El diseño de los sistemas de recogida de aguas residuales es crucial para una recuperación eficiente del agua, centrándose no sólo en el rendimiento hidráulico, sino también en los factores biológicos y químicos que afectan a la calidad del agua y a la longevidad de la infraestructura.
Abordar problemas como la corrosión, los olores y las condiciones peligrosas en la fase de diseño mejora la sostenibilidad y reduce los costes. Este documento explora las estrategias de diseño clave vinculadas a los beneficios ambientales, sociales y de gobernanza (ESG), incluyendo la limitación de las condiciones anaeróbicas, la reducción de la turbulencia, la aplicación de pretratamiento, y la planificación para el crecimiento del sistema, con el apoyo de un estudio de caso que demuestra la implementación exitosa.
A. Caicedo y V. Harshman.
V&A Consulting Engineers, Inc.
11000 Broadway, Suite 320, Oakland, California, USA.
acaicedor@vaengineering.com
Conflictos de interés: El autor declara que no existe conflicto de intereses.
Editor académico: Carlos N Díaz.
Calidad del contenido: Este artículo científico no ha sido revisado por pares.
Citación: A. Caicedo y V. Harshman, 2024, Un Agua, Un Sistema de Recolección: Diseño Sostenible, ODORA24 Conference, Barakaldo, Spain, www.olores.org.
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ISBN: pendiente
Palabras clave: Biorreactor; impacto ambiental; impacto social; impacto de gobernanza; olores; condiciones anaeróbicas.
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Resumen
Las redes de saneamiento son críticas para las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR), siendo estas las responsables del transporte de las aguas para su tratamiento, reúso y reciclaje. Un diseño deficiente puede afectar negativamente al funcionamiento de esta infraestructura.
Históricamente, el diseño de los sistemas de recolección se ha centrado en los aspectos hidráulicos, mientras que los procesos biológicos y químicos, que también afectan a la calidad del agua, se han considerado secundarios. Estos procesos pueden generar corrosión, olores desagradables y condiciones de trabajo peligrosas.
Un diseño adecuado del sistema de recolección puede abordar estos problemas y generar beneficios ambientales, sociales y de gobernanza (ASG):
Ambientales: A través de la reducción de la corrosión, control de la septicidad y optimización de la transformación de ácidos grasos volátiles.
Sociales: Mediante la reducción de olores y disrupciones del servicio, y diseño de sistemas resilientes.
Gobernanza: A través de la implementación de un diseño para prevenir fallos por corrosión, reduciendo fugas y vertidos, y cumpliendo las normativas ambientales.
Este artículo presenta las estrategias de diseño para lograr cumplir los objetivos ASG, incluyendo:
- La reducción de las condiciones anaeróbicas.
- La reducción de la turbulencia.
- La aplicación de pretratamientos.
- El diseño para el crecimiento biológico controlado.
- El diseño en entornos corrosivos.
- La implementación de ventilación dirigida y otros tratamientos.
El estudio concluye con un caso que demuestra cómo un diseño adecuado de la red de saneamiento puede generar mejoras significativas en términos de sostenibilidad y cumplimiento de los objetivos ASG.
1. El sistema de recolección como un Biorreactor
Es importante enfocar el diseño de la red de saneamiento desde un punto de vista hidráulico. La capacidad, pérdida de presión, velocidad, dimensionamiento de bombas y tuberías, y eficiencia de bombeo son aspectos críticos para la operación de la red. Sin embargo, también es importante considerar la red de saneamiento como un biorreactor. La calidad del agua cambia a medida que las aguas residuales avanzan por el sistema. Reconocer este fenómeno y diseñar para optimizar los impactos del biorreactor contribuye a reducir los impactos ambientales, sociales y de gobernanza (ASG) y a la operación de un sistema más sostenible.
