Un vermifiltro (también vermidigestor o lumbrifiltro ) es un sistema de tratamiento aeróbico , que consiste en un reactor biológico que contiene medios que filtran la materia orgánica de las aguas residuales . Los medios también proporcionan un hábitat para bacterias aeróbicas y lombrices de tierra que purifican las aguas residuales eliminando 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 una rápida descomposición de las sustancias orgánicas.
Los vermifiltros se utilizan más comúnmente 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 descargarse de forma segura al medio ambiente. El efluente tratado se elimina en campos de lixiviación superficiales o subterráneos . El material sólido (como la materia fecal y el papel higiénico) es retenido, deshidratado y digerido por bacterias y lombrices 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 los patógenos y otros compuestos orgánicos , dando 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 " (es posible que se requieran bombas si el flujo por gravedad no es posible). Otra ventaja es la alta eficiencia del tratamiento dada la reducida necesidad de espacio.
Los términos alternativos utilizados para describir el proceso de vermifiltración incluyen biodigestor aeróbico, filtro biológico con lombrices o vermicompostaje húmedo . El sistema de tratamiento puede describirse utilizando términos como vermidigestor y filtro percolador de lombriz.
Cuando este tipo de sistema de saneamiento se utiliza para tratar únicamente la mezcla de excrementos y agua de los inodoros con cisterna o de los inodoros con cisterna (llamados aguas negras ), entonces se añade el término "inodoro" al nombre del proceso, como por ejemplo, inodoro con vermifiltro .
La vermifiltración fue defendida 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 áreas 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 para mejorar la eficiencia del tratamiento. [4] Los vermifiltros proporcionan un ambiente aeróbico y un sustrato húmedo que facilita el crecimiento de microorganismos en forma de 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 alimentándose directa o indirectamente de microorganismos. [5] La biopelícula y la materia orgánica consumida por las lombrices de tierra en el compostaje se digieren luego en humus biológicamente inerte. [6] El vermicacast se incorpora al sustrato del medio, aumentando lentamente su volumen. Cuando esto 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 reacciones de oxidación, biodegradación y estimulación microbiana por acción enzimática, en el vermifiltro se produce la descomposición de la materia orgánica y la destrucción de patógenos. 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 el nitrógeno fecal. coliformes eliminados a un nivel que cumpla con las pautas de la Organización Mundial de la Salud para una reutilización segura en cultivos. [7]
Los vermifiltros se pueden utilizar para el tratamiento primario , secundario y terciario de aguas negras y grises .
Los vermifiltros se pueden utilizar para el tratamiento primario aeróbico de aguas negras domésticas . [8] Las aguas negras sin tratar ingresan a un recinto ventilado sobre un lecho de medio filtrante. Los sólidos se acumulan en la superficie del lecho filtrante mientras que el líquido drena a través del medio filtrante y se descarga del reactor. Los sólidos (heces y papel higiénico) son digeridos aeróbicamente por bacterias aeróbicas y compostadas por lombrices en excrementos (humus), reduciendo así significativamente el volumen de material orgánico.
Los reactores de vermifiltro de tratamiento primario están diseñados para digerir material sólido, como el contenido en las aguas residuales sin tratar. Los reactores paralelos de dos cámaras ofrecen la ventaja de poder dejar que uno de ellos descanse, mientras el otro está activo, para facilitar la eliminación higiénica del humus con niveles reducidos de patógenos.
Los gusanos 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 desechos sólidos. Los factores estacionales y ambientales (como la temperatura) y los volúmenes de afluencia variables pueden causar la acumulación de residuos sólidos en forma de pila. Aunque el oxígeno está excluido del centro de esta pila de abono "húmedo", las lombrices trabajan desde afuera hacia adentro e introducen aire según sea necesario en la pila para satisfacer sus necesidades nutricionales. Esta reserva de recursos alimentarios garantiza que los vermifiltros de tratamiento primario tengan un nivel de resiliencia y confiabilidad, siempre que se proporcione espacio para que se acumule una pila. Existe cierta evidencia de que el ambiente húmedo facilita la digestión de los desechos sólidos por las lombrices. [9] El volumen de humus vermicast aumenta lentamente y ocasionalmente es necesario eliminarlo del reactor de tratamiento primario.
El tratamiento primario de aguas negras mixtas húmedas también puede incluir aguas grises que contienen sólidos alimentarios, grasas 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, y gran parte del material orgánico sólido se elimina del efluente. Debido a que el efluente líquido se descarga casi inmediatamente al ingresar al digestor, las aguas residuales consumen poco oxígeno disuelto a través de la etapa de filtración. Sin embargo, la demanda de oxígeno se lixivia 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 vermifiltradores de tratamiento secundario. [10] Los vermifiltros de tratamiento primario proporcionan un nivel similar de tratamiento de efluentes líquidos al de un tanque séptico, [11] pero en menos tiempo porque la digestión de los sólidos por las lombrices se lleva a cabo rápidamente en un ambiente aeróbico. [9]
El efluente líquido se descarga directamente a un campo de drenaje o se somete a un tratamiento secundario antes de usarse para riego superficial o subterráneo de suelos agrícolas.
Los vermifiltros de tratamiento secundario y terciario pueden estar debajo del vermifiltro primario en una sola torre, pero generalmente son reactores únicos, donde se pueden encadenar varios reactores en serie como vermifiltros secuenciales. El drenaje dentro del reactor se proporciona mediante medios filtrantes empaquetados 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 efluentes, aumenta el tiempo de retención hidráulica y también proporciona un hábitat adecuado para sustentar una población de lombrices de tierra que se compostan . Esta población requiere niveles adecuados de humedad dentro del medio filtrante, pero también niveles adecuados de drenaje y oxígeno.
