FACULTAD DE CIENCIAS AMBIENTALES

ESPECIALIDAD DE INGENIERÍA AMBIENTAL

TRABAJO ENCARGADO

“Emisarios submarinos”

EQUIPO : Cheryl Soto Chávez, Alejandra Ponce García, Katia Berrios , Sayuri Baba

FECHA : 21/11/2015

Lima - Perú, 2015

INDICE1. INTRODUCCIÓN...............................................................................................................2

2. MARCO TEÓRICO............................................................................................................4

2.1. Definición....................................................................................................................4

2.2. Descripción de modelos............................................................................................6

2.3. Mediciones de corrientes..........................................................................................8

2.4. Medición de t90..........................................................................................................9

2.5. Programa de muestreo de calidad de agua.........................................................11

2.6. Estudios meteorológicos.........................................................................................12

2.7. Estudios batimétricos y geológicos.......................................................................12

2.8. Diseño y construcción.............................................................................................12

3. NORMAS DE CALIDAD DE AGUA...............................................................................13

3.1. Normas microbiológicas..........................................................................................13

3.2. Zona de mezcla........................................................................................................13

4. CRITERIOS DE DISEÑO...............................................................................................15

4.1. Comportamiento hidráulico: toma y vertido..........................................................15

4.2. Protección de la tubería, el lastrado y el perfil longitudinal................................15

4.3. Dimensionamiento estructural de la tubería.........................................................16

4.4. Bocas de hombre.....................................................................................................16

4.5. Balizamiento y anti-arrastreros..............................................................................16

4.6. La construcción: dragado, fondeo, juntas y protección......................................16

4.7. Elementos singulares: el difusor y la estructura de toma...................................17

5. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL EMISARIO SUBMARINO................................17

5.1. Ventajas....................................................................................................................17

5.2. Desventajas..............................................................................................................17

6. CALCULO DE LA DILUCION INICIAL..........................................................................18

7. EJERCICIOS....................................................................................................................19

8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES...............................................................22

9. BIBLIOGRAFIA................................................................................................................22

10. ANEXOS.......................................................................................................................23

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1. INTRODUCCIÓN

El tratamiento de las aguas servidas ha cobrado en los últimos años en nuestro país una súbita importancia. Las perspectivas y exigencias de los mercados internacionales aumentan la presión hacia una política de tratamiento generalizado de las aguas servidas domiciliarias.

Se presenta una descripción del desempeño del emisario submarino largo incluyendo dilución inicial, dilución horizontal y mortalidad de coliformes y se hacen comparaciones con el tratamiento secundario con descarga cerca del litoral. Se describen requisitos de datos de campo y/o procedimientos para corrientes, T90, calidad de agua, meteorología, batimetría y geológico. También se mencionan consideraciones sobre el diseño y construcción y se presentan costos. Se discuten los estándares microbiológicos de la calidad de agua así como aspectos sobre la zona de mezcla.

Cuando se está realizando un vertido continuo a través de un emisario submarino, pueden observarse dos zonas claramente diferenciadas: la zona de inyección, donde se produce un intenso mezclado del efluente con el agua del medio receptor debido a la fuerte turbulencia originada por la velocidad inicial del efluente y la fuerza ascensional que este experimenta como consecuencia de su menor densidad (agua dulce a temperatura más alta.) Si el trazador fuera visible, la apariencia que tendría esta zona sería la de un conjunto de chorros que salen de los orificios del difusor y que se curvan para seguir una trayectoria ascendente, engrosándose cada vez más y pudiendo llegar a unirse entre si los distintos chorros antes de llegar a la superficie. En cualquier caso, al llegar a esta (a veces antes, si existe una estratificación pronunciada) , se produce una disminución importante de la velocidad, por haberse agotado la energía aportada por el efluente. (Jenkins, 1979).

A partir de este momento, la mezcla evoluciona principalmente por la acción de las corrientes propias del medio receptor, constituyéndose lo que se denomina zona de evolución, la cual, con trazador visible, tendría en la planta el aspecto de una pluma con tonos muy tenues, como consecuencia de que el efluente se encuentra ya altamente diluido. Las características de esta “pluma” dependen en gran medida de la estructura de flujos existente. Así, los remolinos de diámetro superior a la distancia entre el punto de vertido y la costa, son los que definen “grosso modo” la forma del eje; los remolinos de diámetro inferior al ancho de la pluma son los que producen el aumento de dilución, y los de Tamaño intermedio son los responsables de que la forma del eje en cada instante presente pequeñas oscilaciones respecto a la situación media ( figura X.) Además, si el medio esta fuertemente estratificado, puede suceder que las aguas superficiales tengan una estructura de flujos muy diferente a la de las aguas profundas. Como el vertido suele subir a la superficie por su menor densidad, son estas corrientes las que interesa estudiar, cobre todo, pero teniendo en cuenta que, en este caso, la dispersión vertical se ve muy disminuida.(Ruiz &Sole , 1980)

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Figura 1. Esquema de una pluma con indicación de los distintos tipos de remolino que actúan sobre ella. La línea punteada indica la situación instantánea del eje, y la línea de trazos la situación media al cabo de varias horas. Fuente: (Ruiz &Sole , 1980)

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2. MARCO TEÓRICO

2.1. DefiniciónUn emisario submarino es un conducto mediante el cual se bombea el agua residual, después de un tratamiento primario, para conducirla a una cierta distancia de la costa. Al final de la tubería se instala un tramo de tubo perforado, llamado difusor, que facilita la difusión del agua servida en el cuerpo receptor.

El emisario submarino se destina principalmente de la reducción de coliformes, esto se efectúa por medio de la dilución inicial, difusión horizontal y decaimiento de coliformes; el último usualmente tiene un efecto mucho mayor sobre los cálculos para emisarios submarinos. Las bacterias fecales presentan altas tasas de mortalidad en el medio marino debido principalmente a la incidencia de la luz, especialmente la frecuencia ultravioleta, la salinidad, nutrientes e interacciones ecológicas con otras especies.

La posición y distancia del difusor de la costa se determina de manera que las bacterias lleguen a la costa con una concentración aceptable, definida mediante normativas, para cada país. Para la determinación de la posición generalmente se utilizan modelos matemáticos que simulan la dilución del efluente, el decaimiento bacterino, tomando en cuenta las corrientes marinas. Para la aplicación de estos modelos matemáticos, deben efectuarse mediciones in situ de las condiciones locales de las corrientes.

