Vermifiltro

Un vermifiltro (también conocido como vermidigestor o lumbrifiltro ) es un sistema de tratamiento aeróbico que consta de un reactor biológico con un medio filtrante que retiene la materia orgánica de las aguas residuales . Este medio también proporciona un hábitat para bacterias aeróbicas y lombrices de tierra que purifican las aguas residuales eliminando patógenos y reduciendo la demanda de oxígeno . El goteo de las aguas residuales a través del medio disuelve el oxígeno , lo que garantiza un ambiente de tratamiento aeróbico que permite la rápida descomposición de las sustancias orgánicas.

Los vermifiltros se utilizan más comúnmente para el tratamiento de aguas residuales domésticas 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 las aguas negras y grises en sistemas in situ y las aguas residuales municipales en grandes sistemas centralizados.

Los vermifiltros se utilizan cuando las aguas residuales requieren tratamiento antes de su vertido al medio ambiente. Los materiales sólidos (como materia fecal y papel higiénico) se retienen, se deshidratan y se descomponen mediante bacterias y lombrices , transformándose en humus que se incorpora al medio filtrante. El líquido pasa a través del medio filtrante, donde los organismos adheridos biodegradan patógenos y otros compuestos orgánicos , tratando así las aguas residuales.

La vermifiltración es una opción de tratamiento aeróbico de aguas residuales de bajo costo. ^{[ 2 ]} Dado que no se requiere energía para la aireación, los vermifiltros se consideran sistemas de tratamiento pasivo (pueden ser necesarias bombas si no es posible el flujo por gravedad). Otra ventaja es la eficiencia del tratamiento en espacios reducidos.

Entre los términos alternativos que se utilizan para describir el proceso de vermifiltración se incluyen biodigestor aeróbico, filtro biológico con lombrices o vermicompostaje húmedo . El sistema de tratamiento puede describirse con términos como vermidigestor y filtro de goteo vermiforme.

Cuando este tipo de sistema de saneamiento se utiliza para tratar únicamente la mezcla de excrementos y agua de inodoros con descarga de agua o inodoros de descarga por vertido (llamada aguas negras ), entonces se agrega el término "inodoro" al nombre del proceso, como por ejemplo inodoro con vermifiltro .

La vermifiltración fue propuesta por primera vez por investigadores de la Universidad de Chile en 1992. ^{[ 3 ]}

Un estudio de 2017 trató aguas residuales municipales en un vermifiltro; los índices de eliminación de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO₅ ₎ fueron del 90 %, la demanda química de oxígeno (DQO) del 85 %, los sólidos suspendidos totales (SST) del 98 %, el nitrógeno amoniacal del 75 % y los coliformes fecales se eliminaron a un nivel que cumplía con las directrices de la Organización Mundial de la Salud para su uso seguro en cultivos. ^{[ 4 ]}

Los vermifiltros ofrecen un rendimiento de tratamiento similar al de los sistemas de tratamiento de aguas residuales descentralizados convencionales, pero con capacidades de procesamiento hidráulico potencialmente más altas. ^{[ 3 ]}

Los vermifiltros son un tipo de biofiltro o filtro percolador que añade lombrices de tierra para mejorar la eficiencia del tratamiento. ^{[ 5 ]} Los vermifiltros proporcionan un ambiente aeróbico y un sustrato húmedo que facilita el crecimiento de microorganismos en forma de biopelícula . Los microorganismos degradan bioquímicamente la materia orgánica presente en las aguas residuales. Las lombrices de tierra regulan la biomasa y la actividad microbiana al alimentarse directa o indirectamente de microorganismos. ^{[ 6 ]} La biopelícula y la materia orgánica consumida por las lombrices de tierra durante el compostaje se digieren posteriormente en excrementos biológicamente inertes (humus). ^{[ 7 ]} El vermicompost se incorpora al sustrato, aumentando lentamente su volumen. Puede retirarse y utilizarse como enmienda del suelo para mejorar su fertilidad y estructura.

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 las reacciones de oxidación, la biodegradación y la estimulación microbiana por acción enzimática, se produce la descomposición de la materia orgánica y la destrucción de patógenos en el vermifiltro.

