límite procesal en sistema dual de lagunas de

LÍMITE PROCESAL EN SISTEMA DUAL DE LAGUNAS DE
ESTABILIZACIÓN DE ALTA CARGA
Rebeca M. Sánchez; Eudoro E. López L.; María Virginia Najul; Henry Blanco S.
Planta Experimental de Tratamiento de Aguas
Facultad de Ingeniería
Universidad Central de Venezuela
Apartado Postal 47008 Los Chaguaramos, 1041-A Caracas, Venezuela
TelFax: 58 02 6931061 - 6053038
e-mail: teacher@ telcel.net.ve
Palabras Claves: Lagunas de Estabilización; Alta Carga; Carga Procesal; Tratamiento
aguas residuales.
2
LÍMITE PROCESAL EN SISTEMA DUAL DE LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN DE ALTA CARGA
Rebeca Sánchez; Eudoro E. López L.; María Virginia Najul; Henry Blanco
Planta Experimental de Tratamiento de Aguas
Facultad de Ingeniería
Universidad Central de Venezuela
Apartado Postal 47008 Los Chaguaramos, 1041-A Caracas, Venezuela
Tel-Fax: 58 2 6931061 - 6053038
e-mail: teacher telcel.net.ve
RESUMEN
El seguimiento y evaluación de la operación del sistema de lagunas existentes en la Planta
Experimental de Tratamiento de la Facultad de Ingeniería, Universidad Central de Venezuela constituido por
una laguna facultativa primaria conectada en serie con una aerobia, permitió demostrar la capacidad de las
unidades para operar bajo condiciones de alta carga cuando el líquido residual tratado es de origen
doméstico y las condiciones ambientales corresponden a las típicas de clima tropical. El mencionado
sistema se evaluó por un período de dos años, utilizando criterios convencionales tales como: eficiencia de
remoción de materia orgánica, nutrientes y otros parámetros de interés, así como la capacidad del sistema
para mantener las condiciones para las cuales fue diseñado (laguna aeobia o laguna facultativa), y no
convencionales: análisis probabilístico basado en la confiabilidad y estabilidad del efluente producido en
terminos del contenido de materia orgánica.
En base a los resultados obtenidos se propone definir como condición de alta carga para la laguna
facultativa cargas orgánicas hasta 800 kgDBO.ha-1 d-1 con variaciones hasta de 1400 kg DBO. ha-1 d-1. Para
la laguna aerobia cargas orgánicas hasta 400 kg DBO.ha-1 d-1 con variaciones hasta de 500 kg DBO.ha-1 d-1.
Estas cargas, asociadas a tiempos de retención menores a los convencionales significan ahorro en los
requerimientos de terreno y en consecuencia menores costos de la inversión. Asimismo confirman que las
lagunas de estabilización pueden ser consideradas como una alternativa de tratamiento competitiva con
otras modalidades de tratamiento y con ventajas comparativas significativas en la región.
Palabras Claves: Lagunas de estabilización; Alta Carga; Carga Procesal; Tratamiento aguas residuales.
INTRODUCCIÓN
A pesar de los resultados obtenidos en las últimas décadas sobre la aplicabilidad de las lagunas de
estabilización como sistema de tratamiento para líquidos residuales de origen doméstico e industrial, donde
se ha mostrado su capacidad para soportar cargas orgánicas superiores a 500 kg DBO.ha-1.d-1 en
Facultativas Primarias y 200 kg DBO.ha-1.d-1 en Aerobias (García et al, 1977; Middlebroks et al, 1982;
PETA, 1983; Colmenarez et al, 1983; Manzanero, 1986; De Sousa et al, 1988; Espinosa, 1988; Sánchez,
1991), es práctica usual diseñar estas unidades con cargas iguales o inferiores a las señaladas, lo cual se
traduce en la utilización ineficiente del terreno para su construcción y en dificultades hidráulicas para su
operación, trayendo como consecuencia mayores costos y en la mayoría de los casos, deterioro de la
calidad del efluente producido.
La principal limitación que se ha planteado en el momento de interpretar los resultados obtenidos a
través de estos estudios ha sido que, siendo el producto de evaluaciones limitadas en el tiempo y bajo
condiciones controladas, por lo que no se abarcan todas las variaciones del líquido residual a tratar y su
influencia en el comportamiento del sistema, siguen existiendo dudas sobre su confiabilidad en la operación
a altas cargas, terminándose por aplicar criterios conservadores para su diseño y operación.
