Zanjas Filtrantes: fundamentos, diseño, selección de ubicación y construcción

Introducción

Como comentaba en un post anterior, en la antigüedad, y aún hoy en día en muchos casos, el terreno y las masas de aguas son los principales receptores de las aguas residuales que los humanos generamos en nuestras diversas actividades cotidianas. De la observación e imitación de lo que ocurre de forma natural en estos receptores, han ido surgiendo diferentes tratamientos para este tipo de vertidos a lo largo del tiempo.

En este post hablaremos de las Zanjas Filtrantes (tratamiento de las aguas por aplicación al terreno), y que se aplican como solución on site para el tratamiento de las aguas residuales generadas a muy pequeña escala.

Fundamentos de las Zanjas Filtrantes

En el complejo ecosistema suelo-agua-plantas tiene lugar una serie de procesos físicos, químicos y biológicos, mediante los que es posible eliminar un gran número de los contaminantes presentes en las aguas residuales urbanas (Figura 1).

Las reacciones fisicoquímicas que tienen lugar en la matriz del suelo, la actividad de los microorganismos presentes en abundancia en el mismo y la propia acción de la vegetación, permiten la depuración de las aguas en su lento percolar a través del terreno.

Las aguas residuales a tratar pueden aplicarse al terreno de forma subsuperficial o superficial. En el primero de los casos se encuadran, entre otros tratamientos las Zanjas Filtrantes, llamadas también Zanjas de Infiltración, cuyo esquema típico de funcionamiento se muestra en la Figura 2.

Se observa, que las aguas a tratar pasan previamente por una etapa de tratamiento primario (generalmente Fosa Séptica/Tanque Séptico). El correcto diseño, construcción y operación y mantenimiento de esta etapa es vital para evitar colmataciones en las etapas posteriores del proceso de tratamiento.

Las aguas procedentes del tratamiento primario, se distribuyen subterráneamente en el terreno a través de tuberías de drenaje, que se disponen en zanjas. Estas tuberías de drenaje se recubren con grava, quedando constituida la superficie de infiltración tanto por el fondo de las zanjas, como por las paredes verticales de las mismas.

Diseño de las Zanjas Filtrantes

El diseño de las Fosas Sépticas ya se explicó con detalle en un post anterior, que cuenta con más de 36.000 visitas.

En el caso de las Zanjas Filtrantes la Tasa de Infiltración del terreno es el parámetro clave para su dimensionamiento, descartándose aquellos terrenos de naturaleza excesivamente permeable o impermeable, que darían lugar a pobres rendimientos de depuración o a encharcamientos permanentes, respectivamente.

Otro parámetro de vital importancia es el nivel freático, que debe determinarse en época de lluvias, para evitar la contaminación de las aguas subterráneas.

Ensayos para la determinación de la Tasa de Infiltración del terreno

La Tasa de Infiltración permite determinar la viabilidad de la aplicación de este tipo de tratamiento en cada situación concreta. Para su determinación, se practica un orificio en el terreno, generalmente de forma cuadrada (30 x 30 cm) y con una profundidad que debe ser superior a 30 cm (Figura 3). Siendo lo ideal (aunque no siempre es factible), que el fondo de este orificio coincida con el fondo de las tuberías de drenaje que se van a implantar en las zanjas.

En aquellas situaciones en las que el fondo de las Zanjas Filtrantes se encuentre por debajo de 1 m de la superficie del terreno, se procederá a la excavación de una trinchera, en la que se ubicará el orificio de ensayo. La trinchera tendrá unas dimensiones mínimas de 0,8 x 0,8 x 0,4 m, para permitir que una persona pueda agacharse para la toma de datos y el orificio se dispondrá en uno de los extremos de esta trinchera y tendrá una profundidad de unos 0,5 m (Figura 4).

Al abrir el orificio de ensayo, la fricción y empuje de las herramientas empleadas sella sus paredes, por lo que una vez abiertos se deben rascar sus paredes laterales y fondo, procediendo, a continuación, a la retirada del material desprendido.

En el fondo del orifico se dispondrá una capa de grava, para evitar que al llenarlo con agua se produzcan socavaciones.

Puesto que cuando las Zanjas Filtrantes se encuentren operativas, el terreno va a operar en condiciones de saturación, se hace necesario que los ensayos de infiltración reproduzcan estas condiciones. Para ello, es recomendable que los orificios se perforen la tarde anterior (para minimizar las pérdidas por evaporación) al día del ensayo, y que una vez realizados se mantengan los orificios llenos de agua.

Al día siguiente, y en sus primeras horas para minimizar los efectos de la evaporación, se iniciará la toma de datos. Para ello, en la parte superior del orificio se colocará una referencia, que permita la medida de la lámina de agua.

Se comienza añadiendo agua al orificio hasta un nivel dado, que como mínimo debe quedar 15 cm por encima de la capa de grava dispuesta en el fondo, al inicio de cada ciclo de lectura. El nivel de lámina de agua se medirá con la ayuda de la referencia establecida.

Durante un período de cuatro horas, y a intervalos de 30 minutos, se procederá a determinar la altura de lámina de agua en el orificio, reponiendo agua si fuese necesario. Se anotarán los valores de altura obtenidos en el transcurso del ensayo, en una tablilla similar a la siguiente (Figura 5).