Los vermifiltros pueden utilizarse para el tratamiento primario , secundario y terciario de aguas negras y aguas grises .

Tratamiento primario de aguas negras

Los vermifiltros pueden utilizarse para el tratamiento primario aeróbico . ^{[ 8 ]} Las aguas residuales sin tratar entran en un recinto ventilado situado sobre un lecho de material filtrante. Los sólidos se acumulan en la superficie del lecho filtrante, mientras que el líquido drena a través del material filtrante y sale del reactor. Los sólidos (heces y papel higiénico) son digeridos aeróbicamente por bacterias aeróbicas y lombrices de tierra compostadoras, transformándose en humus, lo que reduce significativamente el volumen de materia orgánica.

Los reactores de vermifiltración para el tratamiento primario están diseñados para digerir materia sólida, como la que se encuentra en las aguas residuales sin tratar. Los reactores paralelos de doble cámara ofrecen la ventaja de poder dejar reposar una mientras la otra está activa, lo que facilita la eliminación higiénica del humus.

Las lombrices digieren la materia orgánica sólida. Con el tiempo, se alcanza un equilibrio en el que el volumen digerido por una población estable de lombrices es igual al volumen de residuos sólidos introducidos. Factores estacionales y ambientales (como la temperatura) y volúmenes de entrada variables pueden provocar la acumulación de residuos sólidos en forma de pila.

Aunque el oxígeno ambiental no puede llegar al centro de esta pila de compost (húmeda), las lombrices trabajan desde afuera hacia adentro e introducen aire según sea necesario para satisfacer sus necesidades nutricionales. Esta reserva de alimento proporciona un nivel de resistencia y fiabilidad, siempre que se proporcione espacio para que la pila se desarrolle. El ambiente húmedo puede facilitar la digestión de los residuos sólidos por las lombrices. ^{[ 9 ]} El volumen de humus de vermicompost aumenta lentamente y ocasionalmente necesita ser retirado del reactor de tratamiento primario.

Las aguas negras tratables pueden incluir aguas grises que contienen sólidos alimentarios, grasa y otros residuos 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, eliminando gran parte de la materia orgánica sólida. Debido a que el efluente líquido se descarga casi inmediatamente al entrar en el digestor, se consume poco oxígeno disuelto durante la etapa de filtración. Sin embargo, la demanda de oxígeno se filtra al flujo de aguas residuales a través del filtro a medida que los gusanos digieren los sólidos retenidos. ^{[ 10 ]} Esta demanda de oxígeno puede eliminarse con reactores de vermifiltración de tratamiento secundario. ^{[ 10 ]} Los vermifiltros de tratamiento primario proporcionan un nivel de tratamiento de efluentes líquidos similar al de una fosa séptica, ^{[ 11 ]} pero en menos tiempo porque la digestión de sólidos por los gusanos se produce más rápidamente en un ambiente aeróbico. ^{[ 9 ]}

El efluente líquido se descarga directamente a un campo de drenaje o se somete a un tratamiento secundario .

Tratamiento secundario

Los vermifiltros de tratamiento secundario y terciario pueden apilarse debajo del vermifiltro primario en una sola torre, aunque generalmente se encuentran separados. Se pueden conectar varios reactores en serie. El drenaje dentro del reactor se realiza mediante un medio filtrante compactado según la conductividad hidráulica y la permeabilidad de cada material. El filtro retiene las partículas sólidas, aumenta el tiempo de retención hidráulica y proporciona un hábitat adecuado para el desarrollo de lombrices de tierra compostadoras . Esta población requiere niveles adecuados de humedad dentro del medio filtrante, así como un drenaje y oxígeno suficientes.

En los reactores de vermifiltración para el tratamiento secundario y terciario se pueden utilizar aspersores o goteros (ver imagen).

Los factores hidráulicos (tiempo de retención hidráulica, tasa de carga hidráulica y tasa de carga orgánica) y los factores biológicos (número de lombrices, niveles de biopelícula) influyen en la eficacia del tratamiento.

