DETERMINACION DE CONSTANTES CINETICAS EN

DETERMINACION DE CONSTANTES CINETICAS
EN LAGUNAS DE ESTABILIZACION DE SALTA
Viviana Liberal, Carlos Cuevas, Aníbal Trupiano y Eduardo Bouhid
Consejo de Investigaciones - Facultad de Ingeniería
Universidad Nacional de Salta. Buenos Aires 177. 4400 SALTA
FAX : (087) 255351
E-mail : [email protected]
Palabras claves : Efluentes cloacales. Tratamiento
estabilización. Diseño lagunas. Coeficientes Cinéticos
efluentes.
Lagunas
RESUMEN
Se determinaron parámetros cinéticos para diseño de lagunas de estabilización de
efluentes cloacales en la ciudad de Salta, realizando pruebas de equilibrio discontinuo
en distintas estaciones climáticas en una laguna primaria facultativa. Se evaluaron las
Constantes de Remoción de Materia Orgánica y Bacterias Coliformes y sus
respectivos Coeficientes de la Ley de Arrhenius modificada. Los valores obtenidos
indican una marcada dependencia de la Constante de Remoción Bacteriana con la
Temperatura y valores absolutos menores a los informados por otros autores.
INTRODUCCION
Los modelos utilizados para el diseño de lagunas normalmente están compuestos por el submodelo
hidráulico y balances de masa con términos de generación y remoción de masa afectados por
constantes cinéticas (1).
A pesar de ser las lagunas de estabilización el método más ampliamente usado en el tratamiento de
líquidos cloacales en la provincia de Salta, no se habían realizado estudios para determinar los valores
de los coeficientes cinéticos para las condiciones locales, necesarios para optimizar el diseño, la
construcción y el funcionamiento posterior. Al no contarse con estos coeficientes, se adoptan los que
resultan de zonas con características climáticas similares, lo que conlleva a resultados poco confiables,
generalmente traducidos en mayores costos y bajos rendimientos.
Las coordenadas geográficas de la ciudad de Salta, capital de la Provincia del mismo nombre, la ubican
en los 65º 29' de longitud y 24º 51' de latitud; a 1.150 metros sobre el nivel del mar.
El clima de la zona está clasificado como Sub Tropical con Estación Seca. Las temperaturas máxima y
mínima medias son de 24 y 10ºC respectivamente, con una humedad relativa ambiente promedio de
74%.
Las primeras lagunas que se instalaron fueron para los barrios Ciudad del Milagro y Universitario,
conjuntos habitacionales construidos lejos del ejido urbano en aquellos momentos (1.975).
Posteriormente la zona tuvo un gran desarrollo debido a los planes habitacionales propuestos por el
gobierno, por lo que fue necesario construir un nuevo sistema de tratamiento llamado "Lagunas de
Castañares", porque las anteriores no tenían capacidad de depuración.
El proyecto que se realizó es una combinación de una laguna anaeróbica y dos lagunas facultativas en
serie, por ser ésta una solución apropiada por la disminución del área total requerida, lo cual constituía
un problema en el lugar. Las tres lagunas fueron ubicadas en forma perimetral al sistema de "Lagunas
del Milagro" anteriormente existente.
Actualmente las "Lagunas del Milagro" tienen más de 20 años de funcionamiento y las de "Castañares",
más de 15; su ubicación es crítica, ya que están emplazadas en un sector donde se construyeron dos
nuevos barrios que se extienden en asentamientos precarios, llegando algunas viviendas a estar
establecidas en plenos taludes de las piletas.
Un estudio realizado en 1995 (2) concluye que el sistema del Milagro no está funcionando en absoluto
ya que el líquido crudo que ingresa es volcado al canal colector directamente y el sistema Castañares
no es mantenido ni operado adecuadamente, no obstante lo cual se logran eficiencias de remoción de
DBO del orden del 84% y del 60% de DQO. También se estableció experimentalmente que las
condiciones de estabilización son aeróbicas en todas las lagunas del sistema Castañares.
