las patang como solución para las aguas residuales del

Las PATANG como solución para las aguas residuales del sector rural del municipio de Cajamarca

Cristian J. Aguirre Jair P. Marroquín

Ingeniería

Programa de Ingeniería Civil

Ibagué, 2019

Las PATANG como solución para las aguas residuales del sector rural del municipio de

Cajamarca

Asistencia de Investigación. Ingeniería Civil, 2019. III


Cristian Julián Aguirre Valderrama Jair Pompilio Marroquín Galvis

Trabajo de grado que se presenta como requisito parcial para optar al título de:

Ingeniero Civil

Director (a):

Richard Clayton Doughman

Docente Investigador Universidad de Ibagué

Ingeniería

Programa de Ingeniería Civil

Ibagué, 2019


Cajamarca

Asistencia de Investigación. Ingeniería Civil, 2019. V

Resumen Las viviendas ubicadas en las zonas rurales del país, no suelen estar vinculadas al sistema

de captación de aguas residuales del municipio o ciudad de las que son jurisdicción. Esto,

debido a la inviabilidad económica que representa conectar viviendas dispersas en medio

de una vasta extensión territorial. La ausencia de este servicio básico conlleva al

vertimiento de aguas residuales domesticas en las fuentes hídricas cercanas a las

residencias, ocasionando problemas de salud pública y saneamiento básico.

El objetivo principal del presente artículo es generar un diseño efectivo capaz de dar una

disposición final adecuada a las aguas servidas, para esto se plantea un sistema que

consta de dos partes que se encargarán de tratar por separado las aguas grises y las

negras, en conjunto con campos fito-depuradores, que con la capacidad intrínseca de las

plantas permiten disminuir la carga contaminante presente en el agua a través de procesos

biológicos.

Palabras clave: aguas residuales, fito-depuradores, plantas de tratamiento, procesos biológicos.

Abstract

The dwellings located in the rural areas of the country, are not usually linked to the

wastewater collection system of the municipality or city of which they are a jurisdiction. This

is due to the economic infeasibility of connecting scattered dwellings in a vast territorial

extension. The absence of this basic service leads to the pouring of domestic wastewater

into water sources near the dwellings, causing public health and basic sanitation problems.

The main objective of this article is to generate an effective design capable of providing an

adequate final arrangement to wastewater, for this is a system consisting of 2 parts that will

deal separately with grey and black waters, in conjunction with phyto-scrubber fields, that

with the intrinsic capacity of plants allow the conversion of toxins into less polluting

substances through biological processes.

Keywords: sewage, Phyto-purifiers, sewage farm, biological processes.

VI Las PATANG como solución para las aguas residuales del sector rural del

municipio de Cajamarca

VI Aguirre Cristian – Marroquín Jair

Contenido

Pág.

Marco Teórico ............................................................................................................... 13

Metodología ................................................................................................................... 19

Resultados .................................................................................................................... 25

Conclusiones ................................................................................................................ 27


Cajamarca

Asistencia de Investigación. Ingeniería Civil, 2019. VII

Lista de figuras Pág.

Figura 1: Mapa de nivel de riesgo del departamento del Tolima, 2016. ...........................10

Figura 2: Apariencia general de un fito-jardín. .................................................................15

Figura 3: Representación del flujo de agua en los tipos de humedales............................16

Figura 4: Fito-jardín de flujo subsuperficial vertical. .........................................................17

Figura 5: Fito-jardín de flujo subsuperficial horizontal. .....................................................17

Figura 6: Distribución del sistema PATANG ....................................................................19

Figura 7: Primera parte: sistema escala del proceso de tratamiento de aguas grises. .....20

Figura 8: Sistema a escala del Fito-jardín, planta de papiro (Cyperus papyrus). .............20

Figura 9: Planteamiento del sistema en terreno pronunciado. .........................................22

Figura 10: Planteamiento del sistema en terreno plano. ..................................................22

Figura 11: Análisis del pH de una muestra afluente (Izquierda) y efluente (Derecha). .....26


