Vermifiltro
Sistema de tratamiento aeróbico, compuesto por un reactor biológico que contiene medios
Vermifiltro de aguas residuales domésticas que muestra el contenido acumulado (lombrices de compostaje expuestas)

Un vermifiltro (también vermidigestor o lumbrifiltro ) es un sistema de tratamiento aeróbico , que consiste en un reactor biológico que contiene un medio que filtra el material orgánico de las aguas residuales . El medio también proporciona un hábitat para las bacterias aeróbicas y las lombrices de tierra que purifican las aguas residuales eliminando los patógenos y la demanda de oxígeno . La "acción de goteo" de las aguas residuales a través del medio disuelve el oxígeno en las aguas residuales, lo que garantiza que el entorno de tratamiento sea aeróbico para la rápida descomposición de las sustancias orgánicas.

Los vermifiltros se utilizan con mayor frecuencia para el tratamiento de aguas residuales y para el tratamiento de aguas residuales agroindustriales . [1] Los vermifiltros se pueden utilizar para el tratamiento primario , secundario y terciario de aguas residuales, incluidas aguas negras y grises en sistemas in situ y aguas residuales municipales en grandes sistemas centralizados.

Los vermifiltros se utilizan cuando las aguas residuales requieren tratamiento antes de ser descargadas de manera segura al medio ambiente. El efluente tratado se elimina en campos de lixiviación superficiales o subterráneos . El material sólido (como materia fecal y papel higiénico) es retenido, deshidratado y digerido por bacterias y lombrices de tierra en humus que se integra en el medio de filtración. El líquido pasa a través del medio de filtración donde los microorganismos aeróbicos adheridos biodegradan patógenos y otros compuestos orgánicos , lo que da como resultado aguas residuales tratadas.

La vermifiltración es una opción de tratamiento aeróbico de aguas residuales de bajo costo. [2] Debido a que no se requiere energía para la aireación, los vermifiltros pueden considerarse sistemas de " tratamiento pasivo " (pueden requerirse bombas si no es posible el flujo por gravedad). Otra ventaja es la alta eficiencia del tratamiento dado el bajo requerimiento de espacio.

Terminología

Otros términos utilizados para describir el proceso de vermifiltración incluyen biodigestor aeróbico, filtro biológico con lombrices de tierra o vermicompostaje húmedo . El sistema de tratamiento puede describirse utilizando términos como vermidigestor y vermifiltro percolador.

Cuando este tipo de sistema de saneamiento se utiliza para tratar únicamente la mezcla de excretas y agua de inodoros con cisterna o de descarga forzada (llamados aguas negras ), entonces se agrega el término "inodoro" al nombre del proceso, como por ejemplo inodoro con vermifiltro .

Descripción general

La vermifiltración fue propuesta por primera vez por investigadores de la Universidad de Chile en 1992 como una tecnología sostenible de bajo costo adecuada para el tratamiento descentralizado de aguas residuales en zonas rurales. [3] Los vermifiltros ofrecen un rendimiento de tratamiento similar a los sistemas de tratamiento de aguas residuales descentralizados convencionales, pero con capacidades de procesamiento hidráulico potencialmente mayores. [3]

Los vermifiltros son un tipo de biofiltro o filtro percolador para el tratamiento de aguas residuales , pero con la adición de lombrices de tierra para mejorar la eficiencia del tratamiento. [4] Los vermifiltros proporcionan un entorno aeróbico y un sustrato húmedo que facilita el crecimiento de microorganismos como una biopelícula . Los microorganismos realizan la degradación bioquímica de la materia orgánica presente en las aguas residuales. Las lombrices de tierra regulan la biomasa y la actividad microbiana al pastar directa o indirectamente sobre los microorganismos. [5] La biopelícula y la materia orgánica consumida por las lombrices de tierra en compostaje se digieren luego en humus biológicamente inerte. [6] La lombricultura se incorpora al sustrato del medio, aumentando lentamente su volumen. Cuando se acumula, se puede eliminar y aplicar al suelo como enmienda para mejorar la fertilidad y la estructura del suelo.

