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DISEÑO DE LAGUNAS AIREADAS A PARTIR DE LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN EXISTENTES Oscar Angel Nogales Escalera Ingeniero Civil formado por la Pontificia Universidad Católica de Campinas – PUCCAMP (Brasil), con Maestría en Recursos Hídricos y Saneamiento en la Universidad Estatal de Campinas – UNICAMP (Brasil). Trabajó en diferentes proyectos relacionados con el Medio Ambiente y con el Saneamiento Básico en diversas zonas de Bolivia. Es consultor ambiental registrado en el DNECCA de Bolivia. Ha sido docente de la carrera de Ingeniería Ambiental en la Universidad Católica Boliviana – UCB. Actualmente es consultor independiente en medio ambiente y saneamiento. Dirección: Calle Ismael Vasquez No. 0602 Telf. (591) (4) 4256049 E-mail: [email protected] Cochabamba – Bolivia

RESUMEN La ciudad de Cochabamba (Bolivia) cuenta actualmente con una Planta de Tratamiento de Aguas Residuales – P.T.A.R. Dicha planta se encuentra al sudoeste de la ciudad en la zona de Alba Rancho. Su funcionamiento data de 1986 y su proceso de tratamiento es del tipo biológico, consistente en lagunas de estabilización del tipo facultativas. Al presente, la PTAR Alba Rancho se encuentra sobrecargada tanto en el caudal de afluente crudo como en la carga orgánica a ser tratada. De acuerdo con el proyecto original, esta planta debía ser ampliada en mas lagunas facultativas, sin embargo debido al crecimiento peri-urbano de poblaciones aledañas y a la poca disponibilidad de terrenos y de recursos financieros, dicha ampliación ha sido postergada hasta el día de hoy. En Noviembre de 1.998, el Servicio Municipal de Agua y Alcantarillado de Cochabamba – SEMAPA, firmó un contrato con la empresa francesa Omnium de Traitement et de Valorisation – OTV , por un monto de 26.879.629,42 francos franceses provenientes de un crédito francés para el proyecto: “construcción de la planta de tratamiento de aguas negras de La Maica yrehabilitación de la planta de tratamiento de Alba Rancho de la ciudad de Cochabamba” . El presente trabajo tiene por objetivo presentar el diseño de la nueva PTAR Alba Rancho, destacando su cambio conceptual original y su adecuación a las limitaciones financieras del crédito francés, a la falta de terreno adecuado, a la ampliación de la cobertura poblacional con tratamiento y a la minimización de los costos de operación y mantenimiento para SEMAPA. Palabras Clave: Tratamiento, Aguas Residuales, Diseño, Lagunas aireadas, Cochabamba INTRODUCCIÓN La PTAR Alba Rancho de propiedad de SEMAPA, se halla ubicada al Sudoeste de la ciudad de Cochabamba. Actualmente esta en operación en forma continua desde su puesta en marcha en 1986. De acuerdo con el proyecto original ya debería haber sido ampliada, sin embargo debido a problemas económicos por parte de SEMAPA y a la falta de un Plan Maestro para el tratamiento de las aguas residuales domésticas, recién en 1998 se firma un contrato para su Mejoramiento y Ampliación. Dicho contrato se firmó con la empresa francesa OTV y el financiamiento procede de un crédito blando (a baja tasa de interes) del Gobierno de Francia al Gobierno de Bolivia. Sin embargo, debido a una concesión mal hecha a una empresa privada en Noviembre de 1999, se produce la denominada “guerra por el agua” principalmente por el alza de las tarifas de agua en hasta el 300 %. De esta manera se logró romper dicha

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concesión y SEMAPA pasó a ser nuevamente un ente público. Este trabajo presenta el cambio conceptual inicial en la tecnología de tratamiento propuesta por OTV, enmarcada ahora en la nueva realidad de SEMAPA y en sus limitaciones posibilidades económicas. OBJETIVOS Los principales objetivos del presente trabajo son los siguientes: 1.- Analizar y evaluar el cambio conceptual en el diseño original del proyecto OTV 2.- Presentar el diseño de lagunas aireadas como la mejor opción de mejorar y ampliar el tratamiento de aguas residuales de la ciudad de Cochabamba DIAGNOSTICO DEL FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA EXISTENTE La PTAR Alba Rancho esta compuesta por cuatro (4) módulos de tratamiento, distribuidos en paralelo. Cada módulo esta conformado por dos lagunas facultativas primarias dispuestas en paralelo y por una laguna facultativa secundaria dispuesta en serie en relación a las dos primarias, tal como se indica en la Figura 1. La altura de la lámina de agua en las lagunas corresponde a 1,80 m para las primarias y a 1,50 m para las secundarias.