El presente trabajo constituye una continuación del estudio mencionado y tiene el Objetivo de
determinar los parámetros cinéticos para las condiciones locales utilizando el sistema de lagunas de
estabilización que depuran los efluentes cloacales de la zona Norte de la ciudad de Salta, para su
aplicación en el diseño de futuras lagunas y optimización de las que actualmente funcionan en la región.
Para cumplimentar el objetivo propuesto, se llevaron a cabo cuatro pruebas en equilibrio discontinuo
(cada una en una estación climática diferente) en la primer laguna del sistema, realizando la toma de
muestras y análisis durante diez días en cada prueba.
2
MATERIALES Y METODOS
En relación a la Remoción de Materia Orgánica, se emplea la Constante Global de Asimilación de
Sustrato K que, para lagunas facultativas, se determina por pruebas en equilibrio discontinuo,
independiente del submodelo hidráulico (1).
Para la Remoción de Bacterias, se utiliza la Constante Específica de Mortalidad Bacteriana Kb que
puede desarrollarse por pruebas en equilibrio discontinuo o en funcionamiento continuo en lagunas con
flujo pistón y carga orgánica reducida.
La influencia de la Temperatura sobre las dos Constantes está regida por la ecuación modificada de
Arrhenius, cuyo Coeficiente θ puede ser estimado considerando los valores de las Constantes Cinéticas
a distintas Temperaturas.
Parámetros Cinéticos
1.- Constante Específica de Mortalidad Bacteriana (Kb)
La disminución de gérmenes patógenos que ocurre en el líquido aislado (flujo discontinuo) está regida
por la Ley de Chick (3):
ln (No / N) = Kb t
Donde :
(E C. *1)
No = calidad bacteriológica original del agua
N = calidad bacteriológica después de un tiempo t
Kb = Constante Específica de Mortalidad Bacteriana
El valor de Kb se determina mediante el conteo de coliformes fecales en pruebas en equilibrio
discontinuo, aplicando una recta de mejor ajuste a los datos obtenidos. Debe determinarse para las
diferentes estaciones, por ser su valor dependiente de la Temperatura y la luz solar (3).
A partir de los valores de la constante Kb a diferentes Temperaturas se determina el coeficiente θ b de la
Ley de Arrhenius modificada, empleando la Temperatura promedio de cada prueba en equilibrio
discontinuo (1):
Kb T = Kb
20ºC
θ b( T - 20 )
(Ec. *2)
2.- Constante Global de Asimilación de Sustrato (K)
Siguiendo la misma metodología se determina K con los datos de DBO soluble obtenidos durante las
pruebas en equilibrio discontinuo. Esto es posible porque el modelo presentado para la remoción
bacteriana sigue la misma reacción de primer orden que rige la remoción de DBO (1, 3):
ln (Lo / L) = K t
Donde:
(Ec. *3)
Lo = Contenido de materia orgánica original del agua en términos de DBO última.
L = Contenido de materia orgánica final después de un tiempo t.
K = Constante Global de Asimilación de Sustrato
Los datos experimentales ajustados por cuadrados mínimos permiten calcular el valor de K para la
Temperatura de cada prueba.
3
Para establecer una correlación adecuada de datos de DBO es necesario calcular la DBO última L,
independiente de la Temperatura. La relación entre DBO5 y L es (4):
DBO5 = L ( 1 - 10
-5k
)
(Ec. *4)
El valor de k, la Constante de Desoxigenación, se calcula mediante los valores de DBO para distintos
períodos de incubación (uno, tres, cinco, siete y nueve días) de alícuotas de la muestra inicial de la
prueba en equilibrio discontinuo. Los datos obtenidos se procesan utilizando el método de aproximación
gráfica de los momentos de H.A. Thomas (5).
El Coeficiente θ para remoción de sustrato de la Ley de Arrhenius modificada se determina a partir de
los valores de la constante K a diferentes Temperaturas .