Este tipo de dispositivo se utiliza también en ríos y lagos, aunque con mucha menor eficiencia en vista de la calidad del agua en el cuerpo receptor.

El sistema propuesto como tratamiento, para este tipo de efluentes consta de 3 etapas o fases fundamentales:

1) Fase 1: Tratamiento Físico

El Tratamiento Físico conceptualmente representa la primera etapa del Sistema de Emisarios. Esta cumple 2 funciones fundamentales:

a) La eliminación total de las partículas sedimentables y flotantes del líquido que ingresa a la planta, con el objeto de proteger efectivamente las unidades mecanizadas de elevación y transporte, así como favorecer los fenómenos de estabilización utilizados posteriormente por el sistema. b) El acondicionamiento de las partículas a degradar, a través de la disminución del tamaño de sólidos suspendidos gruesos y el aumento de oxígeno disuelto por aireación del fluido, con el objeto de optimizar las etapas posteriores de remoción. De esta forma el diseño conceptual de esta etapa incluye: cribas o rejas (fijas o

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mecanizadas), unidades desarenadoras, desgrasador, conminutor o triturador del material orgánico suspendido.

2) Fase 2: Transporte y Pretratamiento Biológico

En esta etapa se transportan las aguas desde la costa hasta un punto en el océano en que se den las condiciones óptimas de dilución y dispersión para el desarrollo de la etapa 3 Debido al importante tiempo de residencia de las aguas en los ductos de impulsión y en el emisario, se verifica en éstos el fenómeno natural de la autodepuración asociado a los residuos líquidos domésticos. Por esto, se reduce la cantidad de oxígeno demandado por la materia orgánica y/o se disminuye la cantidad de microorganismos presentes en las aguas. Por lo tanto, se distingue la presencia de un pretratamiento biológico como segunda etapa en la capacidad global del sistema. Por otro lado el tiempo de residencia al interior del emisario es altamente significativo para la duplicación bacteriana. En el caso estudiado ha sido posible observar que las bacterias llegan debilitadas a la zona de descarga del emisario, con su metabolismo enlentecido (estado de dormancia) lo que facilita su abatimiento en el impacto con el medio marino. ( Mondaca y Padilla, 1995) Las partes o unidades distintivas del sistema, en esta etapa son: Cámara de Carga y Ducto o Tubería Submarina.

3) Fase 3 : Tratamiento Submarino

En esta última fase del tratamiento, situada en el volumen de agua circundante al punto de descarga, se verifican al menos las siguientes funciones:

a) Reducción de la contaminación orgánica y bacteriológica mediante procesos físicos asociados a la mezcla y dilución de aguas servidas en el mar. b) Reducción de la contaminación bacteriana mediante procesos físicos y biológicos relacionados con factores diversos como: temperatura, radiación ultravioleta, osmosis, salinidad, algas bactericidas, etc. c) Degradación de la materia orgánica por la acción bacteriana y del zooplancton, incorporándola a las cadenas trópicas. En esta etapa es posible diferenciar 2 unidades básicas: sistema de difusores, que es la estructura terminal del conducto y cuya función principal es producir una gran dilución inicial del efluente. Área de tratamiento natural, constituida por un cierto volumen de agua donde se desarrolla básicamente un tipo de tratamiento secundario

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2.2. Descripción de modelos

El diseño apropiado de un sistema de emisario submarino puede lograr diluciones suficientes de la descarga de aguas residuales para reducir las concentraciones de contaminantes a niveles generalmente establecidos como normas de calidad de agua. Una dilución mínima de 100:1 es común, permitiendo que la alternativa de un emisario submarino supere la de las plantas de tratamiento convencionales.

Hay varios mecanismos que controlan las características de dilución de un emisario submarino. Estos mecanismos usualmente se consideran en tres fases: dilución inicial que ocurre durante los primeros minutos al salir las aguas residuales del emisario submarino y ascender en la columna de agua recipiente; transporte y dispersión horizontal del campo de aguas residuales; y las reacciones cinéticas que ocurren en el mar. Para la descarga de aguas negras, el mecanismo de mayor importancia para el diseño es el de la desaparición de organismos indicadores tales como coliformes.

Tres fenómenos afectan la dilución inicial: mezcla causada por el impulso de las aguas servidas al salir del emisario submarino; fuerza ascendente causada por la diferencia de densidad entre las aguas residuales y las aguas de mar (diferencias en temperatura y salinidad) que hace que el campo de aguas servidas ascienda en la columna de agua extendiéndose en el proceso y, por lo tanto, mezclándose con agua de mar; y finalmente, el efecto de la corriente que causa una mezcla lateral de agua de mar renovadora en el campo de las aguas residuales.

El campo de aguas residuales diluido puede ascender a la superficie, o llegar a un nivel sumergido, dependiendo del grado de estratificación de la columna de agua. Brooks (1983) ha desarrollado un modelo que estima la dilución inicial que se puede lograr en función de los parámetros de profundidad, diámetro y velocidad de salida y diferencias en densidad. Posteriormente, Roberts (1977, 1987) desarrolló un modelo que permite estimar la dilución inicial para diferentes estructuras de corrientes, con o sin estratificación. El diseño apropiado del difusor del emisario submarino es crítico para alcanzar el nivel deseado de dilución. La longitud, profundidad y orientación así como el área y separación de los orificios de descarga, son parámetros claves del diseño. Rawn, et al. (1961), ha presentado métodos para el diseño de difusores y éstos han sido incorporados en un programa simple de computadora por Salas (1983).

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Dispersión horizontal y transporte son función del régimen de corrientes locales y dispersión turbulenta (mezcla lateral causada por corrientes turbulentas). Brooks (1960) ha desarrollado un modelo que caracteriza adecuadamente estos procesos para estimar la dilución horizontal.

