CONSTANTES CINETICAS EN LAGUNAS DE ESTABILIZACION

CONSTANTES CINETICAS EN LAGUNAS DE ESTABILIZACION
(CASO DE UNA REGION CON CLIMA SECO-SEMIARIDO)
Escalante Estrada Violeta E, Mendiola Rodríguez Claudia J, Balderas C Juventino
Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, Paseo Cuauhnáhuac No. 8532, Col. Progreso
Jiutepec, Mor. México. Tel. 91-73-19-43-66 Fax 91-73-19-43-81
RESUMEN
Un problema que se presenta al diseñar lagunas de estabilización, es la determinación del valor correcto de
las constantes cinéticas a utilizar, ya que este valor es afectado por parámetros ambientales y de carga
orgánica. Por lo que no es posible recomendar un valor general, la tendencia es determinar estos valores
en forma regional y generar ecuaciones de diseño en función de los parámetros que más le afecten. En
este trabajo se determinaron las constantes cinéticas de carga orgánica(K) y decaimiento bacteriano(Kb),
en un sistema lagunar ubicado en la región norte de México. El sistema esta integrado por 3 lagunas en
serie: anaerobia, facultativa y maduración con tiempos de retención hidráulica(TRH) de 8.71, 5.44 y 5.44
días respectivamente. El agua residual a tratar es de tipo municipal con descargas de una empacadora de
carnes, una fábrica de productos lácteos y un rastro municipal.
En el sistema lagunar la eficiencia de remoción de carga orgánica(DBO) fue de 78.80 %, y de coliformes
fecales 99.24%. Con respecto a las constantes cinéticas en la laguna anaerobia se determinó una K de 1.8
días-1 bajo el modelo de Vincent. Los coeficientes de correlación más altos se obtuvieron al aplicar el
modelo de flujo disperso resultando una K de 0.3411 días-1 y una Kb de 1.4796 días-1 en la laguna
facultativa y una K de 0.0366 días-1 y Kb de 0.5704 días-1 para la laguna de maduración.
Palabras clave: constante cinética, carga orgánica, carga bacteriana, laguna de estabilización
INTRODUCCION.
La mayoría de las plantas de tratamiento presentan problemas en su funcionamiento como resultado de
concepciones defectuosas a nivel de diseño, una aplicación inadecuada de ingeniería a nivel de
construcción y una falta de mantenimiento oportuno. Para la utilización de las ecuaciones de diseño, la
mayor dificultad se presenta al utilizar el valor correcto de las constantes de decaimiento de carga orgánica
y decaimiento bacteriano, K y Kb respectivamente.
Sabiendo que el valor de las constantes cinéticas para el diseño de lagunas es afectado por factores
ambientales (temperatura, clima, radiación solar) y carga orgánica aplicada, no es posible recomendar un
valor general de K y Kb, la tendencia es encontrar estos valores de forma regional.
Los sistemas lagunares se han diseñado con base al comportamiento del fluido dentro del reactor
suponiendo un modelo de flujo disperso (Thirimurthi,1969) o el modelo de mezcla completa (Marais), el
primer modelo representa un flujo intermedio entre tipo pistón y mezcla completa, este concepto de modelo
ha sido usado tanto para describir la reducción de compuestos orgánicos como de bacterias. La ecuación
que representa el flujo disperso es:
1
N
4a e 2d
=
2
No (1+ a ) e 2da - (1- a )2 e- 2da
1
Donde:
N = Número de coliformes en el efluente (NMP/100 ml).
No= Número de coliformes en el influente (NMP/100 ml).
a = Constante (adimensional).
e = 2.71828182845.. Base de los logaritmos naturales.
d = Número de dispersión (adimensional).
La constante "a" queda definida por:
a = 1+ 4Kbtd
2
Donde:
a = Constante (adimensional).
Kb= Constante cinética de remoción de coliformes fecales (días-1).
t = Tiempo de retención hidráulico(TRH, días).
Para el caso de obtener la constante cinética de remoción de carga orgánica se sustituye N, No y Kb por S,
So y K respectivamente.
donde:
S = DBO en el efluente (mg/l).
So= DBO en el influente (mg/l).
K = Constante cinética de remoción de materia orgánica (día-1).
La constante de dispersión(d) del sistema a evaluar, se puede determinar en campo mediante una prueba
de trazadores(Escalante et al. 1994) o aplicando la ecuación propuesta por Yañez(1983):
d=
X
-0.26118 + 0.25392 X + 1.01368 X 2
3
Donde:
X = Relación largo/ancho (adimensional).
En el modelo de mezcla completa, teóricamente el contenido del estanque tendrá una composición
uniforme. Este modelo ha sido aplicado tanto para describir la biodegradación orgánica, como la reducción
de bacterias en un sistema lagunar; la ecuación que lo define es:
1
N
=
No 1 + Kb t
o en el caso de remoción de materia orgánica.