Figura 1.- Esquema general de la PTAR Alba Rancho existente

Figura 1.- PTAR Alba Rancho existente y terreno para ampliaciones Actualmente el sistema de tratamiento se encuentra sobrecargado, tanto en caudal como en carga contaminante. Esta sobrecarga se debe principalmente a los siguientes factores: continua ampliación de la red colectora de alcantarillado sanitario, bajo promedio de consumo de agua potable de la población (aproximadamente 100 l/h/d) y a la descarga de efluentes industriales sin tratamiento previo o apenas con un pre-tratamiento (curtiembres, textileras y otras). La calidad del efluente tratado en Alba Rancho no cumple con los requisitos de la legislación ambiental boliviana (LEY 1333, 1995). Por otra parte, actualmente y prácticamente desde su puesta en funcionamiento de la planta, los agricultores aledaños a la misma reutilizan para riego el agua tratada. De acuerdo con NOGALES (1996), este tipo de reuso practicado en Cochabamba carece de cualquier planificación y orientación técnica, provocando con ello serios impactos ambientales al suelo y a las aguas subterráneas. Según ARRÁZOLA (1995), el caudal que trata la PTAR Alba Rancho, apenas alcanza para una cobertura menor al 60 % de la población de la ciudad de Cochabamba.

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EL PROYECTO OTV Pasada la “guerra por el agua”, la población de Cochabamba logró expulsar del país al concesionario privado y nuevamente SEMAPA pasó a ser una empresa pública. Durante todo este tiempo, el proyecto OTV estuvo parado y las negociaciones tuvieron que ser reencaminadas para lograr su concreción. El proyecto original debía tratar en una primera fase 130 l/s (año 2.005) en la planta de lodos activados de La Maica y debía mejorar la PTAR Alba Rancho con la sustitución del equipo de bombeo (7 bombas) y la ampliación en el equipamiento del laboratorio de la planta. El universo de habitantes a ser beneficiados por este proyecto alcanzaba a aproximadamente 100.000, distribuidos específicamente en la zona Oeste de la ciudad y del Municipio vecino de Colcapirua. CAMBIO CONCEPTUAL DEL PROYECTO OTV La nueva administración de SEMAPA pasó a considerar el proyecto OTV desde una nueva óptica, toda vez que lo que ahora se quería lograr era una mayor cobertura poblacional y una tecnología de tratamiento que minimizara los costos de inversión y de operación y mantenimiento de la futura planta a ser construida. Por otra parte, la falta de un terreno adecuado para la nueva planta, prácticamente obligó a que OTV y SEMAPA pensaran en concentrar la nueva planta de lodos activados de La Maica y el mejoramiento de Alba Rancho, en un mismo sitio, es decir en los predios de la planta existente. Una de las primeras decisiones que se tomó fue la exclusión del Municipio de Colcapirua en el nuevo enfoque del proyecto OTV, esto se debió principalmente a que de acuerdo a convenio entre SEMAPA y dicho Municipio, éste último debía proporcionar el terreno adecuado y necesario para la construcción de la nueva planta, el incumplimiento de dicha cláusula determinó su exclusión definitiva. De acuerdo con datos urbanísticos de la Alcaldía de la ciudad de Cochabamba, el mayor crecimiento poblacional se desarrollaba en las zonas Oeste y Sudeste de la mancha urbana. Consiguientemente, se pensó en incorporar dichas poblaciones en nuevo enfoque del proyecto. De esta manera, prácticamente se duplicaría la cobertura poblacional y por ende la cobertura con tratamiento de aguas residuales de SEMAPA, pretendiéndose alcanzar en una primera fase ( año 2.005) al 80 % de cobertura de los actuales 57 %. LEVANTAMIENTO DE DATOS PRELIMINARES DEL ENTORNO AMBIENTAL La zona tiene una predominancia agropecuaria, destacándose la importante cuenca lechera que alimenta a la industria láctea local. Los principales tipos de cultivos agrícolas son el maíz para forraje y la alfalfa para alimento del ganado vacuno (NOGALES, 1996) . La región tiene un clima de características semiáridas, con una precipitación pluvial media de 470 mm/año, distribuidos en 4 meses de lluvia (Diciembre, Enero, Febrero y Marzo) y 8 meses de estiaje (SENAMHI, 1989). De esta manera, prácticamente durante la época de estiaje los agricultores reutilizan el 100 % del agua tratada en la PTAR Alba Rancho. Dicho reuso es para riego agrícola de los principales cultivos de la zona y en menor porcentaje de cultivos para consumo humano (tubérculos y hortalizas). REALIZACIÓN DE ESTUDIOS PRELIMINARES La empresa OTV encargó a una consultora francesa para la realización de los estudios preliminares de la zona y la planta, a objeto de tener insumos necesarios para el diseño de la futura planta de tratamiento. Por otra parte, SEMAPA aportó con datos fidedignos de la operación de la actual planta, los mismos que fueron proporcionados a OTV en forma oportuna. De acuerdo con SEMAPA (2.001), los caudales a ser considerados en el diseño de la planta y los principales parámetros de carga contaminante y sus respectivas concentraciones, se encuentran en las Tablas 1 y 2.