Un modelo simple logarítmico de mortalidad bacterial provee una predicción adecuada de la desaparición de coliformes con el fin de diseñar emisarios submarinos. El modelo es el siguiente:

En donde:

Sb = "dilución" de coliformes T = tiempo de traslado del campo de aguas residuales a las áreas a proteger, por

ejemplo, playas, en horas T90 = tiempo necesario para la desaparición del 90% de los coliformes, en horas La dilución total obtenida como resultado de los tres procesos descritos es

simplemente el producto de las diluciones individuales. Esto es para bacteria:

En donde:

ST = Dilución total Si = Dilución inicial Sh = Dilución horizontal Sb = Desaparición de coliformes Co = Concentración inicial de coliformes en las aguas residuales CT = Concentración de coliformes después de T horas (en las playas)

La dilución inicial y la mortalidad bacterial usualmente son mucho más significativas que la dilución horizontal. Por ejemplo, valores típicos son:

Si: 50 - 200

Sh: 2 - 3

Sb: 500 - 10,000

ST: 5 x 104 - 6 x 106

Para sustancias conservativas (no biodegradables), la dilución inicial es el factor más importante.

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Los parámetros ambientales más importantes en el diseño de emisarios submarinos generalmente son la estructura de la densidad de las aguas de mar recipientes, el régimen de corrientes y el T90 (para aguas cloacales). Por lo tanto, las campañas de recolección de datos deben concentrarse en obtener mediciones buenas de estos fenómenos.

2.3. Mediciones de corrientes

El diseño de un emisario submarino requiere de una definición adecuada de las corrientes dominantes del área de estudio. En general se recomienda instalar correntógrafos con registros incorporados para medir continuamente la velocidad y dirección de las corrientes a tres metros de la superficie y a 2 metros del fondo, en la ubicación más probable de la descarga del emisario submarino y otras ubicaciones, las que dependerían de la circulación marina del área y de la cercanía a las playas que se pretende proteger. En general, estos correntógrafos se instalarían durante dos o tres meses en las épocas lluviosa y seca. Estas se deben combinar con estudios de flotadores superficiales. Asimismo, se debe medir el nivel de mareas durante el mismo período.

Existe una nueva generación de correntógrafos continuos "AcousticDopplerCurrentProfiler (ADCP)". Estos pueden ser fijados en el fondo, a cualquier profundidad, o en la superficie. También pueden fijarse a las embarcaciones. Estos nuevos correntógrafos usan la tecnología de sonar, midiendo el movimiento de partículas en el agua. Uno de los fabricantes, RD Instruments, de California, manifiesta que uno de éstos puede medir la velocidad en la columna de agua hasta en 128 profundidades. Por lo tanto, puede reemplazar un buen número de los correntógrafos antiguos.

En el caso que no se disponga de correntógrafos continuos, como alternativa mínima se recomienda utilizar correntógrafos de medición instantánea, tomando mediciones cada 15 minutos durante períodos extendidos. Observaciones diarias desde embarcaciones serían necesarias durante varias semanas en cada época. Estas se deben combinar con estudios de flotadores superficiales y subsuperficiales lanzados periódicamente en las estaciones de medición de corrientes. La posición de los flotadores sería registrada cada hora, por un período de uno a cinco días dependiendo de las características del área de estudio, por medio de observaciones visuales de una embarcación a través de alineamientos en tierra y/o radar.

Se deben analizar los datos de corrientes con técnicas armónicas o de filtración. Sería útil la presentación visual de promedios y valores probables de 80% ó 90%, dependiendo en la norma de calidad de agua, en gráficos rosetas (histogramas de coordenadas polares). Los datos de los flotadores y de los correntógrafos usualmente se presentan también en gráficos de vectores progresivos (gráficas de secuencia "cola a cabeza").

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Figura 2. Amarre para dos correntógrafos (Hydroscience 1974)

2.4. Medición de t90

La medición de T90 se puede efectuar en varias formas, y a continuación se presentan tres de éstas:

1.1.1. Medición in situ en mancha artificial

Se transporta un volumen grande de desechos al área propuesta de descarga y luego se mezcla con éste un trazador conservativo apropiado como Roadmina WT o una sustancia radioactiva. Esta mezcla se descarga en forma instantánea al medio marino y se toman varias muestras en el centro de la mancha y se mide la concentración inicial tanto del trazador como de los organismos indicadores (por ejemplo, coliformes totales y/o fecales). Se podría usar un fluorómetro a bordo que brindaría mediciones rápidas para definir concentraciones pico de tinte; esto es, la ubicación en donde deberían tomarse las muestras para realizar análisis subsiguientes de laboratorio para organismos indicadores. Pearson (1971) sugiere que las muestras se tomen a 0.6-0.9m y a aproximadamente 3m

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debajo de la superficie, en el punto inicial de descarga y en posiciones subsiguientes en tiempos sugeridos de 10, 20, 30, 45, 90, 120, 180 y 240 minutos. No obstante, se requiere ajustes de campo y el criterio básico es que las muestras sean recolectadas en el lugar de la concentración pico del trazador. Los datos de coliformes resultantes se modifican para dilución física, multiplicando la concentración de coliformes observada por la razón de la concentración inicial de tinte a la concentración de tinte observada en cualquier momento. Una línea recta de mejor correlación con los datos se dibuja en un gráfico semilogarítmico de datos modificados de coliformes versus el tiempo desde el cual se puede leer el valor de T90. Se hace notar que esta metodología incurre en altos costos debido a los grandes volúmenes de desechos y trazador requeridos, lo que depende de las condiciones ambientales.

1.1.2. Medición in situ en mancha existente

En esta metodología se descargan flotadores y/o tinte en un área de descarga existente de aguas cloacales y se toman muestras, como se describe anteriormente, en la vecindad de los trazadores. Estas muestras se analizarían para determinar el nivel de organismos indicadores (por ejemplo, coliformes totales y/o fecales) y otro parámetro de la descarga que pueda considerarse como conservativo en el ambiente marino sin sedimentación. La selección de este último parámetro dependerá de las características de la descarga de las aguas negras. Aún cuando no se le considera como un parámetro conservativo, el ortofosfato disuelto ha sido utilizado con este propósito por ENCIBRA (1969) con la justificación que su decaimiento es, relativamente, mucho más lento que el de los organismos coliformes indicadores. Los datos resultantes se analizan tal como se describió anteriormente pero modificados con los datos del parámetro considerado como conservativo.

