de descarga o uso del agua residual y los lmites que establezca la legislacin vigente se definirn los objetivos de reduccin de la carga contaminante Alternativas de tratamiento Se debern efectuar un anlisis tcnico tendiente a definir las tecnologas de tratamiento disponibles que permitan cumplir con la reduccin de contaminantes trazada. Tabla 9. Rendimientos de la depuracin % Reduccin Proceso de Depuracin DBO Slidos Suspendidos

Depuracin Primaria. Sedimentacin

25 - 40

40 - 70

Depuracin secundaria. Precipitacin qumica Depuracin secundaria. Mtodo convencional de lodos activados, precedidos y seguidos de sedimentacin Depuracin secundaria. Lecho bacteriano de alta velocidad precedido y seguido de sedimentacin Depuracin terciariaFuente: Hernndez, 1996.

50 - 75

70 85

75 - 92

85 - 92

65 - 85

65 90

92 -98

93 - 98


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Evaluacin econmica Comparacin de costos de inversin y operacin de las diferentes alternativas seleccionadas. Inversin Terreno Obras civiles Equipos Costos de explotacin Gastos fijos anuales Mano de obra Mantenimiento Gastos de administracin Gastos variables anuales Consumo energtico Consumo reactivos Eliminacin de residuos

10. TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES El tratamiento de las aguas residuales puede ser de tipo fsico, qumico o biolgico, atendiendo al vertido segn su composicin sea orgnica, inorgnica o mixta. Estos tratamientos posibles se muestran en la siguiente figura 10. Procesos fsicos a) desbaste por rejillas, tamices o filtracin mecnica. b) Desengrasado. Su misin es la retirada de grasas, petrleo y elementos flotantes en el agua. c) Sedimentacin para eliminar los slidos sedimentables en suspensin por su mayor densidad en relacin a la del agua. d) Flotacin para eliminar materias en suspensin por su menor densidad con relacin a la del agua. e) Evaporacin para concentrar materias en algunas circunstancias. f) Absorcin para eliminacin de microcontaminantes, como color, fenoles, etc.

Procesos qumicos a) b) c) d) e) Floculacin y coagulacin, utilizable para las partculas en suspensin no sedimentables. Neutralizacin para modificar el pH. Oxidacin. Reduccin, como la utilizacin de sulfato de hierro para eliminar cromo Intercambio inico, para la eliminacin de cobre, plomo, zinc, etc.

Procesos biolgicos Se busca en ellos una doble accin, la metablica y la floculacin de las partculas en suspensin. Existen procesos convencionales y no convencionales (naturales). Los procesos convencionales son: a) Fangos activos b) Lechos bacterianos c) Lagunas con aireacin mecnica


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Figura 10. Procesos de tratamiento de aguas residuales.TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

TIPO VERTIDO

INORGANICO

ORGANICO E INORGANICO

ORGNICO

TRATAMIENTO QUMICO NEUTRALIZACION ADICION COAGULANTES ADICION OXIDANTES ADICION DE REDUCTORES INTERCAMBIO IONICO

TRATAMIENTO MECANICO TAMIZADO HOMOGENIZACION DILUCION SECADO SEDIMENTACION FLOTACION FILTRACION CENTRIFUGACION INCINERACION ULTRAFILTRACION EVAPORACION

TRATAMIENTO BIOLOGICO A) OXIDACION AIREACION LODOS ACTIVADOS LECHOS BACTERIANOS LAGUNAJE OXIDACION PROLONGADA CAMPOS DE RIEGO CLORACION B) REDUCCION DIGESTION ANAEROBICA LAGUNAJE FOSAS SEPTICAS C)SISTEMAS NATURALES INFILTRACION LENTA INFILTRACION RAPIDA HUMEDALES CULTIVOS ACUATICOS BIOFILTROS D) DESINFECCIN CLORACION OZONIZCION RADIACION UV

Fuente: Adaptado de Hernndez, 1996.

11. TRATAMIENTO BIOLGICO

Los procesos biolgicos permiten remover la materia orgnica biodegradable presente en las aguas residuales y son llevados a cabo por varios microorganismos entre los que se encuentran bacterias, algas y protozoos. Estos procesos ocurren en forma natural en la medida que se proporcione el ambiente requerido, siendo posible desde el punto de vista ingenieril, acelerar y optimizar los procesos. Para reproducirse y funcionar, los microorganismos necesitan: Una fuente de energa Una fuente de carbono para la sntesis de material nuevo Nutrientes inorgnicos tales como N, P, S, K, Ca y Mg.

