Lagunas Anaerobias

CURSO PRACTICO SOBRE LAGUNAS DE
ESTABILIZACION
• Lagunas Anaerobias
• Expositor: Ing. José E. Vásconez G., M. Sc.
LAGUNAS ANAEROBIAS
INTRODUCCION
• Las lagunas anaerobias constituyen un proceso de tratamiento que
opera bajo una condición de ausencia de oxígeno.
• Las lagunas anaerobias se utilizan normalmente como primera fase en
el tratamiento de aguas residuales urbanas o industriales con alto
contenido en materia orgánica biodegradable.
• El objetivo primordial de estas lagunas es la reducción de contenido en
sólidos y materia orgánica del agua residual, y no la obtención de un
efluente de alta calidad.
... INTRODUCCION ... (2)
• Las lagunas anaerobias operan en serie con lagunas facultativas y de
maduración .
• Generalmente se utiliza un sistema compuesto por al menos una laguna
de cada tipo en serie, para asegurar que el efluente final de la planta
depuradora va a poseer una calidad adecuada durante todo el año.
• Las lagunas anaerobias se diseñan para aguas residuales con altas
cargas y se caracterizan por su corto tiempo de retención hidráulica.
FUNDAMENTOS DEL PROCESO
La estabilización tiene lugar mediante tres etapas:
•
Hidrólisis
•
Fermentación Acida
•
Fermentación del Metano
FUNDAMENTOS DEL PROCESO
COMPUESTOS
ORGANICOS
COMPLEJOS
HIDRÓLISIS
COMPUESTOS
ORGANICOS
SIMPLES
FORMACION DE ACIDOS
CELULAS
BACTERIANAS
ACIDOS VOLATILES
CO2 H2
OTROS
PRODUCTOS
FORMACION DE METANOS
CH4
CO2
CELULAS
BACTERIANAS
HIDROLISIS
Este término indica la conversión de compuestos orgánicos
complejos e insolubles en otros compuestos más sencillos y
solubles en agua. Esta etapa es fundamental para suministrar los
compuestos orgánicos necesarios para la estabilización anaerobia
en forma que puedan ser utilizados por las bacterias responsables
de las dos etapas siguientes.
FERMENTACION ACIDA
Los compuestos orgánicos sencillos generados en la etapa anterior son
utilizados por las bacterias generadoras de ácidos.
Como resultado se produce su conversión en ácidos orgánicos volátiles,
fundamentalmente en ácidos acético, propiónico y butírico.
Esta etapa la pueden llevar a cabo bacterias anaerobias o facultativas.
Hay una gran variedad de bacterias capaces de efectuar la etapa de
formación de ácidos, y además esta conversión ocurre con gran rapidez.
Dado que estos productos del metabolismo de las bacterias formadoras
de ácido o acidogénicas están muy poco estabilizados en relación con
los productos de partida, la reducción de DBO5 o DQO en esta etapa es
pequeña
... FERMENTACION ACIDA ... (2)
La conversión de carbohidratos a células bacterianas, se realiza de
la siguiente manera:
5(CH2O)x
(CH2O)x + 2CH3COOH + Energía
FERMENTACION DEL METANO
Una vez que se han formado ácidos orgánicos, una nueva
categoría de bacterias entra en acción, y los utiliza para
convertirlos finalmente en metano y dióxido de carbono. El metano
es un gas combustible e inodoro, y el dióxido de carbono es un gas
estable, que forma parte de la atmósfera.
La liberación de estos gases es responsable de la aparición de
burbujas, que son un síntoma de buen funcionamiento en las
lagunas anaerobias.
... FERMENTACION DEL METANO ... (2)
Esta fase de la depuración anaerobia es fundamental para
conseguir la eliminación de materia orgánica, ya que los productos
finales no contribuyen a la DBO5 o DQO del medio.
A diferencia de lo que ocurría con la fase acidogénica, hay pocos
microorganismos capaces de desarrollar la actividad metanogénica,
su metabolismo es más lento y además, son mucho más sensibles
a distintas condiciones ambientales.
... FERMENTACION DEL METANO ... (3)
Los productos finales de la degradación son:
•
Metano
•
Bióxido de Carbono
•
Gas sulfhídrico
•
Agua
... FERMENTACION DEL METANO ... (4)
La conversión de carbohidratos a células bacterianas, se realiza de
la siguiente manera:
2.5 CH3COOH
(CH2O)x + CH4 + 2CO2 + Energía
... FERMENTACION DEL METANO ... (5)
De los dos grupos de bacterias referidos anteriormente, las
bacterias “formadoras de metano” son las más importantes para el
proceso anaerobio.