2. Sostenibilidad – Impactos ambientales, sociales y de gobernanza (ASG)
2.1 Impactos ambientales
La función principal de la red de saneamiento es prevenir vertidos de aguas residuales sin tratar al medio ambiente. Los derrames de aguas residuales ocurren cuando el caudal supera la capacidad del sistema o cuando esta falla. La EPA estima entre 11 y 38 millones de metros cúbicos vertidos en EE.UU al año. Muchos suceden en tiempo lluvioso debido al exceso de aguas pluviales. Del total de derrames en tiempo seco, el 36% se debe a roturas, muchas por corrosión (US EPA, 2004). Si la corrosión causa el 50% de las roturas, controlarla podría prevenir entre 1.9 y 7.6 millones de metros cúbicos de vertidos anuales en EE.UU.
Las redes de saneamiento también impactan las emisiones de gases de efecto invernadero. Se estima que esta infraestructura genera el 4,7% de las emisiones globales de CH4 (Global Water Intelligence, 2020). El CH4 producido en la red corresponde con el 45% de las emisiones ‘’scope-1’’ de aguas residuales (Willis, 2020). Por lo tanto, reducir el CH4 podría disminuir las emisiones globales de metano en un 2%.
2.2 Impactos sociales
La estética, el ruido y el olor pueden afectar directamente a las personas cercanas a la infraestructura de saneamiento. Entre estos, los olores suelen provocar respuestas más negativas y perjudiciales para la calidad de vida. El olfato es un mecanismo de defensa humano importante. Incluso si un olor es inofensivo, si se percibe como desagradable, la respuesta humana puede ser negativa. La estética, el ruido y el olor son factores importantes para el impacto social, pero el olor suele ser la respuesta más agravante de los ciudadanos.
El mantenimiento del servicio es otro aspecto social importante de la operación de la red de saneamiento. La pérdida del servicio de aguas residuales es un gran inconveniente para los ciudadanos. Los cortes de tráfico por colapsos u obras en alcantarillas también son inconvenientes, al igual que la pérdida de oportunidades de ocio por el cierre de espacios públicos como parques o playas.
2.3 Impactos de Gobernanza
En EE.UU, los sistemas de alcantarillado están regulados por diversas normas estatales y federales. Los vertidos pueden llevar a sanciones y multas de la EPA y otras agencias, las cuales pueden ascender a más de 2 millones de dólares (US EPA, 2023).
Algunas agencias estatales y ciudades también regulan los olores estableciendo límites basados en compuestos específicos o dilución-umbral. Las regulaciones y sanciones varían entre agencias públicas y actualmente no existe una normativa federal que regule los olores (Water Environment Federation, 2020).
3. Diseño sostenible
El diseño del sistema del sistema de recolección se centra en los aspectos hidráulicos de recogida y transporte de aguas residuales. No obstante, un diseño que tenga en cuenta los objetivos ASG puede resultar en un sistema más eficiente y sostenible.
3.1 Limitar condiciones anaeróbicas
Las condiciones anaeróbicas contribuyen a la formación de H2S y CH4. Por ello, reducir las condiciones anaeróbicas en la red contribuye a minimizar la producción de H2S y la consecuente corrosión, prolongando la vida útil de la infraestructura y reduciendo el riesgo de fallos y vertidos. Los beneficios sobre el control de la corrosión incluyen la prevención de los impactos ambientales y sociales asociados con las rehabilitaciones y reconstrucciones. Igualmente una reducción de la septicidad contribuye a minimizar la producción de CH4, lo cual reduce el impacto ambiental de las emisiones de gases de efecto invernadero. Las estrategias para reducir las condiciones anaeróbicas incluyen:
- Minimizar los colectores presurizados y maximizar los colectores por gravedad. Maximizar el uso de los colectores por gravedad no solo reduce el consumo de energía debido al bombeo, sino que evita las condiciones anaeróbicas y los impactos negativos ASG.
- Limitar el tiempo de detención. Dimensionar la infraestructura del sistema de alcantarillado para las condiciones de caudales previstas en el futuro pero sin sobredimensionar. El sobredimensionamiento conduce a tiempos de detención innecesariamente largos y promueven la formación de H2S y CH4.
- Mantener las líneas limpias. Los residuos sólidos en los sistemas de alcantarillado proporcionan una superficie para las bacterias anaeróbicas. La limpieza regular minimiza la población bacteriana, lo que reduce la producción de H2S y CH4.