Los reactores vermifiltradores están fabricados con materiales duraderos que impiden la entrada de plagas, como plástico o hormigón. La ventilación debe ser suficiente para garantizar un ambiente aeróbico , a la vez que se evita la entrada de moscas . La temperatura dentro del reactor debe mantenerse dentro de un rango adecuado para los gusanos y microorganismos. ^{[ 10 ]}

Los parámetros de diseño incluyen la densidad de siembra de lombrices ^{[ 12 ]} (con el tiempo, la población de lombrices tiende a autorregularse), la composición del medio filtrante, ^{[ 13 ]} la tasa de carga hidráulica, ^{[ 14 ]} el tiempo de retención hidráulica ^{[ 15 ] [ 16 ]} y la tasa de carga orgánica. Tanto el tiempo de retención hidráulica como la tasa de carga hidráulica afectan la calidad del efluente. El tiempo de retención hidráulica es el tiempo real que las aguas residuales están 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 vermicompostajes de lombrices), el volumen del reactor y el tipo de material utilizado (porosidad). El tiempo de retención hidráulica determina la tasa de entrada de aguas residuales (carga hidráulica como volumen de afluente por hora).

Afluente

El afluente ingresa desde la parte superior del medio filtrante. Es posible la entrada lateral para inodoros de descarga completa, mientras que los inodoros de microdescarga no proporcionan suficiente agua para transportar los sólidos a través de las tuberías de alcantarillado y generalmente se instalan directamente encima del reactor. Los reactores de tratamiento primario deben proporcionar suficiente espacio vertical para el crecimiento de la pila. Esto depende del volumen de sólidos afluentes 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 y mejorar la eficiencia del tratamiento.

Sustrato del filtro

El drenaje dentro del reactor de vermicompostaje se realiza mediante el material filtrante. Este material tiene la doble función de retener la materia orgánica sólida y, al mismo tiempo, proporcionar un hábitat adecuado para el desarrollo de las lombrices de compostaje . Esta población requiere niveles de humedad adecuados en el material filtrante, además de un buen drenaje y condiciones aeróbicas.

Los reactores de vermifiltración pueden constar de una sola sección rellena únicamente con material orgánico, o de hasta tres secciones de filtro que comprenden una capa superior orgánica que proporciona hábitat para las lombrices, una capa superior inorgánica de arena y una capa inferior de grava. El filtro se asienta sobre un sumidero o una capa de drenaje de grava gruesa, rocas o serpentín de drenaje de plástico permeable, por donde se descarga o recircula el efluente tratado hacia la parte superior del reactor. Alternativamente, el material filtrante puede suspenderse sobre el sumidero en una cesta. En ocasiones, se utiliza geotextil sintético para mantener el material filtrante en su lugar sobre la capa de drenaje. Para mantener la aeróbica, debe proporcionarse una ventilación adecuada, junto con una salida para el drenaje del efluente líquido.

Los materiales de relleno de filtro comunes incluyen aserrín , ^{[ 17 ] [ 15 ]} astillas de madera , fibra de coco , corteza , turba y paja para la capa orgánica. La grava , la arena de cuarzo , las piedras redondas , la piedra pómez , las bolas de barro , las bolas de vidrio , la ceramsita y el carbón vegetal se utilizan comúnmente para la capa inorgánica. El área superficial y la porosidad de estos materiales de filtro influyen en el rendimiento del tratamiento. ^{[ 18 ]} Los materiales con baja granulometría (partículas pequeñas) y gran área superficial pueden mejorar el rendimiento del vermifiltro, pero impiden su drenaje.

Los vermifiltros pueden construirse como sistemas de torre única o como reactores escalonados separados (ya sea por gravedad o mediante bombeo) para el tratamiento de aguas residuales según los requisitos de diseño (tratamiento primario, secundario o terciario). Un mayor número de etapas ^{[ 19 ] [ 20 ]} puede aumentar el grado de tratamiento, ya que los sistemas de múltiples etapas proporcionan condiciones aeróbicas acumulativas adecuadas para la nitrificación del amonio y la eliminación de la demanda química de oxígeno (DQO).