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Tabla 1 Valores de caudales de agua residual cruda a ser tratada

Año (fase) Caudal medio (l/s) Caudal máximo (l/s) FUENTE: SEMAPA (2.001)

2.005 (fase I) 815 1.100

2.010 (fase II) 1.080 1.620

2.020 (fase III) 1.400 2.230

Tabla 2 Concentraciones de los principales contaminantes orgánicos para el año 2.005 Parámetro DBO5 (mg/l) Concentración 433 FUENTE: SEMAPA (2.001)

DQO (mg/l) 1.032

SST (mg/l) 550

SDT (mg/l) 1.290

De acuerdo con la legislación ambiental boliviana en actual vigencia, los parámetros de calidad de agua residual tratada deben atender los especificados en el Reglamento en Materia de Contaminación Hídrica, Anexo A-2 indicados en la Tabla 3. Tabla 3 Principales parámetros y sus concentraciones para agua residual tratada Parámetro DBO5 (mg/l) Concentración (*) 80 FUENTE: LEY 1333 (1995)

SST (mg/l) Coli-Fecal (NMP/100 ml) 60 menor a 1.000 (**)

Huevos de Helminto menor a 1/lt. (***)

(*) Promedio mensual sobre muestras sin presencia de algas (**) Promedio geométrico (***) El valor inferior a 1 huevo/litro será garantizado en el 80 % del tiempo DESARROLLO DE LA MEJOR ALTERNATIVA DE TRATAMIENTO La empresa OTV recibió las siguientes premisas por parte de SEMAPA para el diseño del proyecto de mejoramiento y ampliación de la PTAR Alba Rancho: • • • • • •

Concentrar el tratamiento en una sola planta Incrementar los caudales de tratamiento (815 l/s al año 2.005) Incorporar la zona Sudeste de la ciudad de Cochabamba al proyecto (mas de 100.000 habitantes) Minimizar los costos de inversión en obras civiles por parte de SEMAPA Minimizar los costos de operación y mantenimiento por parte de SEMAPA Optimizar los recursos disponibles del crédito francés (26.879.629,42 francos franceses)

Luego de analizar y evaluar las condiciones reales de funcionamiento, las condiciones de contorno de lo requerido para el proyecto por parte de SEMAPA y las exigencias ambientales de la legislación boliviana, OTV optó por transformar el actual sistema existente de lagunas facultativas primarias y secundarias por lagunas primarias aireadas seguidas de lagunas de sedimentación y desinfección del efluente final. Sin embargo, la alternativa final desarrollada y planteada a SEMAPA para su aprobación e implementación, abre la posibilidad de que para tratar los caudales previstos para las fases II y III, será posible continuar el tratamiento en los mismos predios con una tecnología de planta compacta, concretamente con lodos activados.

