ENERO / JUNIO 2020 - VOLUMEN 30 (1)
Esta obra está bajo una Licencia de Creative Commons. Atribución - No Comercial - Compartir Igual
DOI 10.15517/ri.v30i1.38898
Ingeniería 30 (1): 1-24, enero-junio, 2020. ISSN: 2215-2652. San José, Costa Rica
Comparación de tecnologías para el tratamiento sostenible de
aguas residuales ordinarias en pequeñas comunidades de Costa
Rica: demanda de área, costo constructivo y costo de operación y
mantenimiento
Technology Comparison for the Sustainable Treatment of Municipal
Wastewater in Small Communities of Costa Rica: Surface
Requirements, Building Cost and Operating and Maintenance Cost
Ing. Erick Centeno Mora, MSc.,
Profesor e Investigador Escuela de Ingeniería Civil,
Universidad de Costa Rica, Costa Rica
erick.centenomora@ucr.ac.cr
Ing. Adrián Murillo Marín,
Ingeniero de Proyecto, Ingeniería y Administración S.A.,
adrian.murillomarin@gmail.com
Recibido: 6 de setiembre 2019 Aceptado: 29 de octubre 2019
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Resumen
Este artículo aborda el tema del tratamiento sostenible de las aguas residuales en pequeñas comunidades
de Costa Rica. Aunque esfuerzos recientes muestran interés político en mejorar el rezago histórico que sufre
el país en infraestructura sanitaria, existen pocas referencias que guíen el proceso de selección de la tecnología
y escala más adecuadas para los sistemas a implantar. Este trabajo provee un análisis de tres tecnologías
para plantas de tratamiento de aguas residuales (PTAR) de aplicación factible en el país. Para ello se estimó
la demanda de área (DA), el costo constructivo (CC) y el costo de operación y mantenimiento (CO&M) de
PTAR en diferentes escalas. Se mostró que los sistemas con humedal construido tienen la mayor DA y los
menores CC y CO&M. Los sistemas con reactor anaerobio de ujo ascendente de manto de lodo seguido
de ltro biológico percolador (UASB + FBP) tuvieron DA ligeramente mayores a las de los sistemas de
lodos activados de aireación extendida (LAE), con CC ligeramente inferiores para la primera tecnología y
CO&M de 50 a 100% mayores para los LAE. El estudio comprobó que la práctica actual de uso extendido
de sistemas LAE en pequeña escala no resulta la opción más sostenible, por lo que se insta a que en el
futuro se consideren escalas de PTAR mayores y se amplíe el abanico de tecnologías utilizadas en el país,
aprovechando algunas recientes experiencias exitosas en países con condiciones similares.
Palabras clave:
Estaciones depuradoras; Sostenibilidad; Tecnologías apropiadas; Infraestructura de saneamiento; Contaminación
hídrica.
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DOI 10.15517/ri.v30i1.38898
Ingeniería 30 (1): 1-24, enero-junio, 2020. ISSN: 2215-2652. San José, Costa Rica
Abstract
This article discusses the sustainable treatment of sewage for small communities in Costa Rica. Although
recent efforts show a political interest in improving the country’s historical lag in sanitation infrastructure,
there are few references that guide the selection process of the most appropriate technology and scale for
the systems to be installed. This work provides an analysis of three technologies for wastewater treatment
plants (WWTP) of feasible application in the country. For this, a land area requirement (LAR), the building
cost (BC) and the operation and maintenance cost (O&MC) of STPs at different scales were estimated. It
was shown that systems with constructed wetland have the highest LAR and the lowest BC and O&MC. The
systems with upow anaerobic sludge blanket reactor followed by trickling lter (UASB + TF) had a larger
LAR than those of activated sludge with extended aeration (ASE), with BC lower for the rst technology
and O&MC 50 to 100% higher for ASE. The study found that the current practice of extended use of small-
scale ASE systems is not the most sustainable option. Thus, it is advised that future WWTP consider larger
scales and alternative technologies, emulating some recent successful experiences in countries with similar
conditions.
Keywords:
Sewage treatment plants; Sustainability; Appropriate technologies; Sanitation infrastructure; Water pollution.
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1. INTRODUCCIÓN
Según el Informe XX del Programa del Estado de la Nación, el tratamiento de las aguas
residuales en Costa Rica posee décadas de rezago en infraestructura y tecnología, con un atraso
estimado en 30 años y una deuda en inversión en alcantarillado sanitario y plantas de tratamiento
de aguas residuales (PTARs) estimada en 1 400 millones de dólares (PEN, 2015).