Cajamarca

Asistencia de Investigación. Ingeniería Civil, 2019. VIII

Lista de Tablas

Pág. Tabla 1: Escala del nivel de riesgo de la calidad de agua. ............................................. 10

Tabla 2: Casos atendidos por EDA, en el hospital Santa Lucia, de Cajamarca-Tolima. .. 11

Tabla 3: Casos de diarrea crónica en el municipio de Cajamarca según edad del

paciente. ......................................................................................................................... 11

Tabla 4: Sustancias contaminantes de las aguas residuales y sus orígenes. .................. 13

Tabla 5: Ejemplo dimensiones para vivienda de 4 y 8 personas. .................................... 21

Tabla 6: Costo de la PATANG según el número de habitantes. ...................................... 23

Tabla 7: Características físicas comparativas entre los afluentes y efluentes del sistema

escala. ............................................................................................................................ 25

Introducción

La conservación de los recursos naturales y el desarrollo sostenible se han convertido en

los estandartes para la protección del planeta y la supervivencia humana; por ello la

mayoría de los países del mundo desarrollan estrategias para dar cumplimientos a los

Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) establecidos por las Naciones Unidades, con el

propósito de remediar esta situación.

Los países de Latinoamérica no son ajenos a esta problemática, según el informe Una

instantánea de la calidad del agua en el mundo; desde 1990 a 2010, la calidad del agua

ha empeorado. Este hecho se evidencia en el aumento en un 50% de la contaminación

por carga patógena y orgánica en los ríos de la región (Organización de las Naciones

Unidas [ONU],2016).

Colombia, también se ve afectado por el aumento de la población, el crecimiento de

diversas actividades económicas y los bajos niveles de tratamiento de las aguas servidas;

un claro ejemplo es la condición ambiental del rio Magdalena, el principal río del país que

se ha convertido en una alcantarilla a cielo abierto producto de las aguas residuales de

origen doméstico e industrial que recibe de grandes centros urbanos como Bogotá,

Barranquilla, Ibagué, Neiva y Soacha; según la Contraloría en su Comunicado de Prensa

No. 007, a lo largo de su recorrido se encuentran 514 municipios rivereños de los cuales

294 no cuentan con sistemas de tratamientos de aguas residuales (Controlaría General de

la República [CGR],2019).

El último informe gubernamental Boletín de vigilancia de la calidad del agua para consumo

humano, estableció un IRCA(Indicador de riesgo en la calidad del agua) a nivel nacional

de 6,6 que equivale a un “riesgo bajo” (Ver Tabla1); sin embargo esta percepción se origina

a partir de una muestra que no abarca la totalidad del país, pues solo participaron el 37,2%

de los municipios, dejando por fuera al municipio de Cajamarca y la totalidad del

departamento del Tolima (Instituto Nacional de Salud,2018).


10 Aguirre Cristian – Marroquín Jair

Tabla 1: Escala del nivel de riesgo de la calidad de agua.

Fuente: Boletín de vigilancia de la calidad del agua para consumo humano (SIVICAP,

2018)

En el Informe nacional de calidad del agua para consumo humano publicado en el año

2016; se estudiaron 46 de los 47 municipios del departamento del Tolima (Ver Figura 1),

donde se determinó un IRCA departamental de 28.2, considerándose una calidad de agua

de “riesgo medio”, y un IRCA municipal de 86.2 para el municipio Cajamarca, lo que

equivale a una calidad del agua de “inviable sanitariamente” (Ministerio de Salud y

Protección Social,2016).

Figura 1: Mapa de nivel de riesgo del departamento del Tolima, 2016.

Fuente: Informe nacional de calidad del agua para consumo humano Inca (Ministerio de

salud y protección social, 2016)

11

Asistencia de Investigación. Ingeniería Civil, 2019. 11

Las enfermedades diarreicas agudas (EDA), son patologías que están relacionadas con la

calidad de agua que consume una población; el hospital Santa Lucia E.S.E de Cajamarca,

el cual atiende la zona urbana y rural del municipio, cuenta con un registro sobre las EDA

(Ver Tabla 2).

Tabla 2: Casos atendidos por EDA, en el hospital Santa Lucia, de Cajamarca-Tolima.