- Diseñar las EDAR para la producción de ácidos grasos volátiles (AGV). La mayoría de los diseños de EDAR están precedidos por un amplio muestreo del caudal de entrada. Si el muestreo revela que la red de saneamiento tiene suficiente actividad anaeróbica para generar los AGV necesarios para la eliminación biológica de fósforo, los diseñadores pueden optar por omitir una etapa anaeróbica en el proceso de la EDAR. Aunque es rentable para el diseño y la construcción de la EDAR, esto obliga a mantener condiciones anaeróbicas en la red de saneamiento. Diseñar la EDAR con capacidad para la producción de AGV in-situ asegura el equilibrio entre la operatividad y la sostenibilidad de la EDAR y la red de saneamiento.
- Utilizar tecnología de tratamiento según sea necesario. Las condiciones anaeróbicas no se pueden evitar por completo. En algunos casos, la infraestructura puede protegerse y los olores pueden prevenirse mediante la ventilación forzada de la red y el tratamiento del aire ventilado. En otros casos, es necesario tratar las aguas residuales mediante la adición de productos químicos.
3.2 Minimizar la Turbulencia
La turbulencia acelera la transferencia de oxígeno de la atmósfera al líquido, pero también acelera la liberación de H2S del líquido a la atmósfera. Es recomendable evitar la turbulencia, especialmente en los puntos de descarga de los colectores a presión y aguas abajo. Igualmente, la turbulencia se puede evitar operando las estaciones de bombeo al nivel de entrada, instalando tubos de caída en los pozos y los sumideros para evitar la caída libre del agua, y utilizando conexiones en Y en lugar de T para combinar los caudales.
3.3 Regular y hacer cumplir el pretratamiento
Algunos vertidos industriales pueden agravar las condiciones anaeróbicas y acelerar la formación de sulfuros y/o CH4. Una DBO/DQO excesiva, los sulfatos, las altas temperaturas y el bajo pH son especialmente preocupantes. Un control estricto sobre los pretratamientos contribuye a la reducción de las condiciones anaeróbicas.
3.4 Diseñar considerando la curva de crecimiento poblacional
La nueva construcción de la red de saneamiento tiene en cuenta el crecimiento poblacional. Inicialmente, una red puede funcionar a una pequeña fracción del caudal final pronosticado, lo que resulta en largos tiempos de detención, bajas velocidades, depósitos de sólidos y condiciones anaeróbicas. Para limitar estos problemas, el diseño puede incluir la instalación de tuberías paralelas que se pongan en funcionamiento con el tiempo, bombas de varios tamaños en las estaciones de bombeo para permitir un funcionamiento rutinario y un flujo de alta velocidad para la limpieza y el lavado de las líneas, y la adición de químicos que puede reducirse o eliminarse gradualmente a medida que el sistema alcanza su capacidad de diseño.
3.5 Diseñar considerando el ambiente corrosivo
La exposición superficial al H2S contribuye a la formación de H2SO4. Si estas superficies están diseñadas para la exposición al H2SO4, se puede minimizar la corrosión. Los materiales resistentes a la corrosión incluyen tuberías y revestimientos de plástico, recubrimientos plásticos u hormigón polimérico. La elección entre los materiales depende del presupuesto, los requisitos específicos del proyecto, la vida útil esperada y las condiciones ambientales a las que estará expuesta la red.
3.5 Uso de ventilación
Las redes de saneamiento captan y expulsan aire debido a las fluctuaciones y cambios en el caudal. El principio básico es la fricción entre el agua y el aire. A medida que las aguas residuales fluyen aguas abajo, la fricción entre la superficie del agua y el aire provoca que este último sea arrastrado en la dirección del caudal.
Los efectos de ventilación pueden ser importantes donde el espacio aéreo está restringido u obstruido como en los cambios de pendiente, sifones invertidos, alcantarillas llenas o sobrecargadas, y estaciones de bombeo. En estas situaciones, el caudal de aire disminuye o se detiene, aunque el alcantarillado aguas arriba continúa arrastrando aire. Esto crea altas presiones en la red y escapes de aire al exterior, lo que puede causar una importante liberación de olores.
