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Tratamiento y uso de aguas residuales:
Una estrategia para el futuro del saneamiento
RECONVERSIÓN DE LAGUNAS Y SU ADAPTACIÓN A LAS
MODERNAS TECNOLOGÍAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES
Ing. José Luis Pitarch
España
1. - OBJETO DEL ESTUDIO.
El objeto del presente estudio es establecer de forma sencilla pero metódica,
criterios sobre la adaptación de los sistemas de lagunaje naturales o facultativos
anteriormente empleados a otros sistemas más eficientes incorporando
tecnologías más avanzadas en el proceso de depuración de las aguas residuales
Actualmente Europa es la referencia mundial en cuanto a los sistemas de
tratamiento de aguas, es el modelo a imitar por los otros países, además Europa
está regulada por leyes muy rigurosas y de obligatorio cumplimiento a lo largo de
los países componentes.
En virtud de la necesidad de unificar una serie de criterios y experiencias que se
fueron sucediendo a lo largo de los tiempos y de países, en los que se trataban
las aguas bajo criterios muy diferentes, totalmente independientes entre unos y
otros, eso motivó que se tuviese que refundir leyes y concluir en dictaminar la
Directiva 91/271/CEE, en la que se recogen los criterios de calidad del vertido
exigidos, los plazos de tiempo en que se deben poner en práctica, así como los
valores de fiabilidad exigible a los tratamientos.
La Directiva sólo exige la calidad del agua tratada e impone a su vez unos
criterios de fiabilidad en los tratamientos, marcando cuantas incidencias por falta
de calidad en el vertido se pueden permitir. Eso ha dejado libertad en escoger los
sistemas de tratamiento pero se ha demostrado que analizando las diversas
opciones en cuanto a tecnologías e investigando a lo largo de las miles de
estaciones depuradoras emplazadas en Europa la conclusión es clara y la
tendencia a aplicar actualmente en función de las exigencias requeridas en los
tratamientos también queda claramente definida.
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En Europa como en todo el mundo se han construido a lo largo de su historia
depuradoras de todos los tipos y tecnologías, pero los únicos sistemas que han
demostrado que cumplen los requerimientos y exigencias establecidos por la
Directiva Europea son los basados en tratamientos biológicos de fangos activados,
no solo por sus rendimientos sino porque son sistemas estables y fiables y bien
diseñados, por no depender su fiabilidad ni rendimiento de las agresiones externas
por vertidos puntuales o incontrolados.
2.- INTRODUCCION
A lo largo de los tiempos se han venido desarrollando una serie de experiencias
en los procesos de tratamiento de las aguas residuales, normalmente
extendiéndolas de un lugar a otro, en función de una serie de parámetros que se
ha ido suponiendo que se deberían seguir manteniendo a pesar de los diversos
lugares de aplicación.
Esto ha generado no pocos inconvenientes en los funcionamientos de éstas,
además de que las tipologías de cada país son aparentemente similares pero
realmente son diferentes, no olvidemos que los tratamientos de aguas se basan
en unos sistemas vivos y por tanto sensibles al medio.
Realmente no existe una única tecnología para los tratamientos de las aguas, sino
que hay un verdadero abanico disponible y se debe escoger siempre entre las
posibles alternativas la más adecuada a cada caso, pero no sólo como único
parámetro de decisión el coste de construcción (otro gran error) sino que se debe
valorar además las ventajas operacionales que comportan los diversos sistemas,
los costos de mantenimiento y como no la fiabilidad del sistema. Cabe recordar
que una instalación de bajo coste que no funcione es a la larga muy cara y un
fracaso a pesar de que en su día costó poco dinero, pero pagar aunque sea poco
por nada es un derroche.
Para no desvirtuar los datos cuando hablamos de coste bajo o coste alto, en
realidad no se está hablando de poco ni mucho, sino de valores bastante próximos
entre sí, separados a razón de un 30 % o menos y si se incluyen los costos del
terreno el balance es negativo ya que es más barata cualquier instalación que la
de un lagunaje natural por lo menos en Europa donde el terreno ocupado es de
todo menos barato, pero además el incorporar tecnologías modernas supone
optimizar el espacio de terreno ahorrando dinero con ello.