4
S
1
=
So 1 + K t
5
METODOLOGIA.
El trabajo se realizó en un sistema lagunar ubicado en una región del Norte de México(altitud 2027
m.s.n.m, con una temperatura media en el mes más frío de 9.2°C); representativa de un clima seco
estepario semicálido. El sistema esta formado por un desarenador, una laguna anaerobia de 160 m. de
largo, 80 m. de ancho y 3.50 m. de profundidad, laguna facultativa y de maduración con las siguientes
dimensiones: 205 m. de largo, 105 m. de ancho y 1.30 m. de profundidad. La planta de tratamiento fue
diseñada para un gasto de 63 l/seg., una remoción de DBO del 99%, con TRH de 4 días para la laguna
anaerobia y facultativa y 5 días para la de maduración; dentro de las consideraciones de diseño se
estableció una carga volumétrica para la anaerobia de 64.3 g DBO/m3.día y una carga máxima de 400 Kg
DBO/Ha.día para la facultativa y de maduración.
En la determinación del comportamiento cinético y las condiciones operativas del sistema de tratamiento,
se consideraron los criterios de evaluación que marca el Manual de Diseño y de Optimización de Sistemas
Lagunares elaborado por el IMTA en 1993. Durante el trabajo de campo se tomaron muestras simples y
muestras únicas en siete puntos, cubriendo un muestreo por 24 hrs, las muestras fueron tomadas a
intervalos de una hora, desde las 8 a.m. y hasta las 4 p.m., y a intervalos de dos horas a partir de las 16
hrs. Se determinaron los siguientes parámetros: Flujo, pH, temperatura ambiente y del agua, insolación,
nubosidad, oxígeno disuelto, conductividad eléctrica y profundidad de lodos, alcalinidad total, DBO total,
DQO total, coliformes fecales, coliformes totales, clorofila "a" y huevos de helmintos. Las muestras
tomadas para el análisis de los distintos parámetros fueron colectados en envases adecuados, preservados
y analizados según lo recomienda el Standard Methods.
Para el cálculo de las constantes cinéticas por el método de flujo disperso, se utilizó un programa en
QBasic(Pozo Román 1994) que se alimenta con los datos obtenidos de DBO o coliformes fecales del
efluente e influente, el valor de la constante de dispersión, el volumen de la laguna y el gasto. Se
seleccionaron valores de las constantes obtenidas, utilizando un nivel de confianza del 80%. Con los datos
recopilados también se calcularon las constantes K y Kb utilizando la ecuación que define el flujo con
mezcla completa.
En el cálculo de la constante de diseño en la laguna anaerobia se utilizó el modelo de Vincent (1963)
(Gloyna, 1971); donde la reducción de la DBO está relacionada principalmente con el tiempo de retención,
la temperatura y la cantidad de lodos. El modelo es principalmente empírico basado en la
teoría de mezcla completa(ver ecuación 6).
S=
So
n
S
( ) Kt + 1
So
6
Donde:
S = DBO del efluente en mg/l.
So= DBO del influente en mg/l.
t = Tiempo de retención días.
K = Constante de remoción de DBO día-1.
n = Exponente que se determina experimentalmente, adimensional.
El exponente "n" es igual a 4 cuando la temperatura media es de 22°C y para alturas mayores a 2000
m.s.n.m.( CNA-IMTA, 1992). El valor de "n" varia de acuerdo a la altitud del lugar donde se encuentra la
laguna.
RESULTADOS
La laguna anaerobia tratando un caudal promedio de 59.49 l/seg., una carga volumétrica de 55.53 g
DBO/m3.día y a un TRH de 8.71 días, presentó una eficiencia de remoción de DBO de 31.61%, nematodos
del 89%, las especies de nematodos encontradas en el influente fueron: Ascaris lumbricoides (53 en etapa
fecunda, 19 en etapa infecunda), Trichuris trichiura(8); en el efluente a esta laguna se detectaron Ascaris
lumbricoides (6 en etapa fecunda, 2 en etapa infecunda). En la laguna anaerobia, se determinó una
constante cinética de remoción de carga orgánica (K) igual a 1.80 días-1, bajo las condiciones de operación
descritas en la tabla 1. La variación horaria de K se grafica en la figura No. 1.
En la laguna facultativa para una carga orgánica aplicada de 795.10 kg DBO/Ha.día, a TRH de 5.44 días y
con un oxígeno disuelto de 8.39 mg/l; se determinó una eficiencia de remoción de DBO del 73.22%, de
coliformes fecales del 88.89%(reduciendo solo un ciclo logarítmico), una remoción de nematodos del
100%. Por otro lado, se evaluaron los resultados de dos años de operación de una laguna facultativa, en la
cual se determinó el 100% de remoción de nematodos y la reducción de dos ciclos logarítmicos en
coliformes fecales(Escalante et al. 1995). Con respecto a las constantes cinéticas en la laguna facultativa,
-1
-1
se encontró que la K promedio es de 0.3411 días (C.corr. 0.8371) y Kb promedio de 1.4796 días (C.corr.