1.1.3. Medición en botellones

En esta metodología se usan bolsas transparentes o botellones, en los cuales se diluyen aguas cloacales con agua de mar en razones esperadas después de la dilución inicial, por ejemplo, 1:100. Se colocan estos receptores en ubicaciones fijadas en el medio marino justo debajo de la superficie, cerca del litoral para mantener condiciones ambientales de temperatura y luz. Las muestras son tomadas cada 15 minutos para ser analizadas para coliformes totales y/o fecales. Este procedimiento reduce sustancialmente el costo y equipo eliminando el uso de un trazador conservativo y reduciendo los volúmenes requeridos de aguas servidas. Estos datos se grafican, versus tiempo, en papel semilogarítmico, tal como se describió anteriormente, pero no modificados. El uso simultáneo de receptores opacos (por ejemplo, pintados en negro) para simular condiciones nocturnas puede brindar información sobre las tasas nocturnas de mortalidad.

El uso de bolsas de diálisis puede complicar la situación en que se tiene que determinar las tasas de intercambio con las aguas marinas y los efectos de predadores no están incorporados. Aunque el uso de receptáculos confinados ha recibido críticas de algunos investigadores, por ejemplo, Ludwig (1976), se ha llevado a cabo con resultados satisfactorios en los estudios de la Bahía de Guanabara en Brasil (Hydroscience, 1977) y el litoral de Mar de Plata en Argentina (INCYTH, 1984). Se señala que Acra et al. (1990)

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reporta que el vidrio ordinario transmite 90% de la radiación ultravioleta incidente considerando el componente germicida más importante de la luz solar. También, reporta que materiales plásticos transparentes, tales como plexiglás y otros acrílicos, así como materiales translúcidos tales como polietileno, son buenos transmisores de los componentes germicidas de la luz. Por su simplicidad y bajo costo, en general, se recomienda esta metodología. Se hace referencia a Britto (1979) que presenta varias técnicas adicionales para la medición del T90.

2.5. Programa de muestreo de calidad de agua

A fin de determinar una línea de base de calidad de agua en la zona de posible emplazamiento de una descarga que sirva como referencia para evaluar el desempeño de cualquier sistema de emisario submarino posterior a su construcción, se recomienda, siempre y cuando existan recursos, efectuar campañas de monitoreo incluyendo la toma de muestras en estaciones ubicadas estratégicamente desde el área de descarga hasta 300 metros aguas afuera de las playas más cercanas con un elevado uso para recreación.

En el caso de mar abierto, los parámetros primarios de medición serían los siguientes:

- Temperatura (perfil vertical) - Salinidad (perfil vertical) - Coliformes Totales y/o Fecales - Oxígeno Disuelto* - pH* - Disco Secchi- Sólidos suspendidos - Grasa y aceite

La frecuencia de medición dependería de las condiciones locales, pero en general, dos o tres veces durante distintas épocas (por ejemplo, épocas lluviosa y seca) sería adecuada.

Para sistemas sin tratamiento o únicamente con pretratamiento, sería recomendable una evaluación para identificar y cuantificar los organismos de fondo para asesorar el posible impacto de la sedimentación de las partículas de la descarga.

Este programa se debe combinar con mediciones de la cantidad y calidad de aguas servidas. También sería de interés incluir mediciones de la cantidad y calidad de la escorrentía del área de estudio. Esto permitiría una evaluación del posible impacto de esta fuente de contaminación que continuaría posteriormente a la construcción del emisario submarino. Asimismo, se permitirán comparaciones entre las masas contaminantes provenientes de escorrentía y las de aguas servidas.

Además de lo anterior, se debe efectuar un programa rutinario de vigilancia de la calidad bacterial del agua en las principales playas, para coliformes totales y fecales u otro indicador en que se base las normas. De conformidad con las normas de calidad del agua para recreación de contacto primario en países tales como Brasil, México, EE.UU. entre otros, se recomienda una frecuencia de medición que sería de cinco veces al mes. En vista

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de los recientes estudios de Cabelli (1984), sería conveniente incluir la medición de Enterococci (U.S. EPA, 1985) en el programa de vigilancia, si fuera posible.

Cuando existe la posibilidad de eutroficación, como en el caso de la descarga en una bahía con limitado intercambio con el mar, los parámetros secundarios adicionales de medición serían los siguientes:

- Serie de Nitrógeno (N-orgánico, NH4, NO2, NO3) - Fósforo total y orto-fosfatos- Clorofila 'a' (zona eufótica) - Demanda Bioquímica de OxígenoAsimismo, se podrían efectuar estudios biológicos por medio de arrastre, al fondo y en la superficie, para identificar organismos sensibles. Sin embargo, se destaca que en la situación de descargas en mar abierto, la medición de estos parámetros secundarios no se considera imprescindible.

2.6. Estudios meteorológicos

Concurrente con la medición de corrientes se debe registrar la velocidad y la dirección del viento cada hora a fin de correlacionar estos fenómenos.

2.7. Estudios batimétricos y geológicos

Se debe estudiar la geología del fondo mediante un “botalón” sondas sonoras y buzos a fin de determinar la mejor ruta, evitando al máximo formaciones de rocas irregulares y formación de corales si fuese posible. Se debe recolectar la información detallada de la batimetría a lo largo de la ruta propuesta para el emisario.

2.8. Diseño y construcción

En el diseño conceptual de un emisario submarino se establecen sus dimensiones: longitud, diámetro, ubicación y profundidad de descarga. Asimismo, en esta fase se completa el diseño hidráulico del difusor. En el diseño final estructural se especifican los materiales de tubería y las técnicas de construcción y requerimientos para sostener la tubería en el fondo. Los procedimientos de diseño han sido resumidos por el del Banco Mundial (1983) y Grace (1978). La información detallada sobre la magnitud de las olas sería necesaria en esta fase del proyecto. Los costos de emisarios submarinos desarrollado por Wallis (1979) y actualizados por Ludwig (1988) y el suscrito, se presentan en la Figura 2. También, se incorpora a esta figura los costos de los emisarios submarinos de pequeño diámetro de polietileno de alta densidad aplicables a comunidades pequeñas desarrollados por Reiff (1990).