Supone además el empleo de sistemas mucho más estables (no tan sensibles a
los malos mantenimientos, cosa bastante frecuente también) lo que también
genera un importante ahorro porque a pesar de todo tienen capacidad para seguir
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funcionando con un buen rendimiento, que a fin de cuentas es para eso para lo
que se construyeron ¿no?.
Se pretende hacer una breve exposición de los sistemas de tratamiento de aguas
residuales más generales y que de una forma u otra han ido ocupando un lugar
importante dentro de este campo, lo que no quiere decir que un único sistema
siempre sea el mejor ni del mismo modo que sea el único, además a lo largo de
esta ponencia se hará una breve exposición de los diversos sistemas de
tratamiento empleados y los pros y contras de los mismos.
3.- ANTECEDENTES HISTORICOS DEL LAGUNAJE
El tratamiento por lagunaje de las aguas residuales consiste en el almacenamiento
de estas 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.
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.
Dado que la presencia de oxígeno disuelto en las lagunas de estabilización
determina que tipo de mecanismos va a ser responsable de la depuración, los
tipos de instalaciones de lagunaje se pueden clasificar en:
?
?
?
Lagunajes aerobios
Lagunajes anaerobios
Lagunajes facultativos
Además de esta clasificación básica también se utilizan otras relacionadas con sus
propias características físicas, tales como la profundidad. Ambas clasificaciones
están íntimamente relacionadas ya que las fuentes de oxigeno disuelto en lagunas
son fenómenos de superficie. Estas fuentes de oxigeno son la actividad de las
algas microscópicas y la reacción en la interfase aire-agua.
Las primeras lagunas de estabilización fueron en realidad embalses construidos
como sistemas reguladores de agua para riegos, en ellos se almacenaban los
excedentes de agua residual utilizada en riegos directos, sin tratamientos previos.
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En el curso de estos almacenamientos se observó que la calidad del agua
almacenada mejoraba sustancialmente con el transcurso del tiempo, por lo que
comenzó a estudiarse la posibilidad de lagunas como sistemas de tratamiento de
aguas residuales. El primer embalse en el que se realizaron los estudios de este
tipo fue el del llamado Lago Mitchell, situado en la ciudad de San Antonio (Texas
en los EU), a principios del siglo XX.
Posteriormente se estudiaron sistemáticamente los procesos responsables de la
depuración por lagunaje,
se establecieron unos seguimientos de las
características físico químicas y microbiológicas de las lagunas de estabilización
situadas en Nevada, California y Arizona (EU) y la experiencia pasó a Europa a
través de las lagunas situadas en Lund (Suecia). Estos primeros estudios
permitieron establecer las características básicas de funcionamiento de las
lagunas de estabilización y la influencia de varios factores (temperatura,
insolación, forma y orientación de los estanques, composición de las aguas
residuales, etc.) sobre el funcionamiento de estas plantas depuradoras.
Desde entonces, el empleo de las lagunas de estabilización como sistemas de
tratamiento de las aguas residuales se generalizaron por todo el mundo, otros
países que impulsaron ese desarrollo fueron Alemania, Francia, Israel, Brasil, etc.
Como resultado de la experiencia adquirida en la utilización de las lagunas de
estabilización se fueron incorporando mejoras en el diseño que permitieron
obtener calidades crecientes en el efluente de estas plantas.
Entre las mejoras introducidas se puede destacar el empleo de plantas superiores
(normalmente helófitas) que son las que poseen una parte aérea y otra parte
sumergida, también se emplearon los peces (normalmente carpas chinas) que se
pudiesen adaptar a las fluctuaciones del oxigeno disuelto, con la finalidad de
obtener efluentes clarificados y subproductos valiosos desde el punto de vista
económico. También se potenció el uso de un tratamiento final del efluente por
medio de filtros de turba o arena o las irrigaciones controladas de filtros verdes a
fin de mejorar la calidad del agua vertida sin que provocase problemas con el
medio ambiente.