Fuente: Base de datos hospital Santa Lucia E.S.E.

De acuerdo con esta información, en el año 2018 se presentaron 500 casos de EDA,

aproximadamente 42 casos por mes, siendo los lactantes y los adultos mayores, las

poblaciones más afectadas por esta problemática (Ver Tabla 3).

Tabla 3: Casos de diarrea crónica en el municipio de Cajamarca según edad del paciente.

Fuente: Base de datos hospital Santa Lucia E.S.E.

El municipio de Cajamarca presenta un problema de saneamiento de aguas residuales que

se acentúa en el área rural, según el Tercer Censo Nacional Agropecuario; en el

corregimiento de Anaime, de los 912 hogares consultados solo 187 cuentan con algún



sistema de tratamiento para las aguas servidas (Departamento Administrativo Nacional de

Estadística [DANE], 2014).

Lo anterior está directamente relacionado con las condiciones socioeconómicas de la

zona. Según el Plan de Desarrollo del Municipio de Cajamarca Tolima (2016-2019), el

índice de pobreza de Cajamarca es de 66.8%, lo cual lo ubica por encima de la media

departamental y nacional (Alcaldía Municipal de Cajamarca, 2016).

Con lo anterior surge la necesidad de implementar un sistema que mejore la calidad de

agua residual que se vierte actualmente a los ríos y quebradas del municipio, que sea

económico y de fácil construcción para las viviendas rurales.

13


Marco Teórico

Las aguas residuales se dividen en dos tipos; residenciales e industriales. Las primeras

son producto de las actividades cotidianas que se realizan en una vivienda o complejo

habitacional, estas se dividen en aguas negras y aguas grises; las primeras hacen

referencia a todas aquellas aguas con presencia de materia fecal y orina provenientes de

unidades sanitarias. Por su parte, las aguas grises se componen de materia orgánica y

químicos tales como sulfatos y cloruros provenientes de los lavabos, lavaplatos, lavadoras

automáticas, fregaderos, duchas y demás sifones distribuidos por la vivienda (Ver Tabla

4). Según el Reglamento técnico del sector de agua potable y saneamiento básico

(RAS2000), en el titulo E “Tratamiento de aguas residuales”; establece que la contribución

por personas de aguas residuales en una vivienda habitada permanentemente ronda los

100 a 160 litros por día (L/día) (Ministerio de vivienda, Ciudad y Territorio, 2000).

Tabla 4: Sustancias contaminantes de las aguas residuales y sus orígenes.

Fuente: fibrasynormasdecolombia.com “Aguas grises: definición y tratamiento”.

Las aguas residuales domésticas se descontaminan por medio de Plantas de tratamientos

de aguas residuales (PTAR), estas son un conjunto de obras civiles que se encargan de



disminuir la carga contaminante del agua, mejorando su calidad para que las fuentes

hídricas puedan asimilarlas.

Estas PTAR, son utilizadas para tratar los asentamientos urbanos poblacionales

importantes; entre más población mayor su área de ocupación. Para viviendas

unifamiliares o multifamiliares regularmente se utilizan pozos o sistemas sépticos

domiciliarios compuestos por trampa de grasas y filtros anaerobios.

El tratamiento del agua residual, se basa en tres fases principales; pero por lo general los

sistemas mencionados anteriormente solo utilizan las dos iniciales.

Por lo general la fase terciaria no es muy utilizada, ya que incrementa los gastos

relacionados con la implementación de una PTAR; pues estas se caracterizan por servir a

grandes grupos poblacionales, lo que incrementa el área de terreno requerida para su

adecuado funcionamiento e implica mayores costos en su mantenimiento.

Sin embargo, este concepto se ha traslado a las soluciones rurales, donde simplemente

se opta por el uso del pozo séptico, obviando otros elementos como la trampa de grasas,

campos de infiltración y fito-depuradores. Las plantas alternativas de tratamiento de aguas

negras y grises (PATANG), surgen como una opción a la necesidad de complementar los

sistemas utilizados actualmente en la zona rural, implementando un proceso completo,

similar a las PTAR, complementado por los fito-jardines (Ver Figura 2).