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3. NORMAS DE CALIDAD DE AGUA

3.1. Normas microbiológicas

Se hace referencia a Salas (1994) que presenta la historia y aplicación de normas microbiológicas de calidad de agua en el medio marino. Este trabajo indica que la base científica utilizada para establecer, a nivel mundial, las normas microbiológicas existentes de calidad de agua para contacto primario de recreación en el medio marino es limitada y que sería mejor que cada país latinoamericano desarrolle sus normas en el contexto de sus propias condiciones socioeconómicas, en vez de simplemente adoptar las normas de otros países. Asimismo, se hace notar que, basado en evidencia epidemiológica, Cabelli (1984) ha concluido que el enterococci es el mejor organismo indicador y ha desarrollado una relación cuantitativa entre él y el riesgo de enfermedades gastrointestinales asociado con la natación en aguas contaminadas. Saliba y Helmer (1990) reportan sobre estudios mundiales entre 1982 y 1989 e informan que, tanto las correlaciones entre síntomas de enfermedad epidemiológicos prospectivos, similares a los conducidos por Cabelli, llevados a cabo a nivel mundial y las concentraciones de indicadores así como los indicadores determinados como los mejores, varían considerablemente entre los estudios. Por lo tanto, se debe tener precaución en aplicar directamente relaciones desarrolladas en otras áreas por factores como la salud general y la inmunidad de la población total.

3.2. Zona de mezcla

En el diseño de emisarios submarinos para la disposición final de aguas cloacales, también se deberá considerar la definición de un grupo separado de estándares dentro de una región limitada alrededor de la sección del difusor del emisario submarino. El propósito de esta zona de mezcla es asignar una región limitada para la mezcla completa del efluente con el agua de mar. Como tal, la zona de mezcla no es una región que cumpla con las normas y tiene un uso limitado del agua.

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Figura 3. Costo de emisarios submarinos

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4. CRITERIOS DE DISEÑO

4.1. Comportamiento hidráulico: toma y vertido.

Para el cálculo hidráulico de un emisario se debe tener en cuenta las siguientes condicionantes:

Asegurar que la velocidad del flujo sea alta para arrastrar toda deposición de material hasta el fondo del tubo. De no ser arrastrado será necesario realizar un lavado con ayuda de bombeo cada cierto tiempo.

Se debe expulsara efluente lo más homogéneo posible sin que el agua marina se introduzca al emisario. ƒ

4.2. Protección de la tubería, el lastrado y el perfil longitudinal.

El emisario debe ser estable frente al oleaje y corrientes, a cualquier profundidad, a lo largo de toda su vida útil. Cuando un tubo se encuentra en el fondo marino puede experimentar fuerzas a causa del oleaje haciendo que este se mueva de su posicion original. Para evitar ello el peso del emisario sumergido debe ser considerable teniendo en cuenta los posibles incidentes. Ademas, el lastrado sirve como base de apoyo de la tuberia en el fondo de la zanja. Normalmente lo más aconsejable en el caso de emisarios colocados sobre el lecho marino es la disposición del mismo en zanja hasta la zona en que la ola no rompe por fondo . Si la zanja es de material no rocoso, se protege, bien con escollera, bien tapando la tubería con el mismo material del fondo, con suficiente espesor.

En zanjas en roca, la tubería podría ir recubierta con una capa de hormigón. En la zona donde el emisario no va en zanja, es necesario colocar alguna protección sobre él. Esta protección podría ser: ƒ

Escollera. ƒ Elementos prefabricados, algunos a modo de lastres secundarios. ƒ Mantas de hormigón. ƒ Mantas bituminosas.

La escollera crearía un dique sumergido que protege al mismo con una o varias capas (cuando se hacen necesarios filtros intermedios entre la escollera exterior y la grava que pueda rodear el tubo). Además de la defensa frente a la acción del mar, la protección es necesaria para evitar posibles acciones accidentales sobre el tubo: ƒ

Caída de objetos. ƒ Impacto de anclas. ƒ Impacto o arrastre de aparejos de pesca.

A la hora de definir un perfil longitudinal, normalmente, se busca reducir la altura de tierras sobre la clave para que los esfuerzos ovalizantes sean más pequeños y que el volumen a limpiarr disminuya. En la zona de rompientes, sin embargo, habrá que estar atentos a que las variaciones del perfil de playa no lleguen a dejar la tubería “al aire”. Por lo anterior, habitualmente, la altura de tierras es más pequeña que en el caso de tuberías terrestres.

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4.3. Dimensionamiento estructural de la tubería

Un emisario submarino debe ser diseñado teniendo en cuenta el proceso de construcción del mismo ya que durante éste se producen esfuerzos que condicionan el material, el tipo de solución, las características mecánicas de la tubería, etc.

La tubería deberá ser capaz de soportar las presiones interiores y exteriores, así como las cargas debidas al relleno. La abolladura puede condicionar las dimensiones de su pared.

En el caso de vertidos, la diferencia entre presión interna y externa es muy baja, ya que el vertido se hace a poca distancia y, por tanto, las pérdidas de carga son reducidas. Por ello, por condiciones de servicio, el timbraje puede ser muy pequeño.

Sin embargo, las condiciones de fondeo pueden exigir timbrajes muy superiores a los de servicio.

Cuando el vertido se hace a través de válvulas antirretorno y el mar presenta marea, pueden producirse sobrepresiones externas que den lugar a problemas de abolladura.

En el caso de tomas de agua, la presión exterior es mayor que la interior, por lo que se deberá tener en cuenta el comportamiento frente a la abolladura.

El lastrado puede ser dimensionado para que funcione como rigidizador, lo cual incrementa la resistencia de la tubería frente a la abolladura.

4.4. Bocas de hombre.

Para la inspección de la tubería, es habitual colocar bocas de hombre cada 300 m (aproximadamente), que permitan el acceso de equipos e, incluso, de buzos (en el caso de tuberías de gran diámetro). Conviene señalizarlas para su fácil localización.

4.5. Balizamiento y anti-arrastreros.

Para que los barcos no puedan afectar a las partes más sensibles de un emisario (tramo difusor, torre de toma, tramos colocados en el fondo sin protección), normalmente se señalizan con un balizamiento adecuado y se colocan elementos antiarrastreros en el fondo, para evitar que las artes de pesca puedan afectar a las conducciones.

4.6. La construcción: dragado, fondeo, juntas y protección.

La construcción de un emisario es complicada (y, por ello, costosa) dado que no se trata de una obra portuaria, es decir, normalmente no hay abrigo del mar, por lo que resulta difícil encontrar ventanas de buen tiempo que permitan trabajar a las embarcaciones.