En algunos casos los nutrientes, ms que la fuente de energa son el factor limitante para la sntesis.Preparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz Pgina 22 08/07/2010

En el tratamiento de aguas servidas los microorganismos Quimiohetertrofos son los ms importantes debido a sus requerimientos de carbono para sntesis y energa. Figura 11. Composicin de las bacterias

Fuente: Mena, 2000.

Las bacterias siempre siguen la ruta que les permite obtener el mximo de energa (ruta aerbica, metabolismo respiratorio). Procesos Aerbicos: Metabolismo completo y sntesis del sustrato produciendo gran cantidad de crecimiento biolgico.

Procesos anaerbicos: Metabolismo incompleto, crecimiento biolgico menor, produccin de compuestos de alta energa (cido actico y metano).

El crecimiento bacteriano presenta las siguientes fases: Fase aclimatacin Fase crecimiento logartmico: existe siempre un exceso de alimento para los microorganismos. Fase de crecimiento declinante: tasa de crecimiento disminuye debido a que la comida es limitada. Fase endgena: los microorganismos se ven forzados a metabolizar su protoplasma debido a que la comida es mnima.


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11.1. Clasificacin tratamiento biolgico Los procesos biolgicos son llevados a cabo por microorganismos variados, especialmente bacterias y protozoos. Un proceso de tratamiento biolgico es capaz de remover slo la fraccin biodegradable de la materia orgnica presente. De acuerdo a sus caractersticas, los procesos biolgicos pueden ser del tipo Natural o Convencional. Procesos Naturales: corresponden a procesos extensivos con escasa o nula mecanizacin, requieren amplias superficies de terreno, pero mnimos costos de operacin (p.e. Lagunas de estabilizacin, Wetlands). Procesos Convencionales: son procesos intensivos con alto grado de mecanizacin, requiere superficies menores, pero costos de construccin y operacin mayores.

11.2. Tratamientos biolgicos naturales A continuacin se muestran diferentes configuraciones de tratamientos naturales.

Lagunas de estabilizacin

- Anaerbicas - Aerbicas - Facultativas

Wetlands (humedales)

Filtros verdes

Infiltracin (rpida y lenta)

Lagunas anaerbicas: operan como un sedimentador con fermentacin. Requiere condiciones especficas de operacin. Generalmente presenta problemas de olores. Bsicamente se produce remocin de la DBO particulada; los slidos permanecen largo tiempo en el fondo y se produce estabilizacin in situ. Lagunas aerobias: corresponden a grandes estanques de baja profundidad en los cuales se desarrolla una alta poblacin de algas que mediante fotosntesis aporta oxgeno a la columna de agua; ste es tomado por las bacterias para oxidar la materia orgnica. Opera con oxgeno disuelto en todo su volumen. Lagunas facultativas: tienen mayor profundidad lo que permite el desarrollo de un estrato aerbico en superficie y un estrato anaerbico en el fondo. Este es el sistema que ms se utiliz en Chile hasta los 90s. Humedales: reas que se encuentran permanentemente inundadas por aguas superficiales o subterrneas, de modo que se desarrolla un ecosistema compuesto por el suelo, agua, vegetacin, microorganismos e invertebrados acuticos. La vegetacin proporciona superficies para la formacinPreparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz Pgina 24 08/07/2010

de pelculas bacterianas, facilita la filtracin y la adsorcin de los constituyentes del agua residual, permite la transferencia de oxgeno a la columna de agua y controla el crecimiento de algas al limitar la penetracin de la luz solar. Filtros verdes: La depuracin se realiza mediante la accin conjunta del suelo, los microorganismos, las plantas por medio de una triple accin: fsica (filtracin), qumica (intercambio inico, precipitacin, oxido reduccin) y biolgica (degradacin de la materia orgnica). Tiene lugar en el horizonte superior del terreno, donde se encuentra una capa biolgica activa. Infiltracin: aplicacin controlada del agua residual sobre balsas superficiales construidas en suelos de permeabilidad media a alta. La depuracin se produce mediante los procesos fsicos, qumicos que tienen lugar al atravesar la zona no saturada. Por medio de este sistema se consigue la recarga artificial del acufero y la posibilidad de reutilizar el agua tratada, recuperndola a travs de pozos o zanjas. 11.3. Tratamientos biolgicos convencionales En el tratamiento biolgico convencional se requiere sostener el cultivo biolgico en un ambiente controlado que promueva el crecimiento de los microorganismos por consumo de la materia orgnica. Se requiere proporcionar las condiciones adecuadas de pH, temperatura, presencia de nutrientes y, en la mayora de los casos, oxgeno disuelto aportado por fuentes mecnicas.