En cuanto al tamaño de aplicación de este tipo de plantas de tratamiento, se
limitan a poblaciones de pequeño o mediano tamaño oscilando entre 500 a 20.000
personas.
Debido a los requerimientos en la calidad del vertido que dictaminó la Directiva
Europea 91/271/CEE, en la que se limitaba la calidad a unos valores determinados
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en función de la población servida, obligó a introducir una serie de nuevas
tecnologías para poder adaptarse a esta.
4.- CLASIFICACION DE LAS LAGUNAS
Como veíamos anteriormente, se utilizan distintos criterios para la clasificación de
los lagunajes, como puede observarse la presencia de oxigeno disuelto es uno de
los criterios fundamentales en la tipología utilizada ya que determina la reacción
biológica dominante en su interior
A continuación se hace una pequeña descripción de los diferentes tipos de
lagunas y más adelante se estudiará con detalle las transformaciones que sufre la
materia orgánica en cada uno de los tipos existentes de lagunas.
4.1.- Lagunas aerobias.
En estas lagunas se mantiene un ambiente aeróbico en toda la profundidad, lo que
se consigue con la aplicación de menores cargas de forma que la fotosíntesis y la
reaireación superficial (intercambio atmosférico) sean suficientes para proporcional
oxigeno disuelto a toda la columna de agua. También se las llama “lagunas de
oxidación”, generalmente son poco profundas por lo que el oxigeno se distribuye
por toda la masa de agua.
En este tipo de lagunas se consigue una elevada capacidad de desinfección del
agua tratada, en cuanto a la eliminación de patógenos debido a los altos periodos
de retención del agua, así como una correcta mineralización de los nutrientes
orgánicos.
Se utilizan principalmente en tratamientos adicionales de efluentes que procedan
en una primera fase de otro tipo de tratamiento más enérgico, normalmente este
tipo de lagunaje se adapta bien en climas cálidos y soleados.
Dentro de esta tipología de lagunaje aerobio, existen unas subclases como
pueden ser las “altamente aerobias” (High Rate Aerobic Ponds) y las “lagunas de
maduración”, que son de muy baja carga y su empleo es para la eliminación de los
patógenos con lo que se consigue un tratamiento de afino en la calidad del
efluente final.
Dentro de este tipo existen unos sistemas de lagunaje aerobio llamados “lagunajes
aireados” cuya particularidad es que la aportación de oxigeno al tratamiento es por
medio de sistemas mecánicos. La cantidad de oxigeno producida por los sistemas
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naturales es insuficiente para atender los procesos de oxidación, por lo que es
necesario instalar unos sistemas de aireación mecánica (turbinas, eyectores,
difusores, etc.) como suplemento, muchas de ellas se han desarrollado a partir de
una facultativa sobrecargada.
4.2.- Lagunas anaerobias.
La depuración en estas lagunas ocurre por la acción de bacterias del tipo
anaerobio. En estas lagunas como consecuencia de la elevada carga orgánica y el
corto tiempo de retención del agua residual, el contenido de oxigeno disuelto es
muy bajo o nulo durante todo el año. El objetivo perseguido es retener la mayor
parte de los sólidos en suspensión que pasan a incorporarse a la capa de fangos
acumulados en el fondo y a su vez eliminar parte de la carga orgánica.
La materia orgánica se degrada por vía anaerobia (sin oxigeno disuelto) y las
principales reacciones biológicas que se producen son la formación de ácidos y la
fermentación metánica.
En el caso de disponerse un tratamiento combinado de lagunas, este tipo
correspondería al primero en la cadena del tratamiento, este tipo de instalaciones
se empleo en una época para tratamiento de aguas industriales debido a su
idoneidad para tratar altas cargas, aun así la materia orgánica en el tratamiento
esta estabilizada sólo en parte, por lo que se requieren a continuación otros tipos
de tratamiento complementarios.