La primera tarea a ejecutar en obra sería la ejecución de las zanjas (dragado).

En paralelo con esto, en tierra se irá preparando la tubería. A continuación, se ejecuta el fondeo de la tubería. Durante la instalación de la tubería, será necesario ejecutar juntas entre tubos o tramos de tubería.

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Tras la instalación de la tubería, será necesaria su protección con los elementos anteriormente explicados.

4.7. Elementos singulares: el difusor y la estructura de toma.

Para el caso del efluente la tubería termina en el medio en un tramo difusor que tiene una geometría tal que origine una correcta dilución del efluente en el medio que le rodea. Habitualmente consiste en un tramo de tubería con el tramo difusor que origina el vertido con un ángulo de salida comprendido entre 45 y 60º con el plano horizontal.

5. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL EMISARIO SUBMARINO

5.1. Ventajas

a) Medioambientales

Alteración mínima del ecosistema y hábitat del lugar.

Impacto visual mínimo

Superficie de trabajo mínima y reducido impacto ambiental

Volumen mínimo de tierras removidas

Producción mínima de escombros en comparación al método tradicional de apertura de zanjas.

b) Estructurales

La construcción del emisario por debajo del rompiente de las olas evita la erosión provocada por éstas.

Alta resistencia del revestimiento.

Acabado interno uniforme y mejora de las condiciones de flujo.

5.2. Desventajas

Dificultades de construcción

Mantenimiento de difusores

Perdida de la calidad de agua en el lugar de lanzamiento o la necesidad de un

seguimiento continuo.

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6. CALCULO DE LA DILUCION INICIAL

El número de los fenómenos que tienen lugar en la zona de inyección es muy complejo, debido al gran número de variables que intervienen, a las cuales nos hemos referido anteriormente. No obstante, el estado actual de los conocimientos sobre el tema permite calcular la dilución inicial con suficiente aproximación para , prácticamente, cualquier combinación de dichas variables. Un estudio a fondo de todos los casos que pueden presentarse con el método de calculo apropiado para cada uno de ellos, incluyendo programas de ordenador, puede encontrarse en Ruiz et al , 1979.

En primer lugar, señalaremos que todos los vertidos que nos interesan son “profundos”, en el sentido de que el espesor de la capa de mezcla que se forma en la superficie ( o en la termoclina si este es el caso) es bastante maspeque;o que la profundidad total del medio receptor. En caso contrario se produciría una realimentación del chorro con agua ya contaminada, lo que reduciría sensiblemente la dilución inicial. Un criterio numérico para que un vertido pueda considerarse profundo en este sentido, es ( Leeet al,1974).

Donde:

H: Profundidad del medio receptor

D0: diámetro de los orificios.

F0: número de Froude del vertido

U0: velocidad de salida del efluente

Ρa :densidad del medio receptor

Ρ0: densidad del efluente

En estos casos, el espesor de la capa de mezcla varia entre 1/6 y 1/12 de la profundidad total (Lee et al ,1974) pero no conocemos ningún estudio que proporcione un método para calcular dicho valor.

El siguiente parámetro a considerar es la separación L entre orificios en el difusor. Si esta es grande (figura 2) ,los chorros no interaccionan, se pueden estudiar aisladamente; solo en lo que sería el principio de la zona de evolución, habrá que tener en cuenta como se mezclan. A medida que la separación entre orificios va siendo menor, los chorros empiezan a interaccionarse en su tramo ascendente y , si aquella es muy pequeña, los chorros se unen

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entre si formando una única columna ascendente sobre el difusor (figura X ). Desde el punto de vista práctico, interesa distinguir tres casos:

A) Orificios muy separados : H/L ≤ 5B) Orificios muy próximos : H/L ≥ 80C) Casos intermedios : 5< H/L < 80

Figura 4. Esquema de un vertido profundo a través de un difusor cuyos orificios están muy separados. (Jenkins, 1979).

Figura 5. Esquema de un vertido profundo. Orificios poco separados (Jenkins, 1979).

Caso A:

Se estudió el comportamiento de un chorro típico considerado aisladamente. El caso mas simple de chorro horizontal en un medio estacionario con densidad uniforme ha sido estudiado teóricamente por Cederwall en1963 , entre otros. En esos estudios ( y los que se mencionaran después) se obtienen simultáneamente, para cada punto del eje del chorro, en sus coordenadas, la velocidad, el angulo de inclinación, la concentración de trazador, la densidad y el ancho del chorro. De todos estos resultados, el mayor interés práctico es la dilución en el eje, Sm, obtenida dividiendo la concentración de partida del efluente, C 0 , por la concentración ,Cm de la mezcla en un punto del eje situado a una altura y sobre el orificio de salida; como en el eje la concentración es máxima, la dilución es la mínima de toda la sección

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transversal, y la dilución final será la máxima de esas mínimas, las diluciones calculadas por estos autores se han representado en la figura 6.

Figura 6. Resultado de los estudios teóricos y experimentales sobre difusión de un chorro aislado horizontal en un medio receptor estacionario y no estratificado( Liseth,1976)

Junto con unas curvas que Liseth en 1976 ha ajustado a los datos experimentales proporcionados por Cederwall en 1963, Frankel &Cuming 1965 , Hansen & Shroeder en 1968 y Liseth en 1970. Conviene recordar que la solución dada por Cederall es la que ha adoptado la Instrucción española. Normalmente en los vertidos a través de emisarios submarinos. El parámetro y/D0 * 1/F0 varia entre 1 y 20 ; si nos fijamos en la figura 6 , veremos que dentro de ese intervalo se puede suponer y/D0 * 1/ Sm = 3/2, dada la dispersión de los datos existentes. Esto quiere decir que a efectos prácticos, puede tomarse como primera aproximación:

Siendo ymax la distancia entre el difusor y el borde inferior de la capa de mezcla que constituye el principio de la zona de evolución.

Para valores muy altos de (y/D0)*(1/F0), se puede despreciar la componente horizontal de la trayectoria y entonces puede utilizarse la solución dada por Rouse, Yih &Humphreys en 1952 :

Que también esta representado en la figura 6.