KT = K
20ºC
θ ( T - 20 )
(Ec. *5)
Pruebas en Equilibrio Discontinuo
- Para realizar las pruebas se empleó un recipiente a sumergir en la laguna, constituido por una bolsa de
polietileno contenida en un canasto plástico de 70 litros de capacidad al que se le han adosado
flotadores. El recipiente se tapó con un plástico transparente de modo que no se impida el ingreso de
aire y luz a su interior.
- Las pruebas se inician llenando el recipiente con el líquido de la primera laguna (facultativa) y dejándolo
sumergido en la misma durante 10 días, lapso en que se tomaron muestras periódicas del líquido
confinado. Se determinaron in situ Temperatura y Oxígeno Disuelto.
- Se realizaron cuatro pruebas durante los meses de Septiembre, Diciembre, Abril y Julio.
Técnicas Analíticas
Los coliformes fecales se cuantifican en el laboratorio por la técnica del NMP. La DBO5 se determina por
lectura de Oxígeno Disuelto con Oxímetro HANNA antes y después de 5 días de incubación. Las
técnicas utilizadas son las recomendadas por Standard Methods (6).
Para la medición in situ de Oxígeno Disuelto se emplea el Oxímetro mencionado y para la Temperatura
un termómetro digital.
RESULTADOS
Remoción de gérmenes patógenos
En la Tabla Nº 1 se presentan los valores de recuento de Coliformes Fecales (NMP/100 ml) en las
distintas pruebas en equilibrio discontinuo y los valores resultantes de aplicar la Ley de Chick (Ec *1)
para estimar la Constante Específica de Mortandad de Coliformes Kb.
En la Tabla Nº 2 se resumen los datos que permiten determinar los coeficientes de la ecuación de
Arrhenius (Ec. *2) para decaimiento bacteriano. Ajustando por mínimos cuadrados, se obtienen:
θ b = 0,41
y
Kb 20ºC = 1,17
4
( r = 0,914)
Remoción de materia orgánica
En la Tabla Nº 3 se muestran los resultados de las determinaciones de DBO5
aislado en el recipiente sumergido en las pruebas de equilibrio discontinuo.
realizadas en el líquido
Tabla Nº 1
Determinación de la Constante Específica de Mortalidad Bacteriana ( Kb ) en Distintos Períodos.
Pruebas en equilibrio discontinuo a diferentes Temperaturas Promedio
Septiembre/96
Diciembre/96
Abril/97
Julio/97
día Coli fecal ln No/N día Coli fecal ln No/N día Coli fecal ln No/N día
Coli fecal ln No/N
0 4,3 x 10 5
0
0 2,3 x 10 6
0
0 2,3 x 10 6
0
0
7,0 x 10 5
0
1 3,9 x 10 5 0,098 1 1,5 x 10 6 0,427
1 2,3 x 10 6
0
1
4,6 x 10 5
0,419
3 2,3 x 10 5 0,626 3 4,3 x 10 4 3,979
3 2,3 x 10 6
0
3
4,3 x 10 5
0,487
4
4
5
5 9,0 x 10
1,564 6 4,3 x 10
3,979
5 4,3 x 10 1,677
5
4,3 x 10 4
2,789
7 2,4 x 10 3 5,188 8 3,9 x 10 3 6,379
7 2,3 x 10 4 4,605
8
4,0 x 10 4
2,862
9 2,3 x 10 3 5,231 10 1,5 x 10 2 9,638
9 9,3 x 10 3 5,511
10
9,0 x 10 3
4,354
T = 22ºC
25ºC
22ºC
21ºC
Kb = 0,662
Kb = 0,8795
Kb = 0,675
Kb = 0,428
r = 0,939
r = 0,963
r = 0,942
r = 0,957
Tabla Nº 2
Determinación de θ b y Kb20ºC
T (ºC)
Kb
(T - 20) (ºC)
ln Kb
21
0,428
1
- 0,849
22
0,668 *
2
- 0,403
25
0,879
5
- 0,129
* Promedio de valores de Septiembre y Abril
Tabla Nº 3
Valores de DBO5 total y soluble (mg/l) en pruebas de equilibrio discontinuo
Diciembre/96
Abril/97
Julio/97
día
DBO t
DBO s
día
DBO t
DBO s
día
DBO t
DBO s
0
106
42
0
88
35
0
82,5
43
1
70
33
1
65
28
1
68,5
40
3
42
28
3
46
15
3
45
6
34
13
5
25,5
12,5
5
47
20
8
28
12,5
7
23
11,5
8
30
16
10
14,5
11
9
19
10
10
26
11
T
25ºC
22ºC
21ºC
5
El valor de la Constante de Desoxigenación k se calcula con los datos de DBO soluble de la
Tabla Nº 4 mediante el método de Thomas.