En la actualidad y para tratamientos de choque en algunos tipos de vertidos
industriales con altas cargas se emplean tratamientos anaerobios, pero no en
forma de lagunaje debido a las malas olores que se producen, en cambio en
reactores cerrados anaerobios se siguen construyendo instalaciones con un
rendimiento bastante aceptable para algunos tipos específicos de aguas.
4.3.- Lagunas facultativas.
Estas lagunas se caracterizan por poseer una zona aerobia, próxima a la
superficie y una zona anaerobia próxima al fondo de la laguna. La extensión
relativa de estas dos zonas varía durante el año en función de la carga aplicada y
de la eficacia de los dos mecanismos de adicción de oxigeno disuelto al medio: la
fotosíntesis llevada a cabo por las algas y la reaireación a través de la superficie.
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La finalidad de estas lagunas es la estabilización de la materia orgánica en un
medio mas o menos oxigenado proporcionado principalmente por las algas
presentes.
Dado que estos tres tipos de lagunas requieren niveles decrecientes de carga
orgánica para poder funcionar correctamente, las plantas de tratamiento suelen
estar constituidas por lagunas en serie abarcando los tres tipos, alcanzando de
ese modo eficiencias mayores de tratamiento.
5.- REACCIONES Y TRANSFORMACIONES EN LAS LAGUNAS
La materia orgánica contenida en las aguas residuales, tanto en forma disuelta
como en forma suspendida, se estabiliza químicamente a través de un proceso de
degradación aerobio, anaerobio o ambos a la vez, dependiendo de la tipología
empleada en la laguna.
La degradación es llevada a cabo por los microorganismos presentes en el agua y
como consecuencia de esta degradación, se liberan al medio compuestos
inorgánicos con una estructura molecular mucho más sencilla que posteriormente
sufrirán modificaciones junto con la materia inorgánica del influente.
Los procesos de transformación de la materia orgánica en cada una de las
tipologías existentes son completamente diferentes entre ellas e incluso a
tipologías idénticas los resultados también pueden ser diferentes.
5.1.- Lagunas aerobias
Las reacciones que se producen en el interior de estas lagunas son de tipo
aerobio. Para que éstas tengan lugar, es necesario, por ta nto la presencia de
oxígeno disuelto en el medio.
Las dos fuentes naturales de oxígeno en una laguna son la reaireación superficial
y la oxigenación fotosintética, de donde se deduce que la fotosíntesis es una de
las reacciones principales que tiene lugar en las lagunas aerobias.
De una manera esquemática, el proceso general que tiene lugar es el que se
muestra en la figura siguiente.
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Estabilización de la materia orgánica
Como puede apreciarse en la figura, existe una estrecha relación entre algas y
bacterias que es fundamental para el desarrollo del proceso. Las bacterias
degradan los compuestos orgánicos produciendo anhídrido carbónico y otros
productos que son utilizados por las algas, mientras éstas producen por medio de
la fotosíntesis el oxígeno necesario para que las bacterias lleven a cabo la
oxidación.
5.1.1 – Respiración y fotosíntesis
La respiración es un proceso fisiológico a través del cual los compuestos
orgánicos son oxidados, principalmente a CO2 y HO2 . Sin embargo, la respiración
no sólo se traduce en la producción de estos dos compuestos; la principal
consecuencia biosintética es la síntesis de material celular.
La mayoría de los procesos respiratorios se caracterizan por la presencia en la
célula de un equipo especial de enzimas transportadoras (ejemplo: citrocromos)
que constituyen la cadena respiratoria de transporte de electrones, y que catolizan
el proceso.
Se pueden distinguir varios tipos de respiración, pero la fundamental en las
lagunas aerobias es la respiración aeróbica, común a bacterias, protozoos y otros
micro - macroorganismos. Se pueden expresar por la siguiente ecuación:
C6H12O6 + 6 O2
enzimas
6 CO2 + 6 H2 O + células nuevas
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En la respiración aeróbica los donadores de electrones son compuestos orgánicos
o compuestos inorgánicos reducidos y el aceptor final es el oxígeno, que es
reducido a agua.