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Para los casos mas complicados hay que acudir a la integración numérica de las ecuaciones. Fan y Brooks en 1969, pueden encontrarse unos ábacos con variables adimensionales que resuelven el problema e una descarga con angulo inicial cualquiera entre( 0 y 90 grados) en un medio linealmente estratificado. Hirst , 1972puede encontrar el planteamiento de las ecuaciones para estudiar el caso mas complejo: chorro con angulo inicial variable en un medio receptor con estratificación arbitraria y en movimiento. Todos estos casos son analizados con detalle en Ruiz et al , 1979.. En el cual se incluyen los programas de ordenador que han sido elaborados en el Gabinete de Aplicaciones Nucleares para la integración numérica de las ecuaciones.

Caso B:

En este caso , los chorros se unen ( fig. 5) formando formando una una columnda ascendente sobre el difusor.. Experimentalmente (Liseth, 1970) se ha encontrado que el punto de unión se encuentra a una altura yu ,sobre el difusor, dada por :

Para y > y suele hacérsela hipótesis de que el conjunto se comporta igual que si se hiciera una descarga vertical a través de una ranura de anchura B0=(π* D0

2)/(4*L) y longitud igual a la del difusor. A efectos de cálculo de Sm (dilución mínima) se supone longitud infinita, con lo cual el problema se hace bidimensional. Para el caso de medio receptor no estratificado, una solucion es, Según Rouse;Yih; Humphreys , 1952) :

Teniendo en cuenta la relación que existe entre B0 y D0, esta expresión puede ponerse en la forma :

La cual, para cada valor de y/L, puede representarse mediante una recta en la figura 7. En este caso se han representado dos de ellas,

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Figura 7. Resultados teóricos y experimentales sobre difusión del conjunto de chorros vertidos a través de un difusor. Medio receptor estacionario y no estratificado (Liseth,1976)

Caso C

No vale la hipótesis de chorro bidimensional. En este caso hay que utilizar el grafico de la figura 7, obtenido experimentalmente por Liseth en 1976), para medio receptor no estratificado. No conocemos ninguna experiencia de este tipo con medio estratificado; por lo tanto, este caso debe estudiarse utilizando los métodos anteriores y adoptando alguna hipótesis aceptable de superposición de efectos.

Conviene hacer notar que, hasta ahora lo que se calcula en todos los casos es el valor de Sm para y ≤ máx. Por encima de ymax se produce un intenso mezclado , pero el aumento de dilución sobre (Sm)máx. es pequeño. Si se quiere, puede tenerse en cuenta haciendo algún tipo de promedio entre las concentraciones de los distintos puntos del chorro, ponderadas de acuerdo con sus velocidades.

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Figura 8. Ejemplo de simulación tridimensional de la dilución (Gomez&Tunica, 1996)

7. EJERCICIOS

Se quiere predimensionar un emisario submarino para verter al mar el efluente procedente de una EDAR que sirve a una población de 30.000 habitantes -equivalente situada en una costa arenosa rectilínea. Las batimétricas son también rectilíneas y paralelas a la costa. El perfil transversal del fondo puede aproximarse por un tramo recto con pendiente del 5% en los 40 m más próximos a la costa, seguido de otro tramo recto con pendiente del 2% hasta el límite de la plataforma continental. Como parámetros característicos del medio receptor pueden tomarse:

Temperatura: 15º C Salinidad: 37 psu T90 para coliformes fecales: 2 horasSuponer que no hay mareas.

Determinar la longitud del emisario y los parámetros que caracterizan el tramo difusor (nº y diámetro de las bocas de descarga, separación entre éstas, elevación sobre el fondo, orientación del tramo difusor) de forma que la concentración de coliformes fecales en las aguas de baño cumpla el criterio imperativo de la Directiva 76/464/CEE (2000 Ud/100 ml). Se tomará como límite de la zona de baños una línea paralela a la costa situada a 200 m de distancia de ésta

L: Longitud del tramo submarino del emisario, desde el arranque hasta el primer elevador o boca de descarga (m). HT: Profundidad del fondo del mar en el punto medio del tramo difusor (m). n: Número de bocas de descarga (-) s: Separación entre elevadores (m). h0: Elevación de la boca de descarga sobre el fondo (m).

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β: Ángulo que forma el tramo difusor con el emisario (º) X0: Distancia horizontal entre la boca de descarga y el punto de surgencia (m) Xzb: Distancia entre el punto de surgencia y el límite de la zona de baños (m)

PRIMER TANTEO:

L = 2000 m; n = 21; s = 15 m; d =0,15 m; h0 = 1,5 m; β = 45º Cálculos: Dilución inicial LT = (n-1)*s = 20*15= 300 m HT = (5/100)*40 + (2/100)*(L+LT /2 – 40) = 2 + 42,2 = 44,2 m

H = HT – h0 = 44,2 – 1,5 = 42,7 m

Como s > HT /5, se trata de un difusor con bocas de descarga muy separadas. Como además no existe estratificación,de la Instrucción. Q = 7 * (30.000/1000) = 210 l/s = 0,21 m3 /s

Qb = Q / n = 0,21 / 21 = 0,01 m3 /s ρa (15º C, 37 psu) = 1027,5 kg/m3 (tablas oceanográficas) ρ0 = 1000 kg/m3 g’ = (ρa - ρ0)/ρ0 *g = 27,5/1000*9,8= 0,269 m/s2 q = Q / LT = 0,21 / 300 = 0,0007 m2 /s

Consideraremos como dirección más desfavorable de la corriente la de la mínima distancia al límite de la zona de baños, es decir, la perpendicular a la línea de costa.