Tabla Nº 4
Valores de DBO para distintos períodos de incubación
Septiemb/96
día
DBO s
0
1
2,8
3
11
5
13,5
7
14
20
32
k = 0,104
La Tabla Nº 5 contiene los valores de la DBO soluble última Ls obtenidos aplicando este valor de k en la
Ecuación (*4).
Tabla Nº 5
Valores de Ls (mg/l) en las pruebas de equilibrio discontinuo
Diciembre96
Abril 97
Julio 97
día
Ls
día
Ls
día
Ls
0
103,6
0
86,3
0
106
1
81,4
1
69
1
98,6
3
69
3
37
3
6
32,1
5
30,8
5
49,3
8
30,8
7
28,4
8
39,5
10
27,1
9
24,7
10
27,1
Los valores de Ls aplicados a la Ecuación (*3) resultan en la determinación de K (Tabla Nº 6).
Tabla Nº 6
Determinación de la Constante Global de Asimilación de Sustrato ( K )
día
0
1
3
6
8
10
Diciembre/96
Ls
ln Lo/L
103,6
0
81,4
0,241
69
0,406
32,1
1,172
30,8
1,213
27,1
1,341
T = 25ºC
K = 0,141
r = 0,97
día
0
1
3
5
7
9
Abril/97
Ls
86,3
69
37
30,8
28,4
24,7
T = 22ºC
K = 0,137
r = 0,937
6
ln Lo/L
0
0,224
0,847
1,03
1,111
1,251
día
0
1
3
5
8
10
Julio/97
Ls
106
98,6
49,3
39,5
27,1
T = 21ºC
K = 0,135
r = 0,992
ln Lo/L
0
0,072
0,765
0,987
1,364
Finalmente, conociendo K a varias Temperaturas (Tabla Nº 7) y aplicando la ecuación de Arrhenius
modificada (Ec. *5) se obtiene el coeficiente θ y el valor de K20ºC.
T (ºC)
21
22
25
Tabla Nº 7
Determinación θ y K20ºC
Kb
(T - 20) (ºC)
0,135
1
0,137
2
0,141
5
θ = 1,0106
y
K20ºC = 0,1338
ln Kb
- 2,002
- 1,988
- 1,959
( r = 0,997)
DISCUSION DE RESULTADOS
En el Cuadro Nº 1 se presenta un resumen de los valores obtenidos a partir de los datos
experimentales.
Cuadro Nº 1
Valores experimentales de las Constantes Cinéticas en Salta
Constante
Cte Global de Asimilación
de Sustrato (K)
Cte Específica de
Mortalidad Bacteriana (Kb)
20ºC
21ºC
22ºC
25ºC
θ
0,13
0, 135
0,137
0,141
1,011
0,41
0,428
0,668
0,879
1,17
Se observa que las variaciones de Temperatura entre las diferentes pruebas en equilibrio discontinuo en
este primer año de experimentación, no han sido significativas.
Los resultados obtenidos en estas experiencias se comparan a continuación con los reportados por
distintos autores para estas constantes (Cuadro Nº 2).