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LINEA DE TRATAMIENTO PROPUESTO La futura PTAR Alba Rancho recibirá el afluente crudo a través de 4 emisarios, siendo 2 actualmente existentes (emisario central y emisario sur) y 2 a ser construidos por SEMAPA (emisario Valverde y emisario Tamborada). El proyecto contempla la construcción y equipamiento de las estaciones de bombeo de Valverde y Tamborada, destacando que las obras civiles corresponden a la inversión de SEMAPA y el equipamiento a OTV a través del crédito francés. En la Figura 2 se muestra la línea de tratamiento propuesta para el mejoramiento y ampliación de la PTAR Alba Rancho.

Figura 2.- Esquema del proceso de tratamiento propuesto para la fase I (año 2.005) FUENTE: OTV (2001) El pre-tratamiento consiste en la instalación de rejas y rejillas y el desarenado del afluente crudo. Se instalarán rejas gruesas con interespacios de 40 mm y rejas finas con interespacios de 20 mm. Los desechos sólidos retenidos en el sistema de rejas y rejillas serán compactados antes de su disposición final. Se instalará un desarenador tipo PISTA (equipo con alimentación tangencial) que permitirá trabajar con altas velocidades. Las arenas serán extraídas por “airlift”, lavadas y enviadas a su disposición final. DIMENSIONAMIENTO DE LAS LAGUNAS AIREADAS Uno de los factores mas importantes en el diseño de sistemas de tratamiento biológicos por lagunas de estabilización, es la temperatura ambiente del entorno donde se pretende implementar la planta de tratamiento. De acuerdo con SENAMHI (1989), los registros de temperatura en Alba Rancho arrojaron los siguientes resultados promedio: • • •

Temperatura mínima: 14 grados centígrados Temperatura media: 17 grados centígrados Temperatura máxima: 28 grados centígrados

Para el diseño del nuevo sistema de tratamiento por lagunas aireadas, se tomó como dato básico de temperatura el valor de la temperatura media: 17 grados centígrados. Posteriormente, se realizó una verificación de la DBO5 del afluente y

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del efluente (exigencia ambiental boliviana), de esta manera se necesita una eficiencia de tratamiento del sistema del 81,5 % para satisfacer el parámetro exigido. El cálculo de la eficiencia se indica a seguir: E = (DBO5aflu. – DBO5eflu.)/DBO5aflu. X 100 Reemplazando valores: E = (433 – 80)/433 x 100 E = 81,5 %

ecuación (1)

Por otra parte, para el cálculo del rendimiento requerido son necesarios tomar en cuenta los factores de temperatura y tiempo de retención hidráulica. Sin embargo, previamente debe calcularse el factor Kt ó constante de eliminación de la DBO5 a la temperatura t (este factor varía generalmente entre 0,25 a 1,0) cuyo cálculo sigue la siguiente ecuación: Kt = K20 x θ

ecuación (2)

De acuerdo con METCAL & EDDY (1994) el valor recomendable para K20 es 0,6 y para θ es 1,06, consiguientemente aplicando ambos valores a la ecuación (2), se tiene: Kt = 0,504 (verifica el rango entre 0,25 – 1,0) El cálculo del tiempo de retención hidráulica se realiza de acuerdo con la siguiente fórmula: T = E/Kt x (1 – E)

ecuación (3)

Reemplazando los siguientes valores en dicha ecuación se tiene: E = 0,815 (81,5 %) Kt = 0,504 T = 8,763 días (este valor se aproximara a 9 días para mayor seguridad) T = 9 días El dimensionamiento de las lagunas de sedimentación (antiguas facultativas secundarias), tiene por objetivo complementar el tratamiento diseñado, principalmente para la separación del licor mixto en lodos y agua tratada. De acuerdo con la literatura especializada se recomienda un tiempo de retención hidráulica entre 2 a 5 días. Para el caso de la nueva PTAR Alba Rancho, se adoptó el valor de 5 días. DISEÑO FÍSICO DE LA NUEVA P.T.A.R. Habiéndose calculado los tiempos de retención hidráulicos de las lagunas aireadas y de las lagunas de sedimentación, se procedió a realizar el diseño físico de las instalaciones. Este diseño consistió básicamente en el cálculo de la capacidad volumétrica de las lagunas. Elaborando un pre-diseño de la capacidad volumétrica actual y de la requerida para la fase I del proyecto (caudal de 815 l/s al año 2.005), se verificó que las actuales dimensiones de las lagunas no satisfacían el volumen esperado para el tratamiento. Consecuentemente, se tomaron las siguientes determinaciones de diseño : • •