Fase Primaria

• En esta fase se apartan las partículas sólidas, por medio de la sedimentación y flotación, que por lo general se realiza por medio de una trampa de grasas desarenadores.

Fase Secundaria

• En esta fase los microrganismos compuestos por bacterias, realizan complejos procesos biológicos, ya sean aeróbicos (con presencia de oxígeno) y anaeróbicos (sin oxígeno). En este se elimina la materia orgánica.

Fase Terciaria

• Fase especial, donde se pueden utilizar lagunas de oxidación, campos de infiltración y fito-depuradores.

15


Figura 2: Apariencia general de un fito-jardín.

Fuente: ECODENA, “Fito depuración-y-evapotranspiración”

La depuración del agua por medio de fito-jardines, se viene aplicando en Europa y los

Estados Unidos desde mediados del siglo pasado, en este se utilizan el tipo de plantas

Macrófitas, que se desarrollan en ambientes acuáticos o que permanecen anegadas

durante gran parte del tiempo; en estas condiciones las plantas desarrollan un sistema de

raíces que permiten arraigarse a un lecho conformado por material granular fino o grueso;

de esta manera eliminan materia orgánica, fosforo, nitrógeno y microorganismos

patógenos.

Las Macrófitas se dividen en dos grupos principales:

▪ Plantas flotantes.

▪ Plantas anfibias o emergentes.

Las plantas flotantes se desarrollan sobre los cuerpos de agua estancadas, como lagunas,

lagos o humedales. Por otro lado, las plantas anfibias o emergentes tienen la capacidad

tolerante al anegamiento, y desarrollan sus raíces bajo estas condiciones, dejando que su

follaje y flores sobresalgan por encima del agua. En el país se pueden encontrar plantas

que dichas capacidades depuradoras y se adaptan perfectamente a los fito-jardines, estas

son: las heliconias y las gramíneas.

Existen dos sistemas fito-depuradores diferentes; el superficial y el subsuperficial (Ver

Figura 3); el primero, conocido como “flujo libre”, deposita el agua por encima del lecho y



crea una lámina de agua permanente, allí las plantas comienzan a hacer el proceso de

depuración. Al estar expuesto a la atmosfera aumenta su capacidad aerobia. Este sistema

es utilizado para grandes poblaciones, por lo cual requiere extensiones de terrenos

considerables y distantes de asentamientos humanos (Miguel, 2013).

Figura 3: Representación del flujo de agua en los tipos de humedales.

Fuente: Elaboración propia.

El sistema subsuperficial, se caracteriza por el flujo de agua contaminada a través del lecho

granular (arena, grava); donde las raíces desarrollan sus procesos biológicos para la

depuración del agua; este sistema tiene dos tipos:

▪ Sistema de flujo Vertical

▪ Sistema de flujo Horizontal

El sistema de flujo vertical realiza tratamiento aerobio, lo que aumenta la oxigenación del

agua, sin sufrir las penalidades de malos olores y atracción de insectos; posee costos de

construcción y mantenimiento elevados (Ver Figura 4).

17


Figura 4: Fito-jardín de flujo subsuperficial vertical.

Fuente: Mena, J. (2009). Sección transversal de un sistema de flujo subsuperficial vertical.

[Figura]. Recuperado de

http://www.alquimiaimasd.com/UserFiles/ficheros/IdiAplicada/2643_JMena.pdf

El sistema de flujo horizontal es económico en su construcción y mantenimiento; este

realiza tratamiento anaerobio al tener acceso a bajas cantidades de oxígeno en el subsuelo

(Ver Figura 5).

Figura 5: Fito-jardín de flujo subsuperficial horizontal.

Fuente: Mena, J. (2009). Sección transversal de un sistema de flujo subsuperficial

horizontal. [Figura]. Recuperado de




Metodología

Como primera decisión de diseño, se dividió el sistema en dos tramos con el objetivo de

dar un tratamiento específico a las aguas grises y negras (Ver Figura 6). Inicialmente

ambos sistemas contaran con una caja de inspección con malla anticorrosiva, que

detendrá cualquier objeto o partículas grandes, esta será la fase de pre tratamiento.