Origen
CEPIS (7, 8)
ENOHSa (9)
Rosario (10)
Misiones (11)
Chile N (12)
Gloyna (1)
Salta
Cuadro Nº 2
Valores reportados para las Constantes
K 20ºC
θ
0,17
1,085
0,17
1,044
0,049
1,033
1,132
0,17
1,085
1,085
0,13
1,011
Cinéticas
Kb 20ºC
0,512
0,84
0,403
θb
1,166
1,07
1,012
0,925
1,027
0,41
1,17
Los valores obtenidos por el CEPIS (7, 8) en sus investigaciones de las lagunas de San Juan en Lima
son, en general, referentes para la región cuando no hay datos experimentales locales. El ENHOSa, por
ejemplo, en las normas nacionales de diseño de lagunas facultativas con el modelo de flujo disperso,
recomienda el uso de los valores que figuran en el cuadro o, en su defecto, correlaciones entre
constantes y Temperaturas obtenidas por CEPIS (9). En Chile (12) se determinaron sólo los coeficientes
7
de decaimiento bacteriano en la zona norte del país y se recomienda la utilización de los valores del
CEPIS para los no determinados.
Los valores reportados por Rosario (10) corresponden a experiencias propias, ocurriendo lo mismo con
Misiones (11). En el primer caso los valores son los mas bajos de la serie y han sido determinados en
otras condiciones de trabajo.
Haciendo uso de los valores de este trabajo y de los reportados por distintos autores, se grafican K y Kb
para un rango de Temperaturas de 20 a 25ºC, aplicando la ecuación de Arrhenius modificada con los
valores de las constantes cinéticas propias de cada autor citado (Gráfico Nº 1 y 2).
Se observa que las Constantes para Salta se encuentran en una zona intermedia si se involucran en la
comparación a todos los autores, aunque los valores resultan bajos si no se tiene en cuenta a Rosario.
La variación con la Temperatura es muy marcada en el caso de remoción de bacterias y, aunque con
valores mas bajos, la curva presenta una pendiente similar a la correspondiente del CEPIS.
Los Gráficos Nº 1 y 2 merecen una observación adicional. Para el pequeño rango de Temperaturas
considerado, en todos los casos hay una correspondencia casi lineal entre las Constantes Kb y K y la
Temperatura .
Tomando como referencia la información aportada por el Ing. M.A.Potel Junot en los trabajos de
evaluación de sistemas de lagunas de la República Argentina realizados en el año 1992 (Cuadro Nº 3)
(13), las experiencias de Machagai (Provincia de Chaco) y Catamarca pueden tomarse como parámetro
de comparación ya que las Temperaturas promedio de las pruebas batch se aproximan a las del
presente trabajo. El autor considera bajos los valores obtenidos en comparación con la bibliografía, sin
embargo son, en términos generales, mucho mayores que los del presente reporte.
Constante
Cinética
K
J.M.COBO
(BS AS)
0,21 (14ºC) *(1)
LOS PARAMILLOS
(MENDOZA)
0,0915 (15ºC) *(2)
Kb
MACHAGAI
(CHACO)
0,097 (19,5ºC)*(2)
0,544 (22,8ºC)*(3)
0,597 (19,5ºC)*(2)
0,934 (22,8ºC)*(1)
CATAMARCA
0,21 (25ºC)*(2)
0,93 (23ºC)*(1)
CONCLUSIONES
Se han determinado las constantes cinéticas en lagunas de estabilización en diferentes estaciones del
año. Se estima que pueden adoptarse provisoriamente en la región los siguientes valores en el diseño de
futuras lagunas por el modelo de flujo disperso:
K 20ºC = 0,13
Kb 20ºC = 0,41 θ = 1,011 y
θ b =1,17
La dependencia de las Constante Kb con la Temperatura es muy marcada en comparación con lo
informado por otros autores. La curva Kb vs T presenta una pendiente similar a la del CEPIS, aunque
los valores absolutos de Kb son inferiores.