0.9288) bajo el modelo de flujo disperso. Utilizando el modelo de mezcla completa los datos fueron los
siguientes: K promedio de 0.5109 días-1(C.corr. 0.1535) y Kb de 23.4562 días-1(C.corr. 0.678). La variación
de K durante el día; se encuentran graficados en la figura No. 2.
Para la laguna de maduración se obtuvo una remoción de coliformes fecales del 85.80% , a un tiempo de
-1
retención hidráulico de 5.44 días y con un oxígeno disuelto en el efluente de 7 mg/l, en esta laguna no se
presentó remoción de carga orgánica. Por otro lado, en esta laguna las constantes cinéticas encontradas
bajo el modelo de flujo disperso son K=0.0366 días-1(C.corr. 1.0) y Kb=0.5704 días-1 (C.corr. 0.67), bajo el
-1
-1
modelo de mezcla completa K=0.0393 días (C.corr. 0.6167) y Kb=3.84 días (C.corr. 0.5196), bajo las
condiciones de operación especificadas en la tabla no. 1. Para el caso de la laguna de maduración se
presenta la variación horaria de la constante cinética de decaimiento bacteriano en la figura No. 4.
Tabla No. 1 Datos del Sistema Lagunar
Tipo de Laguna
Valor
Temperatura
°C
pH
Clorofila a
(mg/l)
Conductividad
(umhos/cm)
Agua
Amb.
Máximo
26.00
31.00
8.57
-
1050
Mínimo
19.50
13.50
7.14
-
900
Promedio
22.26
22.50
8.17
-
952
Máximo
27.90
31.00
9.5
2988
1000
Mínimo
18.60
13.50
7.88
317
826
Promedio
22.23
22.84
8.85
1047
907
Máximo
27.40
31.00
9.6
3287
1000
Mínimo
18.60
13.50
7.91
347
850
Promedio
21.11
22.59
8.87
1356
909
Anaerobia
Facultativa
Maduración
De acuerdo a las mediciones de temperatura, se observa que entre los valores promedios de la
temperatura del agua y del ambiente existe una pequeña variación.
Para el caso de la laguna facultativa y de maduración la ecuación que se propone esta en función de 4
parámetros : temperatura del agua (Ta), concentración de algas (Cs), carga orgánica aplicada (OL) e índice
de radiación ultravioleta (UVI). La ecuación propuesta para la laguna facultativa utilizando el modelo de
Polprasert es:
eK= 1.5713 (0.9575)Ta (1.00002)Cs (1.00003)OL (1.7751)UVI
para la laguna de Maduración la ecuación es:
eKb= 1.8034 (0.8506)Ta (1.00008)Cs (0.99963)OL (24.78021)UVI
También se realizaron los cálculos para la generación de las ecuaciones basados en el modelo de mezcla
completa, las ecuaciones obtenidas presentan coeficientes de correlación muy bajos, por lo anterior se
considera que las constantes cinéticas en lagunas de estabilización no deben determinarse sólo en función
de la temperatura.
CONCLUSIONES.
La laguna anaerobia recibe menor carga que la que puede tratar, por lo anterior tiene un TRH mayor al
recomendado para el diseño. En la laguna facultativa se recibe una carga mayor a la permitida en este tipo
de lagunas (350 Kg/Ha.día), a pesar de esto presentó una eficiencia de remoción de DBO adecuada(78%),
concentración de clorofila "a" (317 -2988 mg/l) y pH (7.88 -9.5), dentro de las condiciones normales de
operación. En esta laguna se alcanzó una remoción del 100% de nematodos.
Los resultados indican que las lagunas facultativas que tienen TRH de 5 a 7 días, alcanzan a remover el
100% de nematodos.
Para el diseño de la laguna anaerobia, es conveniente utilizar el modelo basado en la carga volumétrica
aplicada hasta que se establezca un criterio suficientemente sustentado para determinar la constante "n" en
el modelo de Vincent. En la laguna facultativa el método mas adecuado para diseñar es con base a
remoción de carga orgánica utilizando el modelo de flujo disperso.
Las lagunas de maduración deberán diseñarse para la remoción de coliformes fecales, utilizando el modelo
de flujo disperso, ya que de acuerdo a los resultados obtenidos, es el modelo con el cual se obtuvieron los
mejores coeficientes de correlación.
Las ecuaciones propuestas en este trabajo representan únicamente las condiciones particulares del sistema
lagunar evaluado.
Se recomienda realizar este estudio en la estación de invierno y obtener datos bajo condiciones críticas de
operación. Para complementar el trabajo se recomienda realizar pruebas de trazadores para determinar el
valor de la constante de dispersión real y aplicarlo a la ecuación de Thirimurthi.
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