La diferencia de lecturas de nivel, al inicio y final del último periodo de 30 minutos ensayado, es la que se toma para definir la Tasa de Infiltración del terreno en cuestión, que suele expresarse en cm/min.

Se recomienda calcular el valor medio de todas las mediciones realizadas en el transcurso de las cuatro horas de duración de la prueba, y comparar este valor con el obtenido en el último ensayo. Si se diesen diferencias significativas entre ambos valores, será indicio de que se han cometido errores durante las lecturas, o de una deficiente saturación inicial del terreno (Figura 6).

Los resultados obtenidos de la Tasa de Infiltración son indicativos de la textura del suelo y permiten determinar la Tasa de Aplicación al terreno de las aguas residuales a tratar, de acuerdo con la tabla siguiente (EPA 1980), (Figura 7).

Se observa, cómo se descartan los sistemas de aplicación al terreno cuando el suelo es excesivamente permeable o impermeable, tal como se comentó con anterioridad

En el caso de las Zanjas Filtrantes, para que sea factible su instalación la Tasa de Infiltración debe encontrarse entre 0,4 y 24 min/cm, que se corresponde, según la Tabla, con Tasas de Aplicación de 18-48 l/m2.d.

El número de ensayos a llevar a cabo para determinar la Tasa de Infiltración del terreno depende del tamaño de la población a tratar y del grado de seguridad con el que se quiera trabajar, pero como norma general, en el caso de aplicación las Zanjas Filtrantes para tratar las aguas residuales generadas por una única vivienda, es suficiente con un único ensayo. Si fuese necesaria la realización de varios ensayos, la distancia mínima entre los mismos debe ser de 30 m.

Una vez obtenida la Tasa de Aplicación (a través de la Tasa de Infiltración, para el diseño de las Zanjas de Infiltración se procede como sigue:

En primer lugar se procede a determinar el caudal de aguas residuales a tratar diariamente, hacienso uso de la expresión:

Siendo:

• Q: caudal de aguas a tratar (l/d)
• N: número de personas a tratar (personas)
• f: dotación de agua residual por persona (l/persona.d)

Determinado el caudal de aguas a tratar, la superficie del fondo de la Zanja de Infiltración se determina mediante la expresión:

Siendo:

• S: superficie del fondo de la Zanja de infiltración (m2)
• TA: Tasa de Aplicación (l/m2.d), determinada a partir de los ensayos para calcular la Tasa de Infiltración.

Nota: si bien las paredes de las Zanjas de Infiltración también ayudan a la infiltración de las aguas en el terreno, para el cálculo de la superficie necesaria de zanja, y con objeto de operar con un margen de seguridad, tan sólo se considera que la infiltración se produce por el fondo de la zanja.

Para una anchura de la zanja de 0,6 m, su longitud viene dada por:

Siendo:

• L: longitud de la Zanja de infiltración (m)

Si esta longitud fuese superior a 20 m, se construirían varias zanjas de 20 m de longitud, o menos, de forma que la suma de sus longitudes coincida con la longitud calculada.

Selección de ubicación de las Zanjas Filtrantes

Para la localización de las Zanjas Filtrantes se respetarán las siguientes distancias mínimas:

• 1,5 m distantes de construcciones, límites de terrenos, sumideros y campos de infiltración.
• 3,0 m distantes de árboles y de cualquier punto de redes públicas de abastecimiento de agua.
• 15,0 m distantes de pozos subterráneos y cuerpos de agua de cualquier naturaleza.

Estas distancias se medirán en un plano horizontal y desde el punto más cercano de la instalación de Zanjas Filtrantes al elemento en cuestión.

Construcción de las Zanjas Filtrantes

En la etapa de construcción de las Zanjas Filtrantes se respetarán las siguientes recomendaciones:

• La profundidad de las zanjas será de 0,6 m.
• La separación desde el fondo de la zanja hasta el nivel del freático en tiempo de lluvia será como mínimo de 1,2 m.
• La anchura de las zanjas será de 0,6 m.
• La separación entre zanjas será de 1,8 m, medida entre los ejes de las tuberías de drenaje.
• El número mínimo de zanjas será de dos.
• Las tuberías de drenaje tendrán un diámetro de 4”.
• Las tuberías de drenaje deben ir perforadas con dos líneas paralelas de orificios en su parte inferior de ¼ de pulgada cada 20 cm.
• La tubería de drenaje irá embutida en una capa de grava, de tamaño 20-32 m, dejando por encima de la tubería un espesor de grava de 5 cm, y 15 cm por debajo de la misma. En el caso de que haya árboles a menos de 3 m de distancia, el espesor de grava bajo la tubería de drenaje será de 30 cm.
• Por encima de la capa de grava se extenderá una capa de tierra vegetal de unos 30 cm.
• Entre la capa de tierra vegetal y la grava colocada por encima de la tubería de drenaje, se colocará un material barrera (geotextil), para prevenir la migración de finos desde la capa de tierra vegetal a la capa de gravas, y prevenir el posible taponamiento de estas

P.D.1.- Para la descripción de los ensayso para la determinación de la Tasa de Infiltración, he tomado como modelo una publicación de un buen amigo del Médico del Agua, el profesor Elías Rosales.

Otras referencias:

EPA (1980). Onsite wastewater treatment and disposal systems, (pp. 39, 110-113, 124- 128).