Se pueden utilizar aspersores o goteros en reactores vermifiltradores de tratamiento secundario y terciario (ver imagen).
Los factores hidráulicos (tiempo de retención hidráulica, tasa de carga hidráulica y tasa de carga orgánica) y factores biológicos (número de lombrices, niveles de biopelícula) pueden influir en la eficiencia del tratamiento.
Los vermifiltros son reactores cerrados fabricados con materiales duraderos que eliminan la entrada de alimañas , normalmente de plástico u hormigón. La ventilación debe ser suficiente para garantizar un ambiente aeróbico para los gusanos y microorganismos, al mismo 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]
La entrada del afluente se realiza desde arriba del medio filtrante. Los inodoros de descarga completa pueden tener el punto de entrada al costado del reactor, mientras que los inodoros de micro descarga, debido a que no proporcionan suficiente agua para transportar sólidos a través de las tuberías de alcantarillado, generalmente se instalan directamente encima del reactor. Para 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 usar aspersores o goteros para distribuir las aguas residuales afluentes de manera uniforme sobre el medio filtrante para mejorar la eficiencia del tratamiento del medio filtrante.
El medio filtrante proporciona el drenaje dentro del reactor vermifiltrante. 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 composteras . 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 solo 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 capa de drenaje de grava gruesa, rocas o serpentín de drenaje de plástico permeable donde el efluente tratado se descarga y/o recircula a la parte superior del reactor. Alternativamente, el medio filtrante puede suspenderse sobre el sumidero en una cesta. A veces se utiliza tela geotextil sintética para retener el medio filtrante en su lugar sobre la capa de drenaje. Para permanecer aeróbico, se debe proporcionar una ventilación adecuada, junto con una salida para que drene el efluente líquido.
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Los materiales de embalaje de filtros comunes incluyen aserrín , [12] [13] astillas de madera , fibra de coco , corteza , turba y paja para la capa orgánica. Para la capa inorgánica se utilizan comúnmente grava , arena de cuarzo , piedras redondas , piedra pómez , bolas de barro , bolas de vidrio , ceramsita y carbón vegetal . El área de superficie y la porosidad de estos materiales filtrantes influyen en el rendimiento del tratamiento. [14] Los materiales con baja granulometría (partículas pequeñas) y gran superficie pueden mejorar el rendimiento del vermifiltro pero dificultan su drenaje.
Los vermifiltros pueden construirse como sistemas de una sola torre o reactores en etapas separadas (ya sea operados por gravedad o por bomba) para el tratamiento de aguas residuales de acuerdo con los requisitos de diseño (tratamiento primario, secundario, terciario). Más etapas [15] [16] pueden aumentar el grado de tratamiento porque los sistemas de múltiples etapas proporcionan condiciones aeróbicas acumulativas adecuadas para la nitrificación del amonio y la eliminación de DQO .
Los parámetros de diseño de los vermifiltros incluyen la densidad de almacenamiento de lombrices de tierra [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 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 el agua residual está 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 vermicas de lombriz), volumen del reactor y tipo de material utilizado (porosidad). . El tiempo de retención hidráulica determina la tasa de entrada de aguas residuales (carga hidráulica como volumen de entrada por hora).
En principio, siempre que el ambiente sea aeróbico, cuanto más tiempo permanezcan las aguas residuales dentro del filtro, mayor será la eficiencia de eliminación de DBO 5 y DQO, pero a expensas de la carga hidráulica. Las aguas residuales requieren suficiente tiempo de contacto 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 un período de tiempo determinado. 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 del tiempo de retención hidráulica en los sistemas de vermifiltración oscilan entre 1 y 3 horas. [23] Las tasas de carga hidráulica comúnmente varían 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, la madurez y la abundancia de la población de lombrices. La abundancia es un parámetro fundamental para el funcionamiento eficiente de un sistema de vermifiltración. [28] En la literatura se informan diferentes valores, generalmente en gramos o número de individuos por volumen de empaquetamiento del filtro o área de superficie del empaquetamiento del filtro. Las densidades comunes varían entre 10 g L −1 y 40 g L −1 de material de embalaje de filtro. [29] [30]
Una abundancia de lombrices mejora la eficiencia del tratamiento, en particular la eliminación de DBO 5 , SST y NH 4 + . Esto se debe a que las lombrices de tierra liberan materia orgánica en el medio filtrante y estimulan la mineralización de nitrógeno. Los excrementos de lombriz pueden contener sustancias que contribuyen a una mayor eliminación de DBO 5 . [31]
Un vermifiltro tiene bajos requisitos de mantenimiento mecánico y manual y, cuando funciona por gravedad, no requiere ningún aporte de energía. La recirculación, si fuera necesaria para mejorar la calidad del efluente, requeriría una bomba.
Es posible que sea necesario rellenar ocasionalmente materiales orgánicos, ya que estos se descomponen y reducen su volumen. El volumen de 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 empaquetadura del filtro). La fracción líquida drena a través del medio hacia el sumidero o ecualizador y se descarga del reactor o se recircula a la parte superior para su tratamiento adicional. Las aguas residuales se descargan a la superficie del material filtrante mediante aplicación directa o mediante aspersores, goteros o goteros.
Proyecto Innoqua: combina vermifiltros y filtros que utilizan Daphnia, microalgas y otros organismos para tratar aguas residuales y tiene este resumen de vermifiltros.