Las bacterias envueltas en este tipo de respiración son las principales
responsables de la degradación de la materia orgánica, aunque los otros
organismos también intervienen de alguna manera.
Otro tipo de respiración es la endógena. Cuando la materia orgánica escasea en el
medio, los organismos oxidan su propio protoplasma celular y los materiales de
reserva que han acumulado, para obtener así la energía necesaria para vivir. En
estudios de laboratorio, se observó que muchas bacterias “eliminan “ la materia
orgánica soluble, acumulándola en forma de glucógeno, almidón y lípidos en
orgánulos internos.
En la última fase del proceso, cuando la DBO ha disminuido bastante, un 50% de
estas bacterias han desaparecido debido a la respiración endógena.
La fotosíntesis es la otra reacción fundamental que tiene lugar en este medio. La
principal consecuencia biosintética es la conversión – mediada por la luz- del CO2
en material celular:
nuevas células
CO2 + H2O
luz
(CH2O)
+
O2
En primer lugar, el sistema fotosintético de pigmentos de los organismos
responsables de la fotosíntesis absorbe luz. Luego, parte de la energía lumínica
absorbida se transforma en energía química (ATP) directamente utilizable para la
biosíntesis, y el CO2 es convertido en material celular. Por otro lado, hay una
oxidación del agua cuyo producto final es el oxígeno:
H2O
luz
½ O2 + 2 H + + 2 e -
El oxígeno así liberado permite que las bacterias aerobias puedan llevar a cabo la
degradación de la materia orgánica.
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Aunque la fotosíntesis se asocia generalmente a las plantas verdes, también la
realizan las algas y algunas bacterias. Los principales organismos fotosintéticos
presentes en las lagunas son las algas.
En presencia de la luz, la respiración y la fotosíntesis ocurren simultáneamente en
las algas, pero la tasa de respiración es baja en comparación con la de las
fotosíntesis. El resultado neto es la producción de O2 y el consumo del CO2.
En ausencia de luz, la respiración de las algas continúa, mientras que la
fotosíntesis se detiene, por lo que hay un consumo de O2. Esto explica las
variaciones de oxígeno disuelto en el agua a lo largo del día.
Dentro del proceso de estabilización que ocurre en una laguna y en relación con el
tiempo de retención, se pueden distinguir dos fases. La fase I es
fundamentalmente bacteriana, en ella tiene lugar la mayor proporción de la
degradación de la materia orgánica. Esta fase tiene lugar durante las primeras
semanas del tratamiento y la oxigenación es atmosférica.
En la fase II predominan las algas, y la oxigenación es fotosintética. Esta fase se
extiende a lo largo del a tiempo restante. En realidad, no existe una clara
separación entre ambas fases, sino que se solapan, existiendo una relación
simbiótica entre algas y bacterias que coexisten en el mismo medio.
Cuando una laguna aerobia se pone en funcionamiento por primera vez, el llenado
suele realizarse en dos fases. En primer lugar, se llena la laguna lo más
rápidamente posible hasta alcanzar una profundidad de 0,9 metros
aproximadamente. Después se deja reposar durante un período de tiempo de 1020 días, en el transcurso del cual se desarrollan las algas y bacterias (fase I y II)
que intervendrán en el proceso. A continuación se abre la toma de aguas
residuales y la salida del efluente y se controlan las lagunas por medio del caudal
y el tiempo de retención.
5.1.2 – Transformaciones del nitrógeno
El nitrógeno se encuentra en las aguas residuales formando parte de compuestos
orgánicos (ácidos nucleicos, aminoácidos, proteínas…) o bien en forma
inorgánica, principalmente como ion amonio, aunque también pueden aparecer en
forma de nitratos.
Las principales transformaciones que sufre el nitrógeno bajo condiciones aerobias
vienen representadas en la figura siguiente y puede resumirse de la manera
siguiente:
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Transformación del nitrógeno en una laguna bajo condiciones aerobias.
