Diseo de un sistema de reciclado de aguas en una vivienda urbana tipo

#1Jorge L. Domnguez V., #2Jorge Luis Jaramillo

#1, Profesional en formacin IET, Universidad Tcnica Particular de Loja #2 Docente investigador SET DCCE, Universidad Tcnica Particular de Loja

Loja, Ecuador 1jldominguez@utpl.edu.ec,

2jorgeluis@utpl.edu.ec

Resumen se describe los resultados obtenidos al disear un sistema de reciclado de aguas para una vivienda urbana tipo, conformado por un bloque de aprovechamiento de aguas residuales, y otro de captura de aguas lluvia. Palabras claves energa, energa renovable, captura de lluvia, aprovechamiento de aguas residuales.

I. INTRODUCCIN

Como parte de una experiencia piloto de diseo de viviendas sustentables, se identific la potencialidad de reciclado de aguas.

En este documento se describe los resultados

obtenidos al disear un sistema de reciclado de aguas, conformado por un bloque de aprovechamiento de aguas residuales y grises, utilizando biodigestores tipo WilcoTech, y otro de captura de aguas lluvias.

II. DISEO DEL BLOQUE DE APROVECHAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

A. Sobre las aguas grises y residuales Se conoce como aguas grises a aquellas provenientes

de la limpieza de vajilla, ropa y aseo personal (ducha, baos de inmersin, etc.) [1].

Por otra parte, las aguas residuales o negras son un tipo

de agua contaminada con sustancias fecales y orina, procedente de desechos orgnicos humanos o animales. Tambin llamadas aguas servidas, residuales, fecales, o cloacales. Estas aguas se consideran residuales, puesto que han sido usadas, y por tanto constituyen un residuo [1].

B. Sobre el tratamiento convencional de aguas grises

y residuales

Se han diseado diferentes sistemas para el tratamiento de aguas residuales y grises, diferencindose entre s por la escala de aplicacin.

Los sistemas a escala de una urbe, tratan las aguas grises y residuales en 5 etapas: pretratamiento, tratamiento primario, tratamiento secundario, tratamiento terciario, y, tratamiento de fangos (ver Fig.1). En la etapa de pretratamiento, mediante procedimientos fsicos se eliminan objetos gruesos, arenas y grasas. Las aguas resultantes se someten a procesos fsico-qumicos (coagulacin floculacin) en la etapa de tratamiento primario. Durante el tratamiento secundario o biolgico, se reduce la fraccin orgnica de las aguas residuales, empleando microorganismos. En el tratamiento terciario, una serie de procesos fsico-qumicos mejoran algunas caractersticas del agua efluente. Finalmente, en la lnea de fangos, se trata los lodos derivados de la decantacin secundaria, aplicando mtodos adaptados al contenido de metales pesados [1], [3].

En una escala micro, una opcin vlida para el

tratamiento de aguas residuales y grises es la utilizacin de biodigestores, como los producidos por WilcoTech [4]. Estos biodigestores de mezcla completa sin recirculacin, mantienen uniforme la concentracin del substrato y de los microorganismos en forma espontnea, mediante el llenado vertical de unidades de almacenamiento denominadas reactores (ver Fig.2).

En cualquier tipo de biodigestor, el desempeo est

ligado a la temperatura, al tiempo de retencin, al pH, y, a la humedad.

La temperatura afecta la velocidad de produccin de

biogs [5]. La Tabla 1 muestra los diversos procesos de produccin de biogs en funcin de los intervalos de temperatura a los que se encuentra el biodigestor y los tiempos de fermentacin, mientras que la Fig.3 muestra la relacin entre la produccin de biogs y la temperatura.

Se conoce como tiempo de fermentacin (retencin)

al nmero de das requeridos para que los reactores digesten la materia orgnica y produzcan biogs [6].

Fig. 1 Esquema general de un sistema tipo para el tratamiento de aguas residuales a escala de una [2]

Fig. 2 Esquema de un biodigestor tipo WilcoTech [Elaborado por Ing. Jaime Santn]

Tabla 1.