En este tipo de proceso, durante el crecimiento de los microorganismos, una porcin del substrato es convertida a nuevas clulas y la otra parte es oxidada a productos orgnicos e inorgnicos. Para un substrato determinado, las tasas de crecimiento y de utilizacin de substrato estn relacionadas mediante:

Donde: Y = coeficiente de produccin mxima X = concentracin de microorganismos, mg/l S = concentracin de sustrato (DBO o DQO), mg/l Y representa la masa de clulas formadas por masa de substrato consumido y se relaciona directamente con la produccin de lodos del sistema; depende de varios factores entre los cuales destacan las caractersticas del substrato y condiciones operacionales. El tejido celular formado en un proceso biolgico tiene un peso especfico mayor que el agua, por tanto las clulas pueden ser removidas del lquido tratado mediante sedimentacin gravitacional, generndose lodo, denominado como lodo secundario. El proceso de tratamiento convencional considera la lnea de tratamiento completa: preliminar, primario, secundario (biolgico) y procesos de tratamiento de lodos.Preparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz Pgina 25 08/07/2010

Los procesos biolgicos convencionales incluyen un reactor donde se produce la transformacin de la materia orgnica y posteriormente, una unidad de separacin slido-lquido donde se produce la clarificacin del efluente. Los slidos separados en las distintas etapas del proceso deben ser tratados separadamente mediante procesos que pueden ser fsicos, qumicos y/o biolgicos. Para el tratamiento biolgico convencional es posible utilizar distintas configuraciones de tratamiento.

Cultivo suspendido

- Lodos activados - Convencionales - Aireacin extendida - SBR - Zanjas de oxidacin - Filtros percoladores - Biodiscos

Cultivo fijo

Lagunas aireadas

Lagunas aireadas: Corresponden al proceso de transicin entre los sistemas naturales y convencionales, operan con oxigenacin mecnica, generalmente entregada por equipos de aireacin superficial, trabajan con bajas concentraciones de microorganismos y por lo tanto requieren de mayor tiempo de retencin. El efluente generalmente se somete a clarificacin en lagunas de sedimentacin. . Lodos Activados: Un sistema de lodos activados consiste en desarrollar un cultivo bacteriano disperso en forma de flculos (lodos activados) en un depsito agitado y aireado (reactor) y alimentado con agua proveniente del pretratamiento. La agitacin evita la sedimentacin y homogeniza la mezcla de los flculos bacterianos y el agua residual (licor de la mezcla). La aireacin tiene por objeto suministrar el oxgeno necesario a las bacterias y microorganismos aerobios que realizan el proceso de depuracin Despus que el lquido tratado sale de la cmara de aireacin, es dispuesto en la cmara de sedimentacin, en la que permanece en completa calma. Las partculas tratadas, sedimentan al fondo de la cmara, desde son devueltas a la cmara de aireacin para garantizar una biomasa adecuada en el estanque de aireacin Cultivo fijo (lechos bacterianos): Los Lechos Bacterianos son reactores de Cultivo Fijo, donde los microorganismos se desarrollan adheridos a un lecho o medio de soporte (el cual puede ser fijo o mvil) en forma de superficies de cultivo, asemejando una carpeta biolgica (muclago o capa mucilaginosa). El material del medio de soporte puede ser roca, madera o plstico, tenindose entre 45 y 200 m2 de superficie especfica por cada metro cbico para el desarrollo de la carpeta biolgica. El sustrato es aplicado en forma intermitente y alternada con perodos de aeracin en los cuales se produce la fase de respiracin de los microorganismos. Una de las versiones de lecho fijo ms difundida, la constituyen los Biofiltros o Filtros Percoladores, mientras que entre las de lecho mvil destacan los Biodiscos o Contactores Biolgicos Rotatorios (CBR).Preparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz

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Figura 12. Diagrama de flujo simplificado sistema lodos activados

LODOS ACTIVADOS AIRECIN EXTENDIDA

AFLUENTE PRE TRATAMIENTO REACTOR BIOLGICO SEDIMENTADOR DESINFECCIN

AGUA CLARA

RECIRCULACIN DE LODO

PURGA DE LODO

12. DISEO DE UN SISTEMA NATURAL BASADO EN PLANTAS EMERGENTES Los principales mecanismos de depuracin de aguas cloacales por parte de los Sistemas Naturales basados en plantas emergentes se pueden sintetizar en (Martines, 1989): Eliminacin de slidos en suspensin por retencin fsica en el substrato, en los rizomas y en las races. Eliminacin de materia orgnica retenida en el substrato, por accin de la microflora acompaante y por adsorcin de las partculas de arcilla del substrato. Eliminacin de nitrgeno por absorcin directa, desnitrificacin microbiana y volatilizacin de amonaco. Eliminacin de fsforo por absorcin directa, por adsorcin por las partculas de arcilla y por precipitacin de fosfatos insolubles. Eliminacin de microorganismos patgenos debida a la accin de antibiticos producidos por las races de las plantas, a la transferencia de oxgeno hacia la zona de las races y a otras modificaciones del microhbitat radicular.

