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• Raudel Moreno

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EMISARIO SUBMARINO INTRODUCCION. PREMISAS Durante la planeación de los sistemas de tratamiento se debe ser consistente con las necesidades reales de la comunidad y los recursos deben ser cuidadosamente destinados a resolver los problemas dentro de un marco sustentable por la economía local. El sentido común nos llama a regresar a la naturaleza y desarrollar sistemas que utilicen ampliamente la capacidad de asimilación del medio ambiente y en este caso especifico la de las aguas oceánicas. Dentro del clima de protección ambiental que se respira hoy en día, aparece con frecuencia cierto temor cuando se menciona el tema de la descarga al mar de las aguas residuales. El hecho es que muchos de los grandes centros poblacionales del mundo se localizan en las costas marinas y las aguas oceánicas representan el cuerpo receptor mas lógico y económico para recibir estos efluentes, si este proceso se realiza de forma adecuada no se producen daños a los recursos marinos. PRINCIPALES FUENTES CONTAMINANTES DEL MEDIO COSTERO Atmósfera: Residuos de combustión de motores (aviones, naves espaciales, etc.) Mar: Navegación marina, operaciones de carga y descarga de buques Ej: accidentes de buques petroleros. Tierra: Es en el medio terrestre donde el hombre lleva a cabo la mayoría de sus actividades; vertidos de aguas residuales domésticas o industriales directamente al mar a a través de ríos. Por vía indirecta (lluvia y viento), por estas vías llegan al mar pesticidas o fertilizantes. Criterios Sanitarios en países desarrollados G valor guía I valor imperativo Se interpretan de la siguiente manera: El 95 % de las muestras no excederá el valor I El 90 % de las muestras no excederá el valor G, con excepto colis totales y fecales donde no excederán el 80 % Parámetros G I Colis Fecales 500 10000 Colis Totales 100 2000 Estreptococos Fecales 100 0 Salmonellas 0 0 Enterovirus /100ml 0 0 CONCEPTOS BASICOS SOBRE EMISARIO SUBMARINO CONCEPTOS BASICOS SOBRE EMISARIO SUBMARINO

¿ Que es un Emisario Submarino?  Descrito de una forma breve, se puede decir que un emisario submarino es una tubería que conduce las aguas residuales mar adentro hasta una profundidad y distancia de la costa tal, que la carga orgánica y contaminante resultante de su vertimiento no provoque daños sanitarios y/o ecológicos a los ecosistemas marinos y terrestres ni a las poblaciones costeras circundantes.  Los emisarios para aguas residuales domésticas resultan en un conducto que transporta los albañales desde una red de alcantarillado al punto de vertimiento final, generalmente haciendo pasar previamente dichos residuales por diversos tratamientos de depuración. ¿ Que partes lo componen? La implementación de la tecnología de emisarios submarinos requiere de una serie de objetos de obra que en su conjunto conforman un sistema de pretratamiento, disposición final y tratamiento de aguas residuales de forma sencilla. Conexión al sistema de alcantarillado: es la estructura encargada de empalmar las redes de alcantarillado existentes con el sistema de pretratamiento, en caso que éste sea necesario. Sistema de pretratamiento (tratamiento físico): es la estructura en la que el efluente sufre un previo tratamiento antes de verterse al cuerpo receptor. Para disposición marina de aguas residuales domésticas los tres tipos fundamentales de pretratamiento que se pueden establecer son tratamiento preliminar, tratamiento primario y tratamiento secundario. Conducción principal: consiste en una tubería que conduce las aguas residuales hasta la profundidad y distancia necesarias por debajo de la superficie del mar. Sistema difusor: es un tramo de tubería en la cual se encuentran ubicados orificios circulares por donde sale el agua residual y se mezcla con el agua de mar, produciéndose la dilución. Sistema de lastres: constituyen estructuras, generalmente de hormigón armado, que se colocan a cierta distancia entre sí, adosados a la tubería, con la finalidad de propiciarle a la misma el peso requerido para su hundimiento y la estabilidad en el lecho marino ante cambios bruscos y/o de intensidad de las corrientes marinas en la zona. Los emisarios submarinos según Ludwing (1995) pueden clasificarse en tres categorías generales en dependencia de la forma en que se instalen, las cuales son: colocados, remolcados y flotados. El emisario submarino colocado es construido tendiendo y juntando pequeñas secciones de tuberías en el lecho marino. El remolcado se construye ensamblando las secciones de tubería en la costa y remolcando el emisario submarino encima del lecho marino hasta su posición final. El flotado también se realiza en la costa, pero se mantiene a flote hasta su posición final y luego se sumerge.