3
Para superar esta limitación se propuso operar el sistema dual de lagunas existente en la Planta
Experimental de Tratamiento de Aguas (PETA), Universidad Central de Venezuela, constituido por laguna
facultativa y aerobia, bajo condiciones hidráulicas que con base a los estudios previos, garanticen un
comportamiento del sistema aceptable desde el punto de vista hidráulico y remoción de materia orgánica
(eficiencia global > 70%) y evaluar durante un período de tiempo representativo (al menos 1 año) las cargas
orgánicas asociadas así como los principales parámetros físico - químicos que describen las condiciones
de medio en las lagunas y aquellos que evalúan su eficiencia. Con la base de datos obtenida durante el
periodo de operación bajo condiciones de alta carga, validar la metodología de evaluación de la operación
basada en análisis de confiabilidad y estabilidad propuesta por Sánchez, 1991
Una evaluación integral como la propuesta permitirá contribuir a la definición de parámetros de
diseño y operación de lagunas de estabilización operando bajo condiciones de clima tropical y con cargas
superiores a las normalmente aplicadas (alta carga). En concreto, los objetivos que se persiguen con el
presente estudio son:
Objetivo General:
Evaluar la operación continua de un sistema de lagunas de estabilización sometido a condiciones
de alta carga bajo condiciones de clima tropical y aplicar el análisis de confiabilidad y estabilidad como
herramienta para su evaluación, a fin de contribuir a la definición de parámetros de diseño y operación
adaptados a la realidad ambiental de Venezuela.
Objetivos Específicos:
•
Introducir una categoría para la clasificación de las lagunas de estabilización en base a la carga
orgánica que pueden procesar, operando bajo condiciones de clima tropical.
•
Evaluar el comportamiento del sistema de lagunas ubicado en la Planta Experimental de
Tratamiento de Aguas, Facultad de Ingeniería de la Universidad Central de Venezuela, operando
bajo condiciones de alta carga durante un período que permita abarcar las variaciones típicas de
las características de los líquidos residuales de origen municipal y su influencia en el
funcionamiento del sistema.
•
Validar la metodología de evaluación basada en análisis de confiabilidad y estabilidad propuesta
por Sánchez, 1991, la cual permitirá establecer los límites de carga procesales para el diseño de
este tipo de sistema, determinar la calidad del efluente producido bajo esas condiciones de
operación, así como su capacidad para mantenerla en el tiempo y su rango de variación.
•
En base a los resultados obtenidos en la evaluación considerando los criterios convencionales de
eficiencia de operación así como los establecidos en el modelo probabilístico, definir criterios de
diseño y operación adaptados a nuestra realidad ambiental.
PLANTEAMIENTOS BÁSICOS
Las lagunas de estabilización en su modalidad de lagunas facultativas primaria, se conciben como
unidades de tratamiento capaces de procesar líquido residual crudo, donde la transformación de la materia
orgánica y remoción parcial de microorganismos patógenos ocurre bajo condiciones parcialmente
controladas y mediante la combinación de procesos físicos químicos y biológicos, los cuales se desarrollan
en un ambiente donde se mantiene un gradiente de oxígeno disuelto a lo largo de la profundidad,
presentándose condiciones aerobias en la zona cercana a la superficie y anaerobias en el fondo. (Ann Arbor
Science Publishers, 1985).
4
Por su parte, las lagunas aerobias se definen en términos similares a los anteriores, sólo que el
ambiente donde se desarrolla el proceso de transformación del material es aerobio en todo el volumen de la
unidad y el líquido que procesan debe ser sometido a un proceso primario a fin de disminuir la carga de
material suspendido afluente.
En ambos casos, la fuente de oxígeno para soportar el proceso aerobio, es la actividad fotosintética.
En Venezuela así como en otras regiones de América Latina y el Caribe, se ha demostrado la
aplicabilidad de este tipo de sistemas para el tratamiento de líquidos residuales de origen municipal e
industrial, especialmente en sectores donde existe terreno a un costo razonable y prevalecen condiciones
ambientales propias de clima tropical. (Yanez, 1980). Los arreglos utilizados en la mayoría de los casos
consisten en sistemas de lagunas operando en serie, específicamente, laguna facultativa seguida de
aerobia.
Independientemente del arreglo que se piense instalar, los criterios de carga utilizados para el
diseño y operación satisfactoria de estas unidades son los reportados en la Tabla 1, sin embargo existe
suficiente evidencia de la marcada influencia sobre el comportamiento del sistema de las condiciones
ambientales imperantes en el sitio de ubicación así como de la naturaleza del líquido residual a tratar, lo
que se traduce en una mayor capacidad para soportar cargas orgánicas superiores a las señaladas en la
Tabla 1.