En primer lugar, el N-orgánico es transformado a ión amonio por la acción de
determinados grupos de bacterias. Así, la degradación de las proteínas para
formar aminoácidos es producida por microorganismos proteolíticos, mientras que
la degradación de los aminoácidos para formar amonio la realizan
microorganismos amonificantes.
El ión amonio liberado es utilizado en parte por las algas para la síntesis de
material celular, o bien, continúa transformándose a través de un proceso de
nitrificación que producirá finalmente nitratos. Esta reacción de oxigenación tiene
dos fases.
En la primera de ellas se produce nitrito, que se transformará en nitrato en la
segunda fase. Ambas transformaciones son realizadas por microorganismos
quimioautótrofos. El nitrato producido es asimilado pro las algas y transformado, al
igual que el amonio, en N-orgánico.
NH4+
nitrosomonas
NO2-
nitrobacter
NO311
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El ion amonio también puede desplazarse hacia la forma amoniacal libre
(gaseoso), que escapa a la atmósfera. Esto sólo ocurre bajo determinadas
condiciones. Es necesario un ambiente muy oxidado y elevado pH; ambas cosas
son posibles en las lagunas aerobias gracias a la acción fotosintética, la
temperatura del agua y el tiempo de retención son los principales factores que
controlan dicho escape
Porcentaje de escape de amoníaco a la atmósfera en función de la temperatura
del agua y del tiempo de retención
Temperatura
del agua
25º-30ºC
10º-20ºC
Tiempo de retención
7 días
14 días
70%
55-60 %
95%
70-75%
Por último, en las lagunas existen algas capaces de fijar el N2 atmosférico, que es
transformado a nitrógeno orgánico. Así se compensan las pérdidas del
ecosistema.
5.1.3 – Transformaciones del fósforo
El fósforo es a menudo uno de los nutrientes limitantes en el crecimiento en los
sistemas acuáticos, aquí es normalmente deficitario. Esto se debe, en primer
lugar, a que los compuestos del fósforo son muy insolubles. Además, no existe
fuente atmosférica que pueda suplir las deficiencias.
Pese a las restricciones en la utilización de compuestos fosforados en los
detergentes, las aguas residuales urbanas tienen un gran contenido en fósforo,
con lo que se superan las necesidades de los distintos organismos.
En el medio acuático el fósforo puede aparecer de las siguientes formas:
a) Como fósforo orgánico soluble.
b) Como fósforo inorgánico soluble.
c) En forma de partículas (fósforo orgánico e inorgánico).
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El fósforo orgánico pasa a fósforo inorgánico soluble (ortofosfatos) por un proceso
de mineralización, y es utilizado por los organismos acuáticos. Muchos de ellos
almacenan en su interior el fósforo en exceso en forma de polifosfatos, a modo de
reserva. Al mismo tiempo, parte de los fosfatos se precipitan y quedan en los
sedimentos en forma de fósforo inorgánico insoluble.
Ciclo del fósforo
El ambiente de las lagunas aerobias favorece la sedimentación de los fosfatos, ya
que a pH alcalino, precipitan. Además, si en el medio existen iones ferrosos, éstos
se oxidan a férricos formándose fosfatos férricos.
También precipitan en presencia de Ca 2+ y Mg 2+. Puede ocurrir que durante el
día se dé una precipitación de los fosfatos mientras que por la noche, debido a la
reducción del pH, se produzca una redisolución de parte de los mismos.
El fósforo en forma particular también sedimenta, esta vez por procesos de
adsorción y coagulación.
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5.1.4 – Transformaciones del azufre
Las transformaciones que sufre el azufre en las lagunas aerobias no son de gran
importancia en relación con el proceso general.
El azufre es asequible para los seres vivos en forma de sulfatos (SO4=) soluble,
que es utilizado por las plantas y microorganismos presentes en el agua.
Pasa a formar parte de los compuestos orgánicos en forma reducida (grupo –SH)
y sólo se asimila la cantidad suficiente para el crecimiento de los microorganismos,
sin que se elimine al medio ningún producto reducido.
