Enjuague el mango. Mira el remolino de agua. Parece que el trabajo está hecho. ¿Pero adónde fue?
La mayoría de la gente deja de pensar en la plomería tan pronto como la taza está limpia. Creen que la magia ocurre bajo tierra. No lo hacen. Lo que sigue es un viaje complejo de varias etapas a través de kilómetros de tuberías, estaciones de bombeo y plantas de tratamiento. Es un viaje de miles de millones de galones de largo cada día.
Comprender este camino es más que una simple curiosidad académica. Se trata de comprender por qué las comunidades invierten tanto en infraestructura. Se trata de comprender qué sucede con los desechos que se generan antes de que sean devueltos al ecosistema.
¿Por qué no se pueden simplemente drenar las aguas residuales sin tratar?
Imagínese verter agua del lavabo o tirar la cadena del inodoro directamente a un río cercano. Sin tratamiento. Sólo suelta.
Parece funcionar hasta que lo hueles.
Las aguas residuales sin tratar, a menudo denominadas cortésmente aguas residuales, son más que simplemente agua sucia. Es una mezcla de peligros biológicos y químicos. Hay tres razones principales por las que no se deben liberar al medio ambiente:
- Olor: Muy maloliente. Terriblemente. Inmediatamente. Cuando la materia orgánica se descompone, libera gases que hacen insoportable la vida.
- Bacterias: Los desechos humanos contienen bacterias coliformes, incluida E. coli. Estos son patógenos. Causan enfermedades. Si llegan a los cursos de agua, el agua potable puede convertirse en un riesgo para la salud.
- Daño químico y físico: Este es un asesino silencioso de la vida acuática.
Las aguas residuales contienen nitrógeno y fosfatos. Estos son fertilizantes. En cuerpos de agua naturales, puede provocar proliferaciones explosivas de algas. Las algas bloquean la luz solar. Cuando las algas mueren, las bacterias las descomponen. Esta descomposición consume oxígeno.
Los peces se asfixian.
Los sólidos suspendidos en el agua también pueden provocar turbidez. Esto afecta la visión del depredador y bloquea las branquias del pez. La hipoxia, la luz bloqueada y los desechos físicos destruyen el hábitat. Las ranas mueren. Los insectos desaparecen. El arroyo se convierte en una zona muerta.
Las comunidades no construyen plantas de tratamiento por caridad. Los construyen para evitar el colapso ecológico. Hacen cumplir leyes que impiden que las aguas residuales no tratadas entren al medio ambiente. porque el costo de la inacción es un ecosistema muerto.
Opción rural: Fosa séptica
No todas las viviendas están conectadas a la red de alcantarillado de la ciudad. En el campo las casas están dispersas. Conectar kilómetros de tuberías a plantas centrales es muy caro.
Por eso los propietarios utilizan sistemas privados. Estos se llaman fosas sépticas.
Un tanque séptico es básicamente una planta de tratamiento de aguas residuales in situ a pequeña escala. Suele ser un gran contenedor de hormigón o acero enterrado en su jardín. Los volúmenes varían, pero un tanque típico tiene capacidad para 1000 galones (aproximadamente 4000 litros).
Este proceso es pasivo pero efectivo. El agua residual entra al tanque por un extremo y sale por el otro. En el interior, la gravedad transporta cargas pesadas.
El tanque está diseñado para separar sólidos de líquidos, permitiendo que las bacterias descompongan la materia orgánica con el tiempo.
En la siguiente sección veremos la sección transversal de este tanque. Observamos cómo se sedimentan los sólidos, cómo flotan los líquidos y cómo llegan las aguas residuales al campo de lixiviación. Por ahora, sólo debes saber que esta caja enterrada en el suelo juega un papel importante para evitar que los desechos domésticos contaminen tu pozo.
Ciencia en un tanque
Ver sección transversal. Esta es la enseñanza de la densidad.
Hay una capa de escoria encima. Flota. Aquí se acumulan aceites, grasas, grasas y sólidos ligeros y forman una costra que no se debe tocar.
¿Base? capa de lodo. Lo pesado está aquí. Sustancia sólida que es más densa que el agua y se hunde. se calman. Si ignoras esto, el depósito se llenará de residuos que no podrán vaciarse.
Hay una zona intermedia entre ellos. Eso está claro. Principalmente agua. Pero no se deje engañar por su claridad. Todavía hay bacterias en estas aguas residuales. En él se disuelven nutrientes como el nitrógeno y el fósforo. Estos son fertilizantes. Biológicamente existen porque los desechos humanos son fertilizantes.