CLASIFICACION DE ACUERDO CON OTROS CRITERIOS Profundidad de descarga: Poco profundos Profundos Longitud del Emisario: Largos (más de 500 metros) Cortos Material de la Tubería: 1. Asbesto – Cemento 2. Acero 3. Hierro fundido 4. Fibra de vidrio 5. Polietileno de alta densidad (PEAD) Actualmente, se están utilizando preferentemente las tuberías de polietileno de alta densidad para la construcción de emisarios submarinos. Este material no sólo es altamente resistente al agua marina, sino también que al ser menos denso que el agua puede hacerse flotar la tubería llena de aire y equipada con los lastres hacia su ubicación, remolcarse y hundirse directamente en el lecho marino por medio de una ventilación controlada. Además, presentan escasa pérdida de carga por rozamiento, son atóxicos, flexibles, gran resistencia y estable a la radiación ultravioleta e insolubles a todos los solventes orgánicos e inorgánicos (Reiff, 1995) (TEHMCO,S.A.). EMISARIO

EMISARIO SIENDO TRANSPORTADO

EMISARIO QUE ES LLEVADO A SU DESTINO FINAL PARA SER HUNDIDO.

EMISARIO SUMERGIDO

PROFUNDIDAD DE TRABAJO

PROCESO DE ZANJADO POR LOS BUZOS.

ACLARACIONES NECESARIAS!! A pesar de que se dispone de múltiples estudios, mediciones prácticas, formulaciones y modelaciones matemáticas capaces de predecir con precisión el comportamiento final de los efluentes mezclados, el diseño de los emisarios submarino no es un tema suficientemente divulgado y conocido, existiendo todavía cierta incomprensión sobre el proceso de dilución y remoción que se lleva a cabo en el mismo. Es necesario aclarar que existe una gran diferencia entre el vertimiento indiscriminado de residuales al mar y la descarga a través de emisarios submarinos y difusores correctamente diseñados.

A pesar de la divergencia de criterios que existen en cuanto a la conveniencia o no de verter residuales al mar, no se puede soslayar el hecho de que son muchos los países que cuentan con emisarios construidos que trabajan satisfactoriamente sin problemas de contaminación inclusive cerca de las playas. Por ejemplo, Puerto Rico, con una población total de 4 millones de habitantes cuenta con 12 emisarios submarinos construidos, Cuba con una población de 11 millones de habitantes cuenta con 8. En la zona de América Latina y el Caribe, según una encuesta realizada por el CEPIS, la situación imperante en 1983 con respecto a emisarios submarinos de 500 m o mayor longitud era la siguiente : Construidos 42,en construcción 6,diseño completo 4 Estudios de alternativas realizados en diversas partes del mundo, han probado que para poblaciones costeras la solución mas adecuada es generalmente el empleo de emisarios submarinos. El sistema estructural de un emisario submarino está concebido para alcanzar el tratamiento final deseado y en él se distinguen tres etapas o fases funcionales (Gonzáles, 1996), (Leppe,1996): Etapa 1 (Tratamiento físico). Representa conceptualmente la primera etapa del sistema y cumple dos funciones fundamentales: Eliminación de partículas sólidas sedimentables y flotantes presentes en el agua residual, las cuales pueden interferir en las unidades de transporte, así como en el tratamiento posteriormente utilizado, lo que favorece los fenómenos de estabilización utilizados por el sistema. Acondicionamiento de las partículas a degradar, a través de la disminución de su tamaño y el aumento del oxígeno disuelto en las aguas por aereación, con el objetivo de optimizar las etapas posteriores de remoción. Etapa 2 (Transporte y pretratamiento biológico). En esta etapa se transportan las aguas residuales desde la costa hasta un punto en el océano en el que se den las condiciones óptimas de dilución y dispersión para el desarrollo de la etapa 3. Debido al tiempo de residencia de las aguas en las unidades de transporte y conducción del sistema, surge una etapa de pretratamiento biológico asociado al fenómeno de autodepuración de los residuales líquidos domésticos. Por esto, se reduce la cantidad de oxígeno demandado por la materia orgánica y/o se disminuye la cantidad de microorganismos presentes.  Padilla y Moncada (1995), en su estudio realizado a las aguas residuales domésticas procedentes de la región de Penco-Lirquén y Tomé, Chile, tratadas a través de emisarios submarinos, observaron que, debido al tiempo de residencia de dichas aguas en el interior del emisario, las bacterias llegan debilitadas a la zona de descarga con su metabolismo enlentecido, lo que facilita su abatimiento en el impacto con el medio marino. Etapa 3 (Tratamiento submarino). Esta última fase de tratamiento ocurre en el volumen de agua marina circundante al punto de descarga (zona de mezcla), donde se desarrolla básicamente un tipo de tratamiento secundario. En dicha fase se experimentan las siguientes funciones:

Reducción de la contaminación orgánica y bacteriológica mediante procesos físicos asociados a la mezcla y dilución de aguas residuales en el mar, Reducción de la contaminación bacteriana mediante procesos físicos y biológicos relacionados con factores diversos como: temperatura, radiación ultravioleta, osmosis, salinidad, algas bactericidas, etc., Degradación de la materia orgánica por la acción bacteriana y del zooplancton, incorporándola a las cadenas trópicas. Cabe señalar, que la zona de tratamiento submarino o también llamada zona de mezcla, donde se produce la dilución inmediata no es una región que cumpla con las normas de calidad de agua instituidas. Salas (1994) plantea que por lo general, esta zona rodea un volumen de agua que se extiende a 50600 metros en todos los lados de la zona inicial de dilución, en cambio Meiorin (1999) expresa que la misma tiene una amplitud equivalente al doble de la profundidad del agua en el punto de descarga. CONSIDERACIONES DE PRETRATAMIENTO PARA DISPOSICION MARINA. Mediante el pretratamiento de las aguas residuales se logran eliminar aquellos constituyentes cuya presencia puede provocar problemas de mantenimiento y funcionamiento en los diferentes procesos, operaciones.  Tratamiento preliminar. La remoción está limitada a sólidos gruesos, incluyendo partículas de grasas de gran tamaño o aquellas que puedan quedar adsorbidas en la superficie de las partículas retenidas, mediante el uso de rejas, rejillas o tamices. El volumen de los sólidos removido puede desecharse en un relleno sanitario.  Tratamiento primario. Se elimina una fracción de sólidos en suspensión y de la materia orgánica del agua residual. Esta eliminación suele llevarse a cabo mediante sedimentadores convencionales, además de digestión para estabilizar y reducir el volumen de sólidos separados en la sedimentación y opcionalmente, lechos de secado para manejar los lodos digeridos húmedos del digestor, o extracción de lodos con camión limpiafosa y disposición de los mismos en un sitio conveniente. Se logra remover un mayor volumen de sólidos con respecto al tratamiento preliminar. PRETRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES POR MILITAMICES. El método más notable para la previa remoción de las materias flotantes antes de la descarga de las aguas residuales al medio marino es el uso de tamices rotatorios o militamices, donde se combinan varios factores como el bajo costo, la simplicidad y la eficiencia del proceso. Los militamices son conocidos en el campo de la ingeniería sanitaria desde hace mucho tiempo. Su mayor aplicación ha sido en residuales industriales, para la recuperación de materiales sólidos, bien para su reutilización en el proceso o para proteger a los equipos subsecuentes. La operación de un sistema de preacondicionamiento de aguas residuales, que utilice militamices es simple y no requiere de personal especializado. La eficiencia de remoción por este medio depende de dos factores fundamentales:

Abertura de los tamices, Características de las aguas residuales a ser tratadas. Cuanto menor sea la abertura de los tamices, mayor será la eficiencia de remoción del material particulado, aumentando, al mismo tiempo, la remoción de aceites y grasas que tienden a quedar adsorbidas en la superficie de las partículas retenidas. Las aguas residuales varían mucho en cuanto a sus características y en particular, respecto a los materiales sólidos presentes debido a los hábitos alimenticios y de las costumbres de la población en cada lugar. Lo que ha dificultado que se puedan adoptar valores concretos de eficiencia de remoción para diferentes aberturas de los tamices. Ludwing (1995) presenta una comparación de la remoción de los constituyentes significativos por militamices y por sedimentación Porcentaje de remoción Militamices Tratamiento Aberturas de 0.5 Aberturas de 1.0primario mm mm 43 23 95-100 15

