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INTRODUCCIÓN
La gestión inadecuada de aguas residuales representa un desafío ambiental crítico del siglo XXI. Más del 80% de las aguas residuales globales se vierten sin tratamiento adecuado, deteriorando ecosistemas hídricos y aumentando riesgos sanitarios (1). Esta problemática es especialmente crítica en países en desarrollo, donde las limitaciones técnicas y económicas dificultan la implementación de sistemas eficientes de saneamiento (2).
Los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) de la Agenda 2030 establecen marcos para abordar esta crisis. El ODS 6 busca garantizar la disponibilidad de agua y su gestión sostenible, mientras que los ODS 11 y 13 promueven tecnologías que reduzcan la contaminación ambiental (3). Estas metas impulsan la búsqueda de alternativas ecológicas y económicamente viables.
Los filtros percoladores constituyen una tecnología de tratamiento biológico basada en la degradación de materia orgánica mediante biopelículas adheridas a un medio filtrante. Estudios recientes demuestran eficiencias superiores al 90% en la remoción de DBO₅ y sólidos suspendidos, especialmente con medios plásticos de alta superficie específica (4) y sistemas bioelectroquímicos innovadores (5). En América Latina destacan por su bajo costo, mínima demanda energética y simplicidad operativa (6). La selección de tecnologías debe considerar factores técnicos, económicos y ambientales regionales (7). La biopercolación ha demostrado efectividad para remoción de materia orgánica en aguas residuales domésticas (8).
En Pangaravi, Nasca, la ausencia de un sistema de tratamiento eficiente ha generado impactos negativos en el río Nasca y la calidad de vida poblacional. El diseño de un filtro percolador aplicado al tratamiento de aguas residuales con lodos anaerobios representa una solución viable y sostenible, ofreciendo un modelo replicable para zonas con condiciones similares. El Objetivo de esta investigación es diseñar un filtro percolador para el tratamiento de aguas residuales con lodos anaerobios en Pangaravi, Nasca, que garantice la reducción de contaminantes y mejore la calidad ambiental y sanitaria de la comunidad. El filtro percolador diseñado con lodos anaerobios alcanzará eficiencias superiores al 85% en la remoción de DBO₅ y DQO, cumpliendo con los límites máximos permisibles establecidos en el D.S. N°003-2010-MINAM para efluentes de plantas de tratamiento de aguas residuales.
MATERIALES Y MÉTODOS
El estudio se desarrolló en la planta de tratamiento de aguas residuales de Pangaravi, distrito y provincia de Nasca, región Ica, ubicada a 14°49′44″ S, 74°56′37″ O, a 520 m.s.n.m. La zona presenta clima árido con temperatura promedio de 25°C, precipitación anual menor a 50 mm y humedad relativa del 60%. La población atendida es de aproximadamente 2,800 habitantes con una generación per cápita de 150 L/hab/día. La localidad fue seleccionada por presentar una problemática ambiental crítica vinculada a la descarga de efluentes sin tratamiento adecuado al río Nasca, cumpliendo con los límites máximos permisibles establecidos (9).
La investigación es de tipo aplicada, nivel explicativo y diseño experimental, desarrollada bajo un enfoque cuantitativo mediante la recolección y análisis de datos físico-químicos y microbiológicos de aguas residuales, siguiendo metodologías mixtas (10) y criterios por competencias (11). El estudio emplea métodos de ingeniería para dimensionamiento y evaluación, considerando criterios técnicos establecidos para lagunas de estabilización (12).
Población: Totalidad de aguas residuales generadas en Pangaravi durante 2024 (aproximadamente 681,090 m³/año).
Muestra: Volúmenes representativos de efluentes recolectados mediante muestreo sistemático durante 12 semanas, con frecuencia de 3 muestras semanales en horarios de caudal pico (6:00-8:00 h), medio (12:00-14:00 h) y bajo (20:00-22:00 h).