Cómo entran los residuos al sistema
Esta separación se produce dentro del tanque. Pero el proceso comienza en otra parte.
Las aguas residuales fluyen desde su casa a través de las tuberías de alcantarillado hasta el tanque séptico. Puedes ver un tubo de entrada en la imagen. Te traigo la mezcla original. El caudal es importante. Si el agua se mueve demasiado rápido, las capas no tendrán tiempo de separarse. Los sólidos permanecen suspendidos. La escoria es empujada. El tanque está roto.
Por eso es mejor un flujo de agua lento y constante que un chorro repentino de agua.
¿Nota un olor desagradable cerca del desagüe del piso o de un fregadero sin usar? Generalmente el sello está roto. Dentro del tanque séptico, las bacterias descomponen la materia orgánica del agua residual. Este proceso de descomposición natural produce gas. Huelen fatal. No querrás que estos gases regresen a tu espacio vital.
Para detenerlos, los sistemas de tuberías se basan en un mecanismo simple y sofisticado: P-trap.
Esta parte de la tubería en forma de U debajo de cada fregadero y desagüe contiene una pequeña cantidad de agua. El agua actúa como una barrera física. Evita que el gas suba desde la línea de drenaje. En lugar de llenar tu baño de olores, estos gases eligen el camino de menor resistencia. Suben por los conductos de ventilación. Si miras el techo de tu casa, verás tuberías que atraviesan las tejas. Permite que el aire entre de forma segura a la atmósfera.
Flujo al campo de drenaje
El sistema no permanece en el tanque. Cuando el agua dulce ingresa al tanque séptico desde su casa, reemplaza el líquido que ya está dentro. Esta agua drenada (ahora parcialmente tratada) sale del tanque y fluye hacia el campo de drenaje.
Ahora viene el verdadero trabajo. Un campo de drenaje es una red de tuberías perforadas enterradas en una zanja. Estas trincheras estaban llenas de escombros. El líquido sale del tubo y se filtra a través de la grava hasta el suelo circundante. El suelo filtra los patógenos y nutrientes restantes antes de que el agua llegue al agua subterránea.
Aquí hay un desglose visual del diseño:
Por lo general, vista desde arriba, la casa está conectada al tanque séptico, que a su vez está conectado a la caja de distribución. Desde allí la línea se bifurca en un campo de drenaje.
Esta disposición garantiza que las aguas residuales no se acumulen en su patio trasero. Se mueve, se descompone y se limpia mediante el propio sistema de filtración de la naturaleza.
Análisis de campo de drenaje
La mayoría de los sistemas utilizan tubos estándar de 4 pulgadas de diámetro (aproximadamente 10 cm). No se sientan en el suelo. Están enterrados profundamente. Estás viendo una zanja que tiene aproximadamente 4 a 6 pies (1,5 m) de profundidad y 2 pies (0,6 m) de ancho. Esa es una gran cantidad de investigación.
La configuración es en capas, no aleatoria.
En primer lugar, la tubería va hacia el fondo. Luego viene grava. Llene el fondo de esta zanja 2-3 pies. Esta capa es muy importante. Permite que las aguas residuales se propaguen antes de entrar en contacto con el suelo.
Finalmente, el suelo quedó cubierto de grava. Esto sella el sistema y mantiene alejadas las raíces y los desechos de la superficie, mientras deja que el efluente se filtre gradualmente.
La estructura es:
Abajo: Tubería y capa inferior de grava
Medio: Capa superior de grava
Arriba: Cubrir el suelo
Esta es una geometría simple. Pero si la profundidad es incorrecta, todo falla. Las tuberías pueden agrietarse debido a las heladas. O el agua superficial puede inundar el sistema. La profundidad importa. El tamaño de la grava es importante. La permeabilidad del suelo es importante.
Básicamente, estás construyendo un sistema de filtración subterráneo.
El levantamiento pesado del campo de drenaje del tanque séptico lo realiza el suelo. Las aguas residuales fluyen y penetran en el suelo, donde las bacterias y los procesos de filtración naturales las descomponen. El tamaño de las zanjas y lechos no es arbitrario. Todo depende de la permeabilidad del suelo. Cuando se manejan suelos arcillosos pesados que repele el agua, el sistema requiere más superficie para manejar la carga. Esto significa que el campo de drenaje es mayor.
La única fuerza aquí es la gravedad. No hay bomba. No hay electricidad. El agua fluye cuesta abajo desde la casa hasta el tanque y desde el tanque hasta las líneas de distribución en el campo de drenaje. Por diseño, este es un sistema pasivo. Esta simplicidad hace que los sistemas sépticos duren décadas con poco mantenimiento.