10

50

43

30

50-55

99

96

95-100

GENERALIDADES DEL DISEÑO DE EMISARIOS SUBMARINOS. Los parámetros esenciales que deben tenerse en cuenta para realizar el diseño de un sistema de emisario submarino son los siguientes: Naturaleza de efluente, Número de habitantes servidos, Caudal estimado de vertido, Naturaleza del fondo y perfil submarino (batimetría), Vientos predominantes, Régimen de olas, corrientes y mareas, Usos restrictivos del mar, Forma de la costa, Flora y fauna presente en el mar, Protección a poblaciones costeras del radio de acción. Los requisitos principales que deben garantizarse en el diseño, con el fin de preservar la calidad del agua de mar y los ecosistemas, se enumeran a continuación (Arvizu, 1996): La distancia del sistema difusor con respecto a la línea costera y/o a la zona a proteger debe ser la requerida, para evitar el transporte de las aguas negras hacia las mismas por efecto de las corrientes y mareas marinas, La profundidad necesaria de vertimiento para asegurar los valores óptimos de dilución,

El diámetro del emisario debe responder a las velocidades requeridas que permita el arrastre del material que se va depositando en el fondo de la tubería, Los diámetros del emisario, del sistema difusor y de los orificios deben garantizar un flujo de descarga uniforme en cada uno de dichos orificios. PRINCIPIOS FUNDAMENTALES PARA EL DISEÑO Verter en el mar aguas residuales a través de emisarios submarinos, persigue diluir el flujo incidente dentro del medio receptor, hasta conseguir que el volumen de agua residual sea mezclado con la máxima cantidad posible de agua de mar, de manera que se respeten los objetivos de calidad de los diferentes usos del mar en toda el área de influencia del vertido. La dilución total por tanto, es el elemento representativo de la eficacia del vertido de aguas residuales al mar con el empleo de emisarios submarinos. Ésta se mide en la costa o en el perímetro de aguas costeras a proteger, apreciándose la diferencia de concentración entre el punto de inyección y las zonas a proteger del elemento seleccionado como indicador de la contaminación específica del vertido considerado. PROFUNDIDAD DE DESCARGA Donde la batimetría del fondo del mar lo permita, la descarga debe realizarse a 20 metros como mínimo de profundidad. García (1987), Ludwing (1995) y Salas (1994) ofrecen este valor por dos razones básicas: Primero, en los lugares donde es posible alcanzar estas profundidades, existe estratificación significativa en la columna de agua marina, especialmente en los meses de verano. Cuando existe suficiente estratificación de densidad, la pluma mezclada de aguas negras/agua marina no subirá a la superficie, sino que permanecerá sumergido en una ubicación intermedia. La densidad de las aguas negras, cuyo valor promedio de 999.5 kg/m3, es menor que la densidad del agua marina normal, con promedio de 1 025.8 kg/m3, y si se descargan en un ambiente marino no estratificado, subirán a la superficie para formar un campo superficial. Cuando existe estratificación, el efluente es mezclado rápidamente con el agua más fría/más densa del fondo del océano y la mezcla resultante será más densa que la capa superficial. Bajo tales condiciones, en algún punto de la columna de agua marina dicha mezcla encontrará agua de la misma densidad y, por lo tanto, no continuará con su tendencia a ascender. CORRIENTES MARINAS En el diseño es necesario el conocimiento completo de los regímenes de corrientes marinas ya que son importantes para determinar el índice de la dilución inicial y el destino final del campo de residuales. Se recomienda que éstas deben ser medidas en todas las estaciones del año y a varias profundidades, con el propósito de contar con la información requerida para el análisis de la circulación general costera y de la hidrodinámica. La información permitirá hacer estimados adecuados de dilución inicial, inmersión y transporte y así, predecir la probabilidad del impacto del campo de aguas residuales. De particular importancia son los vectores de corrientes hacia la línea costera, en la que podría imponerse el impacto sobre sus usos benéficos, tales como actividades recreativas, cosecha de mariscos, etc.