La ventilación natural se puede combinar con ventilación mecánica para extraer H2S y olores de los sistemas de alcantarillado, reduciendo las condiciones corrosivas en el espacio aéreo y previniendo la liberación de olores al entorno. La ventilación se puede aplicar en estaciones de bombeo y colectores por gravedad, entre otros. Si se considera el movimiento del aire junto con el movimiento del líquido, los diseñadores pueden mejorar los resultados ASG.
4. Caso – Sistema de recolección del Condado de Manatee (FL, USA)
El Condado de Manatee (MCU) brinda servicios de agua y aguas residuales a aproximadamente 100,000 clientes en alrededor de 2.325 kilómetros cuadrados en el Condado de Manatee, Florida, EE.UU. Las tres EDAR de MCU tratan un caudal diario promedio anual de 86,400 m3/día. Con un pronóstico de crecimiento poblacional del 50% en los próximos 25 años, el Condado planea una inversión continua en infraestructura, incluyendo sistemas de recolección y tratamiento de aguas residuales.
Debido al terreno plano y al alto nivel freático de la costa de Florida, los colectores por gravedad no son adecuados. Por ello, gran parte de la red de saneamiento consiste en estaciones elevadoras y tuberías presurizadas para transportar las aguas residuales a las EDAR (Hunniford, 2020).
El enfoque histórico de MCU para el diseño y operación del sistema de recolección se ha centrado en la hidráulica del sistema. Al igual que todas las empresas de servicios públicos de aguas residuales, la prevención de vertidos y la operación eficiente son sus principales objetivos. El Condado se encuentra en el Golfo de México, con playas de renombre mundial y una próspera economía turística. Por lo tanto, un objetivo adicional para MCU ha sido evitar olores desagradables tanto para residentes como para turistas. Por ello, el Condado estableció un sólido programa de control de olores en la década de 1980 utilizando tanto dosificación química como ventilación forzada para lograr los objetivos de control de olores.
En 2018, MCU amplió el enfoque del programa de control de olores para incluir la protección de la infraestructura a través del control de la corrosión. Esto implicó un estudio más detallado de las biorreacciones en la red y el establecimiento de nuevas estrategias de control de H2S. A día de hoy, las estrategias empleadas por el Condado incluyen la reducción de la actividad anaeróbica, el control del pH, la reducción de la turbulencia, el diseño para la reducción de la corrosión y la ventilación forzada. Estas estrategias se han aplicado al sistema de recolección existente y a las nuevas construcciones.
4.1 Reducción de la actividad anaeróbica
MCU ha dosificado sales de nitrato durante mucho tiempo para prevenir la actividad anaeróbica en la red. Con la inclusión del control de la corosión, el Condado está ajustando los puntos de dosificación para maximizar la cobertura del sistema. El Condado también ha observado beneficios del lavado y limpieza de tuberías. Esto fue especialmente evidente en el verano de 2023, el cual fue inusualmente seco para la costa oeste de Florida. En un año típico, ocurren una o más lluvias significativas en los meses de verano y luego se observan períodos sostenidos de menor concentración de H2S. Este fenómeno no ocurrió en 2023 y por ello los niveles de H2S se mantuvieron altos durante todo el año, lo que llevó al Condado a considerar prácticas para lavar las tuberías manualmente en situaciones de poca lluvia.
4.2 Control del pH
El Condado ha agregado la dosificación química para el control del pH a su programa de tratamiento con el objetivo de mejorar la solubilidad del H2S en secciones específicas del sistema de la red. La dosificación de sales de magnesio es el principal mecanismo del control de pH.
4.3 Reducción de la turbulencia
La reducción de la turbulencia es el enfoque más rentable empleado por el Condado. La reducción de la turbulencia se puede lograr sin coste operativo y con un bajo coste capital. Se han utilizado tuberías verticales para evitar caídas del caudal en algunos puntos, mientras que en otros se han realizado ajustes en el nivel de los pozos, cuando es hidráulicamente viable. Un ejemplo de reducción de turbulencia es la Estación Elevadora Maestra (MLS) CC6. En MLS CC6, la tubería de gravedad de entrante entraba por la parte superior del pozo y se había instalado una tubería descendiente para asegurar que las aguas residuales se descargaran por debajo de la superficie del agua. Sin embargo, la parte superior de la tubería descendiente estaba abierta a la atmósfera, lo que permitía que el H2S escapara al exterior. MCU tapó la salida para evaluar el impacto en la concentración de H2S. En cuestión de minutos, la concentración de H2S dentro del pozo bajó del rango de 20-100 ppm a menos de 10 ppm (Hunniford, 2020).