La fase de fermentación del metano es el factor cinético – limitante
en el proceso.
Las características fundamentales del grupo bacteriano son las
siguientes:
... FERMENTACION DEL METANO ... (6)
•
Son estrictamente anaerobios (nitratos y sulfatos retardan
acción de las bacterias)
•
Se desarrollan muy lentamente en comparación con otros
organismos (2 a 22 días).
•
Son sensibles al pH (6,5 a 7,6).
•
El trabajo de las bacterias del metano está en desventaja
debido a la población reducida que es desarrollada.
VENTAJAS DE LAS LAGUNAS ANAEROBIAS
•
Bajo costo, se requiere de áreas reducidas.
•
Buen rendimiento para el tratamiento de aguas residuales con
altas concentraciones de materia orgánica.
•
Eficiencia probada en el tratamiento de una variedad de aguas
residuales industriales biodegradables.
DESVENTAJAS DE LAS LAGUNAS ANAEROBIAS
•
El proceso es sensible
temperatura y pH.
a
factores
ambientales
como
•
El proceso es sensible a factores operativos como variaciones
bruscas de carga.
•
Tienen un aspecto poco agradable y condiciones estéticas
desfavorables (formación de natas, inciden en el
mantenimiento).
... DESVENTAJAS DE LAS LAGUNAS ANAEROBIAS ... (2)
•
El efluente del proceso tiene alto contenido de materia orgánica
y color.
•
Presentan bajas tasas de mortalidad
comparación con otras opciones.
bacteriana,
en
... DESVENTAJAS DE LAS LAGUNAS ANAEROBIAS ... (3)
•
Emanaciones de malos olores ocasionales, en especial en los
primeros años de operación.
•
Se deben construir a distancias considerables de los límites
urbanos.
•
Rápida acumulación de sólidos, en comparación con otro tipo
de lagunas, lo que deteriora en la calidad del efluente.
•
Requiere de limpieza de lodos más frecuentemente.
PROCEDIMIENTOS DE DISEÑO
A continuación se presenta un análisis de las formulaciones y
criterios de diseño más representativos para lagunas anaerobias.
•Correlación Sudafricana
•Correlación de Kawai
•Modelo de Mezcla Completa
•Correlación de Saidam y Al Salem
CORRELACION SUDAFRICANA
Fue desarrollada
subtropicales:
para
temperaturas
climas
tropicales
y
S = So / (Kn PR (S/So)n + 1)
En donde:
S = DBO5 del efluente de la laguna, mg /l
So = DBO5 del afluente de la laguna anaeróbica, mg/l
Kn = Constante de degradación, mezcla completa, día-1
PR = Período de retención nominal, días
n = exponente determinado experimentalmente.
... CORRELACION SUDAFRICANA ... (2)
Desventajas:
•
La solución requiere de la aplicación del método de
aproximaciones sucesivas
•
Cuando se incrementa el período de retención en forma
exagerada, existe el riesgo de que la laguna funcione como
facultativa.
•
Hay discrepancias en relación a la constante de degradación
anaeróbica Kn
CORRELACION DE KAWAI
Fueron desarrolladas con datos sobre lagunas del Brasil:
• CSr = -14,4555 + 0,6876 CSa
• CSr = -86,0971 + 0,6543 Csa + 3,3985 T
• CSr = -265,0576 + 0,77491 Csa + 23,5258 PR
En donde:
CSr = carga superficial removida, kgDBO / Ha x día
Csa = carga superficial aplicada, kgDBO / Ha x día
MEZCLA COMPLETA
La expresión cuando se considera mezcla completa es
la siguiente:
•S = Sa (K’ PR + 1)
En donde:
K’ = coeficiente de degradación global de DBO, día-1
K’ = 0,593 día-1 (investigaciones en Perú)
K’ = 0,601 día-1 (Chiang y Gloyna)
PR = 5 días
CORRELACION DE SAIDAM Y AL SALEM
La expresión cuando se considera mezcla completa es
la siguiente:
•S = -1.326 + 7,4 T + 3.961 CV - 68 PR
CORRELACION DE SAIDAM Y AL SALEM
VARIABLE DEL PROCESO
DBO del afluente (Sa)
DBO del efluente (S)
Eficiencia de remoción de DBO
Temperatura del agua
Carga volumétrica de DBO
Periodo de Retención (PR)
UNIDAD INTERVALO PROMEDIO
mg/l
629 a 826
726
mg/l
213 a 440
321
%
32 a 71
56
°C
14,4 a 27
20
3
kg/(m x día) 0,091 a 0,153
0,117
días
4a7
5,7
CRITERIOS DE DISEÑO
El diseño de lagunas anaerobias está todavía en desarrollo,
por lo tanto el uso de los criterios de diseño son una práctica
aceptable.