Existe el mito de que la hierba crece directamente encima del tanque séptico. Esto no es cierto. La zona verde y exuberante que ves casi siempre está encima del campo de drenaje. El agua y los nutrientes absorbidos por el suelo actúan como fertilizantes. La hierba crece con exceso de humedad. Esta es una indicación visual de que el sistema está distribuyendo aguas residuales como se esperaba.
Sistema de tratamiento de aguas residuales urbanas
Una mayor densidad puede provocar que fallen los sistemas individuales. En las ciudades y los suburbios, las casas están demasiado pobladas para construir campos sépticos confiables. La cantidad de residuos es demasiado grande para procesarlos en el sitio. Las comunidades respondieron estableciendo redes centralizadas de alcantarillado. Estas tuberías recogen las aguas residuales de miles de hogares y las transportan a plantas de tratamiento de aguas residuales. Allí, el agua se purifica mediante un proceso a escala industrial antes de ser devuelta al medio ambiente. Se trata de un cambio de una simplicidad descentralizada impulsada por la gravedad a una infraestructura compleja y diseñada. Uno trabaja para el país. Otro más para la jungla de asfalto.
Geometría segura
Las tapas de pozo son redondas debido a su forma básica y para evitar accidentes. Una tapa cuadrada o rectangular se puede inclinar en diagonal y deslizarse a través de su propia abertura. El ancho del círculo es constante. No importa cómo lo gires, no se caerá. Esta es una solución simple a un problema fatal.
Cómo la gravedad mueve los residuos
En un mundo ideal, los sistemas de alcantarillado funcionarían únicamente por gravedad. Piense en ello como un sistema séptico, pero a mayor escala. La plomería de cada hogar está conectada a una cañería de alcantarillado, que generalmente corre a lo largo del centro de la calle. Estas tuberías principales suelen tener de 3 a 5 pies (1 a 1,5 metros) de diámetro.
Cada pocas cuadras, tuberías verticales se elevan desde la línea principal hasta el suelo. Aquí está la tapa de alcantarilla. Estos puntos de acceso son importantes para que los trabajadores de mantenimiento inspeccionen las redes subterráneas y eliminen obstrucciones.
Desde allí, los residuos fluyen gradualmente hacia tuberías más grandes hasta llegar a la planta de tratamiento de aguas residuales. Estas plantas casi siempre están ubicadas en zonas bajas para hacer más eficiente el trabajo de la gravedad. Los ingenieros suelen tender las tuberías de alcantarillado a lo largo de arroyos o ríos naturales, aprovechando la pendiente natural del terreno para mover el agua sin energía adicional.
Cuando la gravedad no es suficiente
La naturaleza rara vez coopera perfectamente. Hay colinas. Hay zonas planas. Si la tierra se inclina hacia arriba, la gravedad no funciona.
En tales casos, el sistema depende de la asistencia mecánica. Se pueden instalar bombas trituradoras o estaciones elevadoras para empujar el agua residual hacia arriba por la barrera. Estas bombas rompen los sólidos y empujan el agua hacia adelante, asegurando que el sistema siga moviéndose a pesar de la resistencia del terreno.
Herramientas y mantenimiento
Cuando trabaje cerca de estos sistemas, recuerde que están presurizados y llenos de gases nocivos. No abra pozos de registro sin la ventilación y el equipo de seguridad adecuados. Las cubiertas de acero pesan varios cientos de libras y la abertura debajo es una caída vertical sin protección.
El material utilizado en estas cubiertas suele ser hierro fundido o hierro dúctil y está diseñado para soportar cargas de tráfico pesado. Si es propietario de una casa con su propio tanque séptico o una pequeña estación de elevación, revise la bomba trituradora con regularidad. Si se bloquea, puede producirse un retroceso en la superficie, lo cual es difícil, costoso y peligroso.
El sistema funciona hasta que deja de funcionar. Y cuando falla, normalmente falla en el lugar más inconveniente posible.
Tratamiento primario: levantamiento de objetos pesados
Las bombas de tornillo son los héroes anónimos aquí, ya que transportan grandes cantidades de aguas residuales a diferentes etapas de la planta. Por supuesto, no todas las instalaciones son iguales. Algunos utilizan una configuración básica de un solo paso, mientras que otros siguen un proceso complejo de tres pasos. Pero casi todos estos métodos comienzan con el mismo paso básico: el tratamiento primario.
Piense en el tratamiento primario como en una fosa séptica. Está crudo. Es muy sencillo. Depende completamente de la gravedad.