Relacin entre la temperatura dentro del biodigestor y el tiempo de fermentacin [6]

Intervalos Tiempo de fermentacin Mnimo ptimo Mximo

Termoflico Ms de 100

das 25-45C 50-60C 75-80C

Mesoflico 30-60 das 15-20C 25-35C 35-45C

Psicroflico 10-15 das 4-10C 15-18C 20-15C

Fig. 3 Produccin de biogs en funcin a la temperatura dentro del biodigestor [6]

El tiempo de retencin est ligado a la temperatura

ambiente promedio [5], tal como lo muestra la Tabla 2.

Tabla 2. Tiempo de retencin en el biodigestor en funcin de la temperatura

ambiente promedio [6]

Das de retencin Climas

45 Clima tropical, 28C

60 Regiones clidas, 22-27C

90 Clima temperado, 15-22C

El potencial hidrgeno (pH) est relacionado al

bixido de carbono en el gas, y a los cidos voltiles de la propia acidez de la materia prima. Las bacterias son muy susceptibles a los cambios del pH. En general, la fermentacin anaerbica sucede con un pH entre 6 y 8, registrando el ptimo en 7 [5].

El contenido de humedad afecta el tiempo de

fermentacin. A temperaturas altas y constantes, y con tiempos largos de retencin, la humedad influye positivamente en la produccin de biogs. A menos das de retencin, y a temperaturas bajas oscilantes, la humedad influye negativamente en la produccin de biogs [5].

C. Sobre el aprovechamiento de aguas grises y residuales propuesta para la vivienda urbana tipo

La Fig.4 muestra la arquitectura propuesta para el

sistema de tratamiento de aguas grises y residuales para la vivienda urbana tipo, utilizando biodigestores tipo WilcoTech. Esta solucin reemplazar la conexin de la vivienda al sistema de aguas servidas de la ciudad, o, a un pozo sptico.

Fig. 4 Arquitectura propuesta para el aprovechamiento de aguas grises y residuales en la vivienda urbana tipo, utilizando biodigestores tipo

WilcoTech. [Elaborado por autores] En los reactores se mezclarn los residuos slidos

orgnicos provenientes de la cocina (previamente reducidos a fragmentos no mayores a 2 cm de longitud con ayuda de una picadora manual), las aguas grises recolectadas en lavanderas, y, las residuales provenientes de los baos. Para garantizar la integridad de las bacterias en los reactores, en la lavandera y cocina se deber utilizar detergentes biodegradables.

A la salida de los biodigestores se obtendr biogs,

humus y agua. El volumen de agua que ingresar a los reactores ser igual a la demanda de agua en duchas, inodoros, cocina, y, lavadora. Se prev la recuperacin de al menos 700 l de agua limpia, que se almacenar en una cisterna, para utilizarse en riego.

La Tabla 3 muestra el potencial de produccin de

biogs de varios tipos de desecho. En el marco de este proyecto, considerando la escasa produccin inicial esperada de biogs, se decidi expulsar el biogs hacia la atmsfera a travs de filtros de carbn activo, para reducir la contaminacin por olor. A futuro, en funcin de resultados reales de operacin se podra dimensionar una aplicacin prctica para el biogs.

Por referencia del fabricante, para procesar los residuos

de una familia compuesta de 4 miembros, se requiere de un sistema de biodigestores con 2 reactores, con 1000 l de capacidad total de almacenamiento. El uso de 2 reactores se justifica desde la perspectiva de obtener

agua limpia, adicional al biofertilizante y biogs, adems de actuar como backup.

Tabla 3

Potencial de produccin de biogs [6] [7].

Detalle Disponibilidad

(Kg/da)

Produccin biogs

(m3/Kg)

Produccin biogs (min)

Bovinos 10.00 0.04 1200

Persona 0.40 0.06 7.2

Aves de criadero

0.18 0.08 4.32

Porcinos 2.25 0.06 40.5

Los reactores se ubicarn en un espacio subterrneo,

adecuado a los requerimientos de operacin, y, cumpliendo con las normas de seguridad para el tratamiento de bioresiduos y biogs (ver Fig.5 y 6). De acuerdo a la Tablas 1 y 2, la temperatura ambiente en el emplazamiento deber mantenerse entre 14 y 38 C.

Los reactores recibirn mantenimiento preventivo una

vez por ao. En esta etapa, los residuos orgnicos y las aguas residuales y grises se desviarn hacia la red pblica de alcantarillado, a travs de llaves de seccionamiento.