La representación gráfica de Kb vs T y K vs T, lineal para el pequeño rango de Temperatura considerado,
resulta útil para comparar resultados de experiencias de diferentes autores.
8
Gráfico Nº 1
Cte Decaimiento Bacteriano
Kb vs T
Comparación de valores reportados
1,2
1
0,8
0,6
0,4
21
22
Salta
Chile
23
Temperatura
Rosario
CEPIS
24
25
ENOHSa
Gráfico Nº 2
K vs T
Cte Remoción Sustrato
Comparación de valores reportados
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
21
22
23
24
Temperatura
Salta
ENOHSa - CEPIS
9
Rosario
25
RECOMENDACIONES
Es necesario realizar ensayos con trazadores para determinar el tiempo de residencia real y el número
de dispersión para definir el submodelo hidráulico y calibrar el modelo de flujo disperso para las
condiciones locales. Los valores de TRH con que se cuentan actualmente no permiten la aplicación del
ábaco de Thirimurthi para comparar los valores de las constantes cinéticas obtenidas en las pruebas
con las de la aplicación del modelo de flujo disperso.
Se requieren nuevos ensayos en condiciones climáticas mas diferenciadas que permitan contar con
valores mas confiables y con mayores rangos de Temperaturas.
Sería importante considerar el efecto de la radiación solar sobre las constantes cinéticas en futuras
investigaciones, especialmente en esta región de intensa irradiación.
BIBLIOGRAFIA
1.- Yañez Cossio F. Manual de métodos experimentales “Evaluación de Lagunas de Estabilización”.
CEPIS/OPS. Serie técnica Nº 24. 1983
2.- Castro L., Liberal V. Evaluación de las lagunas de estabilización de la zona norte de la ciudad de
Salta. IX Congreso Argentino de Saneamiento y Medio Ambiente. Córdoba. 1996
3.- Saenz Forero R. Predicción de la calidad del efluente en lagunas de estabilización. OPS/OMS.
Washington, D.C. 1992
4.- Metcalf & Eddy. Tratamiento y depuración de las aguas residuales. Editorial Labor. España. 1981
5.- Fair, Geyer & Okun. Purificación de aguas y tratamiento y remoción de aguas residuales. Editorial
Limusa. México. 1979
6.- APHA, AWWA, WEF. Standard Methods for the examination of water and wastewater. 19 th Edition.
1995
7.- Yañez Cossio F. Lagunas de Estabilización: teoría, diseño, evaluación y mantenimiento. Cuenca,
Ecuador. 1993
8.- Castro de Esparza M.L., Saenz Forero R. et al. Evaluación de riesgos para la salud por el uso de
aguas residuales en agricultura. Aspectos microbiológicos. CEPIS/OPS. Lima, Perú. 1990.
9.- Carnabucci O., Deambrosi S. Normas y criterios de diseño del ENOHSa referidas a lagunas de
estabilización. Seminario-taller sobre “Criterios de diseño y evaluación de lagunas de estabilización”.
Rosario. 1996
10.- Fernandez R. Evaluación de las lagunas de Capitán Bermudez y Alcorta. Seminario-taller sobre
“Criterios de diseño y evaluación de lagunas de estabilización”. Rosario. 1996
11.- Piris da Motta M., Queirolo E. Ensayos de tratabilidad de líquidos cloacales diluidos a escala
laboratorio mediante lagunas de estabilización facultativas. Seminario-taller sobre “Criterios de diseño y
evaluación de lagunas de estabilización”. Rosario. 1996
12.- Homsi J. Operación y mantenimiento de sistemas de lagunas de estabilización; la experiencia
chilena. Seminario-taller sobre “Criterios de diseño y evaluación de lagunas de estabilización”. Rosario.
1996
10
13.- Potel Junot M.A. Evaluación de sistemas de lagunas de la República Argentina. Seminario-taller
sobre “Criterios de diseño y evaluación de lagunas de estabilización”. Rosario. 1996
11