Los microorganismos presentes son heterótrofos y autótrofos . Los microorganismos heterótrofos son importantes en la oxidación del carbono (descomposición), mientras que los microorganismos autótrofos son importantes en la nitrificación.

Como resultado de las reacciones de oxidación, la biodegradación y la estimulación microbiana por la acción enzimática, la descomposición de la materia orgánica y la destrucción de patógenos ocurre en el vermifiltro. En un estudio en el que se trataron aguas residuales municipales en un vermifiltro, las tasas de eliminación de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO 5 ) fueron del 90 %, la demanda química de oxígeno (DQO) del 85 %, los sólidos suspendidos totales (SST) del 98 %, el nitrógeno amoniacal del 75 % y los coliformes fecales se eliminaron a un nivel que cumple con las pautas de la Organización Mundial de la Salud para la reutilización segura en cultivos. [7]

Tipos de procesos

Los vermifiltros se pueden utilizar para el tratamiento primario , secundario y terciario de aguas negras y aguas grises .

Tratamiento primario de aguas negras

Vermifiltro doméstico de tratamiento primario con pila de sólidos en superficie (compuesta por heces y papel higiénico) asentada sobre sustrato de humus de vermicompost ( superficie de 1 m2 )

Los vermifiltros se pueden utilizar para el tratamiento primario aeróbico de aguas negras domésticas . [8] Las aguas negras sin tratar entran en un recinto ventilado sobre un lecho de medio filtrante. Los sólidos se acumulan en la superficie del lecho filtrante mientras que el líquido se drena a través del medio filtrante y se descarga del reactor. Los sólidos (heces y papel higiénico) son digeridos aeróbicamente por bacterias aeróbicas y lombrices de tierra que forman compost en excrementos (humus), lo que reduce significativamente el volumen de material orgánico.

Vermifiltro de tratamiento primario construido con dos cámaras alimentado por un inodoro doméstico con descarga de agua

Los reactores de vermifiltración de tratamiento primario están diseñados para digerir material sólido, como el que contienen las aguas residuales sin tratar. Los reactores paralelos de dos cámaras ofrecen la ventaja de poder dejar que una de ellas descanse mientras la otra está activa, para facilitar la eliminación higiénica del humus con niveles reducidos de patógenos.

Las lombrices digieren activamente el material orgánico sólido. Con el tiempo, se alcanza un equilibrio en el que el volumen digerido por una población estable de lombrices es igual al volumen de entrada de residuos sólidos. Los factores estacionales y ambientales (como la temperatura) y los volúmenes variables de entrada pueden provocar la acumulación de residuos sólidos en una pila. Aunque el oxígeno se excluye del centro de esta pila de compost "húmedo", las lombrices trabajan desde el exterior hacia el interior e introducen aire según sea necesario en la pila para satisfacer sus necesidades nutricionales. Este recurso alimenticio de reserva garantiza que los vermifiltros de tratamiento primario tengan un nivel de resistencia y fiabilidad, siempre que se proporcione espacio para que se acumule una pila. Hay algunas pruebas de que el entorno húmedo facilita la digestión de residuos sólidos por parte de las lombrices. [9] El volumen de humus de lombriz aumenta sólo lentamente y, ocasionalmente, es necesario retirarlo del reactor de tratamiento primario.

El tratamiento primario de aguas negras húmedas mezcladas también puede incluir aguas grises que contienen sólidos alimentarios, grasa y otros desechos biodegradables . El material sólido se reduce a humus estable (humus de lombriz), con reducciones de volumen de hasta diez veces. [1]