Los compuestos orgánicos del azufre se mineralizan por la acción de diversos
microorganismos, liberándose SH2 , que es oxidado rápidamente a sulfato.
Únicamente una pequeña parte queda inmovilizada en forma de sulfuros
insolubles o de azufre. La oxidación biológica del SH2 a sulfato es llevada a cabo
por bacterias quimioautótrofas (bacterias incoloras del azufre).
En la figura siguiente se muestra un esquema del ciclo del azufre.
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5.1.5 – pH y alcalinidad
En las lagunas aerobias, el pH se mantiene alcalino durante todo el proceso, como
consecuencia de la fotosíntesis.
La consecuencia de los iones H+ está controlada por el siguiente sistema:
CO2 + H2 O
HCO3- + H +
H2CO3
(1)
Durante la fotosíntesis, el CO2 es utilizado por las algas, por lo que el equilibrio se
desplaza hacia la izquierda, y como consecuencia tiende a haber una disminución
de la concentración de los iones H+ y de los HCO3-. En consecuencia, la
alcalinidad debida al bicarbonato disminuye.
Por otro lado, la disminución de la concentración del ion bicarbonato (HCO3-), hace
que las ecuaciones (2) y (3) se desplacen hacia la izquierda y derecha
respectivamente, con lo que se produce un descenso de la alcalinidad total.
HCO3CO3=
+
H2O
CO3=
+
HCO3-
H+
H+
(2)
(3)
Simultáneamente a este descenso de la alcalinidad, se puede producir también
una reducción de la dureza debida al carbono. El CO3= puede reaccionar con el
Ca2+ o el Mg2 presente en el agua y precipitar.
De todo lo anterior, se deduce que existe una estrecha relación entre pH y
alcalinidad. Por otro lado, hay una relación pH / actividad fotosintética responsable
de las fluctuaciones cíclicas del pH.
5.1.6 – Oxígeno disuelto
La principal fuente de oxígeno de las lagunas aerobias es la fotosíntesis, se ha
comprobado que existe una relación directa entre el oxígeno disuelto en el agua y
la actividad fotosintética, siendo el contenido de éste menor durante las horas de
poca luz, a lo largo del día se produce una fluctuación.
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Por otro lado, hay un gradiente vertical en la concentración del oxígeno disuelto.
Según aumenta la profundidad, los efectos de la reaireación superficial y de la
oxigenación fotosintética disminuye.
Durante los primeros momentos del funcionamiento una laguna (fase I), el O2
necesario para el metabolismo procede de la atmósfera, ya que las primeras algas
tardan unos días en aparecer. Puede haber incluso un déficit de oxígeno y una
disminución del número de colonias. Durante la fase II, la producción es mucho
mayor debido a la fotosíntesis. Existe el O2 suficiente como para continuar con el
proceso metabólico.
A lo largo del proceso hay una demanda de oxígeno que corresponde a las
reacciones de oxidación, tanto de la materia como de los compuestos inorgánicos
reducidos.
Se dice que hay déficit de oxígeno cuando el oxígeno producido es menor que su
demanda. La laguna puede transformarse en anaerobia cuando este déficit es
muy elevado.
5.2 – Lagunas anaerobias.
En ellas, la ausencia de oxígeno disuelto es total, por lo que el proceso de
degradación de la materia será anaerobio.
Esta degradación tiene lugar en la fase acuosa como en los lodos que e forman en
el fondo de la laguna. Parte de los sólidos presentes en las aguas residuales, más
las células muertas, sedimentan y forman una capa biológicamente activa,
susceptible de ser degradada por los microorganismos que allí se desarrollan.
El proceso de degradación consta de dos fases: una deformación de ácidos a
partir de la materia orgánica y otra de formación de metano a expensas de los
productos obtenidos en la primera fase.
Además de estas reacciones, algunos elementos como el nitrógeno o el azufre se
transformarán en el interior de la laguna. Como consecuencia de todo el proceso
se forma una serie de compuestos que no están oxidados completamente y que
son el origen de los malos olores a este tipo de lagunas.