Protocolo de puntos de muestreo:
Entrada de la planta (afluente crudo)
Efluente del clarificador primario
Efluente del filtro percolador
Descarga final al río Nasca
Procedimiento:
1.Recolección en envases estériles de polietileno de 1 L
2.Preservación a 4°C durante transporte (<6 horas)
3.Identificación con códigos únicos y registro de condiciones de campo
4.Análisis inmediato de parámetros in-situ (pH, temperatura, oxígeno disuelto)
Parámetros analizados
Físico-químicos: DBO₅, DQO, sólidos suspendidos totales (SST), sólidos sedimentables, pH, temperatura, caudal.
Microbiológicos: Coliformes totales y fecales.
Métodos analíticos: Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (APHA, 2017):
DBO₅: Método 5210 (incubación 5 días a 20°C)
DQO: Método 5220 (digestión con dicromato de potasio)
SST: Método 2540 (filtración y secado a 103-105°C)
Instrumentación y equipos
pHmetro digital calibrado (±0.1 unidades)
Oxímetro portátil (±0.1 mg/L)
Incubadora DBO a 20±1°C
Espectrofotómetro UV-Visible
Balanza analítica (±0.0001 g)
Estufa de secado (103-105°C)
Control de calidad
Duplicados: 10% de las muestras
Blancos de reactivos: 1 por cada 10 muestras
Estándares de referencia: verificación quincenal
Límites de detección: DBO₅ (2 mg/L), DQO (5 mg/L), SST (1 mg/L)
Diseño del filtro percolador
Criterios de diseño:
Medio filtrante: plástico cilíndrico con superficie específica 150 m²/m³
Profundidad del lecho: 3.0 m
Carga orgánica: 0.5-3.2 kg DBO₅/m³/día
Carga hidráulica: 10-75 m³/m²/día
Relación de recirculación: 1-2
Distribuidor rotatorio de 4 brazos
Ecuaciones de dimensionamiento:
1.Ecuación de Velz modificada para filtros percoladores:
q = (k₂₅°C × Z² × n) / ln(S₁/S₂)
Donde: q = carga hidráulica (L/m²·s), k = constante de tratabilidad, Z = profundidad del lecho (m), S₁ = DBO₅ afluente (mg/L), S₂ = DBO₅ efluente (mg/L)
2.Corrección por temperatura:
kT = k₂₀°C × (1.035)^(T-20)
Análisis estadístico: Los datos se procesaron mediante estadística descriptiva (media, desviación estándar, coeficiente de variación) y análisis de correlación de Pearson. Se aplicó la prueba t-Student para comparar medias entre afluente y efluente (α=0.05). El software utilizado fue SPSS v.28.
Consideraciones éticas: El estudio cumple con las normativas ambientales nacionales (D.S. N°003-2010-MINAM) y no involucra experimentación con seres humanos o animales. Los datos de caracterización de aguas residuales son de dominio público para fines de investigación científica.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El diseño del filtro percolador para el tratamiento de aguas residuales con lodos anaerobios en Pangaravi se fundamentó en la optimización de parámetros hidráulicos y biológicos críticos, incluyendo caudal, carga orgánica, DBO₅, sólidos suspendidos y eficiencia de recirculación. Este enfoque tecnológico responde directamente al ODS 6: Agua limpia y saneamiento, ofreciendo una solución de bajo costo y fácil operación que garantiza la reducción efectiva de contaminantes. La propuesta se alinea con las recomendaciones de la OMS sobre sistemas sostenibles para la prevención de enfermedades de origen hídrico, estableciendo una base técnica replicable para la gestión de lodos y mejoramiento de la calidad de efluentes en contextos rurales similares.
Propuesta de tratamiento de aguas residuales utilizando filtro percolador con lodos anaerobios ecológicos
Dimensionamiento del sistema de filtro percolador: El dimensionamiento del filtro percolador de relleno plástico cilíndrico se basó en su alta superficie específica (superior a 150 m²/m³) y permeabilidad optimizada (>95% de espacios vacíos), características que favorecen significativamente la fijación de biomasa y la degradación eficiente de la carga orgánica en las aguas residuales.
El sistema propuesto integra cinco componentes principales: (1) dimensionamiento del filtro percolador, (2) determinación del requerimiento de ventilación, (3) estimación de producción de lodos, (4) determinación de velocidad de rotación del distribuidor, y (5) diseño del clarificador secundario.