Figura 6: Distribución del sistema PATANG

Fuente: Elaboración propia

Para la fase primaria, los elementos cambian para cada sistema, por un lado, las aguas

grises tendrían una trampa de grasas (Ver Figura 7), que realizara la flotación de aceites y

detergentes; mientras las aguas negras contarían con la primera cámara séptica.

En la fase secundaria ambos sistemas contaran con cámaras sépticas donde se realizará

el proceso de eliminación de carga orgánica biodegradable.

En la tercera fase se hará uso de los campos de fito-depuración (Ver Figura 8); estos dos

campos contaran con medidas distintas, ya que para el tratamiento de las aguas negras

se necesita un área mayor; después de que el agua culmine este proceso se puede realizar

un proceso de infiltración en el suelo o darle un uso de actividades agrícolas.



Para analizar el alcance y funcionalidad de la PATANG se implementó un modelo a escala

con las características necesarias para simular el proceso; teniendo en cuenta las

especificaciones técnicas planteadas en el reglamento técnico del sector de agua potable

y saneamiento básico, complementado con literatura nacional y extranjera con el fin de

obtener las medidas más precisas.

Se construyó la primera parte del sistema, correspondiente a la parte de aguas grises, en

un diseño a escala, calculado en referencia a la cantidad de agua que produce una persona

de estrato medio al día. Para esto se utilizaron paneles de acrílico y tubería PVC, sellado

con masilla epoxica.

Figura 7: Primera parte: sistema escala del proceso de tratamiento de aguas grises.

Fuente: elaboración propia.

Figura 8: Sistema a escala del Fito-jardín, planta de papiro (Cyperus papyrus).

Fuente: elaboración propia


Para la segunda parte del sistema, correspondiente al tratamiento de aguas negras, no

pudo ser construido a escala, esto debido al riesgo biológico que implica, ya que no se

contaba con las medidas de seguridad sanitarias necesarias.

Para el cálculo de las dimensiones de todos los elementos de la PATANG, se programaron

hojas en Excel, con el fin de automatizar los cálculos y brindar soporte a las personas

interesadas en implementar esta solución; para ello debe ingresar el número de habitantes,

unidades sanitarias y el clima de la zona (Ver Tabla 5).

También se incluyó otro parámetro relacionado con los campos de fito-depuración, pues

se pueden ajustar en torno a que tan largo se desee implementar. Lo anterior surgió como

medida para adecuarse al área disponible en torno a la vivienda y al relieve de la zona.

Tabla 5: Ejemplo dimensiones para vivienda de 4 y 8 personas.


En la zona de estudio de Anaime predominan las laderas con fuertes pendientes en torno

al rio Anaime, en esta zona se asientan gran número de fincas; para esta situación se

propone la siguiente solución respecto a la distribución de la PATANG, en la cual se utiliza

un sistema de terrazas a desnivel que permite aprovechar el espacio y darle estabilidad al

mismo (Ver Figura 9).



Figura 9: Planteamiento del sistema en terreno pronunciado.


Así mismo en las riveras del rio se forman unas planicies o terrazas donde también se

ubican algunas viviendas (Ver figura 10).

Figura 10: Planteamiento del sistema en terreno plano.



Por último, se tuvo en cuenta el costo de los materiales necesario para la construcción de

la PATANG (Ver Tabla 6), se debe aclarar que no se tuvo en cuenta la mano de obra ya

que este sistema está diseñado para ser elaborado por los habitantes de la vivienda.

Tabla 6: Costo de la PATANG según el número de habitantes.


Resultados

Con el sistema a escala funcionando, este realizaba su proceso ininterrumpidamente,

con agua y cargas constantes de jabón para distintos usos, dentífricos, y ligeras cargas

orgánicas provenientes de actividades de aseo personal.

Realizado este proceso durante 3 meses, se comenzó la toma de muestras a partir del

inicio del segundo mes, tomando muestras de agua a la salida y entrada el sistema, una

vez a la semana, alcanzando una cantidad de 8 muestras afluentes con sus respectivos

efluentes (Ver Tabla 7).