Tabla 1
Parámetros de Diseño para Lagunas de Estabilización
Parámetro
Tiempo de Retención (d)
Profundidad (m)
pH
Rango de Temperatura (ºC)
Temperatura Optima (ºC)
Carga Orgánica (kg DBO5,20.ha-1.d-1)
Remoción DBO5,20 (%)
Concentración de Algas (mg.l-1)
Tomado de: Metcalf & Eddy, 1979
Aerobia
10 - 40
1 - 1,5
6,5 -10,5
0 - 30
20
40 - 120
80 - 95
40 - 100
Tipo de Laguna
Facultativa
7 - 30
1 - 2,5
6,5 - 9,0
0 - 50
20
15 - 200
80 - 95
20 . 80
Anaerobia
20 - 50
5,5 - 5,0
6,8 - 7,2
6 - 50
30
200 - 500
50 - 70
0-5
En general, se puede afirmar que las condiciones existentes en regiones de clima tropical y las
características de los líquidos residuales de origen doméstico que allí se generan, permiten que se puedan
diseñar y operar las lagunas de estabilización con cargas orgánicas superficiales en el orden de 10 y hasta
25 veces mayores a las que normalmente se aplican en zonas de clima templado (Yánez, 1980). A pesar de
lo anterior sigue habiendo objeciones a su utilización debido a la diversidad de problemas cuyo origen en la
mayoría de los casos se relacionan con diseños inadecuados, mala operación de las unidades o ambas
situaciones simultáneamente.
A fin de profundizar en técnicas que permitan evaluar el comportamiento de las lagunas de
estabilización, Sánchez, 1991 adaptó una metodología propuesta por Niku, 1979 para lodos activados y
lechos biopercoladores, basada en el análisis probabilístico de los resultados obtenidos de la operación de
un grupo de sistemas considerados, la cual permite evaluar, por una parte, la capacidad del sistema para
producir un efluente aceptable desde el punto de vista físico químico independientemente de la condición de
operación a la cual es sometido, es decir la probabilidad de que la concentración en el efluente sea igual o
menor al valor establecido por los criterios de descarga señalados en la normativa ambiental vigente en el
sector donde se encuentra la obra -análisis de confiabilidad-; y por otra, la capacidad de mantener el
efluente en un rango de variabilidad aceptable -análisis de estabilidad-.
5
Para la aplicación de la técnica se analizó la información obtenida del registro de operación ,no
necesariamente continuo, de ocho (8) lagunas facultativas primarias y seis (6) sistemas de lagunas en serie.
Los resultados obtenidos en ese estudio muestran que las lagunas facultativas primarias y los sistemas en
serie, operando bajo diferentes condiciones ambientales, y de carga aplicada son capaces de producir un
efluente aceptable -confiable- en términos de DBO5,20 soluble y DQO; en otras palabras, los valores que no
se superan el 90% y 95% de las veces, están por debajo del criterio establecido por la normativa ambiental
venezolana, para la descarga de líquidos residuales en cuerpos de agua.
Cuando se evaluó la confiabilidad de los sistemas en serie, éstos resultaron confiables en términos
de DBO5,20 total y soluble y DQO (confiabilidad > 90%).
También se pudo mostrar cómo los sistemas operando con cargas hasta 700 kg DBO5,20.ha-1.d-1
son estables en términos de DBO soluble y DQO, dicho de otra manera, los valores promedios de estos
parámetros y sus variaciones correspondientes (x + σs) no superaron los respectivos criterios de descarga.
Se determinó que el nivel de variabilidad aceptable es σs = 15 mg.l-1
Todo lo anterior hace suponer que si se considera la naturaleza de estos sistemas y se acepta la
necesidad de un dispositivo adicional para remoción de algas, es muy posible que el efluente sea
comparable con el producido por cualquier otro tipo de unidades para el tratamiento de líquidos residuales
de origen doméstico.
A pesar de los resultados obtenidos en el citado estudio, en la evaluación del comportamiento de
las lagunas de estabilización es necesario considerar otros factores tales como los señalados por
Mildebrooks et al, 1982, entre los cuales cabe resaltar además de la remoción de materia orgánica y
nutrientes, su capacidad para mantener las condiciones que caracterizan la modalidad bajo la cual fue
diseñada la unidad. Una evaluación de esta naturaleza implica el seguimiento de la(s) unidad(es) durante un
período de tiempo representativo, realizando un registro cronológico y sistemático de aquellos parámetros
que suministran información sobre los aspectos que se acaban de mencionar. Tal evaluación debería
llevarse a cabo bajo la condición de carga que se pretende mostrar, que el sistema puede soportar.
El análisis de los datos así generados no sólo en términos de eficiencia de remoción de los
principales constituyentes del líquido residual y las condiciones en el medio imperante en la laguna, sino
también aplicando criterios de variabilidad en la calidad físico química del efluente producido, a través de la
metodología adaptada para este tipo de sistemas señalada anteriormente (análisis de confiabilidad y
estabilidad), permitirá establecer los criterios de diseño y operación aplicables, en forma racional y
considerando en la medida de lo posible, todos los factores que se deben considerar.