Construcción de un quinto módulo de tratamiento con las mismas dimensiones físicas de las lagunas existentes (2 lagunas primarias y 1 laguna secundaria) Construcción de taludes perimetrales en una altura de 1,09 m sobre los existentes y manteniendo sus actuales perfiles topográficos

Al elevar los taludes perimetrales existentes, en realidad lo que se esta logrando es aumentar la lámina de agua en las lagunas de tratamiento en un medida de 1 metro tanto en las primarias como en las secundarias. De esta manera, las nuevas dimensiones de las lagunas son las siguientes: a) Primarias Aireadas: Largo = permanece igual Ancho = permanece igual Profundidad = pasa de 1,80 m a 1,89 m b) Secundarias o de Sedimentación:

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Largo = permanece igual Ancho = permanece igual Profundidad = pasa de 1,50 m a 2,50 m La capacidad volumétrica de las lagunas aireadas para un caudal afluente de 815 l/s con un tiempo de retención hidráulica de 9 días, se calcula como sigue: V = 815 X 3,6 X 24 X 9 V = 633.740 m3

ecuación (4)

La capacidad volumétrica de las actuales 8 lagunas primarias existentes es de 374.400 m3. Consiguientemente, existe un déficit de 259.340 m3. Este déficit es fácilmente cubierto con la elevación de los taludes perimetrales de las 8 lagunas existentes en 1,09 m y con la construcción de 2 lagunas suplementarias con la misma profundidad de agua. En esta condición se tiene una capacidad volumétrica de 703.730 m3 que inclusive soporta un tiempo de retención hidráulica real de 10 días. La capacidad volumétrica de las lagunas de sedimentación debe atender un caudal afluente de 815 l/s durante un tiempo de retención hidráulica de 5 días. El cálculo se realiza con la siguiente ecuación: V = Vaf. X T ecuación (5) V = 70.416 m3 X 5 días V = 352.080 m3 La capacidad volumétrica de las 4 lagunas secundarias existentes alcanza a 202.200 m3, consiguientemente se tiene un déficit de 149.880 m3. Este déficit será satisfecho plenamente con la elevación del talud perimetral de las lagunas existentes en 1,0 m y la construcción de una quinta laguna ahora de sedimentación con la misma altura de talud (aumento de 1,0 m en la lámina de agua). De esta manera, ahora la capacidad volumétrica de las lagunas de sedimentación es de 386.455 m3, volumen que comparado con lo requerido por el proceso de tratamiento, inclusive satisface un tiempo de retención hidráulica de hasta 5,5 días. Para lograr un flujo tipo pistón de tal manera de evitar los cortocircuitos y un tratamiento óptimo de los sólidos en suspensión, se diseñaron la construcción de 5 pantallas o chicanas. DISEÑO DE LOS AIREADORES La oxidación de la materia orgánica requiere de la adición de Oxígeno cuyo cálculo se realiza con la siguiente fórmula: Necesidad real de O2 = Kg DBO5 a eliminar X Coef. de consumo específico de O2

ecuación (6)

Tomando como datos: Kg DBO5 a eliminar = 30.490 (433 mg/l) Coef. de consumo específico de O2 = 0,75 Kg de O2/Kg DBO5 eliminada (valor adoptado de la literatura) Luego reemplazando en (6) se tiene: Necesidad real de O2 = 30.490 Kg DBO5 X 0,75 Kg O2 /Kg DBO5 = 19.063 Kg de O2/día Para proveer el Oxígeno necesario diario para una correcta degradación de la materia orgánica, son entonces necesarios instalar 4 turbinas de 45 Kw cada una. Cada turbina tendrá una capacidad de oxigenación de 81 Kg de O2 / Kwh (EUROPELEC, 2001). Consecuentemente, serán instaladas 4 turbinas rápidas flotantes en cada una de las 10 lagunas primarias, haciendo un total general de 40 turbinas. Para suministrar el Oxígeno requerido por el sistema, las turbinas deben funcionar 10 horas al día, sin embargo para garantizar la homogeneización de las partículas en suspensión (lodos), el tiempo de funcionamiento de las turbinas será de 16 horas al día. De esta manera, la potencia total utilizada en el sistema de aireación será un promedio de 41 W/m3 .