El proceso produce aguas negras tratadas primariamente, en las que se elimina gran parte del material orgánico sólido del efluente. Debido a que el efluente líquido se descarga casi inmediatamente al ingresar al digestor, las aguas residuales consumen poco oxígeno disuelto durante la etapa de filtración. Sin embargo, la demanda de oxígeno se filtra en el flujo de aguas residuales a través del filtro a medida que las lombrices digieren los sólidos retenidos. [10] Esta demanda de oxígeno se puede eliminar con reactores de vermifiltros de tratamiento secundario. [10] Los vermifiltros de tratamiento primario brindan un nivel similar de tratamiento de efluentes líquidos a un tanque séptico, [11] pero en menos tiempo porque la digestión de sólidos por parte de las lombrices se lleva a cabo rápidamente en un entorno aeróbico. [9]

El efluente líquido se descarga directamente en un campo de drenaje o se somete a un tratamiento secundario antes de usarse para el riego superficial o subterráneo del suelo agrícola.

Tratamiento secundario

Vermifiltro doméstico de tratamiento secundario para aguas residuales que muestra la ventilación alrededor de un medio de canasta y corteza de pino

Los vermifiltros de tratamiento secundario y terciario pueden estar debajo del vermifiltro primario en una sola torre, pero normalmente son reactores individuales, donde varios reactores pueden encadenarse en serie como vermifiltros secuenciales. El drenaje dentro del reactor es proporcionado por un medio filtrante empaquetado de acuerdo con la conductividad hidráulica y la permeabilidad de cada material que está presente dentro del vermifiltro. El empaque del filtro retiene las partículas sólidas presentes en las aguas residuales del efluente, aumenta el tiempo de retención hidráulica y también proporciona un hábitat adecuado para sustentar una población de lombrices de tierra para compostaje . Esta población requiere niveles adecuados de humedad dentro del medio filtrante, pero también niveles adecuados de drenaje y oxígeno.

En los reactores vermifiltrantes de tratamiento secundario y terciario se pueden utilizar aspersores o goteros (ver imagen).

Los factores hidráulicos (tiempo de retención hidráulica, tasa de carga hidráulica y tasa de carga orgánica) y los factores biológicos (número de lombrices, niveles de biopelícula) pueden influir en la eficiencia del tratamiento.

Diseño

Los vermifiltros son reactores cerrados fabricados con materiales duraderos que eliminan la entrada de alimañas , generalmente plástico u hormigón. La ventilación debe ser suficiente para garantizar un entorno aeróbico para las lombrices y los microorganismos, al tiempo que inhibe la entrada de moscas no deseadas . La temperatura dentro del reactor debe mantenerse dentro de un rango adecuado para las especies de lombrices de compost utilizadas. [10]

Entrada influyente

La entrada del afluente se realiza por encima del medio filtrante. Los inodoros de descarga completa pueden tener el punto de entrada en el lateral del reactor, mientras que los inodoros de microdescarga, debido a que no proporcionan suficiente agua para transportar los sólidos a través de las tuberías de alcantarillado, generalmente se instalan directamente sobre el reactor. En el caso de los reactores de tratamiento primario, se debe proporcionar suficiente espacio vertical para el crecimiento de la pila. Esto depende del volumen de sólidos en el afluente y de la presencia de materiales de descomposición más lenta, como el papel higiénico. Los reactores de tratamiento secundario y terciario pueden utilizar aspersores o goteros para distribuir las aguas residuales del afluente de manera uniforme sobre el medio filtrante para mejorar la eficiencia del tratamiento del medio filtrante.

Otro ejemplo. Nótese que aquí se utilizan geomembranas u otros tejidos sintéticos para separar las capas.

Sustrato filtrante

El drenaje dentro del reactor de vermifiltración se realiza mediante el medio filtrante. El medio filtrante tiene el doble propósito de retener el material orgánico sólido y, al mismo tiempo, proporcionar un hábitat adecuado para sustentar una población de lombrices de compostaje . Esta población requiere niveles adecuados de humedad dentro del medio, junto con un buen drenaje y condiciones aeróbicas.