El procedimiento de evaluación podría resumirse como se muestra en la Figura 1
De llegar, mediante el esquema de evaluación propuesto, a un resultado satisfactorio es posible
suponer que además de los criterios hasta ahora utilizados para la clasificación de las lagunas de
estabilización, básicamente en función de la naturaleza del proceso de estabilización que se está llevando
acabo en la unidad (aerobias, anaerobias y facultatitvas), suministro de oxígeno (fotosíntesis o inducción
mecánica) y régimen de flujo (continuo, intermitente o completa retención - lagunas de evaporación-), se
puede introducir alguno relativo al nivel de carga: alta carga, carga intermedia y baja carga, lo que permitiría
incluir la situación que se viene observando en relación a la capacidad de estos sistemas para soportar
condiciones de carga significativamente mayores a las señaladas en la bibliografía especializada la cual
fundamentalmente ha sido establecida a través de la aplicación de criterios convencionales de evaluación.
6
Operación
continua de la
unidad o sistema
Generación de
Información
Criterios
Convencionales
Análisis
Probabilístico
Eficiencia en remoción
de Materia Orgánica y
Nutrientes.
Capacidad para
mantener condiciones
de diseño
Análisis de Confiabilidad
(P(X<Xd)).
Análisis de Estabilidad
(X+ s < Xd)
Resultado
Satisfactorio
Resultado No
Satisfactorio
Condición de
Carga Aceptable
Condición de Carga
No es Aceptable
Figura 1: Esquema de Evaluación Propuesto para Confirmar la Aplicabilidad del Criterio de Carga
Orgánica en Lagunas de Estabilización
METODOLOGÍA
El sistema utilizado para la ejecución del estudio es el existente en la Planta Experimental de
Tratamiento de Aguas de la Facultad de Ingeniería, Universidad Central de Venezuela (PETA - UCV, el cual
consta de dos lagunas conectadas en serie (facultativa seguida de aerobia). Las características más
resaltantes de esta unidades se resumen en la Tabla 2.
Tabla 2
Parámetros de diseño del Sistema de Lagunas - PETA-ACV
Característica
Area Superficial (m2)
Profundidad (m)
Relación largo-ancho
Sección Transversal
Dispositivo de entrada/salida
Tiempo de retención (d)
Facultativa
Aerobia
70,1
67,1
1,4
0,65
2,8
2,9
trapezoidal
trapezoidal
distribuidor de flujo/ vertedero triangular
variable
variable
7
El período de evaluación fue el comprendido entre marzo 1996 y febrero 1998. Las condiciones de
operación se seleccionaron en base a estudios previos y el criterio aplicado para ello fue carga hidráulica
para la cual se obtiene mejores condiciones de comportamiento hidráulico, sin desmejorar la eficiencia de
remoción de materia orgánica, al menos en la laguna facultativa (LF) considerándose como valor aceptable
70% en términos de DBO. Así se estableció controlar el caudal afluente a la LF en 0,7 l.s-1, el cual está
asociado a un tiempo de retención de 1,7 d y 0,12 L.s-1 para la aerobia lo que implica, tiempos de retención
de 5,5 d.
Una vez puesto en operación el sistema se ejecutó un programa de captación y análisis de
muestras que permitió obtener registro diario de caudal, temperatura, oxígeno disuelto, pH y alcalinidad
medidos en horas de la mañana (10:00 am) y de la tarde (4:00 pm) y en diferentes secciones de la laguna y
a dos profundidades en la facultativa y una profundidad en la aerobia. Las Figuras 2 y 3 muestran la
ubicación de los sitios de captación de muestra para ambos casos.
Para evaluar las condiciones de carga y eficiencia en remoción de materia orgánica, se captaron
durante 18 meses del período total de evaluación muestras semanales en el afluente y efluente de ambas
unidades, siendo los parámetros determinados DBO5,20 y DQO total y soluble. Los meses a los que
corresponde la información son marzo - julio 1996, ambos inclusive; Mayo 1997 - febrero 1998, ambos
inclusive.
s
f
1
2
Sección Longitudinal
Sección Transversal
3
s: a 10cm desde las Sup.
f: a 10cm desde el fondo
Figura 2: Ubicación de Puntos de Muestreo - Laguna Facultativa
3
2
1
p
Sección Transversa
p: a 10 cm de la sup.
Sección Longitudinal
Figura 3: Ubicación de Puntos de Muestreo - Laguna Aerobia
Para evaluar la remoción de nutrientes y otros parámetros de interes se captaron muestras
mensuales durante el período octubre 1997 - febrero 1998 en los mismos puntos señalados en las Figuras 2
y 3, esperando los tiempos de retención de las unidades. Los parámetros analizados fueron, además de
todos los mencionados anteriormente, nitrógeno, fósforo y sólidos en sus diferentes formas.
8
Todas las determinaciones se realizaron según lo establecido en APHA, AWWA,WEF, 1995.