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RESULTADOS ESPERADOS La implementación de la nueva PTAR Alba Rancho contempla la realización de obras civiles por parte de SEMAPA, bien como sus costos de operación y mantenimiento. Por parte de OTV contempla todo la ingeniería del proceso, diseños a detalle y el equipamiento completo de las instalaciones, tanto para las lagunas aireadas como para las estaciones de bombeo de Valverde y Tamborada, además de la sustitución del actual equipo de bombeo en la planta y el mejoramiento tecnológico del laboratorio con nuevos equipos e insumos. También se espera que los costos de operación y mantenimiento alcancen a 900.000 dólares/año (incluyendo el uso del desinfectante Ácido Peracético). De una manera resumida, los indicadores esperados son: Caudal de agua residual a ser tratada en la faseI (año 2.005) = 815 l/s Población a ser atendida con el servicio de tratamiento = 500.000 habitantes (incluyendo la población actual) DBO5 del efluente tratado = 80 mg/l SST del efluente tratado = 60 mg/l Coliformes fecales del efluente tratado = menos de 1.000/100 ml Huevos de helmintos del efluente tratado = menos de 1 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Dadas las condiciones de limitada capacidad financiera de SEMAPA y dentro del marco del crédito del Gobierno Francés para el proyecto a través de la empresa OTV, se considera que la solución tecnológica presentada y diseñada para el mejoramiento y ampliación de la PTAR Alba Rancho, es la mas viable de ser ejecutada en el corto plazo. Por otra parte, se tiene previsto que para mediano y largo plazo es posible continuar con el proyecto a través de otras tecnologías de plantas compactas, tal como por ejemplo lodos activados. Se recomienda fuertemente que la nueva administración de SEMAPA complemente el proyecto con un plan de manejo de los lodos generados en las lagunas de sedimentación, procurando su reuso para fines agrícolas. También se recomienda que se elabore un proyecto ingenieril para el reuso del efluente tratado destinado al riego agrícola y finalmente que se implemente una arborización en todo el perímetro de la PTAR, a objeto de atenuar los posibles malos olores provenientes de las lagunas de sedimentación y principalmente del manejo de los lodos. BIBLIOGRAFÍA UTILIZADA ARRÁZOLA, I.E.R. (1995) Evaluación del funcionamiento de las lagunas de estabilización de Alba Rancho respecto a condiciones de diseño. Tesis de grado, Facultad de Ciencias y Tecnología, Universidad Mayor de San Simón, Cochabamba – Bolivia EUROPELEC (2001) Catálogo de aireadores superficiales rápidos, Cochabamba - Bolivia LEY 1333 (1995) Reglamento en materia de contaminación hídrica, Ministerio de Desarrollo Sostenible y Medio Ambiente, La Paz – Bolivia NOGALES, E.O.A. (1996) Minimización de la contaminación del agua y suelo a través del reuso de las aguas residuales domesticas tratadas. Memorias XXV Congreso AIDIS (en CD), México – DF OTV (2001) Estudios Preliminares Finales, Memoria Técnica Descriptiva, Omnium de Traitement et de Valorisation, Cochabamba – Bolivia SEMAPA (2001) Valores anuales promedio de caudal y carga orgánica en la PTAR Alba Rancho. Informe de la División de Control Ambiental, Cochabamba - Bolivia SENAMHI (1989) Resumen Meteorológico de 1950 a 1989. Hoja única, Cochabamba – Bolivia WHO (1989) Health guidelines for the use of wastewater in agriculture and aqualculture. Technical series No. 778, World Health Organization, Geneva

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