La Tabla 4 muestra el presupuesto de inversin.

Fig. 5. Vista de transversal del emplazamiento del sistema de biodigestores WilcoTech en la vivienda urbana tipo. [Elaborado por autores]

Fig. 6 Vista de planta del emplazamiento del sistema de biodigestores WilcoTech en la vivienda urbana tipo, [Elaborado por autores]

Tabla 4. Presupuesto de inversin para la implementacin y puesta en marcha

de un sistema de biodigestores WilcoTech para la vivienda urbana tipo. [Elaborado por autores]

Descripcin Cant. VU, USD

Total, USD

Tubo PVC de 75 mm x 3m 6 13,37 80,22

Tubo PVC de 50 mm x 3m 4 6,65 26,60

Tubo PVC de x 6m 2 9,07 18,14

Accesorios para instalacin 1 425,00 435,00

Vlvula compuerta roscable de 75mm

1 166,12 166,12

Cisterna de 700 litros 1 389,18 389,18

Reactores WilcoTech 2 900,00 1800,00

Llave calco 1 4,40 4,40

Filtro de carbn activo 1 100,00 100,00

Mano de obra 1 650,00 650,00

Picadora manual 1 36.54 36.54

Total 3706,20

III. D ISEO DEL BLOQUE DE CAPTURA DE AGUAS

LLUVIAS

A. Clculo de demanda de agua en la vivienda urbana tipo, potencialmente sustituible por agua lluvia

El equipo de trabajo identific como potencialmente

sustituible por agua lluvia, la demanda de agua en inodoros, lavandera, y, riego y limpieza del hogar.

Demanda de agua en inodoros La demanda de agua en los inodoros se calcul en 4,32

m3/mes, utilizando la expresin (1). Se consider que los inodoros eficientes actuales demandan aproximadamente 6 l por descarga, y, un promedio de uso de 6 veces diarias.

D =N Dot Nd

1000(1)

En dnde, Dj, es la demanda mensual de agua, m3 Un, es el nmero de beneficiaros del sistema, Dot, es la dotacin diaria persona, l/persona/da, Ndj, es el nmero de das del mes. Demanda de agua para lavandera

Una lavadora eficiente de 15Kg demanda 2.36 m3/mes,

considerando 180 l demandados por carga, y, un promedio de uso 3 veces a la semana.

Demanda de agua para riego y limpieza de hogar

La demanda agua para limpieza de la vivienda podra alcanzar 1.06 m3/mes. Para riego se demandara hasta 7 m3/mes.

Demanda mensual total de agua La Tabla 5 resume la demanda mensual total de agua

potencialmente sustituible con agua lluvia. Para efectos posteriores no se considerar la demanda de agua para riego, por cuanto esta ser proporcionada desde el sistema de biodigestores.

Tabla 5. Demanda mensual total de agua potencialmente sustituible por agua

lluvia en la vivienda urbana tipo. [Elaborado por autores]

Servicios Consumo, m3

Consumo, l

Inodoros Eficientes 4,32 4320

Lavandera 2,16 2160

Limpieza de Vivienda y Auto 1,06 1060

Riego* 7,00 7000

Total 7540

B. Requerimientos de captacin de agua lluvia en forma diaria, mensual, y anual

En un trabajo anterior, se explic el procedimiento para determinar la precipitacin promedio diaria, mensual y anual en la ciudad de Loja, partiendo de informacin base del INAMHI. Con esta conocimiento, y, aplicando la expresin (2) fue posible determinar el volumen de captura de agua lluvia de hasta 4381,28 l/da, 9705,54 l/mes, o, 116470,88 l/ao; considerando un factor de escurrimiento de 0, 8, y, asumiendo una superficie de terraza de 139m2 en la vivienda.

V = P S C(2)

En dnde, Vc, es el volumen de agua lluvia captada, l/ao Pj, es la precipitacin pluvial promedio anual, mm Sv, es la superficie de captacin de la vivienda, m2 Ce, es el coeficiente de escurrimiento de la cubierta

Los resultados muestran que la demanda mensual total

de agua potencialmente sustituible en la vivienda tipo, es menor al volumen mensual de agua lluvia capturable, con lo que se justificara la pertinencia del bloque. Sin embargo, considerando la presencia de das con carencia de lluvia, se decidi que el bloque incluya un bypass para alimentarse desde la red pblica de agua potable.

