Tesis final para sustentacion11240jl.pdf

UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
Facultad de Ingeniería Química
Maestría en Ingeniería Ambiental
T E S I S
Previa a la obtención del Título de Magister
TEMA:
MODELACION DINAMICA DE LAS LAGUNAS DE
OXIDACION DE LA CIUDAD DE PORTOVIEJO
Autor:
Ing. Qco. José Guillermo Cárdenas Murillo
Tutor:
Ing. David Matamoros C. PhD
Junio 2012
71
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
Facultad de Ingeniería Química
Acta de Aprobación
TEMA:
MODELACION DINAMICA DE LAS LAGUNAS DE
OXIDACION DE LA CIUDAD DE PORTOVIEJO
Tesis presentada por
Ing. Qco. José Guillermo Cárdenas Murillo
Aprobada en su estilo y contenido por
Ing. Qco. José Quiroz Pérez
Decano
Ing. Qco. Carlos Muñoz Cajiao
Director de la Maestría
Ing. Qco. Raúl Serrano Carlín MsC
Miembro delegado-docente
Ing. David Matamoros C. PhD
Docente-tutor
71
LA RESPONSABILIDAD DEL PRESENTE TRABAJO EN TODO SU CONTENIDO CORRESPONDE
EXCLUSIVAMENTE AL AUTOR.
LA UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL PUEDE HACER USO DE LOS DERECHOS
CORRESPONDIENTES A ESTE TRABAJO, SEGÚN LO ESTABLECIDO POR LA LEY DE PROPIEDAD
INTELECTUAL POR SU REGLAMENTO Y SU NORMATIVA INSTITUCIONAL
ING QCO. . JOSE GUILLERMO CARDENAS MURILLO
71
AGRADECIMIENTO
A Dios por su misericordia infinita, al permitirme gozar de salud física,
mental y espiritual, requisitos indispensables para culminar mi trabajo.
A mi tutor Dr. David Matamoros por sus acertados consejos
Al personal técnico de la Dirección de Medio Ambiente del Municipio de
Portoviejo, por su ayuda oportuna y desinteresada.
71
DEDICATORIA
A mi madre Piedad Murillo, por su amor y dedicación eternos
A mi suegra María Cevallos por sus constantes oraciones
A mi esposa Pady Delgado por su paciencia y apoyo infinito
A mis hijos Bianca y José Daniel, por ser lo que quiero en esta vida
71
TABLA DE CONTENIDOS
RESUMEN
Reconocimientos
Tabla de contenidos
Lista de figuras
Lista de tablas
CAPÍTULO 1 INTRODUCCION
Resumen
Introducción
1.2 Tratamiento de las aguas residuales municipales a nivel nacional
1.3 Justificación de la investigación
CAPITULO 2 OBJETIVOS
1. Objetivos del anteproyecto de tesis
2.1 Objetivo General
2.2 Objetivos Particulares
CAPÍTULO 3 DESCRIPCION DEL AREA DE ESTUDIO
2. Descripción del área de estudio
3.1 El cantón Portoviejo
3.2 Reportes promedios de la calidad del agua que procesa la
planta
i
ii
iii
iv
iiv
7
8
14
14
14
15
15
19
CAPÍTULO 4 SISTEMAS DE TRATAMIENTO POR LAGUNAJE
4.1 Antecedentes históricos del lagunaje
4.2 Clasificación de los sistemas de lagunaje
4.3 Mecanismos biológicos que intervienen en el proceso
4.4 Aplicaciones de la cinética al tratamiento biológico
21
22
26
34
CAPÍTULO 5 DESCRIPCION DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO
5.1 Ubicación de las instalaciones
38
5.2 Descripción del sistema de tratamiento
39
71
CAPITULO 6: MODELACION DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO
6.1 Generalidades
6.2 Modelos Empíricos de lagunas de estabilización
6.3 Estructura del modelo propuesto
6.4 Planteamiento de los balances de sustrato y biomasa
6.5 Modelación de la laguna Facultativa
6.6 Modelación del sistema lagunar
48
52
54
61
63
67
CAPITULO 7 : SIMULACION DE LA LAGUNA AIREADA
7.1 Alternativas a Matlab estudiadas
7.2 Metodología de trabajo
7.3 Desarrollo matemático del modelo propuesto
7.4 Simulación del comportamiento de la laguna aireada
7.5 Comparación de los datos obtenidos y validación del modelo
7.6 Análisis de los Resultados
72
73
80
81
87
90
CAPITULO 8 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
BIBLIOGRAFIA
ANEXOS
Anexo A : gráficos de simulación de las lagunas aireadas
Anexo B : Análisis de laboratorio de las lagunas
93
95
99
99
105
71
LISTA DE FIGURAS
Fig. 1.1 Mapa político Administrativo del cantón Portoviejo
Fig. 1.2 Esquema General de las Lagunas de Estabilización de Picoazá
Fig. 1.3 Vista General de las lagunas
Fig. 3.1 Boletín Meteorológico de Julio- precipitación en Portoviejo
Fig. 3.2 Temperaturas en la región de estudio
Fig. 4.1 Ecosistema presente en una laguna facultativa
Fig. 4.2 Laguna aireada de mezcla completa
Fig. 4.3 Ecosistema acuático
Fig. 4.4 gráfico de µ vs. S
Fig. 4.5 Inversa de la ecuación de Monod
Fig. 5.1 Ubicación de las lagunas dentro del cantón Portoviejo
Fig. 5.2 Vista aérea de las lagunas de Picoazá
Fig. 5.3 Llegada del agua residual al sistema de desbaste
Fig. 5.4 Sistema de bombeo
Fig. Cámara de ingreso del agua residual
Fig. 5.6 Distribuidor de las aguas que ingresan a las lagunas
Fig. 5.7 Características de las lagunas aireadas
Fig. 5.8 Lagunas facultativas
Fig. 5.9 Vista general de las lagunas de pulimento
Fig. 5.10 Descarga final de las lagunas
Fig. 5.11 Ubicación de la salida de las descarga al rio Portoviejo
Fig. 6.1 Esquema del modelo planteado
Fig. 6.2 Laguna aireada de mezcla completa
Fig. 6.3 Lagunas aireadas de Portoviejo
Fig. 7.1 Temperatura promedio de las lagunas aireadas
Fig. 7.2 Temperatura de las lagunas facultativas
Fig. 7.3 Perfil de Oxígeno en las lagunas aireadas
Fig. 7.4 Perfil de Oxígeno en las lagunas facultativas
Fig. 7.5 Monitoreos de DQO en las lagunas aireadas
Fig. 7.6 Monitoreos de DQO en las lagunas facultativas
Fig. 7.7 Canal de ingreso del agua a las lagunas
Fig. 7.8 Monitoreo de caudal en las lagunas
Fig. 7.9 Primera simulación del modelo
82
71
Fig. 7.10 Segunda simulación del modelo
Fig. 7.11 Tercera simulación del modelo
Fig. 7.12 Cuarta Simulación del modelo
Fig. 7.13 Quinta simulación del modelo
Fig. 7.14 Sexta Simulación del modelo
Fig. 7.15 Séptima simulación del modelo
Fig. 7.16 DQO medido en el laboratorio de las lagunas
Fig. 7.17 DQO modelado
Fig. 7.18 Gráfica de los valores DQO medido vs DQO modelado
83
84
85
86
87
88
89
89
90
LISTA DE TABLAS
Tabla 1.1 Situación de las aguas residuales en el Ecuador
Tabla 3.1 Resumen de muestreos de las aguas de las lagunas
Tabla 5.1 Georeferenciación del área de estudio
Tabla 5.2 Dimensiones de la laguna facultativa
Tabla 5.3 Dimensiones de la laguna de pulimento
Tabla 6.1 Matriz de Petersen para la laguna aireada
Tabla 6.2 Matriz de Petersen para la laguna facultativa
Tabla 6.3 Resumen de las ecuaciones que utiliza el modelo
Tabla 6.4 Constantes utilizadas en el modelamiento de las lagunas
Tabla 7.1 Parámetros principales del sistema de lagunaje
Tabla 7.2 Temperatura de las lagunas
Tabla 7.3 Oxígeno disuelto en las lagunas
Tabla 7.4 Monitoreos en las lagunas de oxidación
Tabla 7.5 Monitoreos de caudal en las lagunas
Tabla 7.6 Datos de aporte de caudal en las lagunas
Tabla 7.7 Cálculo del coeficiente de correlación
13
21
39
45
47
71
NOMENCLATURA
Q
V
h
m
ρ
o
C
o
K
mm
%H
mg
l
O2
SST
SS
SSV
DBO5
DQO
N2
P
µm
S
Ks
dX/dt
Y
dS/dt
Kd
X
Kt
TRH
pH
rg
XV,a
rd
rsu
Caudal volumétrico, l/h
Volumen, m3
Altura, m
Masa, kg
Densidad, kg.m-3
Grados centígrado, temperatura
Grados Kelvin absolutos, temperatura
milímetros
Humedad Relativa, %
Miligramos, 0.001 gramos
litros
Oxígeno disuelto, mg/l
Sólidos Suspendidos Totales, mg/l
Sólidos sedimentables, ml/l
Sólidos Suspendidos Volátiles, mg/l
Demanda Bioquímica de Oxígeno, mg/l
Demanda Química de Oxígeno, mg/l
Nitrógeno Total
Fósforo Total
Tasa máxima de crecimiento, tiempo-1
Concentración del sustrato en solución, mg/l
Constante de saturación, mg/l
Tasa de crecimiento de biomasa, mg/l-s
Capacidad de crecimiento de la biomasa, m/m
Tasa de utilización de sustrato, mg/l-s
Coeficiente de decaimiento bacteriano
Concentración de la biomasa
Constante de Arrhenius modificada
Tiempo de retención hidráulica, tiempo
Potencial de Hidrógeno
Velocidad de crecimiento de la biomasa g SSV/m3-d
Concentración de SSV en la laguna
Tasa de decaimiento de la biomasa, g SSV/m3-d
Velocidad de utilización de sustrato, g DBO5/m3-d
71
RESUMEN
La ciudad de Portoviejo cubre aproximadamente el 80% de la demanda
de agua potable de sus habitantes, para el tratamiento de sus agua s
residuales municipales, dispone de un sist ema de tratamiento por
lagunaje. Con la extensión de las redes de alcantarillado, realizadas
en el año 2010 y 2011, se estima un aumento de l 20-25% de los
caudales que actualmente procesa la planta de tratamiento.
Un modelo matemático, basado en una cinética de primer orden,
compuesto por dos ecuaciones diferenciales ordinarias no lineales,
permitirá predecir la
concentración del sustrato a diferentes
caudales.
El modelo predictivo fue correlacionado con datos de laboratorio,
tomados en muestreos compuestos, durante el primer trimestre del
año 2011. Los resultados se muestran en gráficos sinusoidales,
realizados en el entorno de un programa realizado en Matlab.
71
1. INTRODUCCION
La ciudad de Portoviejo es la cabecera del cantón del mismo nombre y
capital de la provincia de Manabí, se ubica en el sector centro -sur de
la provincia, a aproximadamente 30 km del Océano Pacífico y a 36 km
al noreste de la ciudad -puerto de Manta. Su ubicación ge ográfica
corresponde a “87 o 27’ Oeste y 0 o grados 3’ Sur”.
El entorno urbano de Portoviejo comprende las siguientes parroquias:
Andrés de Vera, 12 de Marzo, 18 de Octubre, San Pablo, Cristóbal
Colón y Picoazá.
La ciudad de Portoviejo se encuentra en una región bioclimática que
corresponde a la clasificación de Subdesértica Tropical según la
caracterización de Holdrigde.
El río Portoviejo drena un área de 2076 km 2 . La cuenca está
constituida por 48 subcuencas, constituye el principal recurso
hidrológico en relación con la ciudad de Portoviejo y es el receptor de
todas las aguas de una cuenca de 157 km 2 que en su parte superior se
embalsan en la presa Poza Honda y a lo largo de su recorrido recibe
las de numeroso s afluentes con una descarga anual de 150
hectómetros cúbicos como promedio. 1
Sistemas de Agua Potable
Portoviejo dispone de una planta de potabilización que produce
diariamente entre 25.000 a 30.000 m 3 /día, si consideramos una media
de 200.000 habitantes servidos, estamos hablando de una do tación
media por habitante de 100 a 12 0 litros/día. 2
Sistemas de Alcantarillado
Portoviejo cuenta con un sistema de alcantarillado sanitario y pluvial
que fue construido en los años sesenta del siglo pasado en el á rea
central y que actualmente se lo está ampliando para cubrir sectores
importantes de la ciudad. Los nuevos sectores q ue serán incluidos en
esta etapa son: Autopista del Valle, ciudadelas Municipal, Forestal, Los
Olivos,
calle
8
de
71
Fig. 1.1Mapa Político Administrativo del cantón Portoviejo 3
71
Diciembre en la ciudadela El Progreso, calle Powell de la ciudadela Fátima,
calle Trífido Escobar, sector El Puño, sector Colinas del Sol, calle 28 de
Junio y Quebradita de la parroquia San Pablo, calle 12 de Marzo, sector
Mirador de la avenida Guayaquil, calle Che Guevara y Antonio Segovia de la
ciudadela Briones, calle Mariscal de Ayacucho, ciudadela El Progreso
(subida a Cimarrón), prolongación de la calle Miguel H. Alcívar desde la
Primero de Mayo hasta la terminación de Las Lomas, callejón Robles, Jua n
León Mera y Jaime Roldós en la ciudadela Margarita. 4
1.1 Sistema de Tratamiento de las Aguas Residuales Municipales
La ciudad de Portoviejo cuenta con un sistema de alcantarillado
separado, constituido por una red sanitaria de aproximadamente 35 km
de colectores principales y secundarios, y otra red pluvial de alrededor
de 40 km de colectores principales y secundarios. El sistema de
alcantarillado sanitario conduce las aguas servidas hasta la planta de
tratamiento de Picoazá. 5
La cobertura del sistema de alcantarillado llega a 85% 6. Sus efluentes son
conducidos a través de un emisario hasta la planta de tratamiento
ubicada al noroeste de la ciudad, junto a la cabecera norte del
aeropuerto.
El sistema de tratamiento consiste en una estación de bombeo y cuatro
lagunas de estabilizaci ón. En primera instancia el efluente ingresa a la
laguna 1 (aireada mecánicamente), y pasa por un vertedero hasta la
laguna 2, desde donde pasa el líquido por desniveles hacia las dos
lagunas restantes, facultativa y de maduración respectivamente .
Por otro lado, debido a la deficiencia hídrica existente en la zona, los
terrenos aledaños a las lagunas son regados con una parte del efluente
de la laguna 4. Para el efecto, esta laguna cuenta con dos sitios de
descarga, desde donde el agua es conducida a trav és de canales de tierra
construidos por los agricultores del sector para el riego de sembríos de
maíz, tomate y pimiento.
71
No obstante, no existe información que dé cuenta de las áreas regadas
con este tipo de aguas. Por ello, se estima que las mismas tendrían una
extensión aproximada de 80 H a. de las 200 Ha. que potencialmente se
regarían con aguas residuales tratadas, por lo que se puede considerar
esta práctica como una experiencia piloto.
La segunda etapa del alcantarillado sanitario prevé que la aportación de
aguas residuales al sistema de tratamiento ac tual, incremente su carga
orgánica en aproximadamente 1.000 kilos de DBO 5 7 por día, una vez que
ingresen al sistema los nuevos aportes [aproximadamente en 12 meses].
Fig.1.2 Es que ma G e n e ra l de l a Lag unas de Es tabi li za ci ón de P ic oa zá .
Fuente: Empresa de Agua Potable y Alcantarillado de Portoviejo
Si consideramos, que las actuales lagunas presentan deficiencias en su
control y operación, es necesario realizar una evaluación de las cargas
que ingresan al sistema, para determinar la real capacidad de
depuración.
Resumiendo, el objetivo de este anteproye cto de tesis consiste en
proponer un modelo matemático, que sirva para mantener y co ntrolar el
proceso en la fase de operación y realizar ampliaciones futuras,
71
tendientes a optimizar el proceso, específicamente en las lagunas
aireadas.
1.2 TRATAMIENTO DE LAS AGUAS RESIDUALES MUNICIPALES A NIVEL NACIONAL
De acuerdo al Banco Mundial, más de 300 millones de habitantes de
ciudades en Latinoamérica (2 0 08 ), produce 225.000 toneladas de residuos
sólidos cada día. Sin embargo, menos del 5% de las aguas de
alcantarillado de las ciudades reciben tratamiento 8.
Con la ausencia de tratamiento, las aguas negras por lo general son
vertidas en aguas superficiales, creando un riesgo obvio para la salud
humana, la ecología y los animales. En Latinoamérica, muchas corrientes
son receptoras de descargas directas de resid uos domésticos e
industriales.
A nivel nacional de ac uerdo a estudios realizados por el MIDUVI y la AME,
se desprende que el 53,1% de la población urbana estaba conectada al
sistema de alcantarillado, cuyas aguas residuales apenas eran tratadas
en 24,6%, de acuerdo con el detalle mostrado en la siguiente tabla. En lo
que respecta al reuso de aguas residuales, sean éstas tratadas o no ,
existe información oficial solamente a nivel urbano .
Tabla # 1.1
Si tua ci ón d e las agu as re sidu a le s e n e l E cua d o r
Población
2007
2015
Urbano
8’580.000
11’o80.000
Rural
4’742.827
5’o30.000
Total
13’322.917
16’110.000
Disposición de
excretas %
Tratamiento de
aguas residuales
domésticas[%]
EDAs
Indicadores de Salud