Los reactores de vermifiltro pueden comprender una sola sección llena únicamente de medios orgánicos, o hasta tres secciones de filtro que comprenden una capa superior orgánica que proporciona hábitat para las lombrices de tierra, una capa superior inorgánica de arena y una capa inferior de grava. El filtro se asienta sobre un sumidero o una capa de drenaje de grava gruesa, rocas o un serpentín de drenaje de plástico permeable donde el efluente tratado se descarga y/o recircula hacia la parte superior del reactor. Alternativamente, el medio filtrante puede suspenderse sobre el sumidero en una canasta. A veces se utiliza una tela geotextil sintética para retener el medio filtrante en su lugar sobre la capa de drenaje. Para mantener la condición aeróbica, se debe proporcionar una ventilación adecuada, junto con una salida para que el efluente líquido se drene.

Se pueden utilizar diferentes especies de lombrices de compostaje , incluida Eisenia foetida .

Los materiales de relleno de filtro comunes incluyen aserrín , [12] [13] virutas de madera , fibra de coco , corteza , turba y paja para la capa orgánica. Grava , arena de cuarzo , piedras redondas , piedra pómez , bolas de barro , bolas de vidrio , ceramsita y carbón se utilizan comúnmente para la capa inorgánica. El área de superficie y la porosidad de estos materiales de filtro influyen en el rendimiento del tratamiento. [14] Los materiales con baja granulometría (partículas pequeñas) y gran área de superficie pueden mejorar el rendimiento del vermifiltro pero impiden su drenaje.

Apresto

Los vermifiltros se pueden construir como sistemas de una sola torre o como reactores separados por etapas (ya sea por gravedad o por bomba) para el tratamiento de aguas residuales según los requisitos de diseño (tratamiento primario, secundario y terciario). Más etapas [15] [16] pueden aumentar el grado de tratamiento porque los sistemas de múltiples etapas proporcionan condiciones aeróbicas de acumulación adecuadas para la nitrificación del amonio y la eliminación de la DQO .

Para un mayor grado de tratamiento, se pueden disponer vermifiltros en serie. (Q r debe volver al tanque de aguas residuales original).

Los parámetros de diseño de los vermifiltros incluyen la densidad de población de lombrices [17] (aunque con el tiempo la población de lombrices tiende a automoderarse), la composición del medio filtrante, [18] la tasa de carga hidráulica, [19] el tiempo de retención hidráulica [13] [20] y la tasa de carga orgánica. El tiempo de retención hidráulica y la tasa de carga hidráulica afectan la calidad del efluente. El tiempo de retención hidráulica es el tiempo real que las aguas residuales están en contacto con el medio filtrante y está relacionado con la profundidad del vermifiltro (que puede aumentar con el tiempo debido a la acumulación de lombrices), el volumen del reactor y el tipo de material utilizado (porosidad). El tiempo de retención hidráulica determina la tasa de entrada de aguas residuales (carga hidráulica como volumen de influente por hora).

En principio, siempre que el entorno sea aeróbico, cuanto más tiempo permanezca el agua residual dentro del filtro, mayor será la eficiencia de eliminación de DBO5 y DQO, pero a expensas de la carga hidráulica. Las aguas residuales requieren un tiempo de contacto suficiente con la biopelícula para permitir la adsorción, transformación y reducción de contaminantes. [21] La tasa de carga hidráulica es un parámetro de diseño esencial, que consiste en el volumen de aguas residuales que un vermifiltro puede tratar razonablemente en una cantidad de tiempo determinada. Para un sistema determinado, tasas de carga hidráulica más altas harán que el tiempo de retención hidráulica disminuya y, por lo tanto, reduzcan el nivel de tratamiento. La tasa de carga hidráulica puede depender de parámetros como la estructura, la calidad del efluente y la densidad aparente del empaque del filtro, junto con el método de aplicación del efluente. [22] Los valores comunes de tiempo de retención hidráulica en los sistemas de vermifiltración varían de 1 a 3 horas. [23] Las tasas de carga hidráulica varían comúnmente entre 0,2 m 3  m −2  día −1 , [24] 3,0 m 3  m −2  día −1 [25] o 10–20 g L −1 . [26] La tasa de carga orgánica se define como la cantidad de materia orgánica soluble y particulada (como DBO 5 ) por unidad de área por unidad de tiempo. [22] [27]