DIÁMETRO DEL EMISARIO.  La selección del diámetro del emisario es un problema netamente hidráulico donde se garantice la velocidad adecuada, así como limitar las pérdidas de carga para el caudal de diseño a sección llena. El sistema difusor de un sistema de emisario submarino es un conducto con orificios circulares ubicados de manera alternada a cada lado, usualmente en el centro de la tubería; su propósito es dispersar el efluente y facilitar su mezclado. El mismo es descargado en chorros turbulentos desde estos orificios y, siendo menos denso que el agua receptora, sube hacia la superficie. Los difusores deben cumplir los requisitos técnicos necesarios para alcanzar una dilución capaz de reducir la contaminación bacteriológica hasta los límites establecidos en las Normativas y lograr que la mancha de agua negra mezclada con el agua marina no alcance la superficie.  para simplificar los trabajos de limpieza, el diámetro del sistema difusor se mantiene igual al diámetro del emisario, y su longitud es directamente una función del volumen del efluente, en tanto que la extensión es mayor para un efluente mayor, el ancho inicial del campo aumentará y por lo tanto, resultará en un menor valor de dispersión horizontal. NÚMERO, DIÁMETRO Y ESPACIAMIENTO DE LOS ORIFICIOS DEL SISTEMA DIFUSOR. Salas (1995) con su experiencia adquirida durante años en el tema de los emisarios submarinos plantea que los orificios de pequeño diámetro del sistema difusor, con poco espacio entre ellos, producen valores más altos de dilución inicial que aquellos con mayor espacio y mayor diámetro para la misma descarga por unidad de longitud del difusor. Cuando se descargan aguas residuales que solo han pasado por rejas, es aconsejable mantener dicho diámetro en 0.15 m como mínimo para evitar problemas de obstrucción, sin embargo, para aguas residuales que han recibido un tratamiento preliminar (militamices o sedimentación), suelen utilizarse orificios de hasta 0.075 m.

Ilustración No.8. Lastres trapezoidales.

Ilustración No.9. Lastres circulares.

Ilustración No.10. Lastres trapezoidales convenientes para un sistema de emisario de dos o más tuberías.

Ilustración No.11. Lastres trapezoidales de base ancha.

FLOTABILIDAD El problema de la flotación de los emisarios submarinos es una cuestión de primer orden en la etapa de diseño y construcción e instalación de los emisarios, ya que en la medida en que éstos floten está la garantía y el éxito de su transporte por la superficie del mar y de su colocación en el lugar previsto, evitándose daños a la obra. La flotabilidad de los emisarios submarinos está dada por la relación que existe entre el peso del tubo lleno de aire o de agua más el peso de los lastres y las fuerzas de empuje y la densidad del mar donde se trabaja. En los emisarios submarinos se emplea la gravedad específica (K) o factor de hundimiento, para describir el comportamiento tensionario entre las fuerzas que afectan al sistema. Lo que incluye términos como el peso de la tubería y su contenido, el peso de los anclajes y el peso del volumen de agua desplazado y la estabilidad del tubo y su resistencia ante las variaciones de las fuerzas hidrodinámicas.  Cuando el tubo está vacío (lleno de aire) y se garantizan los límites de flotación bajo esta condición, los emisarios flotan en la superficie del mar para su traslado, y cuando se le permite la entrada de agua y se expulsa el aire de manera simultánea, debe hundirse totalmente durante la instalación. ANÁLISIS HIDRÁULICO El análisis hidráulico es un proceso paso a paso, empezando en el extremo de salida. No se puede decidir acerca de un flujo total en particular antes de iniciar los cálculos. Es necesario estimar primero el flujo del orificio terminal y luego calcular el de los restantes. Posteriormente, se compara la suma resultante de todas las descargas de los orificios con el flujo total deseado, y si está significativamente errado, se debe hacer un nuevo estimado inicial y repetir el proceso. Los cálculos hidráulicos, actualmente, se pueden realizar también con el apoyo de sistemas computarizados, existiendo programas disponibles, para tales casos, sobre el Microsoft Excel.

CONCLUSIONES: Los sistemas de vertimiento marino pueden ofrecer un medio económico y seguro para la disposición final de los residuales, si se respetan las condiciones anteriores y el sistema incluye medidas para la adecuada dilución inicial, la dispersión posterior y un tiempo suficiente de recorrido de las aguas albañales que satisfagan los criterios estéticos y de salud. No obstante, estos parámetros no son una regla. Es preciso aclarar que los albañales pueden diferenciarse grandemente de una ciudad a otra, los objetos a proteger también son de las mas diversas índoles; por ello cada vertimiento requiere un estudio especifico y diagnostico técnico - económico de las soluciones óptimas.