Mortalidad
Desnutrición
infantil
2007
M.N.
2007
M.N.
2006
2006
2006
52.0
85.0
24.0
34.0
23.1
12.7
n.d
31.0
70.0
n,d
n.d
27.7
26.1
n.d
51.0
80.0
n.d
n,d
25.0
18.0
24.8
M.N. = meta nacional/ n.d. = no disponible
Fuentes: AME/MIDUVI/SIISE/2008
71
Se considera que a nivel nacional la cobertura media de agua potable es
de 70% a nivel urbano, y que la dotación media ponderada es de 200
l/hab-día. De este caudal se estima que solamente el
5% reciben
tratamiento, por lo que es prioritario implementar siste mas, los cuales
en conjunto podrían utilizarse para riego.
Esto permitiría mejorar las condiciones sanitarias de muchos sectores del
agro ecuatoriano, en donde es práctica común el uso de a guas servidas,
en forma directa o indirecta. 9
A nivel del cantón Portoviejo, el sistema de alcantarillado sanitario en el
área urbana llega a 85% mientras que en el área rural alcanza sólo el 27%,
situación que demuestra la poca atención que el área rural recibe del
gobierno nacional y local. ( I NE N ce ns o 20 0 1 )
1.3 JUSTIFICACION DE LA INVESTIGACION
El siguiente anteproyecto de tesis de grado será desarrollado en la
ciudad de Portoviejo, en la parroquia urbana Picoazá, sector donde se
encuentran las lagunas de oxidación , del Sistema de Tratamiento de las
Aguas Residuales Municipales de la ciudad.
La problemática actual por los bajos niveles de remoción del sistema, así
como la futura aportación de cargas
y caudales prevista para inicios del
año
2010-2011,
justifican
la
realización de una evaluación y
caracterización integral del sistema.
La obtención de estos resultados
permitirá desarrollar un modelo
ambiental que permita la opera ción y
optimización del proceso, en las
lagunas aireadas.
Fig. 1.3 Vista general de las lagunas
71
2 . OBJETIVOS DEL ANTEPROYECTO DE TESIS
2.1 OBJETIVO GENERAL
Desarrollar un modelo que represente de manera razonable la dinámica del
sistema y de los procesos que intervienen en lagunas de estabilización
aireada, así como la estimación con el menor margen de error de la calidad
final de su efluente.
2.2 OBJETIVOS PARTICULARES
-
Determinar la eficiencia actual de depuración biológica , y el análisis
general del funcionamiento de la p lanta de tratamiento compuesta
por 3 lagunas de estabilización.
-
Caracterizar el ingreso y salida de las lagunas realizando mediciones
de caudal y de parámetros fisicoquímicos.
-
Determinar la magnitud de la cinética de abatimiento de materia
orgánica.
-
Utilizar un Modelo matemático que pueda ser utilizado en la
Optimización y el Cont rol de la Operación del Sistema aireado y
facultativo.
-
Realizar pruebas cualitativas y cuantitativas
determinar la eficiencia del modelo propuesto.
que
permitan
71
3. DESCRIPCION DEL AREA DE ESTUDIO
La provincia de Manabí, tiene una superficie de 18.878,8 km 2 , que alcanza
aproximadamente el 7% del territorio nacional, y el 30% del área de las 4
provincias costaneras del país. La extensión de las costas de Manabí
alcanza los 350 Km., que corresponde al 3 2% del total del perfil costanero
del Ecuador.
El Cantón Portoviejo es uno de los 22 cantones de la provincia y se
encuentra situado en el centro de la misma. 10
3.1 EL CANTÓN PORTOVIEJO
Portoviejo es la capital provincial y centro de manifestaciones políticas y
culturales de Manabí. La cabecera cantonal es conocida como la ciudad
de los Reales Tamarindos, porque , en una determinada época, se
plantaron y crecieron los más frondosos árboles de esta fruta. Está
ubicado en el centro de la provincia, circu ndado por los cerros de
Bálsamo y de Hojas. 11
El primero separa las cuencas hidrográficas de Portoviejo y Chone, y está
cubierto de ceibos y guayacán. El cerro de Hojas separa a Portoviejo de
Montecristi. También forman parte de Portoviejo las montañas de
Alajuela y San Plácido, y el cerro de Jaboncillo, que están cubiertos por
bosques secos y espinosos.
3.1.1 La ciudad de Portoviejo
La ciudad de Portoviejo es la cabecera del cantón del mismo nombre y
capital de la provincia de Manabí, se ubica en el sector centro-sur de la
provincia, a aproximadamente 30 km del Océano Pacífico y a 36 km al
noreste de la ciudad -puerto de Manta.
Su ubicación geográfica
o
corresponde a 87 grados 27’ Oeste y 0 grados 3’ Sur.
Ocupa la parte central del valle medio del río Portoviejo entre las colinas
de El Cementerio y de Andrés de Vera y su crecimiento urbano se ha
71
realizado de Sur a Norte sobre el mencionado valle y hacia el oeste sobre
la carretera que conduce a Manta.
El entorno urbano de Portoviejo comprende las siguientes parroquias:
“Andrés de Vera, 12 de Marzo, 18 de Octubre, San Pablo, Cristóbal Colón
y Picoazá”
3.1.2 Climatología de la zona
La ciudad de Portoviejo se encuentra en una región bioclimática que
corresponde a la clasificación Subdesértica Tropical según la
caracterización de Holdrigde. De acuerdo a datos publicados por el
Inamhi, en su anuario del 2009 -2010, el “período de lluvias” se extiende
entre enero y abril, el resto del año es casi totalmente seco.
La pluviosidad media anual es de aproximadamente 450 mm con
fluctuaciones entre 300 y 600 mm, salvo casos de anomalías climáticas
como los dos último s Fenómenos de El Niño (1982 -1983 y 1997-1998) en
los que las precipitaciones se prolongaron durante un año, sobrepasando
los 2.000 mm. 12
Fig. 3.1 B o le tín Me te or o l ógic o -J uli o 2 011 /F ue n te Ina mhi 20 11
La humedad relativa media anual es del 72 %, con valores mayores y
mínimos, en íntima relación con las épocas lluviosa y seca. La
evaporación anual en la estación agro meteorológica de Portoviejo es de
alrededor de 1500 mm anuales, que comparada con la pluviosidad
determina un déficit h ídrico de más 100 0 mm.
71
La temperatura del aire fluctúa entre un mínimo de 17 a 18 °C en los
meses de Agosto a Septiembre y una máxima de 35 a 36 °C los meses de
Marzo y Abril. 13
Las
temperaturas
máximas
registradas
estuvieron
oscilando
irregularmente alrededor de la normal y sobrepasaron bruscamente la
media a finales de la segunda década y para el día 27 la temperatura
máxima se redujo aproximadamente 4ºC de la media.
Nótese que la temperatura máxima se incrementó 7ºC del día 27 al 28 y
luego descendió 8ºC en los dos días posteriores. En cambio, las
temperaturas mínimas registradas estuvieron alrededor de la normal.
Fig. 3.2 T e m pe ra tu ras e n l a r e gi ón / Fue n te Ina mhi
El viento no tiene valores significativos de velocidad, por lo que se
puede considerar que el mismo no tiene influencia marcada sobre los
cultivos existentes. La velocidad media mensual es de 1,06 m/s. La
dirección pred ominante del viento es hacia el Norte .
3.1.3 Recursos hídricos
El principal sistema hidrográfico es el Río Portoviejo . El investigado r
Borislov Castro, en su investigación sobre los sistemas de tratamiento en
el Ecuador, (2002), menciona que l a cuenca hidrográfica abarca una
superficie de 2.040 km 2 aproximadamente, con una longitud de cauce de
149 km.
71
Está localizada en la zona climática influenciada por la corriente de
Humboldt, o sea la franja seca de la provincia, la cual se caracteriza por
la escasez de pluviosidad y recursos híd ricos.
3.1.4 Población de la ciudad de Portoviejo
Según el último censo del año 2001, el número de habitantes del cantón
Portoviejo era de 238.000 habitantes, pero de acuerdo a proyecciones
recientes se estima que pasan los 300.000 habitantes. En todo caso el
último censo realiza do en el año 2010, nos darán
resultados más
actualizados del número de habitantes de la ciudad, y de la población
que dispone agua potable y sistema de alcantarillado.
3.1.5 Sistemas de Alcantarillado Sanitario y Pluvial
Portoviejo cuenta con un sistema de alcantarillado sanitario y pluvial que
fue construido en los años sesenta en el área central y que
posteriormente se lo ha ampliado en forma desordenada, de tal forma
que su funcionamiento actual es defectuos o con fallas de gran magnitud.
Por ejemplo hay numerosos sectores aledaños al río Portoviejo que
vierten las aguas servidas directamente al dicho curso de agua mediante
la conexión a la red de a lcantarillado de aguas lluvias. En el año 2001, el
84% de la población del cantón Portoviejo, de acuerdo al INEC, tenía
acceso a alguna forma de eliminación de excretas con medios sanitarios;
(alcantarillado, letrina, pozo séptico).
Este índice es superior a los promedios nacional y provincial; sin
embargo, si comparamos l a parroquia Portoviejo con el resto de
parroquias, se evidencia sustanciales diferencias: la cobertura en casi
todas las parroquias rurales, con excepción de Calderón, es inferior al
promedio provincial. 14
3.1.6 Sistema de Tratamiento de las Aguas Residuales de la ciudad
3.1.6.1 Localización
La ciudad de Portoviejo dispone de cuatro Lagunas de Oxidación que
reciben las aguas municipales del sistema de alcantarillado de la ciud ad,
71
se ubican en el costado nor oeste de la pista de aterrizaje de l Aeropuerto
Reales Tamarindos.
Las coordenadas georeferenciales UTM, tomadas en el epic entro de las
instalaciones son:
X =557695
Y= 9885328
El sistema de tratamiento fue construido en el año 1964 por el ex
Instituto Ecuatoriano de Obras Sanitarias, y posteriormente rediseñada
en el año 1985 por el PhD Fabián Yánez. 15
3.1.6.2 Características
residuales
del
proceso
de
tratamiento
de
las
aguas
El agua residual que es transportada por bombas desde los diferentes
colectores que dispone la red sanitaria, llega a la planta hasta un sistema
de separadores de sólidos gruesos (desbaste grueso), desde donde es
bombeada hasta un cárca mo ubicado en la parte superior, se desplaza
por gravedad a través de dos tuberías de 250 mm de diámetro hasta su
ingreso al distribuidor de caudales ubicado aproximadamente a unos 50
metros del sistema de desbaste.
El agua residual ingresa a las lagunas aireadas (2 unidades) las mismas
que disponen de aireadores de superficie (actualmente una de ellas se
encuentra fuera de servicio ), por un vertedero pasan a las lagunas
facultativas y posteriormente a la laguna de maduración, la descarga
final al rio Portoviejo se encuentra aproximadamente a unos 2.000
metros.
3.2 REPORTES PROMEDIOS DE LA CALIDAD DEL AGUA QUE PROCESA LA PLANTA DE
TRATAMIENTO
La planta de tratamiento de Picoazá, que procesa las descargas
domésticas de la ciudad de Portoviejo, cuenta con un laboratorio de
análisis para determinar la calidad del agua de ingreso y de la s descargas
hacia el rio Portoviejo .
71
El personal es altamente capacitado y se realizan análisis diariamente,
empleando técnicas estandarizadas de la “ Standard
Methods for
examination of wa ter, sewage and industrial waste”. Para el desarrollo de
este proyecto de investigación fueron proporcionados los resultados de
los análisis re alizados en el año 2009, 2010 y 2011.
A continuación se presentan un resumen de los análisis, las tablas
originales se detallan en el anexo respectivo.
T ab la 3. 1 Pl an t a d e T r at amie n t o de Agua s Re si dua le s - La b or at or io
RESUMEN DE DATOS DE MUESTREO DEL AGUA RESIDUAL
SITIO
FECHA
PARAMETROS
CAUDAL
m3/d
DBO5
mg/l
DQO
mg/l
SST
mg/l
pH
O2
mg/l
INGRESO AL
SISTEMA DE
TRATAMIENTO
Promedio
2009
30.723
147
282
332
6.5
3,5 – 4,2
DESCARGA FINAL
AL RIO
PORTOVIEJO
Promedio
2010
30.723
54
80
94
7.3
2,5 - 10,8
Los valores de la tabla 3.1
corresponden a los parámetros más
representativos y necesarios para nuestro estudio, en el anexo
correspondiente se incluye los reportes originales de todos los análisis
que se realizan en la planta de tratamiento . La frecuencia de los análisis
depende en gran medida de los suministros que llegan al laboratorio.
71
4. SISTEMAS DE TRATAMIENTO POR LAGUNAJE
4.1 Antecedentes históricos del Lagunaje
Las lagunas de estabilización constituyen hoy en día una atractiva
alternativa de tratamiento para depurar las aguas residuales generadas
por pequeñas y medianas poblaciones.
El tratamiento por Lagunaje de las aguas residuales consiste en el
almacenamiento de éstas durante un tiempo variable , en función de la
carga aplicada y de las condiciones climáticas, de modo que la materia
orgánica se vaya degradando por la acción de las bacterias heterótrofas
presentes en el medio. 16
Puesto que en la depuración por Lagunaje no interviene la acción del
hombre, quien únicamente se limita a proporcionar un emplazamiento
adecuado a las balsas, el lagunaje es un sistema biológico natural de
tratamiento, basado en los mismos principios por los que tiene lugar la
auto depuración en los ríos y los lagos.
El primer pueblo en tener en cuenta la sanidad del suministro del agua
fue el pueblo romano, que construyó una extensa red de acueductos ,
para traer agua desde los montes Apeninos hasta la ciudad. Hacia finales
de la edad media, empezaron a usarse en Europa ,
letrinas y
excavaciones subterráneas para descargar las aguas residuales , las
mismas que eran depositadas en ríos y arroyos, ocasionando problemas
de contaminación.
Las primeras lagunas de estabilización fueron embalses construidos
como sistemas de almacen amiento para agua para riego. Se depositaban
los excedentes de agua residual utilizada en riegos directos, sin
tratamiento previo.
A medida que el tiempo de almacenamiento aumentaba, se observó que
la calidad del agua mejoraba sustancialmente, eliminándose los malos
olores, la cantidad de sólidos en suspensión y su apariencia, por lo que
71
empezó a estudiarse la posibilidad de utiliz ar las lagunas como método
de tratamiento de aguas residuales. 17
Fue sin embargo a partir de los años 1950 a 1955, que se empezó a
efectuar trabajos pilotos y de laboratorio, examinándose la influencia de
diversos factores, entre ellos la insolación, los vientos, la temperatura,
la producción de algas, etc. Estudiándose más a fondo los diferentes
procesos de transformación que ocurren en el lecho de las lagunas.
Los pioneros en la construcción de sistemas de Lagunaje, se ubican en el
suroeste de los Estad os Unidos. En el año 1901 la ciudad de San Antonio,
Texas tenía una laguna de estabilización. E n el año 1922 en Dakota del
Norte al realizar una excavación para depositar las aguas residuales de
su sistema de alcantarillado construido, se descubrió que al cabo de
cierto tiempo, las aguas presentaban una apariencia muy distinta de las
aguas originales, imposible de lograr con los métodos mecánicos
conocidos en esa época.
En América Latina se ubica a Costa Rica como uno de los primeros países
en realizar construcciones e investigaciones en sistemas de Lagunaje, le
siguen en orden cronológico; Panamá, El Salvador, Brasil, Colombia y
Ecuador. 18 En el Ecuador (aproximadamente hay 12 lagunas en operación
eficiente) se cuentan con sistemas de lagunaje en las ciudades de
Guayaquil, Cuenca, Portoviejo entre las más representativas, y en
comunidades de menor población como Manta, Milagro y en la provincia
del El Oro y Los Ríos.
4.2 Clasificación de los sistemas de Lag unaje
Las lagunas suelen clasificarse en:




Lagunas
Lagunas
Lagunas
Lagunas
aerobias
Anaerobias
Facultativas
de Maduración
71
4.2.1 Lagunas Aerobias
Reciben aguas residuales que han sido sometidos a un tratamiento y que
contienen relativamente pocos sólidos en suspensión. En ellas se
produce la degradación de la materia orgánica mediante la actividad de
bacterias aerobias que consumen oxigeno producido fot osintéticamente
por las algas.
Son lagunas poco profundas de 1 a 1.5 m. de profundidad y suele n tener
tiempo de residencia elevada, 20 -30 días 19. Las lagunas aerobias se
pueden clasificar, según el método de aireación sea natural o mecánico,
en aerobias y aireadas.
a. Lagunas aerobias: la aireación es natural, siendo el oxígeno
suministrado por intercambio a través de la interfase aire -agua y
fundamentalmente por la actividad fotosintética de las algas.
b. Lagunas aireadas: en ellas la cantidad de oxígeno es suministrada
por medios mecánicos.
4.2.2 Lagunas Anaerobias
El tratamiento se lleva a cabo por la acción de bacterias anaerobias.
Como consecuencia de la elevada carga orgánica y el corto periodo de
retención del agua residual, el contenido de oxígeno disuelto se
mantiene muy bajo o nulo durante todo el año.
El objetivo perseguido es retener la mayor parte posible de los sólidos en
suspensión, que pasan a incorporarse a la capa de fangos acumulados en
el fondo y eliminar parte de la carga orgánica. 20 La particularidad o
ventaja de esta clase de tratamiento, es que pueden procesar altos
niveles de carga orgánica, a diferencia de las aeróbicas, su principal
desventaja, es que son susceptibles de generar malos olores.
La estabilización es estas lagunas tiene lugar mediante las etapas
siguientes.
71
• Hidrólisis: los compuestos orgánicos complejos e insolubles en
otros compuestos más sencillos y solubles en agua.
• Formación de ácidos: los compuestos orgánicos sencillos generados
en la etapa anterior so n utilizados por las bacterias generadoras de
ácidos. Produciéndose su conversión en ácidos orgánicos volátiles.
• Formación de metano: una vez que se han formado los ácidos
orgánicos, una nueva categoría de bacterias actúa y los utiliza para
convertirlos finalmente en metano y dióxido de carbono.
Las lagunas anaerobias suelen tener profundidad entre 3 y 5 m, el
parámetro más utilizado para el diseño de lagunas anaerobias es la carga
volumétrica que por su alto valor lleva a que sean habituales tiempos de
retención con valores comprendid os entre 3-7 días. 21
4.2.3 Lagunas Facultativas
Es el tipo de lagunas más comúnmente usado por el tratamiento de
aguas residuales de pequeñas y medianas poblaciones. Son de muy bajo
costo de construcción y operación . Las lagunas Facultativas u sualmente
requieren profundidades de 1 a 2 m., con tiempos de re tención hidráulica
de 10 hasta 3 0 días.
Fig. 4 .1 Ec osi ste ma pre se n te e n u na la guna f a cu lta tiv a/ Fue n te : Ma ra is/2 0 02
71
La característica principal de este sistema de lagunaje, por lo cual se
denomina facultativo, es la presencia simultánea de los dos metabolitos de
tratamiento: aerobio y anaerobio. En general, se desarrollan los
siguientes procesos: un proceso aerobio en l as capas cercanas a la
superficie y que tienen la influencia directa del viento y de la luz, un
proceso anaerobio en las capas más profundas de la laguna, que
contienen los sólidos sedimentados, y una facultativa, cuyos procesos se
desarrollarán de acuerdo a la hora del día en que se encuentre. 22
En la zona intermedia que es parcialmente aerobia y anaerobia, la
descomposición la llevan a cabo las bacterias facultativas. Los sólidos de
mayor tamaño se sedimentan para lograr un manto de lodo anaerobio.
Los materiales orgánicos y coloidales se oxidan por la acción de las
bacterias aerobias y facultativas, empleando el oxígeno generado por las
algas presentes en la primera fase de la laguna , la fuente de dióxido de
carbono producida por la bacterias es emp leada por las algas como
fuente carbono, en las capas inferiores se producen gases como CO 2 , H 2 S
y CH 4 , que bien son oxidadas por las bacterias aerobias, o son liberadas a
la atmósfera. 23
4.2.4 Lagunas de Maduración
Las lagunas de maduración, llamadas también terciarias o de pulimento,
son aquellas que operan con un afluente de DBO estabilizado casi en su
totalidad, y su característica principal es mejorar las características
biológicas, fisicoquímicas y eutróficas del agua residual, aparecen casi
siempre en la última fase del tratamiento por lagunaje, y los efluentes
que salen dela misma, son considerados aptos para descargar a entornos
hídricos o ser usada en agua de riego.
Los procesos que se desarrollan son aeróbicos, en profundidades
cercanas a 1 metro. Dados los niveles altos de oxígeno disuelto y pH, y la
disponibilidad de luz solar en toda la columna de agua, son utilizadas
también para la remoción de nutrientes como el fósforo y el nitrógeno,
así como microorganismos patógenos.
71
4.2.5 Lagunas aireadas mecánicamente
Corresponden a un tipo de laguna je que utiliza factores externos para
sus procesos, este tipo de lagunas es de aparición reciente y su
característica principal es que son dotadas de equipos de aireación, para
introducir oxígeno a l a masa de agua. Su profundidad varía entre los 3 a
5 metros.
Las aguas residuales crudas son enviadas directamente a las lagunas,
previo paso por desarenadores y desnatadores, su funcionamiento es
similar a un reactor de lodos activados con la diferencia que no disponen
de un sedimentador secundario. 24
Las lagunas aireadas se pueden clasificar de tres tipos: lagunas aireadas
de mezcla completa, facultativas y de aireación extendida. Generalmente
se utilizan las dos primeras, la tercera tiene un costo muy e levado que
las anteriores y su funcionamiento es muy sofisticado
En las lagunas aireadas de mezcla completa todos los sólidos se
mantienen en suspensión, la edad del lodo es igual al tiempo de
retención hidráulica. Funcionan básicamente como un reactor de lodos
activados sin recirculación de lodos.
Fig. 4 .2 La gun a ai re ada de me z c la c om p le ta - R o lim Se rg io
4.3 MECANISMOS BIOLÓGICOS QUE INTERVIENEN EN EL PROCESO
En la utilización de la materia orgánica como sustrato en un sistema de
tratamiento de aguas residuales con lagunas de estabilización,
intervienen varios mecanismos biológicos.
71
Estos son afectados generalmente por factores ambientales como:
características del agua residual y las características hidráulicas de los
estanques. 25
Para poder realizar el análisis partiremos del análisis de los componentes
de un ecosistema acuático. La figura 4.3 muestra un ecosistema y los
mecanismos biológicos que intervienen en la estabilización de la materia
orgánica.
La adición de materia orgánica biodegradable presente en las aguas
residuales, suministra abundante alimento a la biomasa (bacterias y
hongos) que por efectos del sustrato crecen rápidamente y liberan
nutrientes y dióxido de carbono (CO 2 ), la disponibilidad de nutrientes,
Dióxido de Carbono, energía solar y minerales favorecen el crecimiento
de las algas, éstas a su vez proporcionan el oxígeno ne cesario a los
procesos de oxidación biológica. De esta manera se establece una
simbiosis entre bacterias y algas en las lagunas.
Energía
Elementos Abióticos/CO2H2O
PRODUCTORES
AUTOTROFOS
NUTRIENTES
N-P
ORGANISMOS
MUERTOS
CONSUMIDORES
HETEROTROFOS
H
MUEREN
DEGRADADORES
HETEROTROFOS
DESECHOS ORGANICOS
Fig. 4.3 Ecosistema acuático
71
4.3.1 Procesos de Oxido -Reducción y Síntesis
En los procesos de estabilización, la materia orgánica conformada
principalmente por hidratos de carbono, proteínas y grasas, son
desdobladas por las bacterias y hongos, se identifican tres etapas
básicas durante este proceso, que son:
1. Oxidación: Las bacterias y hongos oxidan la materia orgánica
utilizando oxígeno disuelto del agua y a su vez producen energía de las
reacciones química realizadas. La ecuación que describe el proceso es:
→
2. Síntesis : En esta epata las bacterias y hongos utilizan la energía del
proceso de oxidación de la materia orgánica para producir material
celular de acuerdo a la siguiente reacción:
→
(
)
3.
Respiración Endógena - Auto-oxidación: Como en todo proceso
biológico, la disponibilidad de alimento va disminuyendo en función del
tiempo, en este instante se inicia la muerte de los microorganismos, a la
vez que estos se autoxidan a partir de material celular muerto. El
proceso de estabilización en las lagunas debe realizarse en un tiempo
largo para llegar a la fase endógena, de manera que se produzca una
disminución considerable de l os microorganismos. La ecuación que
gobierna el proceso es:
→
Los tres procesos pueden ocurrir en un sistema de estabilización por
lagunas, siendo diferenciadas la primera fase (oxidación y síntesis), que
predominan generalmente en las lagunas primarias, por su corto tiempo
de retención y cargas orgánicas elevadas, mientras que la fase de
71
respiración endógena predominará en las lagunas secundarias o
terciarias, por su tiempo de retención más largo y por recibir
generalmente aguas estabilizadas pobres en materia orgánica. 26
4.
Síntesis del Oxígeno: Las algas en las lagunas de es tabilización
encuentran dióxido de carbono, nutrientes como nitratos y fosfatos
productos de la oxidación de la materia orgánica, que los utilizan las
algas en su metabolismo.
El dióxido de carbono es el alimento que utilizan las algas en la
producción de nuevas algas y síntesis de oxí geno cuando disponen
concentraciones adecuadas de nutrientes, de agua y una fuente externa
de energía (el sol). Para la síntesis algácea se propone la siguiente
ecuación:
→
La fotosíntesis es un proceso complejo en el que la energía de la luz es
absorbida por los cloroplastos de las células y convertida en energía
química, la misma que es utilizada para convertir dióxido de carbono en
glucosa y materia celular .
La siguiente ecuación es una representación de la fotosíntesis:
(
)→
(NHV) = 686 kcal
El término (NHV), representa la energía tomada de la luz, en donde H, es
la constante de Planck, igual a 6.62554 E10 - 2 7 erg-seg. (V), es la
frecuencia de la radiación gamma y (N) el número de quantos de energía.
Cuando se involucra en el proceso otro oxidante que no sea oxígeno, el
proceso se denomina “respiración anaeróbica”. El término respiración
aeróbica, se refier e al tipo de respiración donde el oxígeno es el
oxidante. 27
71
4.3.2 Cinética de la Remoción y Transformación de la materia orgánica
Los diferentes modelos desarrollados que explican el mecanismo de
remoción de la DBO, en procesos biológicos de tratamiento de agua,
buscan demostrar que a altos niveles de DBO, la velocidad de remoción
por unidad de masa de microorganismos permanece const ante, hasta
alcanzar una concentración por debajo de la cual la velocidad de
remoción, dependerá directamente de la concentración del sustrato.
Inicialmente las bacterias removerán la materia orgánica de más fácil
descomposición, en esta fase se estima que la velocidad de remoción
alcanza los valores máximos. Luego de esto la velocidad irá
disminuyendo progresivamente a medida que los otros compuestos sean
removidos de la mezcla inicial.
De manera general, la tasa de crecimiento de microorganismos, en
función de la disponibilidad de sustrato, está dada por la ecuación de
Monod 28:
⌈ ⌉
(4.1)
µ = tasa de crecimiento específico / tiempo (t - 1 )
µ m = tasa máxima de crecimiento / tiempo (t - 1 )
S = concentración del sustrato en solución, limitante del crecimiento,
masa/volumen
K s = constante de saturación ( concentración del sustrato en solución a la
cual la velocidad de crecimiento es la mitad de la máxima velocidad )
/masa/volumen
Graficando los valores de µ y de S, en un plano de coordenadas, se
obtiene la curva mostrada en la figura 4.3
71
µ /growth rate
µ
µ/2
S / substrato
Ks
Fig. 4 .4 G raf ica de µ vs . S
La figura 4.4 tiene los valores de la inversa de la ecuación anterior:
⌈ ⌉( )( )
(4.1.1)
1/µ
Slope : Ks/µm
1/µm
1/S
Fig. 4 .5 I n ve rs a de la e cua ci ón de M on od
La tasa de crecimiento definida en la ecuación (4.1), puede ser
substituida en la ecuación de crecimiento de un cultivo puro (dX/dt = µX ),
71
Para obtener la tasa de crecimiento en una situación de sustrato o
alimento limitada:
[ ]
(4.2)
Donde:
(dX/dt) : tasa de crecimiento de biomasa, M/L 3 -T
μ m : tasa máxima de crecimiento, T - 1
X : concentración de biomasa, M/L 3
S : concentración del sustrato en solución, M/L 3
Ks : constante de saturación, M/L 3
La capacidad de crecimiento Y, se define como el incremento en la
biomasa debido al proceso metabólico causado por la ingesta d e
alimento o sustrato , la capacidad de crecimiento en un cultivo cerrado es
el aumento de biomasa durante las fases de crecimiento exponencial (X m
- X 0 ), relativo al sustrato utilizado (S 0 – S m ). De aquí:
(4 . 3 )
Dado que el crecimiento está limitado por el consumo de todo el
sustrato, se puede asumir que S m = 0, y la ecuación 4.3 nos queda:
(
)
( )
(4 .4 )
La ecuación (4.4), puede ser expresada en forma diferencial de la
siguiente manera:
(4 . 5 )
71
Sustituyendo la ecuación (4.5) en la (4.2 ), obtenemos la tasa de
utilización o consumo de sustrato por parte de los microrganismos.
(
(4 .6 )
)
Donde
: Tasa de utilización de sustrato, M/L 3 T
µ m : tasa máxima de crecimiento, T -1
Ks : constante de saturación, M/L 3
Y : capacidad de crecimiento, M/M
En la fase de crecimiento endógena , las bacterias compiten por la
pequeña cantidad de alimento disponible. La tasa de metabolismo
decrece n forma acelerada, lo que da origen a una reducción en el
número de bacterias. La tasa de decrecimiento de la biomasa durante
esta fase es proporcional a la cantidad de células, es decir:
( )
(4 .7 )
Donde:
: Tasa de decaimiento de la biomasa, M/L 3 T
Kd : coeficiente de decaimiento bacteriano, T - 1
X : concentración de biomasa, M/L 3
4.3.2.1
Afectación de las reacciones por la temperatura
Las velocidades de la reacción
y
son afectadas por el aumento o
disminución de la temperatura, de acuerdo a la expresión de Arrhenius
modificada 29 :
(
)
(4 .8 )
71
De aquí:
Ø = (1.6 – 1.8) en lagunas aireadas
Ø = 1.072 (Marais) lagunas facultativas
Ø = 1.082 (Gloina) lagunas facultativas
Se considera que en sistemas heterogéneos como las lagunas de
estabilización, ocurre una cinética de primer orden y que la constante de
reacción depende invariablemente de la temperatura y de las sustancias
reaccionantes.
De igual manera inciden: la disponibilidad de nutrientes, los factores de
crecimiento, las condiciones ambientales, intensidad de la lu z
ultravioleta y vientos, profundidad, ocurrencia de mezcla o
estratificación termal, etc. 30 Marais hizo notar que los valores de K t , se
encontraban influenciados por la temperatura del agua en la laguna y
sugirió el uso de la ecuación modificada de Arrhenius para temperaturas
entre 20 y 21 C.
)(
(
)
(Ma rais , 1 974 )
4.4 APLICACIONES DE LA CINÉTICA AL TRATAMIENTO BIOLÓGICO
Las lagunas de estabilización son reactores de flujo continuo. Para su
análisis es necesario distinguir tres tipos de reactores, que se identifican
con el comportamiento hidráulico de una lagu na o de un sistema de
lagunas: reactores de mezcla completa, reactores de flujo pistón y
rectores de flujo arbitrario.
4.4.1 Lagunas con flujo pistón
El fundamento teórico de cálculo de la constante de reacción se basa en
una reacción de primer orden de la forma siguiente :
(
)
(4 .9 )
Donde:
So = Concentración afluente
71
S = Concentración efluente
K = Constante global de asimilación
TRH = Período de retención
4.4.2 Lagunas de mezcla completa
La evaluación intensiva de instalaciones de lagunas bajo la suposición de
mezcla completa es posible, siempre que se cumplan una serie de
condiciones que tienen relación con los aspectos físicos como
bioquímicos y éste se presenta cuando la instalación est á expuesta a
buen viento y ausencia de estratificación termal. La ecuación que
gobierna el comportamiento de este tipo de laguna es:
(4 .1 0 )
4.4.3 Lagunas de tipo flujo disperso
En la práctica se ha encontrado que las lagunas de estabilización no son
gobernadas por los submodelos hidráulicos de flujo a pistón o de mezcla
completa sino a través de la aplicación de modelos más complicados. Hoy
en día, el modelo de dispersión axial e s el más empleado, porque sus
límites cubren los dos tipos de flujos indicados anteriormente.
En este modelo, los mecanismos de transporte son la dispersión axial
(difusión molecular en el sentido del flujo, la convección y la
degradación o asimilación del contaminante).
La base matemática del modelo, parte de un balance de masa de un
contaminante, alrededor de un volumen infinitesimal [ dV] para un
reactor con flujo tipo pistón y teniendo en cuenta los dos fenómenos de
transporte de masa indicados anteriormente:
(4 . 11 )
Donde:
71
C = Concentración del contaminante, mg/l
X = Coordenada en la dirección de flujo, m
U = Velocidad longitudinal promedio del reactor, m/día
D = Coeficiente de dispersión, longitudinal o axial, m 2/día
T = Tiempo, días
En la ecuación anterior, el primer término de la derecha es la dispersión
por difusión molecular o simplemente dispersión, el segundo término es
la dispersión convectiva o transporte convectivo y el tercero es la
degradación del contaminante. La ecuación a nterior es conocida como
"modelo de flujo tipo pistón con dispersión axial" o "modelo de flujo
disperso" 31
La solución de la ecuación bajo las condiciones de b orde llamada
"cerradas" desarrolladas por Danckwerts y Wehner y Wilhelms es:
( ⁄
)
( ⁄
[
(
)(
)
) ( ⁄ ) (
)[( ⁄ )(
(
) (
⁄
)
)]
]
(4.12)
Donde:
Co = Concentración del contaminante en el afluente, mg/l
C = Concentración del contaminante en el efluente, mg/l
X = Distancia medida desde la entrada, m
L = Longitud entre entrada y salida, m - 10
Z = Distancia adimensional en la dirección del flujo = X/L
t = Período de retención nominal, días (t = L/U = V/Q)
d = Factor de dispersión adimensional
a = Constante adimensional
K = Constante de reacción neta, l/días
Las constantes [ a] y [d] están definidas por las siguientes relaciones:
(4 .1 3 )
71
(
)
⁄
(4 .14 )
Donde: U = Velocidad longitudinal, m/día
La ecuación puede ser utilizada para lagunas alargadas, para otras
condiciones es de utilidad la siguiente ecuación:
(
(
) ( ⁄ ) (
)
) (
⁄
)
(4.15)
Esta relación permite interpretar adecuadamente los datos de una
evaluación intensiva de campo de una laguna funcionando en equilibrio
continuo. 32
71
5. DESCRIPCION DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO
DE LAS LAGUNAS
5.1 UBICACIÓN DE LAS INSTALACIONES
Las lagunas de Picoazá se encuentran ubicadas en el sector central de la
cantón de Portoviejo en la margen derecha del rio, hac ia la zona noroeste, en las coordenadas UTM: Y: 9885328 y las coordenadas X: 557695.
Las coordenadas de las lagunas dentro del emplazamiento son:
Tab la 5 .1
G e or e fe re ncia ci ón de l áre a de e s tud io
Laguna
Aireadas
Facultativa
Maduración
Coordenadas UTM
X
557589
557849
557569
Coordenadas UTM
Y
9885328
9885199
9885480
Fi g . 5. 1 U bic aci ón d e la s lagu nas de nt r o de l ca nt ón P or t ovie j o
71
Las lagunas se ubican a un costado de la pista de aterrizaje del
Aeropuerto Reales Tamarindos, dicha área cuenta con un buen nivel de
accesibilidad pues sus otros costados colindan con urbanizacio nes,
gasolinera, comunidades aledañas y un paso lateral como producto del
desarrollo y de la vía que une Portoviejo con la Parroquia de Picoazá a
4.3 Km desde la calle Pedro Gual.
Fig. 5 .2
Vi st a Aér e a d e l as l a gu n as d e P i coa zá / Go gg l e Ear th -2 01 1
5.2 DESCRIPCIÓN DEL SIST EMA DE TRATAMIENTO
5.2.1 Localización
La ciudad de Portoviejo dispone de cuatro Lagunas de Oxidación que
reciben las aguas municipales del sistema de alcantarillado de la ciudad,
se ubican en el costado nor -oeste de la pista de aterrizaje del Aeropuerto
Reales Tamarindos.
El agua residual que es transportada por bombas desde los diferentes
colectores que dispone la red sanitaria, llega a la planta hasta un sistema
71
de separadores de sólidos gruesos (desbaste grueso), desde donde es
bombeada hasta un cárcamo ubicado en l a parte superior, para ser
distribuida a las l agunas.
Fig. 5. 3 L le gad a d e l ag ua r e sidu a l a l sis te m a de de s bas te g rue so
Las rejillas atrapan los sólidos gruesos, mediante la acción manual mecánica se limpian las rejillas de desbaste. El cuarto de bombas se
encuentra ubicado en el mismo lugar de la llegada inicial de las aguas
residuales.
Fig. 5.4 Sistema de bombeo
71
El agua residual , proveniente del cárcamo elevado y del colector de 300
mm, ingresa por unas compuertas hacia los distribuidores de caudal, el
agua puede ser enviada a
cualquiera de las dos lagunas
ubicadas
lateralmente
a
la
izquierda o a la derecha.
Fig. 5. 5 Cá ma ra d e in g r e so
El agua residual llega a la planta
de tratamiento por dos tuberías, la
tubería que ingresa al cajón de
llegada principal conduce las
aguas residuales de los colectores
E y E1, y el agua que ingresa de los
colectores Q y N, lo hacen
directamente cajón distr ibuidor,
para su respectiva distribución a
las lagunas aireadas.
En resumen las unidades que dispone la planta antes de su entrada a las
lagunas son:

Cajón de llegada con colchón de agua (colectores E y E1/llegada por
gravedad).

Compuerta disipadora de energía (colectores Q y N/bombeo directo)

Canal de repartición y de entrada a las lagunas
71
Al momento se encuentra en operación la laguna situada a la margen
izquierda. El agua ingresa inicialmente a la piscina aireada.
Fig. 5.6 Distribuidor de las aguas que ingresan a las lagunas
El sistema de tratamiento dispone de las siguientes lagunas:
2 lagunas aireadas
1 laguna facultativa
1 laguna de maduración
5.2.2 Lagunas aireadas
Las lagunas aireadas se encuentran ubicadas a unos 50 metros de la
entrada principal de la planta de tratamiento, actualmente se encuentra
en operación la laguna situada al margen izquierdo, se observan 3
aireadores en funcionamiento, normalmente lo hacen las 24 horas de
manera intermitente.
Las lagunas aireadas tienen c omo principal objetivo, asimilar la materia
orgánica soluble en un período de retención corto, pero suficiente para
obtener porcentajes de remoción del orden del 70-90%.
71
X=557782
Y= 9885500
A RE A: 1. 56 Ha
P ROFU ND ID AD : 4 .4 me t r os
EQUI PO S D E A I RE AC IO N: 3
(f u n ci o nand o )
P ote n cia de l os aire ad o re s: 30 HP
UBIC AC IÓ N: x = 55 7 78 2 y= 9 88 550 0
Nú me r o de unidade s: 2 en pa rale l o
Are a e n m 2 : 3 1. 1 22 m 2
Vo lu me n: 1 3 7. 79 1 m 3
Inc lin aci ón de l os ta l ud e s: 2: 1
Fig. 5. 7 Car ac te rís ti cas d e las lag unas
aire ad as
33
Los taludes de las lagunas están recubiertos con hormigón lanzado con
armadura metálica, la impermeabilización del fondo está hecha con
arcilla compactada.
Los aireadores utilizan anclajes empotrados en diques de hormigón, los
cables están dispuestos de manera que sirvan para energizar dos
aireadores, los aireadores pueden ser accionados en forma manual o
automática.
5.2.3 Lagunas Facultativas
El desecho biológicamente tratado en las lagunas aireadas, es
descargado en la laguna facultativa. Esta unidad para funcionar como
facultativa tiene que cumplir con dos requisitos fundamentales que son:
tener una adecuada carga facultativa y un balance de oxígeno favorable,
capaz de mantener las condiciones aeróbicas sobre el es trato anaeróbico
del fondo.
El efluente de las lagunas aireadas es recolectado a través de un
vertedero rectangular de lámina de acero, que descarga las aguas
residuales tratadas inicialmente en la laguna facultativa.
71
5.2.3.1 Características de las lagunas facultativas
El fondo de la laguna esta hecho sobre base de arcilla, el ingreso de las
aguas se lo realiza por un canal rectangular de 1,20 metros de ancho,
disponiendo una estructura para disipación de energía de 3 x 5 metros,
localizado en el fondo de la laguna.
Fig. 5. 8 Lagu nas Fa cu lt ativa s/2 0 11
T ab la 5 .2 D i me n si one s de l a lag una fa cu l tat iv a
A RE A D E L A L AG U N A A MED I A
A LT U R A
NU ME R O D E U NI D AD E S
P ROFU ND ID AD D E L A L AGU N A
V OLU ME N
PE RI OD O D E RET E NC IO N
IN CL I N ACI O N D E LO S T A LUD E S
CON FIG U RA CI ON
15. 28 Ha
1
1.8 5 me tr o s
28 3. 04 0 m 3
5.71 día s
2:1
TR A PEZ OID A L
5.3 Laguna de Maduración o Pulimento
Esta unidad es la última de la serie de laguna y su función es similar a la
de las lagunas facultativas, con excepción de la capacidad de
almacenamiento de lodos. A estas unidades no llegan sólidos biológicos
que no sean algas unicelulares y prácticamente no acumulan lodos, de
71
modo que no es necesaria su limpieza continua, estas lagunas son
también conocidas como “lagunas de pulimento”. La función de la laguna
lo resumimos en:



Mantener las condiciones adecuadas de balance de oxígeno, de
modo que se pueda sustentar una adecuada biomasa de algas
unicelulares en la parte superior de la laguna. 34
Presentar las condiciones adecuadas de mortalidad bacteriana, lo
cual se da cuando la población de algas al alimentarse básicamente
de sistema carbonatado, en las hor as de mayor luz y actividad
fotosintética, consume bicarbonatos y carbonatos, produciendo un
notable incremento del pH y al mismo tiempo una gran mortalidad
bacteriana.
Asegurar una adecuada remoción de nematodos intestinales, para
que el tratamiento esté de acuerdo con las recientes guías de la
OMS.
5.3.1 Características de las lagunas de pulimento
Los taludes de las lagunas están recubiertos con hormigón lanzado con
armadura metálica, la impermeabilización del fondo de las lagunas se lo
realiza sobre la base de arcilla compactada. El ingreso a la laguna se lo
realiza por medio de dos vertederos con derivaciones angulares para su
total distribución.
Fig. 5. 9 V i sta ge ne ra l d e l a Lag una de pu li me n to -2 011
71
La salida de la laguna hacia el emisario final que va hacia el Rio
Portoviejo y algunos afluentes son utilizados para riego en sectores
asentados en la zona.
T ab la 5 .3 D ime nsi one s de l a lag una de p ul ime nt o
A RE A D E L A L AG U N A A MED I A
A LT U R A
NU ME R O D E U NI D AD E S
P ROFU ND ID AD D E L A L AGU N A
V OLU ME N
PE RI OD O D E RET EN CI ON / C AUD A L
MED I O
IN CL I N ACI O N D E LO S T A LUD E S
CON FIG U RA CI ON
12. 04 Ha
1
1.77 me t r os
216. 57 3 m 3
12 día s
2:1
TR A PEZ OID A L
5.3.2 Descarga Final de las lagunas
La descarga final de las lagunas se la realiza por medio de un ducto de 1
metro cuadrado aproximadamente, que envía las aguas tratadas a un
canal (emisario), y conducidas hacia su disposición final, en el río
Portoviejo.
Fig. 5. 10 D e s car ga fina l de las lag unas
71
Las aguas residuales tratadas, salen por un emisario subterráneo que
recorre aproximadamente 3 kilómetros antes de su descarga al Rio
Portoviejo.
F i g . 5 . 1 1 U b i c a c i ó n d e l a sa l i d a d e l a g u a r e si d u a l h a c i a e l r í o P o r t o v i ej o
71
6. MODELACION DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO
6.1 GENERALIDADES
Un modelo es la representación abstracta de algún aspecto de la
realidad. Su estructura está compuesta por dos partes, la primera es
todo aquello que caracteriza la realidad modelizada , y la segunda las
relaciones existentes entre los elementos antes mencionados. 35
Para Eykhoff (1974) y Hangos & Cameron (2003 ): Un modelo de proceso
es un conjunto de ecuaciones (incluyendo los datos de entrada
necesarios para resolver las ecuaciones) , que nos permitan predecir el
comportamiento de un proceso químico , físico o biológico .
Los modelos de los procesos de tratamiento de aguas residuales, varían
en su complejidad: de acuerdo a l número de componentes y procesos
biológicos considerados, de acuerdo a modelos de estado estacionario o
dinámico, o que el reactor biológico se considere un dominio con
concentraciones homogéneas o distribuidas en el espacio .
Hay que señalar que los modelos de estado estacionario suelen utilizarse
para el diseño de plantas de tratamiento, mientras que los modelos
dinámicos se utilizan más para evaluar el comportamiento de una planta
ante situaciones históricas o futuras .
En estos últimos, se describe el proceso biológico a través de un número
de componentes del agua residual, que siguen unos procesos biológicos
de transformación, y cuya concentración se expresa a través de un
sistema de ecuaciones diferenciales, que se obtienen mediante ba lances
de materia de los diferentes componentes.
En algunos casos hay que aplicar balances de energía y de cantidad de
movimiento. Científicos e Ingenieros usan al menos alguna de las tres
metodologías para obtener las ecuaciones de un modelo las cuales se
describen a continuación:
71
1. Fundamental: Usa la teoría de la ciencia fundamental para obtener
ecuaciones. En este caso, las teorías que se aceptan son los
axiomas básicos en el proceso lógico de construcción de un
modelo.
2. Empírica: Hace uso de observación directa
ecuaciones que describen los experimentos.
para
desarrollar
3. Analogía : Usan las ecuaciones que describen a un sistema análogo,
con variables identificadas por analogía , en una base uno a uno
6.1.1 Clasificación de los mod elos matemáticos
Existen diferentes formas de clasificar a los modelos matemáticos 36, de
acuerdo a los diferentes aspectos, criterios y resultados que se quieran
obtener, en general tenemos: si la variable tiempo es considerada; en
estáticos y dinámicos ; de acuerdo a la ausencia de variables
determinísticas: en determinísticos o estocásticos ; de acuerdo a la
extensión de las aproximaciones hechas: en fenomenológicos o empíricos.
Desde el punto de vista práctico han demostrado tener los mejores
resultados los modelos ambientales semiempíricos estocásticos y
dinámicos. Debido a que permiten utilizar la información de campo y/o
laboratorio, con los cual se puede lograr un mejor ajuste entre la teoría y
la práctica.
6.1.2 Tipos de modelos matemáticos
6.1.2.1 Modelos Empíricos
Se sustentan en la identificación de relaciones estadísticamente
significativas entre ciertas variables que se asumen como esenciales y
suficientes para modelar el comportamiento del sistema. Con tal motivo,
debe disponerse previamente de una base de datos de tamaño adecuado.
Los modelos
diferentes:
empíricos,
pu eden
subdividirse
en
tres
categorías
71
Modelado por caja blanca
Los modelos de caja blanca reflejan todas las propiedades del sistema
real. Para su construcción se utiliza el conocimiento previo y los
principios físicos involucrados.
Todas las variables y constantes pueden interpretarse como términos
físicos que son conocidos a priori. Por razones obvias, a este tipo de
modelo se le conoce también como modelo físico.
Modelado por caja negra:
Los modelos por caja negra se diseñan enteramente a partir de datos, sin
tener en cuenta la interpretación de los parámetros que lo definen 37. La
base del modelo se selecciona a partir de núcleos estimadores cuya
estructura se conoce que es muy flexible y que ha dado res ultados en
aplicaciones pasadas, los parámetros de estos modelos por lo general no
tienen significado físico y se ajustan para reproducir los datos
observados tan bien como sea posible.
Cuando se trata de obtener un modelo por caja negra, pero ajustando
algún parámetro al que se le puede dar una interpretación física;
entonces al método de identificación de sistema utilizado se le llama
modelado
físicamente
parametrizado.
El
modelo
física mente
parametrizado es normalmente más realista que el modelado por caja
negra cuando se dispone de algún conocimiento sobre las leyes que rigen
el comportamiento del parámetro que se adapta.
Esta terminología implica que los métodos de identificación pu eden
clasificarse en un rango entre el modelo de caja negra y el modelo por
caja blanca, a esta “zona media” se le denomina modelado por caja gris
(o modelo físicamente parametrizado).
Desde el punto de vista de una aplicación, el modelado por caja gris e s el
más importante , pues permite el cumplimiento de dos aspectos
fundamentales a tener en consideración cuando se realiza un modelo:

El esfuerzo de modelado debe reflejar el uso que se le pretende dar
al modelo
71

No debe estimarse lo que ya se conoce
6.1.3 Sistemas de control en modelos de proceso
6.1.3.1 Sistemas de lazo abierto
Un sistema de lazo abierto es aquél donde la salida no tiene efecto sobre
la acción de control. La exactitud de un sistema de lazo abierto depende
de dos factores:

La calibración del elemento de control.

La repetitividad de eventos de entrada sobre un extenso período de
tiempo en ausencia de perturbaciones externas.
6.1.3.2 Sistemas de lazo cerrado
Un sistema de control de lazo cerrado es aquél donde la señal de
salida tiene efecto sobre la acción de control. En un sistema de lazo
cerrado se puede apreciar que la salida es medida y retroalimentada
para establecer la diferencia entre en valor deseado y el valor
obtenido a la salida, y en base a esta di ferencia, adoptar acciones de
control adecuadas.
6.1.3.3 Diseño del Modelo
Durante la fase del diseño del modelo, se distinguen las siguientes
actividades: 38

Determinar las asunciones
• Determinar la estructura del modelo
• Determinar las ecuaciones del modelo
• Determinar los parámetros del modelo
• Verificación del modelo
• Validación del modelo
71
6.2 MODELOS EMPÍRICOS DE LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN
Desde los años 1950, numerosos investigadores han venido desarrollando
modelos que permitan la predicción m atemática de algunos parámetros
de calidad en el efluente, siendo el más característico la remoción de la
carga orgánica y la remoción de la carga microbiológica.
De acuerdo a la rigurosidad de las ecuaciones plantea das, éstos han sido
estudiados en dos grupos: los empíricos y los racionales. 39
6.2.1 Modelos Empíricos
Fueron obtenidos en base a observaciones de características físicas y
operacionales de plantas existentes, que se encuentran operando en
buenas condiciones. Estos modelos suelen ser utilizados en lagunas que
posean las mismas características físicas y que las condiciones
medioambientales sean similares.
Lo que los hacen atractivos para su aplicación son los valores a obtener,
debido a que corresponden a caract erísticas fisicoquímicas del agua
afluente al sistema, la geometría de las lagunas y algu nas variables
medioambientales. Entre los más conocidos tenemos: los modelos
empíricos para la predicción de las concentraciones de algunos
parámetros en el efluente ( descarga final).
6.2.1.1 El Modelo de McGarry y Pescod
Teniendo como base las investigaciones de 143 lagunas facultativas
primarias, con eficiencias medias de remoción del 73%, obtuvieron la
siguiente correlación para la carga orgánica superficial aplicable y la
carga superficial removida en una laguna.
(
Para: 50 < ψ S > 500,
)
Donde:
T a r = temperatura promedio del aire, ( o C)
Ψ S = carga orgánica superficial aplicada, (Kg DBO 5 /ha-día)
Ψ S m a x = la carga orgánica superficial máxima aplicada, (Kg DBO 5 /ha-día)
Ψ r = carga orgánica superficial removida, (Kg. DBO 5 /ha-día)
71
6.2.1.2 El Modelo de Yáñez
Yáñez estudio el comportamiento de 8 lagunas facultativas ubicadas en
Lima-Perú, bajo diferentes condiciones ambientales y de carga. De los
datos obtenidos, presentó las siguientes correlaciones para la carga
máxima aplicable y la carga removida: 40
(
)
Para lagunas primarias:
(
)
(
)
Para lagunas secundarias:
Donde:
T es la temperatura promedio del agua ( o C)
Ψ S m á x = la carga orgánica máxima aplicable (kg -DBO 5 /ha-dia)
Ψ r = la carga orgánica superficial removida (kg DBO 5 /ha-día)
Ψ S = la carga orgánica superficial aplicada (kg. DBO 5 /ha-dia)
6.2.1.3 El Modelo de Cubillos 41
Cubillos evaluó el desempeño de las lagunas facultativas del Instituto
Colombiano agropecuario y del Centro Internacional de Agricultura
Tropical, situados en Colombia, y obtuvo correlaciones utilizando
criterios semejantes a los propuestos por Hermann y Gloyna (1958). Las
correlaciones obtenidas son las siguientes:
(
)
Para lagunas primarias:
Donde T es la temperatura promedio del agua ( o C); h, la profundidad de
la laguna (m); ψ (carga orgánica).
71
6.2.1.4 El Modelo de Mara y Pearson (1986)
Mara y Pearson propusieron un modelo común aplicado para la predicción
de la carga orgánica, basados en la temperatura ambiente, para
estanques facultativos, Mara propuso el siguiente modelo:
(
)
Donde:
ψ S = carga máxima aplicable sobre la superficie (Kg DBO/ha -dia)
T = promedio del mes más frio
6.3
ESTRUCTURA DEL MODELO PROPUESTO
Las lagunas de estabilización desarrollan procesos afines a los naturales,
por consiguiente conviene utilizar métodos similares para el modelado,
en nuestro caso, el primer proceso es una laguna aireada y el segundo
una laguna facultativa.
Considerando que el modelo propuesto tiene como objetivo predecir la
remoción de la carga orgánica, no se in cluirá la laguna de maduración,
asumiendo que, la digestión de la ma teria carbonacea es nula en esta
etapa, y más bien se desarrolla la cinética de decaimiento bacteriano
(reducción de coliformes y otros microorganismos) 42
Empezaremos definiendo los compo nentes del agua residual que van a
intervenir en el modelo matemático del proceso, estos componentes
junto al reactor serán las variables del sistema.
Luego definiremos los procesos cinéticos , es decir aquellas reacciones
que modifican los parámetros dentro de la laguna. La cinética de una
reacción puede afectar a uno o más parámetros, por lo tanto tenemos
que definir cuáles serán los más afectados y que intervengan
directamente en la remoció n de la carga orgánica. 43
Una vez determinados los parámetros y la cinética que afecta
mayormente al proceso, definiremos las entradas y salidas del sistema,
las mismas que pueden ser: permanentes, estacionarias, intermitentes,
etc, de igual manera se defi nirá a la laguna aireada como un reactor de
mezcla completa.
Un aspecto importante en la estructura del modelo es determinar cómo
serán consideradas las entradas y salidas del reactor, pudiendo ser como
71
caudales másicos o volumétricos, como carga orgánica total o soluble, o
también en función de transferencia interfacial, cuando se trate de
oxígeno o nitrógeno.
Definidos estos componentes básicos del modelo (componentes,
procesos, régimen de flujo), se procede a plantear los balances de
materia en condiciones no estacionarias, para cada uno de los
componentes del modelo. Con ellos se obtienen las ecuaciones
diferenciales ordinarias que definen el sistema.
Estas ecuaciones matemáticas se incorporan a un programa informático
que incluya herramientas de reso lución numérica de EDO. Las técnicas
utilizadas pueden ser des de la más sencillas, como Euler, hasta las más
complejas,
como
Runge -Kutta-Fehlberg.
El
conjunto
de
EDO
implementadas en soporte informático, junto con las herramientas de
resolución consiste el núcleo del modelo informático. A continuación
presentamos el esquema utilizado en la elaboración del modelo.
DEFINIR COMPONENTES
DEFINIR
ENTRADAS
Y SALIDAS
RESOLUCION
MATEMATICA
DE LAS EDO
DEFINIR PARAMETROS,
CINETICAS, PROCESOS, ETC
PLANTEAR LOS
BALANCES DE MATERIA
ECUACIONES DIFERENCIALES
ORDINARIAS/EDO
DEFINIR EL
REGIMEN
DE FLUJO
PROGRAMAS
INFORMATICOS
MODELO INFORMATICO
F i g . 6 . 1 E s q u e m a d e l m o d e l o p la n t e a d o
La modelación consistirá principalmente en predecir la calidad de salida
del agua del sistema de Lagunaje (laguna aireada) y por consiguiente la
calidad del agua que ingresará a la laguna Facultativa , a partir de los
71
datos de entrada (parámetros) al sistema, una vez propuesto el modelo,
deberá ser analizado en el contexto real, para esto se requiere de una
serie de datos temporales y la minimización del error entre los valores
simulados a los reales, esto se llama calibración del modelo.
6.3.1 Modelo Elemental de la laguna aireada mecánicamente
Las lagunas aireadas mecánicamente, son consideradas como reactores
de flujo de mezcla completa, con buenas condiciones de aireación y
agitación, lo que conduce a concentraciones homogéneas de sustrato,
biomasa y oxígeno.
Este tipo de lagunas requieren lagunas secundarias y terciarias para
completar la remoción de DBO 5 y la sedimentación de los s ólidos
suspendidos.
Las lagunas se airean normalmen te con turbinas superficiales, la Figura 2
muestra una representación de este tipo de lagunas, cuyo esquema de
mezcla y flujo corresponde idealmente a un reactor de flujo d e mezcla
completa “CSTR” (continuously stirred tank reactor ).
El volumen contenido de agua se considera constante, al igual que en
proceso de lodos activados, el contenido de oxígeno disuelto en
interior de la laguna se fija en valores de 1.5 a 2 mg/l. Sin embargo de
afinidad con el proceso, las lagunas aireadas mecánicamente,
disponen de sedimentadores secundarios.
un
el
su
no
Fig.6 .2 La guna ai re ada de me zc la c o m p le ta
La laguna aireada del sistema de tratamiento opera con 4 aireadores que
desarrollan una potencia de 150 Hp , y su operación es continu a durante
las 24 horas del día.
71
Fig. 6. 3 Lag unas ai re ad as de P o rt ovie j o
Las lagunas de estabilización mantienen caudales variables con el
tiempo, de igual manera la temperatura y la composición del afluente, en
consecuencia las variables en el reactor y los efluentes de salida serán
también variables con el tiempo. Estas variables serán determinadas con
los balances de sustrato y de biomasa, que dan lugar a las ecuaciones
diferenciales que gobiernan el proceso.
6.3.2 Componentes del modelo
Antes de plantear los balances de masa , se requiere conocer la cinética
que afectará a la biomasa y al sustrato. Iniciaremos el análisis
considerando que la cantidad de oxígeno suministrada al proceso, es la
adecuada, y por lo tanto no habrá limitante de oxígeno en los procesos
biológicos.
De esta manera no será necesario incluir la cinética de la transferencia
de oxígeno en la laguna. Los componentes son entonces: Sustrato y
Biomasa Heterótrofa.
Sustrato (S)
Será determinado por la DQO y por la DBO, en los análisis consideramos
a la DQO por ser un método más rápido de evaluación, asumimos que se
mantiene la relación DBO 5 /DQO, en cada uno de los procesos y que su
relación promedia valores de 0.8 – 0.9.
71
Biomasa (X V )
Cultivo de microorganismos heterótrofos que se alimentan de la materia
orgánica biodegradable del agua residual. Su concentración se puede
medir mediante la concentración de sólidos suspendidos volátiles (SSV)
en el reactor biológico, lo constituyen apro ximadamente un 70-80% de
los sólidos totales.
Los dos componentes que parecen simples, en el proceso son más bien
complejos. La materia orgánica puede estar en forma disuelta o en
suspensión, puede ser biodegradable o no, además los procesos
biológicos para su desarrollo necesitan nutrientes principalmente
nitrógeno y fosforo soluble y el oxígeno y los nitratos son oxidantes
empleados en la respiración celular.
Estos nutrientes que son necesarios para el desarrollo normal del
ecosistema de la laguna, so n característicos en las aguas residuales
domésticas, por lo que consideramos que se trata de un agua
completamente balanceada.
En cuanto a la disponibilidad del oxígeno, al ser una laguna aireada la
cantidad de oxigeno disuelto, será una variable que deberá ser
manipulada de manera externa, para nuestra simulación será considerada
una constante, que tendrá un valor máximo de 2 mg/ l.
6.3.2.1
Procesos Cinéticos que emplea el modelo
En función de los dos com ponentes elegidos, proponemos la utilización
de dos procesos cinéticos básicos: el crecimiento de la biomasa y la
muerte de la biomasa. Teniendo en consideración que la laguna aireada
actúa como un reactor de mezcla completa.
Crecimiento de la biomasa : proceso responsable del consumo del
sustrato y del crecimiento de la biomasa.
71
Muerte de la biomasa: (metabolismo endógeno o lisis de los
microorganismos). Este proceso implica una reducción en el crecimien to
de la biomasa obtenido en el proceso de crecimiento inicial.
6.3.3 Procesos cinéticos de la biomasa
Definimos dos procesos cinéticos que se desarrollan con la biomasa: el
crecimiento y la muerte endógena.
a. Crecimiento de la biomasa
El crecimiento de la biomasa es proporcional a su concentración y a la
velocidad específica de crecimiento :
(6.1)