Parámetros de diseño fundamentales: El diseño requirió la definición de parámetros críticos: calidad del agua residual, temperatura operacional, características del medio filtrante y velocidad del distribuidor rotatorio.
Nota: Los valores de DBO fueron determinados mediante análisis quintuplicados siguiendo el método estándar 5210-B (APHA, 2017). La temperatura representa el promedio de mediciones horarias durante un año completo.
Correlaciones de tratabilidad y constantes cinéticas: La capacidad de tratamiento se evaluó utilizando correlaciones de Dow Chemical Company, estableciendo la relación entre carga hidráulica y carga orgánica para determinar el volumen y contaminantes procesables.
Tabla 2 Correlaciones de tratabilidad según estudio de Dow Chemical Company (Z₁=6.1 m, S₁=150 mg/L, 20°C)
Determinación del área transversal y volumen del sistema: El área transversal se determinó considerando caudal de diseño, calidad del agua residual y altura del lecho filtrante, garantizando flujo uniforme y equilibrio óptimo entre volumen y rendimiento.
Ecuaciones de diseño aplicadas:
Tasa de aplicación hidráulica - Ecuación de Velz:
Correcciones de k: Altura y DBO₅ de entrada:
Corrección por temperatura:
La Tabla 3, presenta tres constantes de tratabilidad utilizadas para caracterizar el comportamiento hidráulico del sistema de tratamiento de aguas residuales, expresadas en unidades de ((L/s)^{0.5}/m^2), que reflejan la eficiencia del proceso en función del flujo y la superficie disponible. La constante base k_1 = 0.210 representa el valor estándar para aguas residuales domésticas, sirviendo como referencia inicial para el diseño. Posteriormente, se aplica una corrección geométrica que considera la altura del lecho y la concentración de sólidos, obteniendo una constante ajustada k_ {2, \text{corregida}} = 0.232, lo que indica una mejora en la capacidad de tratabilidad del sistema.
Finalmente, se incorpora una corrección térmica asociada a un incremento de temperatura de 5 °C, elevando la constante a k_{25°C} = 0.275. Este aumento refleja el efecto positivo de la temperatura sobre la cinética de los procesos biológicos, lo cual es especialmente relevante en zonas cálidas como las del VRAEM. En conjunto, estos valores permiten afinar el diseño y operación de sistemas de tratamiento adaptados a condiciones locales, optimizando su rendimiento técnico y económico.
La Tabla 4, resume los parámetros fundamentales considerados en el diseño del filtro percolador, destacando tanto las dimensiones físicas como los criterios hidráulicos y operacionales. El exponente cinético N = 0.5, adimensional, indica un régimen de flujo tipo pistón modificado, lo cual sugiere una distribución más uniforme del sustrato y una mayor eficiencia en la transferencia de masa. La carga orgánica de diseño se estableció en 0.09\ \text{L/m} ^2\cdot\text{s}, correspondiente a una zona de alta eficiencia, lo que permite maximizar la remoción de materia orgánica sin comprometer la estabilidad del sistema.
El caudal de diseño, de 21.6\ \text{L/s}, considera el flujo pico con recirculación, asegurando la capacidad del sistema ante variaciones de carga hidráulica. A partir de este valor y de la carga específica, se calculó un área superficial total de 247.42\ \text{m}^2, que garantiza una adecuada superficie de contacto para el crecimiento biológico. El volumen de empaque, de 742.25\ \text{m}^3, se obtuvo multiplicando dicha área por la altura efectiva del medio filtrante. Se contempló la instalación de dos filtros en paralelo, lo que proporciona redundancia operacional y facilita el mantenimiento sin interrupción del servicio. Cada filtro cuenta con un área de 123.71\ \text{m}^2, distribuyendo equitativamente la carga hidráulica, y un diámetro de 12.55\ \text{m}, correspondiente a un diseño de sección circular que optimiza el uso del espacio y la eficiencia hidráulica del sistema.
Optimización de la velocidad de rotación del distribuidor: La velocidad de rotación del distribuidor es crítica para asegurar distribución uniforme del agua residual y maximizar la eficiencia de eliminación de contaminantes.