El sistema que aqu se propone no requieren el uso de bombas ni consumo alguno de energa elctrica, siendo los elementos fundamentales en el proceso de depuracin, la cmara de pretratamiento y el canal sembrado con plantas emergentes (Typha). Como puede verse en los croquis en corte, todo el recorrido de las aguas cloacales es subterrneo, lo que garantiza que no haya evaporacin de lquidos, emisin de olores, ni otros perjuicios para el ambiente y las personas.


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Figura 13. Corte y planta de un sistema basado en plantas emergentes.

Fuente: Ghislieri, 1999

Con la finalidad de facilitar la construccin del sistema, se considera la DBO5 (Demanda Bioqumica de Oxgeno) como nico parmetro de diseo ya que el mismo guarda una relacin suficientemente estable con los parmetros ambientales y sanitarios de inters. A la hora de construir el sistema se deben tener en cuenta: Orientacin geogrfica que garantice la mayor cantidad de luz natural por da. Permeabilidad y granulometra del suelo para definir el tipo de impermeabilizacin a realizar en el fondo del canal. Existencia de races de rboles que puedan perforar el canal. Pendientes naturales del terreno para realizar el menor movimiento de tierra posible. Integracin esttica del sistema de tratamiento al entorno.

Diseo cmara de pretratamiento La cmara de pretratamiento tiene como finalidad principal la fragmentacin y remocin parcial de los slidos orgnicos contenidos en las aguas residual. Esta funcin se realiza principalmente por sedimentacin de dichas materias en la cmara, consiguindose as que de la misma salga un lquido sin materiales grandes en suspensin. Sin embargo, este proceso no culmina con la sedimentacin, sino que ocurre un proceso de degradacin biolgica de los sedimentos en el interior del tanque, lo que provoca la descomposicin parcial de los mismos (Ghislieri D. et al. 1999.). Este proceso biolgico transcurre en condiciones de ausencia de oxgeno (proceso anaerobio) y produce la transformacin de la materia orgnica en compuestos solubles ms simples y gases que se liberan. Estos gases pueden presentar olores desagradables, por lo que es importante que la cmara de pretratamiento posea una ventilacin bien ubicada y con suficiente elevacin para que dichos olores se diluyan naturalmente en el aire.Preparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz Pgina 28 08/07/2010

Se propone construir la cmara de pretratamiento en secciones o mdulos, utilizando anillos de hormign de 1,00 m de dimetro. Esta construccin modular permite agregar anillos de hormign en forma sencilla hasta alcanzar el volumen deseado. Para el dimensionamiento de la cmara de pretratamiento (clculo de volumen) se considera que el tiempo de residencia hidrulica (TRH) necesario para reducir la DBO mxima esperada de las aguas residual (se asume 300 mg/l) a una DBO apta para ingresar al canal con las plantas emergentes (150 mg/l) en un clima templado medio es de 1,5 das (Ghislieri D. et al. 1999.). As, el volumen de la cmara de pretratamiento depender solo del caudal de entrada (Q), segn la frmula: V = Q x TRH La cmara estar construida con cilindros de un volumen conocido (segn la frmula V = * r *h), por lo que podremos determinar fcilmente la cantidad de anillos necesarios para que la cmara de pretratamiento tenga un TRH de 1,5 das y la DBO se reduzca en un 50 % (de 300 a 150 mg/l). Tanto la comunicacin entre las secciones de la cmara como la salida de la misma debern estar provistas de tees conectadas como se muestra en la figura, para evitar la salida de materiales flotantes hacia el canal de depuracin. Las tapas ubicadas en cada seccin de la cmara debern permitir la inspeccin visual de la misma, as como la limpieza o mantenimiento. Durante el proceso de degradacin de las materias sedimentadas, es posible que algunas de ellas floten, por lo que tambin es necesario que la cmara tenga dispositivos de retencin de slidos flotantes para evitar que stos salgan de la misma sin culminar el proceso de degradacin. Figura 14. Cmara de pretratamiento2

Fuente: Latchinian, 2002

En el caso de efluentes domiciliarios, es indispensable que las aguas provenientes de la cocina pasen previamente a su ingreso al sistema, por una cmara de retencin de grasas (grasera) y que la misma cuente con un mantenimiento adecuado (limpiezas regulares). Diseo del canal con plantas emergentes El canal de flujo subterrneo sembrado con plantas emergentes, ubicado a continuacin de la cmara de pretratamiento, cumple la funcin de depuracin final de las aguas descargadas.