θ = 45º LT sen θ = 300* 2 / 2 = 212 m Ua = 0,20 m/s

F = Ua 3 / (g’ q) = 0,203 / (0,269*0,0007) = 42,4 0,93 LT F – 1/3 = 0,93*300*42,4 –1/3 = 80,0 m B = máx [212 m, 80 m] = 212 m

Para calcular S y e hay que iterar: 1ª iteración: elegimos e0 = H / 4 = 10,7 m. Entonces: S1 = 0,089 g’ 1/3 (H – e)5/3 Qb -2/3 = 0,089*0,245 1/3 * (42,7 – 10,7)5/3 *0,01 –2/3 = 383 e1 = S1 Q / (B Ua) = 383*0,21/(212*0,20) = 1,90 m

2ª iteración: S2 = 0,089*0,269 1/3 * (42,7 – 1,90)5/3 *0,01 –2/3 = 593 e2 = 593*0,21/(212*0,20) = 2,94 m

3ª iteración: S3 = 0,089*0,269 1/3 * (42,7 – 2,94)5/3 *0,01 –2/3 = 573 e3 = 573*0,21/(212*0,20) = 2,84 m

4ª iteración: S4 = 0,089*0,269 1/3 * (42,7 – 2,84)5/3 *0,01 –2/3 = 576 La diferencia entre S4 y S3 es despreciable. Por tanto tomamos: S = 573 e = 2,84

Posición del punto de surgencia

W = 6,3 (g’ Qb/ H)1/3 = 6,3*(0,269*0,01/42,7)1/3 = 0,25 m/s X0 = (W / Ua) H = (0,25/0,20)*42,7 = 53,4 m Xzb = (L + LT /2 – 200 – X0) = 2000 + (300/2) –200 – 53,4 = 1896,6 m Comprobación de los objetivos de calidad

Las máximas concentraciones se dan en el eje de la pluma, por lo que nos interesa calcular la concentración en el punto de coordenadas

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X = Xzb, Y = 0, Z = 0. Además, por encontrarse el límite de la zona de baños muy alejado del punto de surgencia podemos aplicar las fórmulas simplificadas ) para calcular F1, F2 y F3. t = Xzb / Ua = 1896,6 / 0,20 = 9483 s = 2,63 horas

Suponiendo que estamos en el Mediterráneo, tomaremos T90 = 2 horas para los coliformes fecales , que constituyen el contaminante crítico en este tipo de vertido.

F0 (t) = 10 – t/T90 = 10 – 2,63/2 = 0,0484 Tomaremos Ky = 0,1 m2 /s σy = (B2 / 16 + 2 Ky t)1/2 = (2122 / 16 + 2*0,1*9483)1/2 = 68,6 m F1 (t) = (2 π) – ½ B / σy = (2*3,14) – ½ * 212 / 68,6 = 1,23 F2 (Y, t) = exp ( -Y2 / 2 σ 2 y) = exp ( 0 ) = 1

Tomamos como valor de Hh la media entre las profundidades en el punto de vertido (HT = 44,2 m) y en el límite de la zona de baños (Hzb = (5/100)*40 + (2/100)*(200 – 40) = 2 + 3,2 = 5,2 m) F3 (Z, t) = e / Hh = 2,74 / ((44,2 + 5,2)/2) = 0,111 Por lo tanto, la concentración en el límite de la zona de baños será: Czb=C (Xzb, 0, 0)= (C0 / S) F0 (t) F1 (t) F2 (Y,t) F3 (Z,t) = (C0 / 553)*0,0484*1,23*1*0,111 O sea: Czb = 1,19*10 – 5 * C0 Si solo existe tratamiento previo, C0 = 108 Ud / 100 ml y Czb = 1190 Ud/100 ml.

Si existe tratamiento primario, C0 = 5*107 Ud /100 ml (reducción del 50%) y Czb = 595 Ud/100 ml. Si además existe tratamiento secundario, C0 = 107 Ud /100 ml (reducción del 90%) y Czb = 119 Ud/100 ml. En los tres casos se cumpliría el criterio imperativo de la Directiva (2000 Ud/100 ml). No obstante, para reducir el coste del emisario deberían tantearse otras soluciones con emisarios algo más cortos hasta cumplir estrictamente el criterio.

Por otro lado, se debería probar con separaciones menores entre bocas de descarga (por ejemplo, s = 9 m), ya que seguramente se obtendrán valores muy parecidos de Czb y así conseguimos acortar el tramo difusor.

8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Los emisarios submarinos proveen una tecnología eficiente, segura y relativamente económica para la disposición final de aguas residuales, y cuando están diseñados apropiadamente, pueden alcanzar los objetivos de calidad del agua y minimizar los impactos adversos al ambiente, a la ecología y a la salud pública.

Sin embargo esta conclusión no es aplicable ante la presencia de sustancias tóxicas, persistentes o acumulativas. Las primeras porque afectan la flora y la fauna comprometiendo de paso la capacidad de autodepuración del sistema. Las otras porque son inmunes a la degradación natural y la bioacumulación termina por anular los efectos de dilución obtenidos.

El emisario submarino es, desde el punto de vista técnico, una de las soluciones de tratamiento de aguas servidas menos sofisticada, por ende menos sometido a fallas, lo que da garantías en la operación del sistema.

Ante una situación de desperfecto o desastre, se retorna -por algunas horas o días- a la situación de contaminación inicial, descargando cerca de la línea de playa.

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El funcionamiento del emisario no muestra efectos secundarios, externalidades o transferencia de efectos nocivos hacia otros sectores geográficos o sociales dado que el efluente es procesado íntegramente en el sistema propuesto.

El área de tratamiento natural es un área que debe ser geométricamente definida y dimensionada en cada caso. Su definición, conocimiento y manejo pueden transformarse en un valioso instrumento de gestión ambiental.

9. BIBLIOGRAFIA

Cederwall, K. (1970) Hydraulic of Marine Waste Water Disposal, Report 366 Gómez, C. & Túnica, J. (1996) Ingeniería del Agua. Universidad Politécnica de Valencia,

España.

Jenkins S.H.(1979) Mediterranean Coastal Pollution: Proceedings of a Conference held in Palma, Mallorca Ed. Pergamon.

Leppe A., Gonzalez D. (2002) EL EMISARIO SUBMARINO COMO SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUAS SERVIDAS. ESSBIO S.A. Concepción, Chile.

METCALF EDDY. (1995). Tratamiento, evacuación y reutilización de aguas residuales. Barcelona.

OMS. (1979). Principles and Guidelines for the discharges of wastes in the marine environment. Copenhague.

Ruiz, A. & Sole, P. (1980) Predicción de los niveles de contaminación producidos por vertidos realizados a través de emisarios submarinos. Gabinete de Aplicaciones Nucleares a las Obras Públicas. Avda. Complutense Madrid, España.

Salas, H. (1994). Emisarios Submarinos. Enfoque general, Conceptos Básicos de diseño y requerimiento de datos para América Latina y el Caribe. CEPIS.

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10. ANEXOS

Anexo 1. Perfil geológico en la traza del emisario

(Gómez & Túnica, 1996)

Anexo 2. Esquema básico de funcionamiento de emisario

(Gómez & Túnica, 1996)

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