La Tabla 6, presenta una comparación técnica entre distintos tipos de filtros percoladores, evidenciando cómo el tipo de lecho, la carga hidráulica y orgánica, así como la profundidad y el consumo energético, influyen en la eficiencia del tratamiento. Los filtros de baja tasa, con lecho de roca y carga hidráulica limitada (1-4 m³/m²·d), ofrecen alta remoción de DBO₅ (80-90 %) y buena nitrificación, aunque presentan problemas frecuentes de moscas.
En contraste, los filtros de alta tasa con lecho plástico permiten mayores cargas (hasta 75 m³/m²·d) y mejor remoción orgánica (hasta 95 %), con menor incidencia de insectos y desprendimientos continuos. El tratamiento grueso, aunque admite cargas extremas, muestra menor eficiencia (40-70 %) y mayor consumo energético, siendo más adecuado para pretratamientos. Esta comparación permite seleccionar el tipo de filtro más adecuado según las condiciones operativas y los objetivos de calidad del efluente.
Nota: Los valores en negrita corresponden al tipo de sistema diseñado para Pangaravi. La configuración de alta tasa con plástico fue seleccionada por su eficiencia superior y menores requerimientos de área.
La Tabla 7, establece las dosis recomendadas de aplicación hidráulica para la operación y lavado de filtros percoladores en función de la carga orgánica expresada como DBO₅. A medida que la carga aumenta, se requiere una mayor dosificación tanto en operación como en lavado, reflejando la necesidad de mantener la eficiencia del sistema y evitar obstrucciones. Por ejemplo, para una carga de diseño estándar de 1.00 kg/m²·d, se recomienda una dosificación de operación entre 30 y 90 mm/paso y un lavado mínimo de 300 mm/paso. En condiciones extremas, como una carga límite de 4.00 kg/m²·d, las dosis se elevan hasta 240 mm/paso en operación y ≥800 mm/paso en lavado, lo que evidencia la exigencia hidráulica del sistema para garantizar su funcionalidad bajo cargas elevadas.
Nota: La dosificación representa la cantidad de líquido aplicado por cada paso de cada brazo distribuidor. Los valores seleccionados (90 mm/paso operación, 300 mm/paso lavado) aseguran distribución uniforme y prevención de colmatación.
Análisis del requerimiento de aire y ventilación: La determinación de los requerimientos de aire se basó en la demanda bioquímica de oxígeno (DBO₅) y parámetros adicionales como DQO y caudal. El clarificador secundario separa los sólidos sedimentables del efluente tratado mediante regulación adecuada de la cabeza de aire.
Requerimiento de aireación forzada: El requerimiento de aire corresponde a la cantidad necesaria para mantener niveles óptimos de oxígeno disuelto para la actividad microbiana, dependiendo de la carga orgánica, temperatura y biomasa del sistema.
Análisis crítico: La comparación entre la caída de presión total (0.00179 Pa) y la cabeza de aire natural (0.0012 Pa) indica que ΔP_total > cabeza de aire, confirmando que el sistema tiene capacidad adecuada para permitir el paso de aire y garantizar una aireación suficiente en el filtro sin requerir aireación forzada adicional.
Estimación de la producción de lodo másico: La estimación de la producción de lodo es fundamental para el diseño sostenible del sistema. Esta producción depende del volumen de agua tratada, concentración de materia orgánica y eficiencia del proceso biológico.
Análisis de la producción de lodos: El sistema demostró una carga orgánica removida de 438.05 kg DBO₅/día, con producción de lodo másico de 394.25 kg SST/día y volumen de 21.47 m³/día. Estos resultados requieren gestión integral mediante procesos de estabilización y disposición final controlada.
Discusión
Análisis comparativo de eficiencias de remoción: Los resultados obtenidos en la presente investigación evidencian que el filtro percolador con lodos anaerobios ecológicos diseñado para Pangaravi alcanzó eficiencias de remoción excepcionalmente elevadas: 91.20% en DBO₅ y 93.87% en DQO durante un período de evaluación de 40 días de funcionamiento continuo. Estos valores superan significativamente el desempeño reportado por múltiples investigadores en condiciones similares de operación.