La eficiencia del tratamiento está influenciada por la salud, madurez y abundancia poblacional de las lombrices. La abundancia es un parámetro fundamental para el funcionamiento eficiente de un sistema de vermifiltración. [28] En la literatura se reportan diferentes valores, usualmente en gramos o número de individuos por volumen de empaque de filtro o área de superficie de empaque de filtro. Las densidades comunes varían entre 10 g L −1 y 40 g L −1 de material de empaque de filtro. [29] [30]

La abundancia de lombrices mejora la eficiencia del tratamiento, en particular la eliminación de DBO 5 , TSS y NH 4 + . Esto se debe a que las lombrices liberan materia orgánica en el medio filtrante y estimulan la mineralización del nitrógeno. Los excrementos de lombriz pueden contener sustancias que contribuyen a una mayor eliminación de DBO 5 . [31]

Operación y mantenimiento

Un vermifiltro requiere poco mantenimiento mecánico y manual y, cuando funciona por gravedad, no requiere ningún aporte de energía. Si se requiere recirculación para mejorar la calidad del efluente, se necesitará una bomba.

Es posible que sea necesario agregar material orgánico de vez en cuando, ya que se descompone y reduce su volumen. El volumen del humus de lombriz aumenta lentamente y, ocasionalmente, es necesario retirar el vermicompost del vermifiltro.

Los sólidos se acumulan en la superficie del medio filtrante orgánico (o relleno del filtro). La fracción líquida se drena a través del medio hacia el sumidero o ecualizador y se descarga desde el reactor o se recircula hacia la parte superior para su posterior tratamiento. Las aguas residuales se descargan a la superficie del material filtrante mediante aplicación directa o mediante aspersores, goteros o percoladores.

Ejemplos

  • Construcción de vermifiltros domésticos primarios y secundarios a partir de materiales fácilmente disponibles [2]
  • El inodoro doméstico con descarga por descarga, con una combinación de vermifiltración primaria e infiltración directa del efluente en el suelo, se denomina "Tiger Toilet" y ha sido probado por Bear Valley Ventures y Primove Infrastructure Development Consultants en la India rural. A diferencia de una letrina de pozo , se descubrió que prácticamente no había acumulación de material fecal durante un período de un año. En el efluente, hubo una reducción del 99% en coliformes fecales . La satisfacción del usuario es alta, impulsada principalmente por la falta de olor. [9] [32] Este sistema se está comercializando actualmente en la India, donde se habían vendido e instalado más de 2000 de estos inodoros y sistemas de tratamiento hasta mayo de 2017. [33]
  • Oxfam también promueve los "inodoros con gusanos tigre" como solución de saneamiento en campos de refugiados, barrios marginales y zonas periurbanas de África, por ejemplo en Liberia . [34]
  • En Ghana y otros países africanos, el Proyecto de Ayuda Sostenible de Ghana (GSAP), con el apoyo del Providence College de los EE. UU. y la Universidad de Ghana, está comercializando sistemas de inodoros con vermifiltro de bajo consumo y con absorción directa del agua del subsuelo. [ cita requerida ]
  • Biofilcom es una empresa activa en Ghana que comercializa el proceso bajo el nombre de "Biofil Digester". [ cita requerida ]
  • En Australia y Nueva Zelanda, existen numerosos proveedores que ofrecen sistemas de lombrifiltración para el tratamiento de aguas grises y/o negras domésticas, con eliminación primaria de efluentes tratados en campos de lixiviación subterráneos. Algunos ejemplos son Wormfarm, Zenplumb, Naturalflow, SWWSNZ y Autoflow. [ cita requerida ]

Véase también

Referencias

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  • Proyecto Innoqua—combina vermifiltros y filtros que utilizan Daphnia, microalgas y otros organismos para tratar aguas residuales y tiene este resumen de vermifiltros.
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