En principio, cuanto más tiempo permanezcan las aguas residuales dentro del filtro, mayor será la eliminación de DBO₅ _y DQO, pero a costa de una mayor carga hidráulica. Las aguas residuales requieren un tiempo de contacto suficiente con la biopelícula para permitir la adsorción, transformación y reducción de los 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 por unidad de tiempo. Para un sistema dado, tasas de carga hidráulica más altas disminuyen el tiempo de retención hidráulica y, por lo tanto, reducen el nivel de tratamiento. La tasa de carga hidráulica depende de parámetros como la estructura, la calidad del efluente y la densidad aparente del relleno del filtro, junto con el método de aplicación. ^{[ 22 ]} Las tasas de carga hidráulica suelen variar entre 0,2 ^{[ 23 ]} -3,0 ^{[ 24 ]}  m ³  m ⁻²  día ⁻¹ o 10–20  g  L ⁻¹ . ^{[ 25 ]}

Los valores comunes del tiempo de retención hidráulica oscilan entre 1 y 3 horas. ^{[ 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 eficacia del tratamiento está influenciada por la salud, la madurez y la abundancia de lombrices de tierra. ^{[ 28 ]} Los resultados se suelen expresar en gramos o en número de individuos por volumen o superficie del material de relleno del filtro. Las densidades comunes varían entre 10  g  L ⁻¹ y 40  g  L ⁻¹ de material de relleno del filtro. ^{[ 29 ] [ 30 ]}

Una abundancia de lombrices mejora la eficiencia del tratamiento, en particular la eliminación de DBO₅ ^, _sólidos suspendidos totales y NH₄⁺ _. Esto se debe a que las lombrices liberan materia orgánica en el medio filtrante y estimulan la mineralización del nitrógeno. El humus de lombriz puede contener sustancias que contribuyen a una mayor eliminación de _DBO₅ . ^{[ 31 ]}

Un vermifiltro requiere poco mantenimiento manual. Las unidades que funcionan por gravedad no requieren energía. La recirculación, si se requiere para mejorar la calidad del efluente, requiere una bomba.

Es necesario reponer la materia orgánica a medida que los materiales se descomponen y reducen su volumen. El volumen del humus de lombriz aumenta y debe eliminarse del vermifiltro.

• Construcción de vermifiltros domésticos primarios y secundarios a partir de materiales fácilmente disponibles ^{[ 2 ]}
• El "Tiger Toilet" es un inodoro doméstico de descarga por vertido que proporciona vermifiltración primaria y libera el efluente en el suelo. Ha sido probado por Bear Valley Ventures y Primove Infrastructure Development Consultants en zonas rurales de la India. A diferencia de una letrina de pozo , prácticamente no se acumuló material fecal durante un año. El efluente presentó una reducción del 99 % en coliformes fecales . La satisfacción del usuario es alta, debido a la ausencia de olor. ^{[ 9 ] [ 32 ]} Este sistema se comercializa en la India, donde se habían vendido e instalado más de 2000 unidades para mayo de 2017. ^{[ 33 ]}
• Oxfam promueve los "inodoros de gusanos tigre" en campos de refugiados, barrios marginales y zonas periurbanas de África, como Liberia . ^{[ 34 ]}
• El Proyecto de Ayuda Sostenible de Ghana (GSAP) comercializa sistemas de inodoros con vermifiltro de bajo consumo de agua y remojo directo del subsuelo en Ghana y otros países africanos, con el apoyo de Providence College y la Universidad de Ghana .
• Biofilcom está comercializando su producto "Biofil Digestor" en Ghana.
• En Australia y Nueva Zelanda, proveedores como Wormfarm, Zenplumb, Naturalflow, SWWSNZ y Autoflow ofrecen vermifiltros para el tratamiento de aguas grises/negras domésticas, eliminando el efluente tratado primariamente en campos de lixiviación subterráneos.
• Inodoro con vermifiltro

• Inodoro de compostaje
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• Filtro de goteo
• Inodoro seco con sistema de separación de orina
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• Reutilización de excrementos

• El proyecto Innoqua combina vermifiltros y filtros que utilizan Daphnia, microalgas y otros organismos para tratar aguas residuales y cuenta con este resumen de vermifiltros .