La información así generada fue interpretada a la luz de dos tipos de criterios:
•
Convencionales: Eficiencia en remoción materia orgánica y nutrientes así como mantenimiento
de las condiciones en el medio líquido de las unidades.
•
No Convencionales: Evaluación de la calidad del efluente en términos de confiabilidad y
estabilidad de las unidades para mantener un efluente con características aceptables en relación
a materia orgánica (DBO y DQO) según lo establecido en las normas técnicas vigentes, Para
evaluar la confiabilidad se procede a verificar el modelo de distribución log-normal para la
concentración del parámetro en el efluente y se evalúa la probabilidad de que el parámetro en
cuestión no supere el valor establecido por los criterios de descarga con un nivel de confianza del
90 %. Para evaluar la estabilidad se determina la desviación estándar de los valores obtenidos en
el efluente y se verifica si la los rangos de variación superan el criterio de descarga establecido
para el parámetro considerado.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Un resumen global de los resultados obtenidos se muestra en la Tabla 3 en base a los cuales se
pueden hacer los siguientes comentarios:
Los resultados obtenidos en los principales parámetros de calidad evaluados en el líquido residual
afluente reafirman lo señalado en estudios previos donde se ha caracterizado como de concentración débil
(DBO < 150 mg.l-1 y DQO < 250 mg.l-1) con condiciones aceptables para la biodegradación. Tal afirmación
se basa no sólo en la relación DBO/DQO, disponibilidad de nutrientes así como condiciones de pH y
temperatura favorables al proceso, sino también en la constante de ejercicio de la DBO, la cual fue evaluada
en estudios paralelos en kbase e = 0,14 d-1.
Aun cuando la carga hidráulica al sistema se mantuvo controlada a lo largo del estudio, las cargas
orgánicas asociadas fluctuaron significativamente: entre 489 y 1500 kg DBO5,20.ha-1.d-1 para la laguna
facultativa y entre 170 y 416 kg DBO5,20.ha-1.d-1 para la aerobia. Esto se atribuye a la diversidad de
actividades industriales, domésticas y comerciales en el sector servido por el colector marginal izquierdo
Río Valle fuente de abastecimiento del sistema bajo estudio. Esta situación típica, al menos en nuestro
medio, refuerza la necesidad de evaluar la capacidad de los sistemas de tratamiento para soportar altas
variaciones en las características del liquido a tratar.
Si se consideran las eficiencias de las unidades para la remoción de materia orgánica tanto en
forma individual como global del sistema, éstas, calculadas en función de las fracciones totales del
parámetro considerado resultaron en el orden de 50% en DBO y 40% en DQO para la laguna facultativa y
20% en DBO y 15% en DQO para la aerobia, la eficiencia global del sistema fue de 60% y 50 % en DBO y
DQO respectivamente. Sin embargo cuando se calculan tomando como referencia la fracción total afluente y
la soluble efluente, las eficiencias mejoran significativamente, obteniéndose remociones de DBO y DQO
mayores al 70% en la facultativa, y al 65% en la aerobia; la remoción global del sistema es en promedio,
90% para DBO y 78% para DQO. Estos resultados se consideran aceptables, especialmente si se toma en
cuenta las altas cargas procesales a las cuales está sometido el sistema y sobre todo que en la selección
del esquema de tratamiento a base de lagunas de estabilización y dependiendo del destino final del líquido
tratado, debe preverse una unidad complementaria para la remoción de algas características en estas
unidades.
9
La remoción de nitrógeno orgánico y amoniacal fue despreciable en la laguna facultativa mientras
que en la aerobia sólo se logra un 18% de nitrógeno orgánico y 25% de nitrógeno amoniacal. La eficiencia
global del sistema fue de 20% y 27% respectivamente. Este comportamiento se atribuye a que las
condiciones imperantes en la laguna facultativa: tiempos de retención cortos (1,7 d), pH ligeramente
alcalinos (7,4 - 8,6) y temperatura promedio del líquido en la laguna mayores a 27 ºC, no favorecen la
remoción de estas formas nitrógeno, especialmente el despojamiento del nitrógeno amoniacal, principal
mecanismo de remoción de esta forma de nitrógeno en este tipo de unidades (King, 1999). En la laguna
aerobia se presentan condiciones similares pero con tiempos de retención más largos lo que pudiera
favorecer la remoción de nitrógeno.
Cuando se analiza la remoción de fósforo, nuevamente se observa que la remoción en la laguna
facultativa es despreciable, observándose sólo una transformación de las diferentes formas de fósforo
evaluadas. En la aerobia ocurre algo similar con el fósforo total e hidrolizable pero se observa un 90% de
remoción de los ortofosfatos (forma asimilable de este elemento en medios acuáticos. Estos resultados
muestran indicios de actividad biológica intensa en el sistema.