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Los materiales orgnicos solubles, y aquellos que se formaron durante la digestin de los slidos sedimentados en la cmara de pretratamiento, son degradados naturalmente durante su flujo a travs del lecho con Typhas (totora), por el ecosistema formado en torno a las races de las plantas. Como resultado de este tratamiento, se obtiene agua de calidad adecuada para su reutilizacin en riego. Para la construccin del lecho o canal se elegir un lugar soleado y de ser posible con pocas races de rboles. Para el dimensionamiento del canal se considera la ecuacin propuesta por Reed, 1993, para calcular el rea superficial del canal, ya que la profundidad media ser de 0,50 m y el ancho ser la tercera parte del largo:

Donde: As = El rea superficial del canal expresada en metros 3 Q = El caudal de efluente que entra al canal expresado en metros /da Co = La DBO de entrada al canal que ser de 150 mg/l Ce = La DBO esperada3 a la salida del canal, que ser de 50 mg/l Kt = La constante de temperatura, que para las peores condiciones (6 C) es de 0,36 d = La profundidad media del canal que se estima en 0,50 metros (pendiente de 1%) n = La porosidad del substrato para pedregullo de diametro medio de 16 mm es de 38 % As, conociendo el rea superficial y sabiendo que la relacin entre largo y ancho es de 3:1, podemos obtener las dimensiones del canal, despejando la frmula: As = L * (L/3) El canal tendr una pendiente aproximada de 1 % y a sus paredes se les dar suficiente pendiente como para evitar que se desmoronen. El canal comenzar con una profundidad de 40 cm y terminar con una profundidad siempre inferior a 80 cm. Figura 15. Canal con plantas emergentes2

Fuente: Latchinian y Ghislieri.

Debe tenerse presente la importancia de la impermeabilizacin del canal, para evitar toda posibilidad de infiltracin de agua hacia el terreno durante el proceso de depuracin. Una vez excavado el pozo se cubrir el fondo con una capa de 5 cm de tosca, la cual ser compactada con un pisn o un rodillo.Preparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz Pgina 30 08/07/2010

Por lo general se deber revestir el canal (fondo y paredes) con suelo cemento o membrana asfltica para asegurar su impermeabilidad. Una vez revestido el canal y colocados los caos de entrada y de salida, el primer metro y el ltimo metro (por 1,5 m de ancho) del canal ser rellenado con canto rodado de 10 cm de dimetro aproximadamente. El resto del canal se llenar de pedregullo (de aproximadamente 1,5 cm de dimetro) hasta una altura de 35 cm. En este lecho de pedregullo se sembrarn las plantas segn se describe ms adelante. Una vez que las Typhas hayan crecido 40 o 50 cm se rellenar el resto del canal con arena gruesa. A la salida del canal se podr colocar un tanque de colecta si se desea emplear el agua para riego, o en su defecto se podr realizar directamente disposicin a terreno. Transplante y mantenimiento del sistema a) Extraccin de plantas emergentes: Se extrae la planta en el terrn con una pala, sin daar rizomas ni cortar races. Se cortan las hojas dejando solo brotes nuevos y yemas. Se cortan los rizomas en trozos de aproximadamente 20 cm. Se enjuagan los trozos de rizoma en un recipiente con agua del lugar. Se los transporta en ambiente hmedo y sombreado (envueltos en papel peridico mojado). b) Procedimiento de siembra: Se riega abundantemente el pedregullo del canal hasta el encharcado del agua. 2 Se plantan los rizomas a razn de 4 plantas por m , en la posicin en que se encontraban en su medio natural (arriba y abajo). Se cubren los rizomas con una fina capa de pedregullo, dejando yemas y tallos afuera. Se agrega agua al canal hasta inundar las races que salen de los rizomas. c) Mantenimiento del sistema: Una vez que las hojas de las plantas se hayan elevado cerca de 50 cm del nivel del canal se cubrir la superficie del mismo con 10 cm de arena gruesa y se dejar que las plantas continen creciendo. Se dejar crecer las plantas libremente, sin necesidad de realizar manejo alguno, hasta que se verifique una reduccin en el caudal de salida del sistema. Al constatarse la reduccin del caudal (obstruccin por exceso de races) se extraern algunos rizomas para recuperar caudal. Una vez que se establezca la densidad ptima de plantas, el sistema se equilibrar siendo la cosecha muy espordica y slo se debern considerar los aspectos paisajsticos. Eficiencia del sistema DBO5: 65 77% Coliformes fecales: 99% (aprox.)