En los últimos años este tema ha ganado una mayor visibilidad social y política, en parte debido
a la baja calicación que Costa Rica obtuvo a partir del año 2014 en el Índice de Desempeño Ambien-
tal (EPI) desarrollado por la Universidad de Yale (Universidad de Yale, 2014), cuando ese índice
internacional incorporó en su metodología de cálculo el indicador de cobertura del tratamiento de
aguas residuales, haciendo que el país pasara de la posición 5 en el 2012 a la 54 en el 2014. Esto
motivó la publicación de la Política Pública de Saneamiento en Aguas Residuales (PNSAR) en el
año 2016 (AYA, MINAE y MINSA, 2016), con lo que se pretende guiar los esfuerzos en esta área
hasta el año 2045 y, al mismo tiempo, atender los Objetivos del Desarrollo Sostenible (ODS), par-
ticularmente en su Objetivo 6. Entre las metas propuestas en la (PNSAR) se encuentra aumentar la
cobertura actual de alcantarillado sanitario con tratamiento a 100% en áreas de elevada densidad
al año 2035 y en otras áreas prioritarias al 2045, de modo a reducir el uso generalizado de tanques
sépticos en esas zonas, actualmente estimada en 75.4 % de la población (Mora y Portuguez, 2019).
La PNSAR propone seguir principios de sostenibilidad ambiental y nanciera, así como promover
el saneamiento como un Derecho Humano y valorizar el agua residual tratada; si bien las tenden-
cias más actuales en esta materia también incentivan la recuperación de los nutrientes, la energía
y otros subproductos de las aguas residuales (Batstone et al., 2015; Lema y Suarez, 2017; UN
WATER, 2017; WEF, 2017).
Aun cuando la PNSAR debe constituir un punto de inexión en el tema de la gestión de aguas
residuales para Costa Rica, todavía existen diversos aspectos técnicos muy relevantes a ser deni-
dos con el n de garantizar la sostenibilidad ambiental y nanciera del saneamiento. En particu-
lar, las tecnologías de tratamiento y la escala de los sistemas son dos elementos que pueden inuir
decisivamente en la sostenibilidad a largo plazo de las inversiones previstas.
En ese sentido, este documento tiene por objetivo evaluar y comparar tres tecnologías de
tratamiento de aguas residuales ordinarias para poblaciones de hasta 4 000 habitantes, en el contexto
de Costa Rica, a partir de estimaciones teóricas. Los criterios de comparación considerados fueron
la demanda de área (DA), los costos constructivos (CC) y los costos de operación y mantenimiento
(CO&M); y las tecnologías evaluadas fueron lodos activados de aireación extendida (LAE), humedal
de ujo subsupercial horizontal (HFSSH) y reactor anaerobio de ujo ascendente de manto de lodo
(UASB por sus siglas en inglés) seguido por un ltro biológico percolador (FBP) relleno con espuma
de poliuretano. Con esta investigación se pretende proporcionar algunos elementos académicos que
faciliten una discusión en este tema dentro de la comunidad técnica nacional, en la búsqueda de una
ruta para alcanzar un saneamiento universal y sostenible para Costa Rica.
CENTENO Y MURILLO: Comparación de tecnologías para el tratamiento sostenible de aguas residuales...
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2. METODOLOGÍA
Debido a que algunos de los procesos de tratamiento evaluados en este trabajo son muy poco
utilizados en Costa Rica (Centeno y Murillo, 2019), se decidió predimensionar PTARs para dife-
rentes poblaciones y para cada uno de los procesos evaluados (12 en total), estimando la DA, los
CC y los CO&M de cada una de ellas. De este modo se establecieron condiciones similares y de
más fácil comparación para todas las tecnologías y escalas evaluadas. La comparación entre las
distintas tecnologías se basó por lo tanto en estimaciones teóricas, debido principalmente a la esca-
sez de PTARs con algunos de los procesos de tratamiento considerados en este trabajo y a la falta
de datos relacionados con los costos de construcción, operación y mantenimiento de esos sistemas.
En esta sección se presentan los diagramas de ujo de los procesos (PFD) de tratamiento
considerados para cada PTAR junto con una descripción general del funcionamiento de los sistemas.
Posteriormente, se resumen los criterios de dimensionamiento que fueron considerados durante
el trabajo y se sintetizan los elementos considerados para la estimación de los DA, CC y CO&M.