Es importante resaltar que a pesar de las altas cargas orgánicas aplicadas, las unidades mantienen
las condiciones bajo las cuales se estableció su operación (facultativa y aerobia), este planteamiento se
confirma con los rangos de valores obtenidos para el oxígeno disuelto, pH y alacalinidad a diferentes
secciones y profundidades de lagunas, las cuales en ningún caso reflejaron condiciones de anaerobicidad
en la laguna facultativa y se mantuvieron en los rangos típicos para la aerobia; asimismo se puede afirmar
que se mantiene la actividad biológica característica de estas unidades, reflejadas en la transformación de
las diferentes formas de nitrógeno y fósforo señaladas anteriormente.
Los factores hasta ahora considerados, correspondientes a los criterios convencionales de
evaluación de sistemas de tratamiento biológicos, permiten concluir que las lagunas de estabilización son
capaces de soportar cargas orgánicas significativamente mayores a la normalmente aplicadas sin
desmejorar sustancialmente la eficiencia de remoción de materia orgánica, objetivo central de su
funcionamiento.
Para evaluar el comportamiento del sistema a la luz de su capacidad para producir un efluente
aceptable para la descarga en cuerpos de agua superficiales, se determinó la probabilidad de que la
concentración de materia orgánica en términos de DBO5,20 y DQO en sus formas total y solubles fuesen
menores o iguales al valor establecido por los criterios de descarga vigente, es decir su confiabilidad
(P(X<Xd)). Para ello fue necesario, en primera instancia verificar que la distribución de la concentración del
parámetro en consideración se ajustara al modelo log-normal, esto se hace aplicando la prueba KolmogorofSmirnof. Los resultados resumidos en la Tabla 4, muestran como en ningún caso la hipótesis de distribución
log-normal fue rechazada al 5% de significancia, coincidiendo con lo observado en otras situaciones donde
se ha planteado este modelo como aplicable a la distribución de concentraciones de DBO y DQO en el
efluente de sistemas de tratamiento Niku et al, 1979, 1982; Sánchez 1991)
10
Tabla 3
Resumen de Resultados Obtenidos en la Evaluación del Sistema Dual de Lagunas de Estabilización
(Tiempo de Observación = 2 años)
Parámetro
DBO5,20 Total (mg/l)
Afluente
Estabilidad
Efluente
55
(25 - 120)
14
(8 - 30)
155
(95 - 258)
65
(30 - 124)
13,5
(13,4 18,2)
8,9
(7,8 - 9,8)
3,37
(2,95 3,76)
2,86
(2.47 3,11)
0,21
(inp - 0,47)
49
0,32
E
76
0,98
E
39
0,99
NE
72
0,99
NE
16,7
(14,6 - 19)
70
(40 - 132)
33
(20 - 78)
180
(70 - 307)
84
(11 - 162)
16,4
(11,1 - 18,5)
2
NA
NA
12,2
(10,5 - 13,2)
2,87
(2,45 - 3,24)
11,8
(8,1 - 13,4)
2,90
(2,60 - 3,04)
3
NA
NA
NA
NA
NA
Fósforo Hidrolizable (mg/L P)
2,59
(2,20 - 2,90)
2,41
(2,38 - 2,64)
NA
NA
NA
Ortofosfatos (mg/L P)
2,08
(1,83 - 2,19)
2,11
(1,6 - 2,45)
NA
NA
NA
Soluble (mg/l)
DQO
Total (mg/L)
Soluble (mg/L)
Nitrógeno Total Kjeldahl (mg/L N)
Nitrógeno Amoniacal (mg/L N)
Fósforo Total (mg/L P)
136
(60 - 185)
-
Laguna Facultativa
Efluente
Eficiencia
Confia(%)
bilidad
297
(170 - 420)
-
Condiciones de Operación
Caudal (L/s)
Carga Orgánica (kg DBO/ha día)
Tiempo de Retención (d)
Laguna Facultativa
0,7
489 - 1500
1,7
Condiciones del Medio
Oxígeno Disuelto (mg/L)
pH
Alcalinidad (mg/L Ca CO 3 )
Laguna Facultativa
0,1 - 4,2
7,4 - 8,6
176 - 240
Laguna Aerobia
Eficiencia
Ef. Global
(%)
Confiabilidad
Estabilidad
21
(80)*
58
60
0,67
E
90
1,00
E
15
(64)*
23
48
1,00
NE
78
1,00
NE
18
20
NA
NA
25
27
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
90
90
NA
NA
Laguna Aerobia
0,12
170 - 416
5,5
Laguna Aerobia
1,6 - 11,0
8,1 9,0
170 - 230
*Eficiencia calculada en base a la DBO o DQO afluente con respecto a la soluble efluente; inp: Inapreciable; E: Estable (σ del conjunto de valores < a 15)
NE: No estable, NA: no aplica
Nota : Valores entre paréntesis, denotan el rango de variación.