13. LOMBRIFILTRO (SISTEMA TOH)

Desde el ao 1994, se ha ido implementando en nuestro pas un tipo de tecnologa nica en el mundo llamada biofiltro (lombrifiltro) o Sistema Toh. Este sistema tiene el mrito de ser 100% creado y patentado en Chile por el doctor Jos Toh en conjunto con un grupo de acadmicos y alumnos de la Facultad de Ciencias Fsicas y Matemticas de la Universidad de Chile.Preparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz Pgina 31 08/07/2010

El lombrifiltro est compuesto, fundamentalmente, por 3 capas y lombrices del tipo Eisenia Foetida. Esto es, una base filtrante de bolones, sobre la cual se agrega una capa de ripio o grava. La parte superior se cubre con aserrn o viruta de madera de ulmo o tepa (principalmente) sobre el cual se mantiene un alto nmero de lombrices (Quezada, 2001). El funcionamiento del lombrifiltro considera las siguientes etapas: El efluente es enviado a una planta elevadora, para luego ser impulsada y asperjada en la superficie del Biofiltro, compuesto por los distintos estratos, conteniendo en los superiores un alto nmero de lombrices. El Ril o agua servida escurre por el medio filtrante quedando retenida la materia orgnica. La materia orgnica del efluente es consumida por las lombrices, oxidndola y transformndolas en anhdrido carbnico y agua, pasando una parte menor de ella a constituir masa corporal de las lombrices y otra mayor de deyecciones de las mismas; estas ltimas, constituyen el llamado humus de lombriz. Los microorganismos presentes en el agua servida, son reducidos en dos rdenes de magnitud, debido a sustancias que son generadas por las lombrices y los dems microorganismos consumidores de materia orgnica que viven junto con las lombrices.

Figura 16 : Esquema general del sistema lombrifiltro.

Parmetros de diseo El diseo del lombrifiltro se basa en la realizacin de un balance de masas que considera: el nmero de lombrices que puede cohabitar por unidad de rea, cantidad de materia orgnica que stas son capaces de digerir y la tasa mxima de riego que puede soportar el lecho para evitar la muerte de lombrices por falta de oxgeno, que corresponde a 1 m3/m2/da (A.V.F. Ingeniera Ambiental, 2003). De esta manera se considera para el diseo:

Conocido el caudal de diseo, y asumiendo una tasa de riego se puede determinar el rea requerida para el tratamiento. Recomendaciones generales a considerar en el diseo. El pH debe mantenerse idealmente en el rango 6,5 7.5Pgina 32 08/07/2010


Humedad 70 80% Temperatura 15C 24C Densidad de lombrices 20.000 m2 (rango 4.000 a 50.000) Se debe mantener baja luminosidad. La lombriz ingiere una cantidad de comida equivalente a su propio peso (0,4 gr. - 0,6 gr.)

En esos trminos, para un caudal de agua residual de 10 m3, con una DBO5 de 300 mg/, que se pretende depurar hasta un nivel de 35 mg/litro, considerando una tasa de aplicacin de 400 lt/m2/da, se requiere: A= 10 m3/d / 0,5 m/d = 20 m2 Eficiencia del Tratamiento Segn informacin recopilada un lombrifiltro presenta los siguientes niveles de remocin de contaminantes: Tabla 10. Eficiencia lombrifiltro Parmetros Coliformes fecales DBO5 Slidos Totales Slidos suspendidos voltiles Nitrgeno Total. Aceite y Grasas Fsforo Total Fuente: http.//www.sistematoha.cl Descripcin de las capas del lombrifiltro El lombrifiltro estar compuesto de un medio filtrante y un soporte (ver figura13). Figura 17. Capas del Lombrifiltro. Eficiencia 99% 95% 95% 93% 60 a 80% 80% 60 a 70%

Fuente: A.V.F. Ingeniera Ambiental, 2003. Preparado por: Ing. Pablo Ortiz Muoz Pgina 33 08/07/2010