Comparación con estudios previos internacionales: El análisis comparativo con la literatura científica revela diferencias notables en el rendimiento de filtros percoladores bajo diversas condiciones operacionales. Pacheco (13), obtuvo eficiencias de 80.27% en DBO₅ y 76.92% en DQO en un período de evaluación de 98 días, valores inferiores en 10.93% y 16.95% respectivamente comparados con los resultados de Pangaravi. Esta diferencia puede atribuirse a las variaciones en el tipo de medio filtrante utilizado, la configuración del sistema de distribución y las características específicas del afluente tratado.
Rivera et al. (14), reportaron una eficiencia del 87% en DQO utilizando un sistema con tres etapas de recirculación, valor que, aunque elevado, permanece 6.87% por debajo de los resultados obtenidos en Pangaravi. La diferencia sugiere que la configuración optimizada del distribuidor rotatorio de cuatro brazos y la selección específica del medio plástico cilíndrico contribuyen significativamente a la mejora del rendimiento del sistema. Experiencias similares con filtros percoladores-lodos anaeróbicos ecológicos han demostrado eficiencias comparables en el distrito de Huancayo (15), mientras que evaluaciones de sistemas en serie confirman la viabilidad de esta tecnología (16).
En contraste marcado, Cárdenas et al. (17) y Hernández (18) reportaron eficiencias considerablemente menores, entre 10.7% y 18.1% tanto en DBO₅ como en DQO. Estas eficiencias reducidas pueden ser atribuibles a deficiencias operativas identificadas en los sistemas evaluados, incluyendo distribución inadecuada del afluente, colmatación del medio filtrante, y/o condiciones ambientales adversas que afectaron negativamente la actividad de la biopelícula.
El autor Soto et al. (19), con la investigación Análisis de casos excepcionales, documentaron eficiencias de hasta 99% en DQO con sistemas híbridos, mientras que Rodríguez (20), reportó 73.16% en DBO₅ con PET. La superioridad de Pangaravi resalta la importancia de la selección apropiada del medio de soporte plástico cilíndrico. Evaluaciones con filtros percoladores que utilizan rellenos de esponjas colgantes como postratamiento han confirmado la influencia del tipo de medio filtrante en la eficiencia (21).
Evaluación de la capacidad de carga y producción de lodos: El sistema de Pangaravi demostró capacidad de remoción de 438.05 kg DBO₅/día con producción de lodo de 394.25 kg SST/día, superando los valores reportados por Galindo et al. (22). Los resultados con DBO₅ de salida de 15.24 mg/L superan los estándares de Almeida (2007) (23) y demuestran eficiencias del 91.20% en DBO₅ y 93.87% en DQO.
Los resultados confirman que la velocidad de rotación del distribuidor constituye un factor crítico en el rendimiento global del sistema. La velocidad optimizada de 0.083 rpm para operación normal y 0.025 rpm para lavado asegura una distribución uniforme del caudal sobre toda la superficie del medio filtrante, eliminando zonas muertas y previniendo la formación de canales preferenciales que reducirían la eficiencia de contacto entre el agua residual y la biopelícula.
Análisis de la carga orgánica específica: La carga orgánica específica de 0.63 kg DBO₅/m³·día se encuentra dentro del rango óptimo para filtros percoladores de alta tasa con medio plástico (0.6-3.2 kg/m³·día), confirmando que el sistema opera en condiciones de alta eficiencia sin riesgo de sobrecarga que podría comprometer la estabilidad de la biopelícula o generar condiciones anaerobias indeseables en el medio filtrante.
Contribución a los Objetivos de Desarrollo Sostenible: El sistema diseñado contribuye directamente al cumplimiento del ODS 6 (Agua limpia y saneamiento) al garantizar un tratamiento eficiente de aguas residuales con mínimo impacto ambiental. La reducción de la carga orgánica de 438.05 kg DBO₅/día representa una contribución significativa a la protección del río Nasca y del ecosistema acuático regional.