El agua llega en un conjunto de grandes y tranquilos estanques o depósitos. Aún no se han agregado productos químicos. No hay ventiladores de aireación que soplen aire a la mezcla. El agua simplemente está ahí. Espera.
En esta tranquila masa de agua, la física toma el mando. Los sólidos pesados se hunden hasta el fondo y forman una capa de lodo. Las sustancias más ligeras, como grasas y aceites, flotan hacia la superficie y crean una costra de espuma. Luego, el sistema retira mecánicamente esa capa superior y raspa el lodo del fondo. Ambos se retiran para su eliminación. Vertedero. Incineradores. Los sombríos destinos habituales para los residuos.
Se necesita muy poco equipo. Es posible que veas una pantalla tosca en la entrada para atrapar desechos grandes como palos y trapos, pero por lo demás es solo espacio vacío y paciencia. La planificación prioriza el tiempo de retención. Si dejas reposar el agua el tiempo suficiente, la separación se producirá de forma natural. Está diseñado para manejar la mayoría de las cargas de sólidos con un nivel tecnológico bajo antes de que el agua pase por un tratamiento secundario o terciario más complejo.
Filtro primario
El primer obstáculo en el tratamiento de aguas residuales es el cribado primario. Su misión es sencilla. atrapar las cosas grandes. Aquí se pueden atrapar trapos, palos, plástico y otros desechos antes de que obstruyan o dañen el resto de la instalación.
Después del filtrado, el agua pasa inmediatamente a los clarificadores primarios. Se trata de tanques grandes y tranquilos donde la gravedad hace el trabajo pesado. Los sólidos pesados se hunden hasta el fondo y forman lodos. Los materiales más ligeros, como la grasa y el aceite, flotan hacia la superficie y forman una capa de espuma. Ambos son eliminados.
Este paso normalmente elimina aproximadamente el 50% de los sólidos suspendidos y la materia orgánica. Pero está lejos de ser limpio. Si la depuradora sólo realiza un tratamiento primario, el agua todavía contiene muchas bacterias e impurezas disueltas. El agua está clorada para garantizar que su descarga sea segura. Esto mata cualquier bacteria dañina restante antes de que el agua regrese al medio ambiente. Esta es una medida provisional, no una limpieza profunda.
Descomposición de materia orgánica: tratamiento secundario
Cuando la instalación excede el tratamiento primario, pasa al tratamiento secundario. Aquí es donde tiene lugar el verdadero trabajo biológico. El objetivo es eliminar las sustancias orgánicas y los nutrientes que faltan en el tratamiento primario.
¿cómo? Alimentando a las bacterias.
El agua fluye hacia grandes depósitos de aireación. El aire se bombea vigorosamente. Este suministro de oxígeno favorece el crecimiento de millones de microorganismos (principalmente bacterias y protozoos). Estos microorganismos utilizan las aguas residuales como alimento. Consumen materia orgánica disuelta y la descomponen en compuestos más simples.
El agua se convierte en un buffet bacteriano, donde los microbios consumen todo lo que pueden, limpiando eficazmente el agua desde adentro hacia afuera.
Como resultado, la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) y los sólidos en suspensión se reducen significativamente. Las bacterias forman grupos llamados flóculos y se depositan en el clarificador secundario. Este proceso es mucho más eficiente que el tratamiento primario solo, ya que elimina gran parte de la carga orgánica y prepara el agua para su posterior pulido y desinfección.
Período estable
Una vez que el tanque de aireación ha realizado su trabajo pesado, la mezcla pasa al tanque de clarificación. Aquí es donde ocurre la magia de la separación. Ya no se trata sólo de mirar el agua. Lo que ves es un lodo de bacterias y productos de desecho. La gravedad se hace cargo. Las bacterias se endurecen y se hunden hasta el fondo.
Este paso es importante para el procesamiento secundario. Estamos hablando de eliminar hasta el 90% de los sólidos y orgánicos de las aguas residuales. Esto reduce en gran medida la contaminación. El agua que queda encima del lodo sedimentado ahora es bastante clara, pero aún requiere un pulido final antes de poder drenar o reutilizar de manera segura.
Toques finales: Explicación del tratamiento terciario
Una vez que haya realizado el trabajo duro de los pasos uno y dos, tendrá agua limpia que aún no está preparada para el medio ambiente. Aquí es donde entra en juego el procesamiento terciario. Piense en ello como la inspección de control de calidad definitiva, adaptada específicamente a las regulaciones locales y a la química única de las aguas residuales de su área.