El medio filtrante ser una capa de humus de espesor terico 2 cm. de profundidad, en el cual habitan en mancomunin microorganismos y lombrices de la especie Eizenia Foetida. El soporte estar constituido por tres capas, la primera de ellas de aserrn o viruta (debajo del humus), la segunda, ripio o grava y la tercera de bolones. La primera capa de soporte y que tambin sirve de filtro, el aserrn o viruta, puede ser de ulmo o tepa (principalmente), cuyo espesor debe ser, por lo menos, de 25 cm. para lograr la franja operativa necesaria de la lombriz. Adems, tiene como finalidad principal servir de alimento a las lombrices en el eventual caso que la carga contaminante del afluente no sea suficiente. La segunda capa estar constituida por ripio o grava y la tercera capa ser de bolones con un espesor aproximado de 25 cm., las piedras de mayor tamao van en la parte inferior y las de menor en la parte superior, esta capa esta destinada al drenaje y aireacin del sistema. En las piedras tambin se forma flora bacteriana que digiere la materia orgnica del agua que pasa por ella y que no fue retenida en las capas superiores del lombrifiltro. Entre los estratos de aserrn y arena se dispone una malla tipo Raschell, que sirve como elemento de separacin y retencin para el estrato de aserrn y las lombrices (A.V.F. Ingeniera Ambiental, 2003). El piso del filtro, tambin denominado falso fondo, consiste en un radier con cierta pendiente (aproximadamente de un 1%) para que fluya el agua hacia la canaleta de evacuacin, la cual tambin posee cierta pendiente (0.50%). En el permetro interno del lombrifiltro se instalan tubos de PVC de 110 mm. de dimetro, cada 2 metros aproximadamente, los cuales van en forma vertical, apoyados en su parte inferior en el radier y su parte superior sobresale 20 cm. de lecho filtrante (humus). Estos tubos se perforan con orificios (10 mm. de dimetro) los 20 cm. de su parte inferior y 8 cm. de la superior. Los tubos perforados permitirn airear el sector del falso fondo y la capa inferior del soporte. Ventaja en relacin a los sistemas convencionales No produce lodos inestables. Altos ndices de eficiencia: El lecho filtrante no se permeabiliza.. Bajos costos de operacin, mantencin y limpieza. Sistema modulares ampliables. Produce un subproducto que puede ser utilizado como abono natural. Los perodos de puesta en marcha son relativamente rpidos. Genera un valor en su proceso de tratamiento.

Mantencin del sistema Para procurar el correcto funcionamiento del sistema del sistema Toh, se requiere realizar las siguientes labores de mantencin (A.V.F. Ingeniera Ambiental, 2003): Extraccin de slidos retenidos en el canastillo, se recomienda al menos una o 2 veces a la semana, pero en caso de ser necesario debe aumentarse la frecuencia. Se debe realizar el horqueteo de la viruta superficial del lecho, para mejorar la permeabilidad de ste evitando aposamiento de aguas, se recomienda realizarlo al menos una vez por semana, pero en caso de ser necesario debe incrementarse la frecuencia. Para el correcto funcionamiento del lombrifiltro, el sustrato debe estar en un estado de saturacin, sin llegar a tener aposamientos superficiales, los cuales no son recomendados debido a que la lombriz se aleja de estas zonas, haciendo perder la homogeneidad delPgina 34 08/07/2010


sistema. Este estado de saturacin permanente es logrado a travs de la descarga, a tasas controladas, de aguas residuales. Desmalezar el lecho al detectarse el crecimiento de algn tipo de plantas. Con una frecuencia de 4 meses debe realizarse la adicin de viruta al lecho, ante la disminucin de este estrato debido al fraccionamiento alcanzado. Limpieza peridica de regadores para garantizar en todo momento una uniformidad de riego en la superficie.

14. FILTROS VERDES Consiste bsicamente en la aplicacin de un caudal controlado de agua residual sobre la superficie del terreno, donde previamente se ha instalado una masa forestal o un cultivo. Con ello se consigue, adems de la depuracin del efluente, el crecimiento de especies vegetales, generalmente arbreas maderables, y la recarga artificial del acufero. La depuracin se realiza mediante la accin conjunta del suelo, los microorganismos y las plantas por medio de una triple accin: fsica (filtracin), qumica (intercambio inico, precipitacin y coprecipitacin, fenmenos de xido-reduccin) y biolgica (degradacin de la materia orgnica); tiene lugar en los horizontes superiores del terreno, donde se encuentra una capa biolgica activa. Para mantener en el terreno condiciones predominantemente aerobias el agua residual se aplica en ciclos intermitentes, generalmente variables, de entre 4 y 10 das. Las cargas hidrulicas del agua residual aplicadas sobre la superficie activa de tratamiento varan, dependiendo de la naturaleza del terreno, de la poca del ao y del tipo de cultivo entre 0,5 y 6 m/ao. (Metcalf y Heddy, 1995). Tras su infiltracin, el agua residual percola vertical y lateralmente a travs del suelo. La cubierta vegetal juega un importante papel en el proceso de tratamiento. Su seleccin y cuidado dependen principalmente del grado de tratamiento perseguido y de las caractersticas de los suelos. El filtro verde tiene uno de los mayores potenciales de tratamiento de todos los sistemas de depuracin en el terreno, debido a la aplicacin de cargas relativamente bajas sobre el suelo vegetado y a la existencia de un ecosistema muy activo en el suelo, a escasa distancia de la superficie. Para la instalacin de un filtro verde se requieren una serie de condiciones relacionadas con el terreno y el agua residual (Metcalf y Heddy, 1995): Terrenos con caractersticas de permeabilidad y granulometra determinados. Los ms idneos son los terrenos franco-arcillosos y franco-arenosos. Nivel piezomtrico a ms de 1,5 m de la superficie (aunque generalmente este valor debe ser aumentado al doble o triple). Superficie del orden de 1 ha por cada 250 habitantes (10 Kg DBO5), dependiendo de la climatologa (por ejemplo, en zonas ms lluviosas la necesidad de terreno ser mayor) y de las caractersticas hidrogeolgicas de la zona. El efluente no debe contener sustancias nocivas para los cultivos.