r g = velocidad de crecimiento de la biomasa, g SSV/(m 3 -d)
µ = velocidad específica de crecimiento de la biomasa,
gSSV/(gSSV-d) : d - 1
X V , a = concentración de SSV en la laguna
r g = ( dX/dt)g
La velocidad específica de crecimiento de la biomasa sigue la ecuación de
Monod
[
]
(6 .2 )
Sustituyendo la ecuación 6.1 en la 6.2, tenemos:
⌈
⌉
( 6. 3)
De aquí: Ks : constante de saturación, M/L 3 , es la concentración del
sustrato a la cual se observa la mitad de la máxima tasa de crecimiento.
Esta ecuación (6.3), será utilizada en el modelo, la cual determina el
aumento de la biomasa en el proceso. Ver figura 4.3, en el capítulo 4.
71
b. Muerte endógena de los microorganismos
Definida por la siguiente ecuación:
(6. 4 )
Donde:
(dX/dt) d : r d : tasa de decaimiento de la biomasa, gSSV/m 3 -d
Kd: coeficiente de decaimiento bacteriano, [t - 1 ]
X V , a : concentración de biomasa en la laguna
Para determinar la tasa de crecimiento durante la fase endógena se
pueden utilizar las ecuaciones anteriores:
( )
⌈
⌉
(6.5)
Lo que representa la tasa de variación de la población bacteriana en la
fase endógena
6.3.4 Procesos cinéticos del sustrato
En esta etapa el único proceso que se desarrolla, es el consumo de la
biomasa del sustrato que ingresa en el afluente a las lagunas, la
velocidad del consumo es un proceso muy ligado al crecimiento de la
biomasa, es más el segundo depende del primero.
Si estimamos que por cada kilogramo de sustrato que ingresa al sistema,
se producen Y kilogramos de biomasa ( SSV) 44, podemos representar el
consumo de sustrato por:
(6. 6 )
r g = velocidad de utilización de sustrato, g DBO 5 /(m 3 .d)
Y = factor de rendimiento de la biomasa, kg SSV/(kg DBO 5 )
r s u = velocidad de utilización de sustrato, g DBO 5 /(m 3 .d)
De aquí la velocidad de utilización de sustrato la expresamos como:
71
(6. 7)
( )
Si remplazamos la ecuación 6.3 en la 6.7 obtenemos:
( 6.8 )
La ecuación 6.8 nos determina que la utilización de sustrato está ligada
al crecimiento de la biomasa, esto nos determina que el conjunto de
procesos cinéticos pueden definirse a través del crecimiento bacteriano
y del metabolismo endógeno.
6.4 PLANTEAMIENTO DE LOS BALANCES DE SUSTRATO Y DE BIOMASA
Para los balances de masa, consideramos las siguientes asunciones: la
temperatura y la cantidad de agua residual que ingresa a la laguna es
constante.
La forma literal del balance general es la siguiente:
∑{
}
∑{
}
⁄
∑{
⁄
⁄
}
{
}
⁄
Los flujos másicos se expresan en la ecuación como cargas orgánicas,
esto el producto de los m 3 /d. (caudal) que ingresan por los Kg/m 3 (carga
orgánica), esto es (Kg/d), el término correspondiente a los procesos
cinéticos pueden tener signo negativo o positivo, de acuerdo como
afecte al proceso. mEl término de acumulación de masa es la derivada
respecto al tiempo de la cantidad acumulada. Es decir:
(
{
⁄
)
}
71
Para nuestro caso el volumen es constante:
⁄
{
}
6.4.1 Balance del Sustrato
{
}
⁄
{
⁄
}
{
}
⁄
⁄
{
}
Remplazando en la ecuación los términos correspondientes:
(6.10)
Sustituyendo el término r S U de la ecuación 6.8 tenemos:
(
)
[
]
(6.11)
Despejando la derivada obtenemos la ecuación diferencial de la variable
Se:
[ ](
)
[
]
(6.12)
6.4.2 Balance de Biomasa
De igual manera que el balance de sustrato, realizamos el balance literal
de la biomasa:
{
⁄
}
{
⁄
}
{
⁄
}
{
}
⁄
71
Remplazando en la ecuación los términos correspondientes:
(6. 1 3)
Despejando la derivada y remplazando los términos r g y r d obtenemos la
ecuación diferencial de la variable X V , a
[
]
(
)
6.14
Las ecuaciones 6.12 y 6.14 (ecuaciones diferenciales ordinarias),
constituyen la base matemática del modelo informático que será
utilizado en la modelación de la laguna aireada.
6.5
MODELACIÓN DE LA LAGUNA FACULTATIVA
El presente modelo fue desarrollado por Fritz y Meredith 45 en la
Universidad Estatal de Nueva York, y será adaptado a nuestro modelo. El
objetivo principal de este modelo fue interrelacionar los más
importantes factores ambientales.
Estos factores ambientales son: las características de las aguas
residuales, la radiación solar y la temperatura, los mismos que sufren de
variaciones horarias y estacionales muy notables. 46
6.5.1 Bases del Modelo
En su forma elemental, este modelo comp rende la interacción de
nutrientes solubles del desecho y lodo de fondo, con la biomasa
compuesta de algas y bacterias y la fase gaseosa, compuesta por oxígeno
y CO 2 . En su aspecto físico el modelo considera la sedimentación de
sólido, algas y bacterias, e l balance de líquido es completo con la
inclusión de lluvia, evaporación e infiltración y por último, se considera
la influencia de la energía solar y el viento.
71
6.5.2 Ecuación General de Conservación de Masa
Para una laguna facultativa se considera el siguiente balance de masas:
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
) 6.15
Por conveniencia en el desarrollo del modelo, se considera que las
masas: sedimentada, solubilizada en el lodo, infiltrada y asimilada, son
descritas por las reacciones, y por lo tanto el balance quedaría:
(
)
(
)
(
)
(
)
6-16
Expresando la ecuación anterior de forma matemática tenemos:
∑
6. 1 7
De aquí:
V = volumen de la laguna, m 3
C = concentración de sustrato, mg/l
Qa = caudal del afluente, m 3 /día
Qe = caudal del efluente, m 3 /día
Rc = tasa volumétrica de reacción de la sustancia considerada, mg/l -dia
n = número de reacciones en el balance considerado
La ecuación ha sido modificada de las condiciones originales propuesta
por Fritz, para corregir el período de retención por lluvia, evaporación e
infiltración. Para esto se considera que el periodo de retención estará
dado por la siguiente correlación:
(
)
(
)
6. 18
De aquí:
71
Pr = período de retención nominal en días
A = área de la laguna (Ha)
E = evaporación, mm/día
P = precipitación, mm/día
I = infiltración en mm/ día
Para efectos de cálculo, se adopta la siguiente convención de signos en
el balance generalizado:

Las reacciones que describen vectores de masa del afluente y
aportes de lodo son positivos, las demás reacciones de vectores de
masa sedimentada, infiltrada y asimilada, en el afluente son
negativos.
6.5.3 Ecuación generalizada de asimilación de substrato
Asimilación de substrato soluble
Adaptando la ecuación a la nomenclatura usada en todo el sistema lagunar:
∑
6. 1 9
En donde:
Rc = tasa volumétrica de asimilación de DQO, mg/l -día
S e F = DQO biodegradable del afluente en laguna facultativa, mg/l
Para el cálculo de la constante de reacción - RC, se utiliza la teoría de
Monod que establece una cinética de asimilación de substrato, se
considera que tanto la DQO como el oxígeno disuelto y los nutrientes
forman parte del substrato como factores limitantes en la reacción de
síntesis de bacterias heterotróficas, la siguiente ecuación describe la
variable Rc.
[
] [
][
] [
]
6. 20
71
De aquí:




K m = tasa máxima de utilización bacteriana de substrato en
mg/mg X b .día
X f = biomasa bacteriana activa, mg/l
S, OD, N, P = concentraciones de DQO, oxígeno disuelto, nitrógeno
total y fósforo inorgánico del afluente, mg/l.
Ks, Kod, Kbn, Kbp = concentraciones de DQO, OD, N total, P
inorgánico, para las condiciones de saturación media de K m (0.5
K m ).
Remplazando en la ecuació n 6.19 y despejando el volumen del sistema,
tenemos:
(
)
[
][
][
][
]
6. 2 1
El coeficiente K m , depende de la temperatura, según la Ley de Arrhenius :
6. 2 2
De aquí: Ø= es la constante de la Ley de Arrhenius .
Para el cálculo de la DQO biodegradable soluble del afluente [ S b a ], se
considera la teoría de Marais 47, que describe una fracción de la DQO que
es no biodegradable y está asociada con material inerte [f i P], otra
asociada con material soluble [f n ], y un aporte de substrato soluble
proveniente del lodo de fondo [f s ], en la siguiente ecuación:
[
]
6. 22
En donde:
f n = fracción de DQO no biodegradable del afluente, asociada con
material soluble (0.05 -0.1) para desecho doméstico crudo y (0.06 -0.12),
para sedimentado.
71
f i = fracción de DQO que representa los sólidos volátiles inertes (0.07 0.12) para desecho crudo y cero ( 0 ), para el sedimentado.
f s = factor que representa la fracción de S a (DQO total en el afluente),
que sedimenta y solubiliza del lodo de fondo y es dependiente de la
temperatura.
Cuando T > 15 o C, se considera que [f s ], representa la fracción de S a que
sedimenta más aquella que alcanza el efluente antes de ser oxidada.
Cuando T< 15 º C, se considera que hay contribución del lodo del fondo y
[f s ].
6.5.4 Crecimiento bacteriano en la laguna facultativa
El balance de biomasa de bacterias heterotróficas es:
6.2 3
De aquí:
X V , a , X V , f : concentraciones de biomasa del afluente y del efluente, mg/d
Rx b 1 , Rx b 2 : velocidades volumétricas de reacción que representan,
respectivamente, el crecimiento bacteriano (incluido síntesis de
destrucción endógena) y la sedimentación, ambas en (mg/l -día).
Para las expresiones de Rx b 1 , Fritz propone la siguiente ecuación:
(
)
6.24
6. 25
De aquí:
Y = Factor de crecimiento de bacterias en la etapa carbonacea, mg.X b /mg.DQO
K b = tasa específica de respiración endógena, mg.X b /mg.X b -día a temperatura T
f b = tasa de sedimentación, 1/día.
71
Remplazando 6.24 y 6.25 en 6.23 nos queda la ecuación final:
(
6.6
)
6.26
MODELACIÓN DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO LAGUNAR
La modelación consiste básicamente en resolver un problema del valor
inicial. Hay que definir los valores iniciales de las variables de estado, así
como la evolución temporal (para todo el periodo a simular) 48 de las
entradas del sistema, y otras variables independientes del sistema. Este
conjunto de datos constituyen el escenario de la simulación.
De manera general seleccionaremos los operaciones y rutas, que se van a
tener en cuenta en la modelación, para esto se deberán considerar las
ecuaciones que incidan directamente en el proceso y los fenómenos que
ocurren en el interior, las variables y las sim plificaciones y consideradas
a ser tomadas en cuenta .
Para la descripción de las ecuaciones se usará una notación matricial
desarrollada por Petersen (Hanze 2002). En esta matriz, se representan
los componentes del modelo en la fila superior, mientras que los
procesos cinéticos se recogen en la columna de la izquierda (nombre del
proceso) y en la colum na derecha (ecuación cinética).
De acuerdo a estimaciones iniciales consideramos al oxígeno disuelto en
la laguna como constante (depende de la inyección d e aire en el
sistema).
Otra consideración importante es que el modelo no considera la
sedimentación del lodo floculento, en nuestro caso se asume que la
totalidad de la biomasa pasa a la laguna facultativa.
71
COMPONENTES
Se
XA,V
VELOCIDAD DE REACCION
PROCESOS
CRECIMIENTO DE LA BIOMASA
METABOLISMO ENDOGENO
1
0
-1
BIOMASA
M/L-3
[DQO]
SUBSTRATO
M/L3
[DQO]
Parámetros Cinéticos
Tasa de crecimiento especifica máxima : µ
Constante de Saturación media : Ks
Tasa Específica de Decaimiento : Kd
Tabla 6.1 Matriz de Petersen para el proceso de laguna aireada
COMPONENTES
SeF
Xf
Y
1
VELOCIDAD DE REACCION
PROCESOS
CRECIMIENTO DE LA BIOMASA
METABOLISMO ENDOGENO
0
-1
BIOMASA
M/L-3
[DQO]
SUBSTRATO
M/L3
[DQO]
∑
Tabla 6.1 Matriz de Petersen para el proceso de laguna aireada
71
T ab la 6. 3 Re s u me n de l as e c ua ci one s que u ti li za e l m ode l o
D E S C R I P C I O N
E C U A C I O N
Bala nc e de S ubs t rat o e n l as lag u nas ai rea das
Bala nc e de c re ci mie nt o y m u e r te e nd óge na e n las lag u nas
ai reada s
[
[
](
)
]
[
]
(
(
(
Per i od o d e re te n ci ó n e n l a l ag un a fa c ult ati va
)
)
)
Asi mi la c ió n d e S u bst rat o so l ub le e n la lag u na f ac u ltat iva
Constante de reacción de Monod para la laguna Facultativa /Rc
∑
[
] [
][
] [
]
C oe fi c ient e Km, m e j o ra d o d e A r rhe ni us
C re c im ient o b a cte ria n o e n la lag u na fa c u ltat iv a
Vel o ci dad d e c re ci m ie n to ba c te ria n o fa c ult ati v o
(
)
Vel o ci dad d e d e st r u c ci ón e n d ó ge na
71
Tabla 6.4 Constantes utilizadas en el modelamiento de las lagunas
SIMBOLO
D E S CR I P CI O N
Y
Coeficiente de crecimiento bacteriano
V
Volumen de las lagunas (aireada)
µmáx.
Tasa de crecimiento específico máxima
UNIDADES
VALOR
E S TI M A D O
⁄
0 .4 -0 .6 *
m3
12 7.0 0 0
1/día
3- 12 **
mg DQO/l
10-100***
Ks
Constante de saturación media /para 50% DQO
Kd
Tasa específica de decaimiento (muerte endógena) lagunas
aireadas
1/día
0 .0 4 *** *
Se
DQO biodegradable a la salida de la laguna
mg/l
-
Concentración de O2 para las condiciones de saturación media
de Km (0.5 de Km)
mg/l
1.0
Concentración de N2 para las condiciones de saturación media
de Km (0.5 de Km)
mg/l
0 .0 1
Kbp
Concentración de P para las condiciones de saturación media de
Km (0.5 de Km)
mg/l
0 .0 1
Km
tasa máxima de utilización bacteriana de substrato en la laguna
facultativa
mg/mgXb.día
2.0
Kod
Kbn
Ø
Constante de Arrhenius
Kb
Constante de decaimiento endógeno en el proceso facultativo
1/días
0 .0 7
fb
Tasa de sedimentación
1/día
0 .0 5
1.0 7
Referencias:
* Yanez-Modelación de lagunas aireadas
** Yánez / Modelación de lagunas aireadas
*** Mara-Enkelfelder/Evaluación de coeficientes biocinéticos
**** Ramalho/tratamiento de aguas residuales
71
7
SIMULACION DE LA LAGUNA AIREADA
Para la implementación de la simulación de los modelos matemáticos
escogidos, se ha emplead o el programa de Matlab , este programa esta
orientado al cálculo numérico, donde todos sus datos son considerados
como vectores o matrices, ofrece un entorno de desarrollo integrado,
con un lenguaje propio, el M. El paquete incluye las herramientas
Simulink y Guide, que son plat aformas de simulación multidominio, y un
editor de interfaces gráficas de usuario.
7.1 Alternativa a Matlab estudiadas
La elección de Matlab, como herramienta de desarrollo de nuestra
simulación (resolución de las ecuaciones diferenciales) , ha sido por su
óptima adecuación a nuestras necesidades, sin embargo cabe mencionar
el estudio de otras alternativas que podrían ser utilizadas en estudios
similares.
7.1.1 Vensim PLE
Vensim es una herramienta para el desarrollo, análisis y empaquetado de
modelos dinámicos, creado por Ventana Systems . Como indicador de
calidad del mismo se puede citar que es parte del programario ut ilizado
con fines docentes y de investigación en la Sloan School of Management
del MIT (Massachusetts Institute of Technology ). Además, pese a ser un
programa comercial, existe una versión gratuita para usos docentes y
estudiantes.
7.1.2. Stella & Netsim
Stella es una herramienta de Isee Systems para el modelado de sistemas
con finalidades educativas, de forma parecida a Easy Java Simulation. Su
71
sistema de modelado es probablemente más simple aún, al ser
principalmente visual, aunque esto puede hacer que el ciertos modelos
lleguen a ser algo “engorrosos”. Ofrece potentes opciones de
visualización y creación de interfaces gráficas.
7.2 Metodología de trabajo
7.2.1 Recolección de datos
Se recolectaron todos los datos que nos proporcionó el laboratorio de la
planta de tratamiento de las lagunas, entre los años 2010 y 2011, de todos
los parámetros que se muestran en la tabla 7.1. También se obtuvieron
datos a partir de las planillas de informe semanal y mensual de efluentes.
Los valores originales se encuentran detallados en los anexos
respectivos.
Una vez hecha la recolección de datos, se eliminaron aquellos que no
correspondían a las condiciones normales del proceso, como ocurre
generalmente en algunos meses de la etapa invernal, en donde el agua
que proviene del sistema de alcantarillado de la ciudad, viene mezclada
con aguas lluvias, aumentando considerablemente los caudales de
ingreso a las lagunas, y disminuyendo en algunos casos la carga orgánica
sobre el sistema.
T ab la 7 .1 P a rá me t r os p r inci pa le s de l si ste ma
Par áme tr o s
Te m pe r at ura
Oxíge n o D isue l t o
Sí mb o l o
T
OD
D e man d a B i o quí mic a d e Oxíge no
DB O 5
D e man d a Q uí mica d e O xíge n o
DQO
S ó lid os sus pe n d id os T o ta le s
S ST
Nit r óge n o T o ta l
Ntotal
Fós f or o T ota l
Ptotal
P ote n cia l d e Hid r ó ge n o
pH
7.2.2 Temperatura
71
La temperatura de las lagunas es un parámetro de importancia en la
remoción de materia orgánica , a mayor temperatura la constante de
remoción de sustrato también se eleva, en proporción a la ecuación de
Arrhenius, de acuerdo a esto Tw (temperatura de la laguna), registra los
siguientes promedios:
T ab la 7 .2 Te m pe ra tu ra de l as la gun as
Meses
Ene r o
Fe bre r o
Mar zo
Ab ri l
May o
Juni o
Ju li o
Ag os t o
Se pt ie m bre
Oct ub re
N ovie m br e
D icie m bre
Temperatura lagunas
Aireadas oC
2010
2011
26. 7
26. 3
26. 9
2 7.0
26. 4
2 7.1
2 7.0
26. 9
26. 9
26. 7
26. 8
26. 3
25. 2
25. 5
25. 3
25.9
26. 1
Temperatura lagunas
facultativas oC
2010
2011
26. 6
26. 8
26. 9
2 7. 2
2 7. 4
2 7. 3
2 7.1
26. 8
26. 8
26. 5
26. 7
26. 4
25.9
25. 7
25. 6
26. 4
26. 7
Fuente: Laboratorio Químico de las Lagunas de Oxidación de Picoazá
71
temperatura C
27
data 1
6th degree
26.5
26
25.5
25
0
2
0
2
4
6
8
muestreos año 2010
10
12
10
12
temperatura C
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
4
6
8
desviacion temperatura media C
Fig. 7 .1 T e m pe rat ur a de l a s la guna s ai re ad a s
27.5
27
26.5
26
25.5
0
2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
4
6
8
10
12
14
promedio muestreo mensual años 2010-2011
16
18
temperatura C
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
71
Fig. 7 .2 T e m pe ra tur a d e l as la guna s fac ul ta tiv as
7.2.3 Oxígeno Disuelto
Se presentan los promedios de los monitoreos efectuados en los años
2010 y 2011, hasta el mes de Marzo.
T ab la 7 .3 O xíge n o disu e lt o e n la s lag unas
Meses
Enero
Febrero
Marzo
Abril
Mayo
Junio
Julio
Agosto
Septiembre
Octubre
Noviembre
Diciembre
Oxígeno disuelto lagunas
Aireadas ºC
2010
2011
0.83
2.1
0.54
2.86
2 . 72
1.94
1 . 78
0.98
0.57
0 , 30
0 . 33
0.47
0 . 38
0.45
0.41
Oxígeno Disuelto lagunas
facultativas oC
2010
2011
2.89
1.98
3. 0 1
4.3
2.1
3. 75
3. 1
2.99
4.34
2.22
4.01
3. 3
3. 2
2.98
3. 1 7
Fuente: análisis laboratorio Picoazá
71
oxígeno disuelto mg/l
4
2
0
-2
-4
0
5
10
15
1.5
desviación
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
0
5
10
muestreo mensual años 2010-2011
15
Fig. 7 . 3 Pe r fi l de O2 e n la s la guna s ai re ad as
oxigeno disuelto mg/l
5
4
3
2
1
0
5
10
promedios muestreos mensuales
15
1.5
desviación
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
0
5
10
15
Fig. 7 .4 Pe rfi l de O 2 e n la s la guna s f ac ul ta tiva s
71
7.2.4 Demanda Química de Oxígeno
La demanda Química de Oxígeno es monitoreada diariamente en las
lagunas, el método utilizado es Hach -5420, normalmente se toman
muestras entre las 14:00 y 16:00 horas, es decir cuando el flujo se
encuentra estabilizado.
T ab la 7 .4 M on it o re os d e D QO e n la s lag una s d e o xida ci ón
D.Q.O.
lagunas aireadas mg/l
2010
2011
Meses
D.Q.O.
lagunas facultativas mg/l
2010
2011
10 2
88
85
10 5
111
10 0
10 9
91
12 2
68
88
76
90
127
Ene r o
Fe bre r o
Mar zo
Ab ri l
May o
Juni o
Ju li o
Ag os t o
Se pt ie m bre
Oct ub re
N ovie m br e
D icie m bre
272
360
247
303
319
38 2
49 2
678
181
280
19 3
166
Fuente: laboratorio de aguas Picoazá
DQO mg/l
1000
500
desviación mg/l
0
0
2
4
0
2
4
500
6
8
Meses de muestreo
10
12
14
10
12
14
0
-500
6
8
Fig. 7.5 Monitoreo de DQO en las lagunas aireadas
71
DQO mg/l
150
100
desviación
50
0
2
4
2
4
50
6
8
muestreo promedio mensual
10
12
14
10
12
14
0
-50
0
6
8
Fig. 7.6 Muestreo DQO en laguna facultativa
7.2.5 Caudal de ingreso a las lagunas
Los caudales de ingreso a las lagunas fueron monitoreados mediante la
aplicación de la fórmula de Manning, para canales abiertos, en las
lagunas no se dispone de vertederos, que realicen la lectura directa.
Fig. 7 .7 Can a l de in gre s o d e l ag ua a las lagu na s
Fuente: EIA Expost Lagunas de Picoazá
71
T ab la 7 . 5 Monitoreos de caudal en las lagunas Agosto 05-27/ 2011
H O R A
FECHA DE
MUESTREO
D E
M U E S T R E O
09:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
18:00
Promedio
l/s
05/Agosto
416
226
365
327
393
387
271
264
350
356
335
06/Agosto
354
251
286
277
334
18/Agosto
378
312
303
298
360
362
19/Agosto
352
323
361
262
365
278
401
379
298
344
08:00
26/Agosto
300.4
285
287
366
305
327
332
27/Agosto
289
376
226
365
337
328
329
291
Promedio l/s
289
24969
375
32400
267
23068
376
32500
367
31700
359
31017
330
28512
297
25660
343
378
376
417
364
298
25747
364
31449
345
29808
333
28802
Promedio m3/d
Las Memorias Técnicas del Rediseño de la planta de tratamiento de
aguas residuales, efectuada por el consultor Fabián Yánez (1995),
proponen los criterios para los diseños finales de la planta, para los años
2005 a 2020,
Tabla 7.6 Datos de aporte de caudal en las lagunas
DATOS GENERALES
AÑO 2020
ZONAS
AR/AP
Ha
1-25
0.75
1.759
l/hab/d
220
AÑO 2015
Hab.
l/s
l/hab/d
242.324
481
200
AÑO 2010
Hab.
l/s
l/hab/d
222.190
431
195
Hab.
l/s
200.948
381
Fuente: Memorias Técnicas para el rediseño de las lagunas/Fabián Yánez-Cuenca
De acuerdo a los datos proyectados por l a consultora, para el año 2010,
se espera un aporte a las lagunas de estabilización de 200.948
habitantes, que generarán 3 81 l/s de aguas residuales, es decir 32.918 m 3
por día.
71
La simulación del modelo propuesto, se desarrollará considerando los
datos futuros de la po blación de la zona, teniendo como factor principal,
la tasa de aumento de la población y la inserción de los nuevos sectores
que disponen de alcantarillado sanitario.
Mediciones de caudal de ingreso a las lagunas
caudal l/s
1000
500
0
-500
5
10
15
20
25
30
10
15
20
dias de muestreo
25
30
-10
x 10
5
0
-5
5
Fig. 7 .8 M oni to re o de caud al e n la s lag una s
7.3 Desarrollo matemático del modelo propuesto
Para el desarrollo de las ecuaciones diferenciales, se utilizó el
programador de calculo matemático de Matlab, las ecuaciones ordinarias
no lineales, fueron resueltas utilizando el comando ode23, comando que
utiliza el método de Runge-Kutta de segundo y te rcer orden. con ode23,
la solución se calcula usando primero un método de segundo orden y
luego un método de tercer orden. Si el error no esta dentro de cierto
rango, ajusta el paso de integ ración y recalcula la solución. En el anexo
respectivo se incluye el programa utilizado para la resolución de las
ecuaciones.
71
7.4 SIMULACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE LA LAGUNA AIREADA.
Para la aplicación del modelo desarrollado consider amos las siguientes
condiciones que corresponden a la situación actual del sistema.
7.4.1







Primera Simulación- Flujo promedio de ingreso a las lagunas : 950 m3/h
Q : Flujo permanente de ingreso a las lagunas: 22.800 m 3 /d (264 l/s)
V: 67.000 m 3 (una laguna en operación)
Y : tasa de crecimiento de la biomasa: 0.50
Ks: Constante de saturación media : 20 mg. DQO/l
Kd : Tasa específica de decaimiento bacteriano: 0.04 d - 1
µ m a x : 12 d - 1
Sustrato que ingresa /DQO : 360 mg/l
400
1100
caudal m3/h
380
360
340
320
sustrato de salida DQO
20
40
60
1000
900
800
80
400
300
200
100
20
40
60
80
tiempo en horas
0
biomasa entrada rojo y salida SSV
sustrato de entrada DQO
El resultado gráfico de la simulación de la laguna aireada, en condiciones
de entrada sinusoidales se muestra en la siguiente figura:
20
40
60
80
400
biomasa en la laguna
biomasa afluente
300
200
100
0
20
40
60
80
tiempo en horas
Fig. 7 .9 P rime ra sim u la ció n de l m ode l o
71
Q : Flujo permanente de ingreso a las lagunas: 22.800 m 3 /d (264 l/s)
V: 67.000 m 3 (una laguna en operación)
Y : tasa de crecimiento de la biomasa: 0.50
Ks: Constante de saturación media : 20 mg. DQO/l
Kd : Tasa específica de decaimiento bacteriano: 0.04 d - 1
µ m á x . : 12 d - 1
Sustrato que ingresa /DQO : 310 mg/l
1100
340
caudal m3/h
sustrato de entrada DQO







Segunda Simulación: Flujo promedio de ingreso a las lagunas : 950 m3/h
320
300
280
0
sustrato de salida DQO
1000
900
800
20
40
60
80
300
200
100
0
20
40
60
80
tiempo en horas
0
biomasa entrada rojo y salida SSV
7.4.2
20
40
60
80
400
biomasa en la laguna
biomasa afluente
300
200
100
0
20
40
60
80
tiempo en horas
Fig. 7 .1 0 Se g unda si mu l aci ón de l m ode l o
7.4.3







Tercera Simulación: Flujo promedio de ingreso a las lagunas : 950 m3/h
Q : Flujo permanente de ingreso a las lagunas: 22.800 m 3 /d (264 l/s)
V: 67.000 m 3 (una laguna en operación)
Y : tasa de crecimiento de la biomasa: 0.50
Ks: Constante de saturación media : 20 mg. DQO/l
Kd : Tasa específica de decaimiento bacteriano: 0.04 d - 1
µ m á x . : 12 d - 1
Sustrato que ingresa /DQO : 210 mg/l
71
caudal m3/h
1100
220
200
180
0
sustrato de salida DQO
1000
900
800
160
200
150
100
0
20
40
60
80
0
biomasa entrada rojo y salida SSV
sustrato de entrada DQO
240
20
40
60
80
400
300
biomasa en la laguna
biomasa afluente
200
100
20
40
60
80
0
20
40
60
80
tiempo en horas
tiempo en horas
Fig. 7 .11 T e r ce ra Sim u la ció n de l m ode l o
7.4.4 Simulación de la laguna aireada a caudal futuro
Para el periodo comprendido entre el 2011 y 2012, se espera un
incremento del 25 % de caudal, respecto al caudal actual se espera un
ingreso diario de 26.000 m 3 /d.
7.4.4.1 Cuarta Simulación; Flujo promedio de ingreso a las lagunas : 1125 m3/h



Q : Flujo permanente de ingreso a las lagunas: 26.000 m 3 /d (312 l/s)
V: 67.000 m 3 (una laguna en operación)
Sustrato que ingresa /DQO : 360 mg/l
Todas las demás condiciones se mantienen para la simulación
71
caudal m3/h
360
340
320
sustrato de salida DQO
1200
1100
1000
900
0
20
40
60
80
400
300
200
20
40
60
80
tiempo en horas
0
biomasa entrada rojo y salida SSV
sustrato de entrada DQO
380
20
40
60
80
400
biomasa en la laguna
biomasa afluente
300
200
100
0
20
40
60
80
tiempo en horas
Fig. 7 .12 Cu ar ta Si mu la ció n de l m ode l o a f l uj o má xim o
7.4.42 Quinta Simulación: Flujo promedio de ingreso a las lagunas : 1.125 m3/h



Q : Flujo permanente de ingreso a las lagunas: 26.000 m 3 /d (312 l/s)
V: 67.000 m 3 (una laguna en operación)
Sustrato que ingresa /DQO : 310 mg/l
Todas las demás condiciones se mantienen para la simulación del modelo
matemático
71
caudal m3/h
320
300
280
260
sustrato de salida DQO
1200
1100
1000
900
0
20
40
60
80
300
200
100
20
40
60
80
tiempo en horas
0
biomasa entrada rojo y salida SSV
sustrato de entrada DQO
340
20
40
60
80
400
biomasa en la laguna
biomasa afluente
300
200
100
0
20
40
60
80
tiempo en horas
Fig. 7 .13 Q uint a s im ul ac ión a caud a l máxi m o
7.4.4.3 Sexta Simulación: Flujo promedio de ingreso a las lagunas : 1.125 m3/h



Q : Flujo permanente de ingreso a las lagunas: 26.000 m 3 /d (312 l/s)
V: 67.000 m 3 (una laguna en operación)
Sustrato que ingresa /DQO : 260 mg/l
Todas las demás condiciones se mantienen para la simulación del modelo
matemático.
71
caudal m3/h
260
240
220
sustrato de salida DQO
1200
1100
1000
900
0
20
40
60
80
300
250
200
150
100
0
20
40
60
80
tiempo en horas
0
biomasa entrada rojo y salida SSV
sustrato de entrada DQO
280
20
40
60
80
400
biomasa en la laguna
biomasa afluente
300
200
100
0
20
40
60
80
tiempo en horas
Fig. 7 .14 Se xta si mu la ci ón a caud a l máxi m o
7.4.4.4 Séptima Simulación: Dos lagunas aireadas en operación
Para el mejoramiento de la eficiencia de remoción, a futuro se prevé la
adecuación y puesta en marcha de la laguna aireada # 2. Considerando su
importancia para la toma de decisiones se realizó una simulación
variando el volumen de la capacidad actual de la laguna aireada.