El objetivo es eliminar nutrientes, no sólo limpiar. En las comunidades se suelen utilizar productos químicos específicos para eliminar el fósforo y el nitrógeno. ¿Por qué es esto importante? Porque estos nutrientes actúan como fertilizantes. Cuando llegan a lagos y ríos, pueden provocar la proliferación de algas que absorben oxígeno del agua, matan peces y dañan los ecosistemas.
Además de los productos químicos, algunas plantas dependen de barreras físicas. Un lecho filtrante o un filtro de arena pueden actuar como última línea de defensa y capturar pequeñas partículas que se deslizaron por etapas anteriores. Se trata de un proceso de pulido mecánico de un producto ya refinado.
El siguiente paso es la desinfección. Por lo general, se agrega cloro a la mezcla. Su misión es sencilla. Simplemente mata cualquier bacteria o patógeno restante que haya sobrevivido al proceso anterior. Cuando se completa el apretón de manos químico, el agua se puede devolver de forma segura a la naturaleza.
Cómo comprobar el rendimiento de las plantas de tratamiento de aguas residuales.
No es necesario llevar bata de laboratorio para saber qué sucede después de la descarga. La verdadera pregunta para las comunidades es: ¿Es realmente segura el agua que sale de la planta? Los operadores rastrean esto con métricas específicas. Estas cifras cuentan la historia de lo que sucede con el efluente antes de que llegue a las vías fluviales locales.
pH es lo primero que hay que comprobar. Esto mide la acidez. El objetivo es hacer coincidir el pH del agua tratada con el valor de pH del río o lago al que ingresa. Los cambios dramáticos pueden alterar los ecosistemas.
DBO (demanda bioquímica de oxígeno) también es un indicador importante. Mide el oxígeno necesario para descomponer la materia orgánica que queda en las aguas residuales. La condición ideal es DBO cero. Si este valor es alto, las bacterias locales todavía no pueden eliminar de forma natural muchos productos de desecho.
El oxígeno disuelto debe controlarse cuidadosamente. Este es el oxígeno contenido en el agua que sale de las plantas. Si el nivel del agua baja demasiado, los organismos acuáticos pueden asfixiarse. La cantidad de oxígeno disuelto debe exceder la DBO. Los niveles más altos son mejores que los niveles más bajos.
Sólidos en suspensión se refiere a partículas que no se sedimentaron durante el tratamiento. Idealmente, este número es cero. La turbidez visible suele indicar una filtración insuficiente.
El fósforo y el nitrógeno totales se controlan porque actúan como nutrientes. Un exceso de estas sustancias puede provocar el crecimiento de algas, que pueden consumir oxígeno.
A menudo se agrega cloro para matar las bacterias dañinas. Sin embargo, debe retirarse antes del alta. El cloro residual puede matar microorganismos beneficiosos en el entorno natural. La norma es que no se detecte cloro.
Recuento de coliformes rastrea la contaminación fecal. La naturaleza trae consigo algunas bacterias fecales de animales salvajes, y el objetivo del tratamiento del agua es reducir al máximo la cantidad de estas bacterias.
¿Por qué estamos tan obsesionados con estos números? Esto se debe a que la comunidad produce una gran cantidad de aguas residuales. Una planta típica procesa de 10 a 100 millones de galones por día. Está entre 38 y 380 millones de litros. Estos pequeños errores pueden causar grandes problemas en el futuro.
Estudio en profundidad de los sistemas hídricos.
Si tiene curiosidad acerca de cómo encajan estos sistemas en su vida cotidiana, mírelo desde un ángulo diferente. Comprender cómo funcionan los sanitarios proporciona un contexto de lo que entrará en el sistema. Quizás también se pregunte por qué los apartamentos están reemplazando los baños viejos. Esto está directamente relacionado con la conservación y eficiencia del agua.
Para aquellos interesados en la infraestructura en sí, el análisis de cómo funcionan las torres de agua explica la dinámica de presión que mantiene el flujo del agua. Para comprender la gestión de residuos más allá de las tuberías, cómo funcionan los vertederos ofrece una visión paralela de la gestión de residuos sólidos en paralelo.
También hay recursos disponibles para propietarios de viviendas prácticos. La cloración de choque de pozos y manantiales es un tema importante para los administradores de fuentes de agua privadas. Las pautas para casas nuevas y renovaciones a menudo se refieren a mejoras de plomería que afectan el consumo general de agua.
Para aprendizaje visual, fotografías de plantas de tratamiento de aguas residuales ilustran el tamaño de estas instalaciones. Si desea aprender sobre biología, lea sobre la aparición de bacterias coliformes fecales y aprenda por qué las pruebas son importantes.