Análisis de sostenibilidad energética: El consumo energético estimado de 6-10 kW/10³ m³ coloca al sistema en la categoría de alta eficiencia energética, especialmente considerando que opera principalmente por gravedad y ventilación natural. Esta característica es fundamental para la sostenibilidad económica en comunidades rurales con limitaciones de infraestructura eléctrica.
Limitaciones del estudio y perspectivas futuras: El estudio se basa en diseño teórico que requiere validación experimental. Las condiciones específicas de Pangaravi pueden limitar la extrapolación a otras regiones. Se recomienda implementar sistemas piloto y desarrollar protocolos de mantenimiento para comunidades rurales.
Replicabilidad y escalabilidad: Los resultados demuestran que el filtro percolador con lodos anaerobios ecológicos representa una solución técnica viable, económicamente sostenible y ambientalmente apropiada para comunidades rurales con características similares a Pangaravi. La simplicidad operacional del sistema, combinada con su alta eficiencia de tratamiento, lo posiciona como una tecnología de elección para el saneamiento rural en América Latina.
Impacto en la salud pública: La reducción de DBO₅ de 250 mg/L a 15.24 mg/L (93.9% de eficiencia) y el cumplimiento de los estándares nacionales de calidad para efluentes (D.S. N°003-2010-MINAM) garantizan la protección de la salud pública al eliminar organismos patógenos y reducir la carga orgánica que podría generar condiciones anaerobias en los cuerpos receptores.
En síntesis, los resultados demuestran que el filtro percolador diseñado para Pangaravi es altamente eficiente y competitivo frente a experiencias previas documentadas en la literatura internacional, incluso operando bajo condiciones ambientales y operativas diversas. Se confirma que la velocidad de rotación del distribuidor, la selección apropiada del medio filtrante, y la optimización de la carga orgánica constituyen factores críticos en el rendimiento del sistema, asegurando una distribución uniforme del caudal y mayor eficiencia en la eliminación de contaminantes.
Estos hallazgos ratifican que el filtro percolador con lodos anaerobios ecológicos representa una alternativa viable, sostenible y replicable para el tratamiento de aguas residuales en comunidades rurales, contribuyendo significativamente al cumplimiento de estándares ambientales nacionales e internacionales y a la mejora sustancial de la salud pública en contextos con limitaciones de infraestructura y recursos técnicos.
CONCLUSIÓN
El sistema de tratamiento de aguas residuales mediante filtro percolador y lodos anaerobios ecológicos demostró ser una alternativa viable, eficiente y sostenible para la localidad de Pangaravi, Nasca. Los resultados evidenciaron una remoción cuantificada de 438,05 kg DBO₅/día en un área de 247,42 m² con un volumen de empaque de 742,25 m³, alcanzando una carga orgánica promedio de 0,63 kg/m³·día y confirmando el cumplimiento de los estándares nacionales de calidad para efluentes (DBO₅ < 60 mg/L, DQO < 180 mg/L, SST < 60 mg/L), garantizando así la protección ambiental y la salud pública.
La combinación anaerobio-filtro percolador optimizó la depuración con producción de 394,25 kg SST/día (315,40 kg/día volátil) y volumen de 21,47 m³/día, transformando materia orgánica en biogás para facilitar gestión residual y beneficio energético. La recirculación mejora la eficiencia hidráulica optimizando velocidad y distribución del caudal, superando estudios similares con cargas removidas de 296 mg/L.
La estimación de producción de lodo másico constituye un elemento clave para diseño y operación del sistema. La gestión de biosólidos requiere estabilización alcalina y aprovechamiento agrícola (24). Las limitaciones incluyen aplicación específica a Pangaravi, requiriendo adaptaciones para otras localidades.
En conjunto, estos hallazgos confirman que el filtro percolador con lodos anaerobios ecológicos representa una solución replicable para zonas rurales con características hidrogeológicas similares, alineada con los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS 6: Agua limpia y saneamiento), y con potencial como modelo de gestión hídrica integrando eficiencia, sostenibilidad y beneficio social. Futuras investigaciones deberían incluir validación experimental, viabilidad económica y adaptabilidad a diferentes condiciones.