Q : Flujo permanente de ingreso a las lagunas: 26.000 m 3 /d (312 l/s)
V: 134.000 m 3 (dos lagunas en operación)
Sustrato que ingresa /DQO : 360 mg/l
Todas las demás condiciones se mantienen para la simulación del modelo
matemático.
71
caudal m3/h
1300
380
360
340
0
sustrato de salida DQO
1200
1100
1000
320
20
40
60
80
200
150
100
50
0
20
40
60
80
tiempo en horas
0
biomasa entrada rojo y salida SSV
sustrato de entrada DQO
400
20
40
60
80
400
biomasa en la laguna
biomasa afluente
300
200
100
0
20
40
60
80
tiempo en horas
Fig. 7 .1 5 Sé p tim a si mu l aci ón uti li zand o l as d o s lagu nas aire adas
7.5
COMPARACIÓN DE LOS DATOS OBTENIDOS Y VALIDACIÓN DEL MODELO
Para la validación del modelo propuesto, se utilizaron los análisis del
laboratorio realizados en el mes de enero, febrero y marzo del 2011.
Tabla 7.6 Resultados de la medición y del modelado del DQO
Fecha del
análisis
Muestro
No
DQO analizado
en el laboratorio
(i n g r e s o ) *
DQO analizado por
el l a b o r a t o r i o
( sa l i d a )
DQO obtenido
p o r l a si mu l a c i ó n
( sa l i d a ) * *
01 / 02/ 2 011
1
27 2
88
118
16/ 02 /2 01 1
24 / 02 /2 011
02 / 03 /2 011
03 / 03 /2 01 1
09 / 03 /2 011
14 / 03 /2 011
18 / 03 /2 011
2
3
4
5
6
7
8
30 3
110
17 4
37 5
138
314
27 5
10 0
68
128
178
67
232
13 0
125
56
110
15 0
70
20 0
14 8
23/ 0 3/ 2 011
9
131
94
80
*Fuente: Análisis de laboratorio de la planta Picoazá
** Los gráficos de la simulación se presentan en el anexo respectivo
71
DQO salida lagunas
400
y = 0.39*x + 29
200
0
100
200
300
400
DQO de ingreso a las lagunas
DQO que sale de las lagunas
Fig.7.16 DQO medido por el laboratorio
200
y = 0.4*x + 24
150
100
50
100
150
200
250
300
DQO que ingresa a las lagunas
350
400
Fig. 7.17 DQO que registra el modelo con los valores de entrada a la laguna
7.5.1 Cálculo del Coeficiente de correlación
Para el cálculo del coeficiente de correlación utilizamos la siguiente
expresión:
(
)
∑(
√∑(
)(
) ∑(
)
)
7.1
71
T ab la 7 .7 Cá lc ul o d e l C oe fi cie n te de C or re lac i ón p ara e l D QO
DQO
medido
(x)
88
100
68
128
178
67
232
130
94
DQO
modelado
(y)
118
125
56
110
150
70
200
148
80
(x’-x)
(y’-y)
(xi-x)2
(yi-y)2
(xi-x)(yi-y)
-32.56
-20.56
-52.56
7.44
57.44
-53.56
111.44
9.44
-26.56
0.56
7.56
-61.44
-7.44
32.56
-47.44
82.56
30.56
-37.44
1060.15
422.71
2762.55
55.35
3299.35
2868.67
12418.87
89.11
705.43
23682.2
0.31
57.15
3774.87
55.35
1060.15
2250.55
6816.15
933.91
1401.75
16350.2
-18.234
-155.434
3229.286
-55.354
1870.246
2540.886
9200.486
288.486
994.406
17894.8
Σ
DQO obtenido por el modelo mg/l
250
200
150
100
50
0
0
50
100
150
200
250
residuals
20
0
-20
0
50
100
150
200
250
DQO registrado en el laboratorio mg/l - DQO obtenido por el modelo mg/l
F i g . 7 . 1 8 G r á f i c a d e l o s v a l o r e s d e D Q O : me d i d o s v s m o d e l a d o s
71
Aplicando la ecuación 7.1 el coeficiente de correlación es:
(
)
(
7.6
)
√(
)
Análisis de los resultados
Para la corrida del modelo propuesto, se utilizaron las condiciones
actuales de la operación del sistema, esto es, una laguna aireada en
operación y un rango entre 250 -350 mg/l del parámetro DQO, en el agua
cruda (ingreso). Los parámetros biocinéticos fuer on obtenidos de
recientes investigaciones, ya citadas en el marco teórico de la tesis.
7.6.1 Primera Simulación
El caudal promedio se sitúa entre 1.200 a 800 m 3 día, en el mismo está
considerado el descenso del caudal en horas de la noche, hasta las
primeras horas de la mañana (10:00 -07:00).
Con una tasa de crecimiento Y = 0.5 y un Kd (Constante de saturación
media)= 20 mg/l, se realizó una simulación utilizando las siguientes
variables:
Q = caudal de ingreso a la laguna: 22.800 m 3 /d
So = DQO de ingreso en el agua cruda: 360 mg/l
El resultado de la simulación determina que para un caudal diario de
22.008 m 3 /día, con un ingreso promedio diario de 360 mg/l de Demanda
Química de Oxígeno, se obtendrá una salida de 24 0 mg/l, esto representa
una eficiencia del 34 %. La concentración de biomasa se mantiene entre
los 50-100 mg/l, en la laguna, esto refleja el comportamiento de un
reactor que no recibe una corriente de recirculación
71
7.6.2 Segunda Simulación
El resultado de la segunda simulación determina que para un caudal
diario de 22.008 m 3 /día, con un ingreso promedio diario de 310 mg/l de
Demanda Química de Oxígeno, se obtendrá una salida de 250 mg/l, esto
representa una eficiencia del 19.35 %.
Los niveles de biomasa en la laguna se mantien en en 70 mg/l.
7.6.3 Tercera Simulación
El resultado de la tercera simulación, determina que para un caudal
diario de 22.008 m 3 /día, con un ingreso promedio diario de 2 10 mg/l de
Demanda Química de Oxígeno, se obtendrá una salida de 130 mg/l, esto
representa una eficiencia del 38 %.
7.6.4 Cuarta Simulación
Para la corrida del modelo propuesto, se utilizaron las condiciones
futuras de la operación del sistema, esto es, una laguna aireada en
operación, un caudal de 1.125 m 3 /día y un rango entre 250-350 mg/l del
parámetro DQO, en el agua cruda (ingreso). Los parámetros biocinéticos
se mantienen en los valores anteriores.
El resultado de la simulación determina que para un caudal diario de
26.000 m 3 /día, con un ingreso promedio diario de 360 mg/l de Demanda
Química de Oxígeno, se obtendrá una salida de 325 mg/l, esto representa
una eficiencia del 9.7 %.
La eficiencia obtenida por el modelo, refleja una disminución importante
en la remoción de la materia orgánica, lo que podría ocasionar valores
fuera de rango, en el efluente final.
7.6.5 Quinta Simulación
El resultado de la simulación determina que para un caudal diario de
26.000 m 3 /día, con un ingreso promedio diario de 310 mg/l de Demanda
71
Química de Oxígeno, se obtendrá una salida de 280 mg/l, esto representa
una eficiencia del 10.41 %.
En esta corrida se observa también una disminución importante en la
biomasa de la laguna, probablemente el aumento de caudal, ocasiona
una disminución en el tiempo de retención de la laguna, y una barr ida de
la biomasa, hacia la laguna facultativa.
7.6.6 Sexta Simulación
El resultado de la simulación determina que para un caudal diario de
26.000 m 3 /día, con un ingreso promedio diario de 260 mg/l de Demanda
Química de Oxígen o, se obtendrá una salida de 225 mg/l, esto representa
una eficiencia del 13.23 %.
7.6.7 Resultados de la validación del modelo
Para la validación del modelo se utilizaron datos obtenidos en el
laboratorio de las lagunas de oxidación, los reportes corresponden al
primer trimestre del año 2011, antes de que ingresen a las lagunas los
nuevos aportes del sistema de alcantarillado.
Se consideraron nueve muestreos, la gráfica 7.8 y 7.9 reflejan las
tendencias del monitoreo efectuado, en base a los resultados obtenidos
se obtuvo el coeficiente de correlación.
El valor fue obtenido considerando las dos matrices de datos: valores de
DQO obtenidos en el laboratorio vs. valores de DQO obtenidos por el
modelo propuesto, el coeficiente de correlación obtenido no s dio un
valor de 0.9093 (91%). Si el coeficiente de correlación es un valor mayor
igual a 0.7, las dos variables están muy correlacionadas positivamente.
71
8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El sistema de tratamiento de las aguas residuales municipales de la
ciudad
de
Portoviejo,
está
compuesto
por
2
lagunas
mecánicamente aireadas, una facultativa y una de maduración ,
obtiene bajo condiciones de flujo estable, porcentajes de remoción
entre 70 a 80% de materia orgánica, expresada como Demanda
Química de Oxígeno. Con el aporte de nuevos caudales, se espera
una disminución de la eficiencia del sistema.

Dentro de este contexto, las lagunas aireadas serían la única
alternativa viable para mantener y aumentar la eficiencia del
tratamiento, a niveles que le permitan seguir descargando sus
aguas residuales dentro de los parámetros permitidos.

Un modelo matemático compuesto por dos ecuaciones
diferenciales ordinarias no lineales, fue utilizado para predecir el
comportamiento de los efluentes de la laguna aireada, el sistema
de ecuaciones diferenciales resuelto por el comando Ode 23 de
Matlab, (Runge Kutta de segundo orden), nos sirvió para simular las
variaciones de sustrato (DQO) y de la biomasa presente en la
laguna.

La validación del modelo con los resultados expe rimentales a
diferentes condiciones de operación, demostró que es posible
simular la operación de las lagunas aireadas, con errores medios de
estimación, menores al diez (10) por ciento.

Los valores obtenidos por el modelo en nueve corridas, fueron
correlacionados por datos del laborato rio de la planta de
tratamiento. S e obtuvo un coeficiente de correlación de 0,92,
considerado muy aceptable para este tipo de modelos.
71

El parámetro Ks, que representa una asociación sinérgica entre la
“biomasa y el sustrato”, se lo mantuvo constante en todas las
corridas, con valores bajos (20 mg/l), considerando la afinidad
existente entre estas dos variables ( aguas domésticas )

Las eficiencias de remoción obtenidas con la simulación a flujo
máximo
(1125 m 3 /h), mantienen un rango entre el 10 -12 %,
considerado bajo para esta clase de tratamiento.

Las eficiencias de remoción obtenidas con la simulación a flujo
normal (900-950 m 3 /h) mantienen un rango aceptable superior al
30 %, coincidente con los valores monit oreados por el laboratorio.

En la simulación del proce so realizada, variando el volumen de las
lagunas a 127.000 m 3 (las dos lagunas en operación) y considerando
el máximo nivel de concentración de sustrato 360 mg/l de DQO, se
obtiene remociones del orden de los 65%, lo que demuestra que
podría ser la mejor alternativa para mantener los niveles de
remoción del sistema.
71
Bibliografía
1. Municipio de Portoviejo. (Feb 2009). Diagnóstico Ambiental del
cantón Portoviejo.
2. www.portoviejo,gov.ec (2011).Manual de Operación de la empresa
EMAPAS. Mapa de vulnerabilid ad del cantón Portoviejo.
3. Cárdenas José-Agosto 2009. (Agosto 2009). EIA para el Sistema de
Alcantarillado de la ciudad de Portoviejo.
4. Yánez/Evaluación de las Lagunas de
INEC/Censo año 2011. Cantón Portoviejo
Oxidación
de
Picoaza.
5. Cárdenas José/ (Sept. 2010). Evaluación Lagunas de oxidación/2009
6. Kelly Reynolds PhD . (2007)Tratamiento de Aguas Residuales en
Latinoamérica/www.agualatinoamerica.com .
7. Andrei
Jouravlev . (2004). Los servicios de agua potable y
saneamiento en el umbral del siglo 21
8. www.protoviejo.gov.ec . (2011). descripción del cantón Portoviejo
9. Comunidad Andina Secretaria. (2008) general de la Comunidad
Andina. Proyecto Piloto Participativo en Gestión Local de riesgo de
desastres en el cantón Portoviejo.
10. Inamhi /Reportes anuales climatológicos/año 2009 -2010
11. Inamhi /Reportes anuales climatológicos/año 2009 -2010
12. Castro Borislov . (2005). Proyecto Regional de Tratamiento y Uso
de aguas residuales en América Latina /IDRC -OPS/HEP/CEPIS
71
13. Yánez (1987) Memorias Técnicas del Rediseño del Sistema de
Tratamiento . Municipio de Portoviejo
14. Rodolfo Suarez . (2003). Evaluación del Sistema Lagunar de San
Juan de Lima-CEPIS
15. Winkler Michael. (1999). Tratamiento de aguas de desecho/Limusa
16. CEPIS/DTIAPA -Desarrollo Histórico Lagunaje -Rodolfo Sáez Forero
17. Yánez (1996). Tratamiento de aguas residuales domésticas por
Lagunaje. CEPIS
18. Romero (2002) Tratamiento de aguas domésticas para pequeñas
comunidades .
19. Romero (2006) Lagunas de Estabilización de aguas residuales
20. Manzur/Rojas/Bertone- (2002)Estudio comparativo entre lagunas
de estabilización y reactores tipo UASB simplificados. CEPIS
21. Fabian Yánez Cosios . (1993) Teoría, Diseño,
Mantenimiento de lagunas de estabilización. CEPIS
Evaluación
y
22. Fabián Yánez. (1980) Lagunas aireadas mecánicamente. CEPIS
23. Gloyna. (2002). Waste Estabilization Pond-Geneva
24.Lehinger/Bioenergetic. (1971) California
25. Eckenfelder,W.W . (1970) Water Quality Engineering for p racticing
engineers/Book US
26. METCALF, E. (1995). Ingeniería de Aguas Residuales: Tratamiento,
vertido y reutilizació n. 3º Edición, McGraw -Hill.
71
27. SiebelM. (2005). Environmental Process Technology
28. Rojas. (2003). Ingeniería Hidráulica y Ambiental/VOL XXIII/N
CEPIS. Determinación de constantes cinéticas en lagunas de
estabilización
29. Danckwerts y Wehner y Wilhelms / (2004) Conditions Kinetic for
stabilization pond.
30. EMAPAM/ (2009)Manual de Operación de las Lagunas
31. Certain, Molinares, Arrieta. (2005). Tratamiento de aguas
residuales mediante sistemas de lagunaje-Ediciones Uninorte
32. Regalado, Peralta, Gonzales. (2006). como hacer un modelo
matemático.
33. Paterson S., "Equilibrium Models for the Initial Integr ation of
Physical and Chemical Properti es", Environmental Exposure
34. Sánchez
Omar.
(1998).
Ingeniería/Huelva -España
Escuela
Técnica
Superior
de
35. Luis Moncada A.. (2004). Plantas Químicas. Simulación de Procesos
36. Mangas, Certain, Molinares. (2001).
residuales en sistemas de Lagunaje
Tratamiento
de
aguas
37. Yañez FC (2000) Aspectos destacados en la Tecnología de Lagunas
de Estabilización
38. Cubillos, A (1986)
estabilización, CEPIS
Criterios
para
dimensionar
lagunas
de
39. Bora Beran/Lagunas de estabilización. 2003-IZMIR
71
40. Escala Cañellas . (2006). modelo matemático de lagunas de
estabilización: U de San Luis de Potosí
41. Fritz y Meredith, D.D. & Middleton , RC, (1978) Modeling and Design
of wastewater Stabilization Pond, U. de New York at Buffalo.
42.Fabián Yánez Cossio s, Lagunas de estabilización, (1993), Etapa,
Cuenca
43. Marais, G.vR & Ekama,G.A . (1975) “The activate Sludge Process,
part 1: Steady state Behaviors
44. Antoni Escala/Modelación Matemática de procesos/Universidad de
Potosi/(2006)
71
ANEXO A
Graficos de simulacion
de las lagunas aireadas

A-1 Simulación del 01/02011

A-2 Simulación del 16/02/2011

A-3 simulación del 24/02/2011

A-4 Simulación del 02/03/2011

A-5 Simulación del 03/03/2011

A-6 Simulación del 09/03/2011

A-7- Simulación del 14/03/2011

A-8 Simulación del 18/03/2011

A-9 Simulación del 23/03/2011
71
300
caudal m3/h
900
280
260
240
0
sustrato de salida DQO
800
700
600
220
20
40
60
80
200
150
100
50
0
20
40
60
80
tiempo en horas
20
biomasa entrada rojo y salida SSV
sustrato de entrada DQO
A-1 Simulación del 01/02011
40
60
80
400
biomasa en la laguna
biomasa afluente
300
200
100
0
20
40
60
80
tiempo en horas
0
20
900
caudal m3/h
320
300
280
260
0
sustrato de salida DQO
800
700
600
20
40
60
80
250
200
150
100
50
0
20
40
60
80
tiempo en horas
biomasa entrada rojo y salida SSV
sustrato de entrada DQO
A-2 Simulación del 16/02/2011
40
60
80
400
biomasa en la laguna
biomasa afluente
300
200
100
0
20
40
60
80
tiempo en horas
71
A-3 simulación del 24/02/2011
sustrato de entrada DQO
140
caudal m3/h
900
120
100
80
0
sustrato de salida DQO
800
700
600
60
20
40
60
80
80
60
40
20
0
20
40
60
80
tiempo en horas
0
biomasa entrada rojo y salida SSV