2.1. Poblaciónycargascontaminantesycalidaddeleuentenal
Se consideraron poblaciones equivalentes de 500, 1000, 2 500 y 5 000 habitantes (hab) para
cada uno de los procesos de tratamiento evaluados. La producción de aguas residuales por habitante
se estimó en 240 L/hab-d, lo que produjo caudales de diseño de 120, 240, 600 y 960 m
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/d respec-
tivamente. Según otros estudios, este rango de caudales sería el de aproximadamente 74% de los
sistemas operados por entes públicos en el país, y más del 90% de los proyectos tramitados para su
construcción durante el período 2011 al 2016 (Centeno y Murillo, 2019).
Las características del agua cruda y euente nal consideradas para el dimensionamiento de
cada PTAR se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1. Parámetros de calidad del agua cruda y del euente nal
considerados para el dimensionamiento de las PTAR
Parámetro de calidad Agua cruda Requerido en euente nal
DBO
5,20
(mg/L) 280 50
DQO (mg/L) 560 150
SST (mg/L) 250 50
NTK (mg/L) 50 No reglamentado
Tanto la producción de aguas residuales por habitante como las características de agua residual
cruda se encuentran dentro del rango de valores típicos para las aguas residuales ordinarias (Metcalf
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y Eddy, 2014; von Sperling, 2014a). Para la calidad del euente nal se consideró lo establecido en
el Reglamento de Vertido y Reuso de Aguas Residuales (DE-33601-S-Minae, 2007), para descarga
en cuerpo supercial.
2.2. Procesos de tratamiento del agua y los lodos considerados
Los diagramas de ujo de proceso (PFD) de cada una de las tecnologías de tratamiento
consideradas en este estudio, incluyendo la línea de tratamiento de agua y de lodo, se observan en
la Figura 1.
Para los tres (PFD) mostrados en la Figura 1 se consideró el mismo tipo de pretratamiento:
cárcamo de bombeo de agua cruda, rejillas de bombeo y desarenador de ujo horizontal. El vertido
se consideró a un cuerpo de agua supercial, tras pasar a través de un sistema de medición de caudal.
En el caso del sistema de Humedal construido de ujo subsupercial horizontal (SD + HFSSH)
(Figura 1a), se consideró una unidad de tratamiento primario consistente en un sedimentador diges-
tor para reducir los sólidos suspendidos y prevenir la colmatación del humedal construido, formado
con material granular de 32 mm de diámetro efectivo. En este proceso los lodos serían transporta-
dos cada año o cada dos años por medio de camiones cisternas hacia una planta de tratamiento de
mayor capacidad, reduciendo las necesidades de sistema de deshidratación de lodos y simplicando
la operación del sistema.
Para el sistema de lodos activados de aireación extendida (LAE) (Figura 1b), se consideró una
línea de tratamiento de lodo compuesta por un digestor aerobio de lodos y lechos de secado para
una deshidratación natural.
El tercer PFD considerado corresponde a un sistema híbrido compuesto por un reactor anae-
robio de ujo ascendente de manto de lodo (reactor UASB) complementado con un ltro bioló-
gico percolador (FBP) relleno con espuma de poliuretano (UASB + FBP) (Figura 1c). A este tipo
de ltro percolador también se le conoce como reactor DHS (Tandukar, M., Machdar, I., Uemura,
S., Ohashi, A. y Harada, H., 2005; 2006) y existen en el país algunas referencias de su uso para
el tratamiento de aguas residuales ordinarias (Centeno et al. 2018; Solís, 2018). En este proceso
los lodos biológicos generados en el FBP son retenidos en el sedimentador secundario y enviados
hacia el reactor UASB cuando son descartados. En ese reactor se digieren por vía anaerobia, lo
que simplica signicativamente el proceso de la PTAR (Bressani-Ribeiro, T., Almeida, P. G. S.,
Volcke, E. I. P. y Chernicharo, C. A. L., 2018). Se consideraron lechos de secado como método
de deshidratación de los lodos digeridos.
2.3. Criterios de dimensionamiento considerados
Los criterios de dimensionamiento más importantes utilizados para el desarrollo de este tra-
bajo se muestran en la Tabla 2.
Se consideraron sedimentadores de sección rectangular tipo Dortmund (con tolva) para reducir
la necesidad de equipos mecánicos en los sistemas (von Sperling, 2014b).