Los criterios de diseño son los siguientes:
•
•
•
•
•
Carga Superficial
Carga Volumétrica
Profundidad
Eficiencias
Acumulación de Sólidos
... CRITERIOS DE DISEÑO ... (2)
CARGA SUPERFICIAL
Se emplea para comprobar que la carga sea suficientemente alta a
fin de sobrepasar la carga facultativa.
La carga facultativa es de 375 kg DBO / Ha x día.
La carga de diseño debe ser superior a los 1000 kg DBO / Ha x
día.
... CRITERIOS DE DISEÑO ... (3)
CARGA VOLUMETRICA
La carga volumétrica para diseño deberá estar sobre los 100 g
DBO5 / m3 x día.
Se recomienda como limite superior los 1.000 DBO5 / m3 x día.
Aguas residuales con concentraciones en exceso de 100 mg/l de
sulfatos podrían generar malos olores.
Para lagunas anaeróbicas que traten aguas servidas domésticas,
la carga máxima sugerida es de 400 DBO5 / m3 x día.
... CRITERIOS DE DISEÑO ... (4)
PROFUNDIDAD
La mayoría está entre 2,5 y 5,0 metros.
TIEMPO DE RETENCIÓN Y EFICIENCIA
Son los dos parámetros que tienen mayores divergencias.
El período de retención está en relación directa con el tipo de
desecho.
... CRITERIOS DE DISEÑO ... (5)
PERIODO DE RETENCION REDUCCION DE DBO5
días
%
1
50
2,5
60
5
70
... CRITERIOS DE DISEÑO ... (6)
TEMPERATURA PERIODO DE RETENCION REDUCCION DE DBO5
°C
días
%
10 - 15
4-5
30 - 40
15 - 20
2-3
40 - 50
20 - 25
1-2
50 - 60
25 - 30
1-2
60 - 80
... CRITERIOS DE DISEÑO ... (7)
TASA DE ACUMULACIÓN DE LODO
Intervalo de tasa de acumulación: 0,08 a 0,113 litros / habitante x
día.
Para diseño el límite máximo recomendado es: 40 litros / habitante
x año
NUMERO DE AÑOS ENTRE DOS LIMPIEZAS CONSECUTIVAS
N = (0,5 V) / (Ta P)
... CRITERIOS DE DISEÑO ... (8)
En donde:
N = Número de años de operación para limpieza, años
V = Volumen de la laguna , m3
Ta = Tasa de acumulación de lodos; 0,04 m3 / (habitante x año)
P = Población equivalente servida; habitantes
MECANISMOS PARA MANTENER EL AMBIENTE
ANAERÓBICO
• La abundante carga orgánica, presente da lugar a que
el posible oxígeno introducido en las lagunas con el
afluente o por reaireación superficial se consuma
rápidamente en la zona inmediatamente adyacente a
la entrada o enla superficie.
• En las lagunas anaerobias se produce la reducción de
los sulfatos, que entran con el agua residual, a
sulfuros. La presencia de sulfuros en el medio
disminuye la posibilidad de crecimiento de las algas
en dos formas
... MECANISMOS PARA MANTENER EL AMBIENTE ANAERÓBICO... (2)
•
La penetración de la luz necesaria para el crecimiento de las
algas se ve impedida por la presencia de sulfuros metálicos en
suspensión, como el sulfuro de hierro, responsables de la
tonalidad gris de las lagunas anaerobias. Estos sulfuros acaban
precipitando en el fondo de las lagunas, y provocan la
coloración gris oscura o negra que presentan los fangos.
•
Los sulfuros solubles son tóxicos para las algas, de modo que
los cortos períodos de residencia, la falta de iluminación y un
ambiente de composición química hostil impiden el crecimiento
de éstas y en consecuencia, mantienen el medio en condiciones
anaerobias.
... MECANISMOS PARA MANTENER EL AMBIENTE ANAERÓBICO... (3)
•
Puesto que las lagunas carecen de agitación, el aporte de
oxigeno atmosférico es despreciable, debido a que la difusión
de este gas en la columna de agua es muy lenta.
•
Además de las bacterias responsables de las etapas
acidogénica y metanogénica de la degradación anaerobia, en
ocasiones se desarrollan en estas lagunas otras bacterias que
confieren una coloración rojiza. Se trata de bacterias
fotosintéticas del azufre, que viven en la zona superficial y
oxidan los sulfuros a azufre elemental. Los pigmentos que
poseen estas bacterias le dan a las lagunas una coloración rosa
o roja.