20
40
60
80
400
biomasa en la laguna
biomasa afluente
300
200
100
0
20
40
60
80
tiempo en horas
200
caudal m3/h
900
180
160
140
0
sustrato de salida DQO
800
700
600
120
20
40
60
80
150
100
50
20
40
60
80
tiempo en horas
20
biomasa entrada rojo y salida SSV
sustrato de entrada DQO
A-4 Simulación del 02/03/2011
40
60
80
400
biomasa en la laguna
biomasa afluente
300
200
100
0
20
40
60
80
tiempo en horas
71
900
caudal m3/h
400
380
360
340
0
sustrato de salida DQO
800
700
600
320
20
40
60
80
0
biomasa entrada rojo y salida SSV
sustrato de entrada DQO
A-5 Simulación del 03/03/2011
300
200
100
0
20
40
60
80
tiempo en horas
20
40
60
80
400
biomasa en la laguna
biomasa afluente
300
200
100
0
20
40
60
80
tiempo en horas
180
900
caudal m3/h
160
140
120
100
0
sustrato de salida DQO
800
700
600
20
40
60
80
120
100
80
60
40
20
20
40
60
80
tiempo en horas
0
biomasa entrada rojo y salida SSV
sustrato de entrada DQO
A-6 Simulación del 09/03/2011
20
40
60
80
400
biomasa en la laguna
biomasa afluente
300
200
100
0
20
40
60
80
tiempo en horas
71
900
caudal m3/h
340
320
300
280
700
600
40
60
80
0
250
200
150
100
50
20
40
60
80
tiempo en horas
biomasa entrada rojo y salida SSV
20
20
40
60
80
400
biomasa en la laguna
biomasa afluente
300
200
100
0
20
40
60
80
tiempo en horas
320
900
300
caudal m3/h
sustrato de entrada DQO
A-8 Simulación del 18/03/2011
280
260
240
800
700
600
0
sustrato de salida DQO
sustrato de salida DQO
800
20
40
60
80
250
200
150
100
50
0
20
40
60
80
tiempo en horas
0
biomasa entrada rojo y salida SSV
sustrato de entrada DQO
A-7- Simulación del 14/03/2011
20
40
60
80
400
biomasa en la laguna
biomasa afluente
300
200
100
0
20
40
60
80
tiempo en horas
71
A-9 Simulación del 23/03/2011
900
caudal m3/h
160
140
120
100
700
600
20
sustrato de salida DQO
800
80
40
60
80
120
100
80
60
40
20
40
60
80
tiempo en horas
0
biomasa entrada rojo y salida SSV
sustrato de entrada DQO

20
40
60
80
400
biomasa en la laguna
biomasa afluente
300
200
100
0
20
40
60
80
tiempo en horas
71
ANEXO B
ANALISIS DE LABORATORIO DE LAS LAGUNAS
71
Empresa Pública Municipal de Agua Potable y Alcantarillado de Portoviejo
P.T.A.R
LABORATORIO DE AGUAS RESIDUALES
REGISTRO DE RESULTADOS DE ANALISIS
FECHA DE MUESTREO: 3/MARZO/2011
CONDICIONES AMBIENTALES: Seco
HORA DE MUESTREO: Muestreo compuesto
AIREADORES EN FUNCIONAMIENTO:4
UNIDAD
AFLUENTE
AEREADA
FACULTATIVA
NORMA DE CALIDAD
AMBIENTAL
EFLUENTE
CUMPLIMIENTO
Cobalto(Co)
mg/l
1.02
……..
……..
0.5
0.29
SI
Cobre(Cu)
Cianuro
mg/l
3.86
……..
……..
1.0
0.94
SI
mg/l
0.133
……..
……..
0.1
0.037
SI
Cromo(Cr+6)
Demanda Bioquímica de
Oxigeno(DBO5)
Demanda Química de
Oxigeno(DQO)
mg/l
0.61
……..
……..
0.5
0.11
SI
240
169
64
100
70
SI
375
178
110
250
66
SI
Hierro(Fe)
mg/l
2.53
……..
……..
10.0
0.59
SI
Nitratos(NO3=)
mg/l
34.9
……..
……..
Nitritos(NO2=)
mg/l
0.193
……..
……..
Zinc(Zn+2)
mg/l
0.89
……..
……..
PARAMETROS QUMICOS
mg/l
mg/l
6.4
10.0
SI
0.054
0.5
1.78
NO
ING.VIRGINIA SANCHEZ M.
JEFE LAB. P.T.A.R
71
Empresa Pública Municipal de Agua Potable y Alcantarillado de Portoviejo
P.T.A.R
LABORATORIO DE AGUAS RESIDUALES
REGISTRO DE RESULTADOS DE ANALISIS
FECHA DE MUESTREO: 24/feb/2011
HORA DE MUESTREO: Muestreo compuesto
PARAMETROS QUMICOS
Demanda Quimica de
Oxigeno(DQO)
CONDICIONES AMBIENTALES: Seco
AIREADORES EN FUNCIONAMIENTO:4
UNIDAD
AFLUENTE
AEREADA
FACULTATIVA
NORMA DE
CALIDAD
AMBIENTAL Y DE
DESCARGA DE
EFLUENTES:Recurso
Agua
mg/l
110
68
61
250
EFLUENTE
CUMPLIMIENTO
62
SI
ING.VIRGINIA SANCHEZ M.
JEFE LAB. P.T.A.R
71
Empresa Pública Municipal de Agua Potable y Alcantarillado de Portoviejo
P.T.A.R
LABORATORIO DE AGUAS RESIDUALES
REGISTRO DE RESULTADOS DE ANALISIS
FECHA DE MUESTREO:16/feb/2011
HORA DE MUESTREO: Muestreo compuesto
CONDICIONES AMBIENTALES: Seco
AIREADORES EN FUNCIONAMIENTO:4
UNIDAD
AFLUENTE
AEREADA
FACULTATIVA
EFLUENTE
CUMPLIMIENTO
mg/l
0.019
0.05
0.024
5.0
0
SI
Cloruros
Demanda Bioquímica de
Oxigeno(DBO5)
Demanda Química de
Oxigeno(DQO)
mg/l
108
90
90
1000
96
SI
mg/l
274
82
117
100
28
NO
mg/l
303
100
157
250
138
SI
Floruros(F)
mg/l
0
……….
………..
5.0
0.64
SI
Fosforo(PO4)
mg/l
22.3
13.4
17.6
10.0
11.4
NO
Nitrógeno Amoniacal(N-NH3)
mg/l
50
……
………..
……….
25
NORMA DE CALIDAD
AMBIENTAL
PARAMETROS QUMICOS
Aluminio
(Al+3)
ING.VIRGINIA SANCHEZ M.
JEFE LAB. P.T.A.R
71
Empresa Pública Municipal de Agua Potable y Alcantarillado de Portoviejo
P.T.A.R
LABORATORIO DE AGUAS RESIDUALES
REGISTRO DE RESULTADOS DE ANALISIS
FECHA DE MUESTREO: 02 /Marzo
HORA DE MUESTREO: Muestreo compuesto
PARAMETROS QUMICOS
Demanda Bioquimica de
Oxigeno(DBO5)
CONDICIONES AMBIENTALES:Seco
AIREADORES EN FUNCIONAMIENTO:4
UNIDAD
AFLUENTE
AEREADA
FACULTATIVA
NORM A DE
CA LIDA D
A M B IENTA L Y
DE DESCA RGA
DE
EFLUENTES:Rec
urso A gua
mg/l
174
128
94
100
EFLUENTE CUMPLIMIENTO
29
SI
ING.VIRGINIA SANCHEZ M.
JEFE LAB. P.T.A.R
71
Empresa Pública Municipal de Agua Potable y Alcantarillado de Portoviejo
P.T.A.R
LABORATORIO DE SANEAMIENTO
REGISTRO DE RESULTADOS DE ANALISIS
FECHA DE MUESTREO: 14/ mar
HORA DE MUESTREO: Muestra compuesta (12:00 y 15:00 pm)
CONDICIONES AMBIENTALES:Seco
AIREADORES EN FUNCIONAMIENTO:4
AEREADA FACULTATIVA
NORM A DE CA LIDA D
A M B IENTA L Y DE
DESCA RGA DE
EFLUENTES:Recurso
A gua
EFLUENTE CUMPLIMIENTO
UNIDAD
AFLUENTE
PARAMETROS
Demanda Bioquimica de
Oxigeno(DBO5)
mg/l
314
232
113
100
94
SI
Demanda Quimica de
Oxigeno(DQO)
mg/l
255
143
82
250
76
SI
ING.VIRGINIA SANCHEZ M.
JEFE LAB. SANEAMIENTO
71
Empresa Pública Municipal de Agua Potable y Alcantarillado de Portoviejo
P.T.A.R
LABORATORIO DE SANEAMIENTO
REGISTRO DE RESULTADOS DE ANALISIS
FECHA DE MUESTREO: 14/ mar
HORA DE MUESTREO: Muestra compuesta (12:00 y 15:00 pm)
UNIDAD
AFLUENTE
PARAMETROS
Demanda Bioquimica de
Oxigeno(DBO5)
mg/l
255
143
Demanda Quimica de
Oxigeno(DQO)
mg/l
314
232
CONDICIONES AMBIENTALES: Seco
AIREADORES EN FUNCIONAMIENTO:4
AEREADA FACULTATIVA
NORMA DE CALIDAD
EFLUENTE
CUMPLIMIENTO
113
100
94
SI
82
250
76
SI
ING.VIRGINIA SANCHEZ M.
JEFE LAB. SANEAMIENTO
71
Empresa Pública Municipal de Agua Potable y Alcantarillado de Portoviejo
P.T.A.R
LABORATORIO DE SANEAMIENTO
REGISTRO DE RESULTADOS DE ANALISIS
FECHA DE MUESTREO: 18/ mar/2011
HORA DE MUESTREO: Muestra compuesta (9 am-12:00 pm)
CONDICIONES AMBIENTALES: Seco
AIREADORES EN FUNCIONAMIENTO:4
UNIDAD
AFLUENTE
AEREADA
FACULTATIVA
NORMA DE CALIDAD
AMBIENTAL
PARAMETROS
Demanda Bioquímica de
Oxigeno(DBO5)
mg/l
119
87
…….
100
4.6
SI
Demanda Química de
Oxigeno(DQO)
mg/l
275
130
67
250
66
SI
EFLUENTE CUMPLIMIENTO
ING.VIRGINIA SANCHEZ M.
JEFE LAB. SANEAMIENTO
71
Empresa Pública Municipal de Agua Potable y Alcantarillado de Portoviejo
P.T.A.R
LABORATORIO DE AGUAS RESIDUALES
REGISTRO DE RESULTADOS DE ANALISIS
FECHA DE MUESTREO: 09/ mar/2011
HORA DE MUESTREO: Muestra compuesta (17 - 20 pm)
CONDICIONES AMBIENTALES: Seco
AIREADORES EN FUNCIONAMIENTO:4
UNIDAD
AFLUENTE
AEREADA
FACULTATIVA
NORMA DE CALIDAD
AMBIENTAL
PARAMETROS
Demanda Bioquímica de
Oxigeno(DBO5)
mg/l
30.6
25.2
13.9
100
5.4
SI
Demanda Química de
Oxigeno(DQO)
mg/l
138
67
61
250
41
SI
EFLUENTE CUMPLIMIENTO
ING.VIRGINIA SANCHEZ M.
JEFE LAB. P.T.A.R
71
Empresa Pública Municipal de Agua Potable y Alcantarillado de
Portoviejo
P.T.A.R
LABORATORIO DE AGUAS RESIDUALES
REGISTRO DE RESULTADOS DE ANALISIS
CONDICIONES AMBIENTALES:
Lluvioso
AIREADORES EN
FUNCIONAMIENTO:4
FECHA DE MUESTREO:01/feb
HORA DE MUESTREO: Muestreo compuesto
UNIDAD
AFLUENTE
AEREADA
FACULTATIVA
NORMA DE CALIDAD
AMBIENTAL Y DE
DESCARGA
EFLUENTE
CUMPLIMIENTO
PARAMETROS QUMICOS
Aluminio (Al)
Cloruros
mg/l
mg/l
0.022
50
0.046
40
0.02
50
5
1000
0.036
30
SI
SI
Demanda Bioquímica de
Oxigeno(DBO5)
mg/l
219
82
37
100
110
NO
Demanda Química de
Oxigeno(DQO)
Hierro(Fe)
Fosforo(PO4)
Manganeso(Mn)
Nitratos(NO3=)
Nitritos(NO2=)
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
272
0.98
10.6
5.2
53.6
0.149
88
……….
10.5
……….
……….
……….
54
……….
9.7
……….
……….
……….
54
0.32
10.6
1.7
5.8
0.024
SI
SI
NO
SI
250
10.0
10.0
2.0
10.0
SI
ING.VIRGINIA SANCHEZ M.
JEFE LAB. P.T.A.R
71
Empresa Pública Municipal de Agua Potable y Alcantarillado de Portoviejo
P.T.A.R
LABORATORIO DE SANEAMIENTO
REGISTRO DE RESULTADOS DE ANALISIS
FECHA DE MUESTREO: 23/ mar
HORA DE MUESTREO: Muestra compuesta (8 am-16:00 pm)
PARAMETROS
Demanda Bioquimica de
Oxigeno(DBO5)
Demanda Quimica de
Oxigeno(DQO)
CONDICIONES AMBIENTALES:Seco
AIREADORES EN FUNCIONAMIENTO:4
AEREADA FACULTATIVA
NORM A DE
CA LIDA D
A M B IENTA L Y
DE DESCA RGA
DE
EFLUENTES:Rec
urso A gua
EFLUENTE
CUMPLIMIENTO
UNIDAD
AFLUENTE
mg/l
21.2
7.9
6.4
100
2.4
SI
mg/l
131
94
53
250
47
SI
ING.VIRGINIA SANCHEZ M.
JEFE LAB. SANEAMIENTO
71
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
1
Diagnóstico Ambiental del cantón Portoviejo/Feb. 2009/ Municipio de Portoviejo
2
Manual de Operación de la empresa EMAPAS/Marzo 2007
3
Mapa de vulnerabilidad del cantón Portoviejo/Pagina web Municipio de Portoviejo/2011
4
EIA para el Sistema de Alcantarillado de la ciudad de Portoviejo /Cárdenas-Agosto 2009/Municipio de Portoviejo
5
Yánez/Evaluación de las Lagunas de Oxidación de Picoaza/
6
INEC/Censo año 2011/Cantón Portoviejo
7
EIA Cárdenas/Evaluación Lagunas de oxidación/2009
8
Kelly Reynolds PhD /Tratamiento de Aguas Residuales en Latinoamérica/www.agualatinoamerica.com
9
Andrei Jouravlev /Los servicios de agua potable y saneamiento en el umbral del siglo 21/2004
10
www.protoviejo.gov.ec /descripción del cantón Portoviejo
11
Comunidad Andina/Secretaria general de la Comunidad Andina/Proyecto Piloto Participativo en Gestión Local de
riesgo de desastres en el cantón Portoviejo.
12
Inamhi /Reportes anuales climatológicos/año 2009-2010
13
Inamhi /Reportes anuales climatológicos/año 2009-2010
14
Castro Borislov /Proyecto Regional de Tratamiento y Uso de aguas residuales en América Latina /IDRCOPS/HEP/CEPIS
15
Yánez (1987) Memorias Técnicas del Rediseño del Sistema de Tratamiento
16
Evaluación del Sistema Lagunar de San Juan de Lima-CEPIS-Rodolfo Suarez
17
Winkler Michael/Tratamiento de aguas de desecho/1999
18
CEPIS/DTIAPA-Desarrollo Histórico Lagunaje-Rodolfo Sáez Forero
19
Yánez (1996)/Tratamiento de aguas residuales domésticas por Lagunaje
20
Romero (2002) Tratamiento de aguas domésticas para pequeñas comunidades
21
Romero (2006) Lagunas de Estabilización de aguas residuales
22
Manzur/Rojas/Bertone- CEPIS-Estudio comparativo entre lagunas de estabilización y reactores tipo UASB
simplificados.
23
Fabian Yánez Cosios, Teoría, Diseño, Evaluación y Mantenimiento, 1993
24
Fabian Yánez/Lagunas aireadas mecánicamente/1980
71
25
Gloyna/Waste Estabilization Pond-Geneva 1971
26
Lehinger/Bioenergetic/California 1971
27
Eckenfelder,W.W. Water Quality Engineering for practicing engineers/Book US 1970
28
METCALF, E. Ingeniería de Aguas Residuales: Tratamiento, vertido y reutilización. 3º Edición, McGraw-Hill. 1995
29
SiebelM/Environmental Process Technology
30
Ingeniería Hidráulica y Ambiental/VOL XXIII/N 1/2003
lagunas de estabilización
30
Rojas /CEPIS/Determinación de constantes cinéticas en
31
Rojas /CEPIS/Determinación de constantes cinéticas en lagunas de estabilización
32
Danckwerts y Wehner y Wilhelms/Conditions Kinetic for stabilization pond
33
Manual de Operación de las Lagunas /EMAPAM
34
Certain/Molinares/Arrieta-Tratamiento de aguas residuales mediante sistemas de lagunaje-Ediciones Uninorte-2007
35
Regalado/Peralta/Gonzales/como hacer un modelo matemático/2006
36
Paterson S., "Equilibrium Models for the Initial Integration of Physical and Chemical Properties", Environmental
Exposure from
37
Sánchez Omar/Escuela Técnica Superior de Ingeniería/Huelva-España (1998)
38
Plantas Químicas/Simulación de Procesos/Luis Moncada (2004)
39
40
Mangas/Certain/Molinares-Tratamiento de aguas residuales en sistemas de Lagunaje
Yañez,FC (2000) Aspectos destacados en la Tecnología de Lagunas de Estabilización
41
Cubillos, A (1986) Criterios para dimensionar lagunas de estabilización, CEPIS
42
Bora Beran/2003-IZMIR
43
Escala Cañellas/U de San Luis de Potosí-2006
44
ramalho xxxxx
45
Fritz y Meredith, D.D. & Middleton, RC, (1978) Modeling and Design of wastewater Stabilization Pond, U.
de New York at Buffalo.
46
Fabián Yánez Cossio, Lagunas de estabilización, (1993), Etapa, Cuenca
47
Marais, G.vR & Ekama,G.A. (1975) “The activate Sludge Process, part 1: Steady state Behaviors
48
Antoni Escala/Modelación Matemática de procesos/Universidad de Potosi/(2006)
71