Tabla 7: Características físicas comparativas entre los afluentes y efluentes del sistema escala.

Fuente: elaboración propia

La información presente en las tablas permite apreciar un cambio considerable en las

características físicas de las aguas afluentes después de pasar por el proceso, el cual, a

pesar de su desarrollo no representa la totalidad del proceso diseñado en el anterior. La



presencia de sustancias patógenas ha sido descartada, esto debido a que, al evitar el

acceso de materia fecal en el sistema, no hay fuente de origen conocido para que existan

UFC de bacterias tipo Coli.

Así mismo, la regulación y control del pH, disminuyendo su alcalinidad a valores

cercanos a neutro, presenta la efectividad de la planta, considerándose un pH de 7 como

el normal para las aguas puras (Ver Figura 11). Igualmente, el pH del afluente no fue

demasiado alto debido al uso de detergentes bio degradables para el experimento,

asumiendo que los usuarios del sistema. acataran las sugerencias propuestas.

Figura 11: Análisis del pH de una muestra afluente (Izquierda) y efluente (Derecha).


Conclusiones

▪ Con base en la información recolectada a lo largo del proceso investigativo

realizados se puede establecer que:

▪ Los resultados obtenidos después del análisis de las aguas afluentes y efluentes

del sistema a escala, arrojo resultados satisfactorios en lo correspondiente con su

color y pH, lo que deja altas expectativas para el desarrollo de un análisis químico

apenas el presupuesto lo permita.

▪ Por otro lado, ante la imposibilidad de realizar el modelamiento del sistema de

tratamiento para las aguas negras, basándonos en la literatura podemos afirmar

que existe una mejora considerable en la calidad del agua, según el documentos

Fitorremediación con humedales artificiales para el tratamiento de aguas

residuales porcinas, se puede verificar los resultados favorables en el proceso de

purificación, lo cual esperamos poder comparar con resultados propios en un futuro

próximo mediante la implementación de una Patang (Arias Martínez, Betancur

Toro, Gómez Rojas, Salazar Giraldo, Hernández Angel,2010).

▪ El objetivo es crear un sistema que además de cumplir con su función, presente un

costo accesible para la población rural en contraste a sus homónimos, así mismo

contar materiales de construcción comunes. El costo final oscila cerca del millón de

COP, los cual representa un costo menor a las alternativas existentes en el

mercado, las cuales oscilan los 3 a 6 millones COP.

▪ Como punto de consideración, con las pruebas existentes se puede considerar un

que la implementación de las PATANG en la zona rural del municipio de Cajamarca,

Tolima, puede presentar una mejora progresiva del valor IRCA, esto basándonos

en los resultados obtenidos en las pruebas, aspirando así poder reducir los índices

de enfermedad relacionadas con el consumo de aguas contaminadas presentes en

el municipio.

Referencias bibliográficas

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del municipio de Cajamarca 2016-2019 “Agro y prosperidad de lo que nos une”.

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▪ Arias Martínez, Betancur Toro, Gómez Rojas, Salazar Giraldo, Hernández Ángel,

(2010). Fitorremediación con humedales artificiales para el tratamiento de aguas

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[SENA]). Recuperado de

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https://www.contraloria.gov.co/contraloria/sala-de-prensa/boletines-de-

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ue&p_r_p_564233524_resetCur=false&_101_INSTANCE_e4W0nb7J7YBh_cur=2

2

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▪ Ministerio de Salud y Protección Social. (2016). Informe nacional de calidad del

agua para consumo humano. Recuperado de

30 Las PATANG como solución para las aguas residuales del sector rural del

municipio de Cajamarca


https://www.minsalud.gov.co/sites/rid/Lists/BibliotecaDigital/RIDE/VS/PP/SNA/ssa-

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▪ Ministerio de Vivienda, Ciudad y Territorio. (2000). Reglamento Técnico del sector

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▪ Organización de las Naciones Unidas [ONU]. (2016). Una instantánea de la calidad

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