11
Tabla 4
Verificación del Modelo de Distribución Log-Normal de la Concentración de DBO y DQO total y
Soluble en el Efluente de las lagunas PETA -UCV
Max Fo - Fe *
Modelo de Distribución
Normal
Log-Normal
0,1285
0,0808
0,1701
0,1095
0,1571
0,0606
0,1728
0,1495
0,1505
0,1173
0,1576
0,1908
0,1437
0,0996
0,1495
0,0862
Laguna
Parámetro
Coeficiente de K-S
Considerado
(α = 0,.05)
DBO5,20 total
0,228
Facultativa
DBO5,20 sol.
0,228
DQO total
0,234
DQO soluble
0,234
DBO5,20 total
0.266
Aerobia
DBO5,20 sol.
0,272
DQO total
0,266
DQO soluble
0,272
Fo: frecuencia observada; Fe: Frecuencia esperada.
Modelo Aceptado
Normal
X
X
X
X
X
X
X
X
Log-Normal
X
X
X
X
X
X
X
X
Al determinar evaluar la confiabiliadad de las unidades para producir una efluente con contenidos de
materia orgánica expresada en términos de DBO5,20 y DQO total y soluble aceptables, se obtiene que tanto
la laguna facultativa como la aerobias son capaces de mantener esa condición cuando se trata de DBO5,20
soluble y DQO total y soluble (confiabilidad > 90%).
Cuando se determina la desviación estándar de las concentraciones en el efluente, medida de la
estabilidad de las unidades, se obtiene que el efluente de la laguna facultativa y de la aerobia estable en
términos de DBO total y soluble (σs < 20 mg.l-1) pero se desvía de esta condición en relación a la DQO (ver
Tabla 5). Sin embargo cuando se consideran los valores promedios del parámetro en particular y su rango
de variación vs. la carga superficial aplicada, en ningún caso se obtienen desviaciones mayores a 350 mg.l-1
(criterio de descarga). Considerando las altas cargas a las cuales estuvo sometido el sistema y el efecto
numérico del orden de magnitud de la variable considerada se puede afirmar que el sistema es estable en
términos de contenido de materia orgánica en el efluente producido.
Tabla 5
Resultados del Análisis Probabilístico en la Evaluación del Comportamiento de las Lagunas
Facultativa y Aerobia Ubicadas en PETA UVC
Laguna Facultativa
Laguna Aerobia
Parámetro
Valor
Desviación Confiabilidad
Valor
Desviación
Confiabilidad
(mg.l-1)
Promedio Estándar
(P(X< Xd)
promedio Estándar
(P(X< Xd)
DBO5,20 tot.
70
18
0,32
55
18
0,67
DBO5,20 sol.
33
12
0,98
14
6
1,00
DQO total
181
55
0,99
155
36
1,00
DQO soluble
84
32
0,99
65
23
1,00
X: Valor del parámetro en el efluente; Xd Valor que no debe superarse el 95% de las veces: DBO = 60 mg.l-1;
DQO = 350 mg.l-1 (MARNR, 1997)
12
Una vez verificado la capacidad del sistema para soportar altas cargas se considera que los
resultados obtenidos pueden servir de base para establecer una categoría adicional en la clasificación de las
lagunas de estabilización en función de la carga procesal aplicada. Así se propone definir lagunas
facultativas de alta carga como aquellas diseñadas con cargas orgánicas superficiales de 800 kg DBO5,20.ha1 -1
.d y operadas con variaciones hasta 1200 kg DBO5,20.ha-1.d-1. Asimismo se propone definir lagunas
aerobias de alta carga como aquellas diseñadas con carga superficial de 400 kg DBO5,20.ha-1.d-1 y operadas
con variaciones hasta 500 kg DBO5,20.ha-1.d-1. Estas condiciones de diseño y operación son válidas para
unidades de esta naturaleza trabajando con líquidos residuales de origen municipal y bajo condiciones de
clima tropical. Los criterios de diseño y operación que se acaban de especificar se traducen en tiempos de
retención sustancialmente menores a convencionalmente aplicados y significan un ahorros en los
requerimientos de terreno y menores costos en la inversión.
CONCLUSIONES
Las principales conclusiones del estudio realizado se resumen en:
•
En base a los resultados obtenidos durante todo el período de observación se define como
condición de alta carga para la laguna facultativa cargas orgánicas hasta 800 kgDBO/ha día con
variaciones hasta de 1400 kg DBO.ha-1 d-1. Para la laguna aerobia cargas orgánicas hasta 400 kg
DBO.ha-1 d-1 con variaciones hasta de 500 kg DBO.ha-1d-1 Estas cargas, asociadas a tiempos de
retención menores a los convencionales significan ahorro en los requerimientos de terreno y en
consecuencia menores costos de la inversión.