4.4 Diseño para entornos corrosivos
Una fracción considerable de la zona oeste de la red se acerca a los 50 años de antigüedad y está llegando al final de su vida útil. Al mismo tiempo, el Condado está experimentando un rápido crecimiento en la zona este, previamente sin urbanizar. Por lo tanto, el Condado tiene múltiples proyectos de rehabilitación y reemplazo, y nuevas construcciones en zonas no urbanizadas. En ambas situaciones, el Condado está diseñando para entornos corrosivos. Los métodos incluyen el uso de tuberías de PVC o HDPE tanto para tuberías presurizadas como para líneas de gravedad, y un uso frecuente de hormigón-polímero para la construcción de pozos y alcantarillas.
4.5 Ventilación dirigida
Durante mucho tiempo, el Condado ha utilizado la ventilación forzada para controlar la liberación de olores. Esta estrategia se ha ampliado para incluir el control de la corrosión reduciendo las concentraciones de H2S y la humedad relativa. Gracias a la reubicación estratégica de las zonas de extracción de aire, los niveles de H2S se han reducido en más del 80% en algunos pozos.
Todas estas prácticas han mejorado la sostenibilidad de la red de saneamiento del Condado de Manatee. El Condado ha reconocido mejoras ambientales, sociales y de gobernanza de la siguiente manera:
Ambientales
- La red de saneamiento es más robusta y capaz de prevenir futuros vertidos.
- Los esfuerzos del Condado de Manatee fueron reconocidos en el año 2021 con el Premio de Administración Ambiental emitido por la Florida Water Environment Association para el Control de Olores.
Sociales
- Los olores están controlados y las quejas minimizadas.
- Hay menos interrupciones en el servicio y menos disrupciones en el día a día de los ciudadanos.
- Los fondos de los contribuyentes y de los usuarios se utilizan de manera eficiente.
Gobernanza
- Evitar los vertidos significa evitar sanciones y multas regulatorias.
- Mantener los olores controlados evita la presión regulatoria.
5. Conclusiones
La recolección de las aguas residuales es el primer paso en el tratamiento y la recuperación de los recursos hídricos. Un sistema de recolección que funcione de forma eficiente es fundamental para proteger la salud pública y el medio ambiente. Un diseño óptimo del sistema de recolección debe tener en cuenta las transformaciones químicas y biológicas que tienen lugar a lo largo de la red. Incluir estos factores resulta en una mejora de los factores ambientales, sociales, y de gobernanza asociados con el sistema de recolección y, en definitiva, en una infraestructura más sostenible.
6. Referencias
Global Water Intelligence. (2020). Mapping Water's Carbon Footprint. Global Water Intelligence.
Hunniford, D. e. (2020). Odor & Corrosion Juggling Act: Challenges of Upgrading a Major Municipal Collection System, Odor Control Program to Include Corrosion Control Objectives. Proceedings of the WEF Odors and Air Pollutants Specialty Conference. Water Environment Federation.
US Department of Labor, Occupational Safety and Health Administration. (2023, 12 30). Hydrogen Sulfide. Retrieved from OSHA Safety and Health Topics: https://www.osha.gov/hydrogen-sulfide/hazards
USEPA. (2004). Report to Congress, Impacts and Control of CSOs and SSOs. USEPA.
USEPA. (2023, 12 29). Enforcement to Address Sewer Overflows. Retrieved from USEPA Region 1: https://www3.epa.gov/region1/sso/enforcement.html
Water Environment Federation. (2020). Manual of Practice 25, Odor and Emissions Control for Collection Systems and Water Resource Recovery Facilities. Alexandria, VA: Water Environment Federation.
Willis, J. e. (2020). Sector-wide GHG Emissions with Normalized Process and Effluent N2O, Sewer CH4, and Methanol CO2. WEFTEC Connect 2020. Water Environment Federation.