C. Arquitectura y dimensionamiento de los elementos del bloque de captura de aguas lluvias.

Las Fig. 7 y 8 muestran la arquitectura propuesta para

el bloque de captura de aguas lluvias. Se emplearn una cisterna subterrnea (soterrada), una cisterna area, y, una bomba.

La cisterna subterrnea tendr una capacidad de 2500 l,

aplicando la expresin (3), y, considerando un perodo de reserva de 9 das.

T =

!"#$%&%'#(

)*+3

En dnde, Vc, es el volumen de agua lluvia captada, 1/ao Dj, es demanda mensual de agua, m

3

Fig. 7 Vista transversal del emplazamiento del sistema de captacin de agua lluvia en la vivienda urbana tipo [Elaborado por autores]

Fig. 8 Vista de planta del emplazamiento del sistema de captacin de agua lluvia en la vivienda urbana tipo [Elaborado por autores]

Como cisterna rea se utilizar un tanque de 1100 l de capacidad. Ambas cisternas sern de la firma Rotoplas, con presencia en el mercado local.

Como bomba se utilizar una bomba mecnica manual. La Tabla 6 muestra el resumen de la inversin

requerida para implementar en bloque de captura de aguas lluvias para la vivienda urbana tipo.

Tabla 6.

Presupuesto de inversin para la implementacin y puesta en marcha de un bloque de captura de aguas lluvias para la vivienda urbana tipo.

[Elaborado por autores]

Descripcin Cant. VU, USD

Total, USD

Tubo PVC de 75 mm x 3m 20 13,37 267,40

Tubo PVC de x 6m 8 9,07 72,56

7 rejillas con sifn 7 8,45 59,15

Accesorios de instalacin 1 350,00 350,00

Cisterna de 2500 litros 1 486,00 486,00

Cisterna de 1100 litros 1 389,18 389,18

Vlvula selectora tipo OR de

1 165,42 165,42

Vlvula reductora de presin

1 173,23 173,23

Bomba manual modificada 1 350,00 350,00

Mano de obra 1 500,00 500,00

Total 2812,94

IV. CONCLUSIONES

Los resultados obtenidos muestran la factibilidad de implementar el sistema de aprovechamiento de aguas residuales y grises, y, del bloque de captura de aguas lluvias en la vivienda urbana tipo.

V. REFERENCIAS

[1] Agua Mineral y Natural, 2007 05 05. [En lnea]. Available: http://www.agua-mineral.net/574/aguas-residuales-grises-y-negras/. [ltimo acceso: 02 12 2014]. [2] [En lnea]. Available: http://2.bp.blogspot.com/-qLkkjUvWrGE/UFcNtUqpv1I/AAAAAAAAAXs/zbi9sp9TZw4/s400/Esquema+Depuraci%25C3%25B3n.png. [ltimo acceso: 18 01 2015].

[3] M. Martn, Gestin Ambiental Municipal, 2011 11 07. [En lnea]. Available: http://tecnicoambientalenreciclaje.blogspot.com/2011/11/tratamiento-de-depuracion-de-aguas-ii.html. [ltimo acceso: 04 12 2014]. [4] J. Santn, Implimentacion de biodigetor Wilcotech en casa particular, Loja, 2014. [5] G. L. Martnez, Universidad Ditrital Francisco Jos de Caldas, 01 09 2003. [En lnea]. Available: http://tecnura.udistrital.edu.co/ojs/index.php/revista/article/viewFile/95/95. [ltimo acceso: 12 01 2015]. [6] M. T. V. Moreno, OLADE, 2011. [En lnea]. Available: http://www.olade.org/sites/default/files/CIDA/Biocomustibles/FAO/manual_biogas.pdf. [ltimo acceso: 20 03 2015]. [7] U. d. P. M. Energtica, 2003. [En lnea]. Available: http://www.si3ea.gov.co/si3ea/documentos/documentacion/energias_alternativas/normalizacion/GUIA_PARA_LA_IMPLEMENTACION_DE_SISTEMAS_DE_PRODUCCION_DE_BIO.pdf. [ltimo acceso: 30 03 2015].