•
La laguna facultativa sometida a altas cargas (489 - 1500 kg DBO.ha-1d-1) durante un período de
2 años, fue capaz de producir un efluente aceptable desde el punto de vista físico químico,
obteniéndose una eficiencia de remoción promedio en el orden de 49% y 72% en términos de
DBO total y soluble y de 39% y 72% en términos de DQO. Este comportamiento se considera
aceptable si se toma en cuenta las altas cargas aplicadas.
•
A pesar de las altas cargas, la unidad mantiene sus condiciones de laguna facultativa lo cual se
refleja en los rangos de valores obtenidos para el Oxígeno Disuelto, pH y alcalinidad a diferentes
secciones y profundidades de laguna, asimismo, mantiene la actividad biológica característica
de estas unidades, reflejada en la transformación de las diferentes formas de nitrógeno y fósforo.
•
El efluente producido por la laguna facultativa es estable en términos de DBO pero se desvía de
esta condición en relación a la DQO. La confiabilidad para mantener la calidad del efluente es
aceptable (>90% excepto para DBO total).
•
En cuanto al comportamiento de la laguna aerobia, la cual fue sometida a cargas procesales
entre 170 y 416 kg DBO5,20.ha-1.d-1, se pueden hacer comentarios similares sólo que en este
caso las condiciones mejoran, lo que se atribuye a su condición de unidad secundaria para el
tratamiento del líquido residual a tratar.
•
La eficiencia global promedio del sistema fue en el orden de 90% y 78% en términos de DBO y
DQO respectivamente, comparable con la correspondiente a otros tipos de sistemas, lo que
verifica su aplicabilidad bajo condiciones de alta carga cuando procesan líquidos residuales de
origen doméstico y operan bajo condiciones de clima tropical
13
•
Se verifica la aplicabilidad del método probabilístico para la evaluación del comportamiento de
estos sistemas de tratamiento propuesto por Sánchez (1991).
BIBLIOGRAFÍA BÁSICA DE REFERENCIA
1. APHA-AWWA-WEF (1995): Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 19th
Edition, Washington
2. COLMENAREZ, E; DIEZ, S.; POZO, A (1983): Evaluación del Funcionamiento de las Lagunas de
Oxidación de San José de Perijá- Facultad de ingeniería - Universidad del Zulia, Maracaibo.
3. DE SOUSA, L.; VITALE, O.; WILLIAMS, F.(1988): Determinación de Eficiencias de Tratamiento en
Sistemas de Lagunas de Estabilización Operando en Serie. Escala Piloto. Facultad de Ingeniería,
U.C.V.
4. ESPINOZA, Y. (1995): Selección, Diseño, Construcción y Evaluación de los Dispositivos de Entrada y
Salida para las Lagunas Facultativa y Aerobia de la Planta Experimental de Tratamientos de Aguas de la
Facultad de Ingeniería de la UCV., Facultad de Ingeniería, Universidad Central de Venezuela, Caracas.
5. GARCÍA, A.; MARIS, H.. (1977): Lagunas de Estabilización como Sistema de Tratamiento de Líquidos
Residuales II. Determinación de Eficiencias de Operación (continuación), Facultad de Ingeniería,
Universidad Central de Venezuela.
6. INSTITUTO NACIONAL DE OBRAS SANITARIAS (1976): Normas para la Elaboración de Proyectos de
Sistemas de Tratamiento de Aguas Servidas Urbanas Vol II. Dirección de Planificación y Desarrollo.
7. MANZANERO, L.(1986): Caracterización Bacteriológica de un Sistema de Lagunas de Estabilización de
Aguas Residuales. Facultad de Ciencias Universidad Central de Venezuela.
8. MIDDLEBROOKS, E.; MIDDLEBROOKS, C.; REYNOLDS, J.; WATTERS,G.; REED, S.,GEORGE,D.
(1982): Wastewater Stabilization Laggon Design. Performance and Upgrading. MacMillam Publishing Co
New York
9. MINISTERIO DEL AMBIENTE Y DE LOS RECURSOS NATURALES RENOVABLES - MARNR (1997:
Rumbo a una Nueva Gestión Ambiental - Marco Legal, Caracas. Venezuela
10. PLANTA EXPERIMENTAL DE TRATAMIENTO DE AGUAS - UCV (1983) Lagunas de Estabilización
como Alternativa de Tratamiento para Aguas Residuales en Zonas Tropicales. Algunas Experiencias en
Venezuela: I Congreso Bolivariano y III Congreso Venezolano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental.
Naiguatá
11. SANCHEZ R.(1991): Análisis de Confiabilidad y Estabilidad en Lagunas de Estabilización Operando bajo
Condiciones Tropicales. Facultad de Ingeniería Universidad Central de Venezuela.
14