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Foto 1. Los filtros verdes consisten generalmente en el cultivo de masas forestales, chopos, que adems de favorecer la depuracin de las aguas residuales permiten la explotacin maderera del cultivo, con lo que se consigue de forma indirecta la proteccin de los bosques y la mejora de la calidad de la atmsfera.

Con este sistema se consiguen reducciones de DBO5 del orden del 90% y de slidos en suspensin del 95% destacando, adems, el alto rendimiento en eliminacin de microorganismos patgenos, fsforo y compuestos nitrogenados (ms del 80%). Presenta, adems, la ventaja de no producir fangos. El principal inconveniente de este sistema de depuracin es la gran extensin de terreno que requiere para su instalacin. Otro inconveniente es que en climas de invierno fro se produce una parada vegetativa en el crecimiento de los cultivos instalados en el filtro (el cultivo ms extendido son los chopos) disminuyendo sensiblemente el rendimiento del sistema, si a esto se une la disminucin de los procesos de evapotranspiracin se corre el riesgo de afectar al agua subterrnea si el filtro no ha sido correctamente sobredimensionado y la distancia al nivel piezomtrico no es suficiente en previsin de esta circunstancia.


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15. REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

AGENCIA DE PROTECCIN AMBIENTAL DE EE.UU (EPA). Folleto Informativo de Sistemas Descentralizados: Tanque Sptico - Sistemas de Absorcin al Suelo. Disponible en Internet: http.//www.epa.gov/owm/mtb/cs-99-075.pdf. A.V.F. INGENIERA AMBIENTAL. Fundacin para la Transferencia Tecnolgica. Universidad de Chile. Programa de Descontaminacin de Aguas, Biofiltro. 2003 GHISLIERI D. ET AL. 1999. Sistemas Naturales con plantas acuticas: Una alternativa ambientalmente adecuada para la depuracin de aguas negras. Uruguay. HERNNDEZ, A. 1996. Depuracin de Aguas residuales. Editorial. Editorial PARANIFO S. A., Madrid LATCHINIAN, A. ET AL. 2002. Jardn de totoras: Sistemas naturales de depuracin de aguas servidas en escuelas rurales. Uruguay. LOMBRICULTURA S.C.I.C. Centro de Investigacin y Desarrollo en la ciudad de Quito, Ecuador. Disponible en Internet: http.//www.lombricultura.net. MASTERS, G. M, Introduction to Environmental Engineering and Science, Prentice Hall, New Jersey, EE.UU., 1991. MENA, M. 2000. Tratamiento Biolgico Aguas Residuales. Apuntes Curso Procesos y Tratamientos de Agua, en Diploma de Posttulo en Contaminacin de Aguas. U. de Chile. METCALF & EDDY. 1995 Ingeniera de Aguas residuales. Tratamiento, Vertido y Reutilizacin. Editorial McGraw-Hill., Madrid. Miller, Jr., G.T. Ecologa y Medio Ambiente, Grupo Editorial Iberoamrica, Mxico, 1994. QUEZADA PAULO. Tesis: Planta de Tratamiento de Residuos Industriales Lcteos. Temuco, Universidad de la Frontera. 2001. RAMALHO R.S. Tratamiento de Aguas residuales. Editorial Revert, S.A. Barcelona. 1996. SEONEZ C., M., et al. Ingeniera Medioambiental Aplicada -casos prcticos-, Ingeniera del Medio Ambiente, Ediciones Mundi-Prensa, Espaa, 1997. UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE. Estndares Nacionales de Calidad Ambiental. http://lauca.usach.cl/ima/apendc.htm#agua%20regado Sitios web: http.//www.sistematoha.clhttp://es.wikipedia.org http:// www.webquest.es/wq/ciclo-del-agua http://www.siss.cl

http.//www.lombricultura.net.


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