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Los microorganismos que se desarrollan en este ambiente son anaerobios
estrictos (para los cuales el O2 es tóxico) y anaerobios facultativos (que pueden
vivir tanto en presencia, como en ausencia del O2 ).
5.2.1 – Respiración y fotosíntesis.
En condiciones anaerobias, hay microorganismos capaces de utilizar la
respiración como fuente de energía. Este tipo de respiración es anaeróbica,
utilizándose compuestos distintos del oxígeno molecular (tales como sulfatos,
nitratos o carbonatos) como aceptores finales de electrones.
Los microorganismos anaerobios estrictos respiran anaeróbicamente, utilizando
como aceptor el SO4= o el CO3= .También pueden obtener la energía por medio de
la fermentación.
Los anaerobios facultativos respiran, en condiciones anaerobias, utilizando el NO3como aceptor. También pueden realizar un metabolismo fermentativo e incluso
fotosintético. En condiciones aerobias el proceso es de respiración aeróbica.
La fotosíntesis también puede darse en condiciones estrictamente anaerobias, ya
que el oxígeno no desempeña ningún papel durante el proceso (es un producto de
la fotosíntesis). En este caso no tiene lugar la oxidación del agua, y sí la de un
compuesto reducido, como puede ser el SH4 , de acuerdo con la reacción
siguiente:
CO2 + 2 SH2
luz
3 CO2 + 2 S + 5 H2O
2 S + H2O + (CH20)
l uz
3 (CH20) + 4 H+ + 2 SO4=
La mayoría de los microorganismos que la realizan son anaerobios estrictos (por
ejemplo bacterias fotosintéticas). En los anaerobios facultativos, el metabolismo
fotosintético se interrumpe en presencia de O2, utilizándose en este caso la
respiración como fuente de energía.
El oxígeno aquí generado sirve para oxidar los gases producidos durante la
fermentación, con lo que se evita parte de los malos olores. Los organismos
facultativos se encargan de consumir este oxígeno durante su metabolismo y
mantener así una zona anaerobia más profunda, donde tiene lugar la
metanogénesis.
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RECONVERSIÓN DE LAGUNAS Y SU ADECUACIÓN
Tratamiento y uso de aguas residuales:
Una estrategia para el futuro del saneamiento
5.2.2 – Fermentación ácida.
Es la primera etapa de la degradación de la materia orgánica. En ella, y debido a
la acción de microorganismos anaerobios facultativos (bacterias formadoras de
ácidos), se produce la hidrólisis de los diferentes compuestos orgánicos presentes
en el agua, de la cual se obtienen principalmente pequeñas cadenas de ácidos
orgánicos volátiles.
Estos organismos facultativos son activos en un rango de pH bastante amplio que
va desde 5,5 a 8,4. De igual forma, toleran un amplio rango de temperaturas (5º60º C)
Durante la fermentación ácida, no se produce una reducción neta de la DBO. Los
hidratos de carbono, como la celulosa o el almidón, son convertidos en azúcares
que serán transformados posteriormente en ácidos orgánicos, aldehídos y
alcoholes.
Los lípidos, grasas y aceites, son convertidas en glicerol y ácidos grasos que
serán transformados igualmente en ácidos orgánicos, aldehídos y alcoholes.
Las proteínas son degradadas a aminoácidos, que a su vez son convertidos en
ácidos orgánicos, mercaptanos y aminas. Durante esta conversión pueden
liberarse al medio peque ñas cantidades de CO2, N H3 y SH2 .
Como puede observarse, los principales productos liberados al medio son los
ácidos volátiles tales como el acético, propiónico y butírico, aunque también es
frecuente que aparezcan pequeñas cantidades de fórmico, valérico, isovalérico y
caproico.
5.2.3. – Fermentación metánica.
Los ácidos volátiles producidos en la etapa anterior son convertidos por las
bacterias metanogénicas (formadoras de metano) en CH4 y CO2 . De estas
últimas se han aislado numerosas especies (Metanococcus, Metanosarcina,
Metanobacterium), observándose, además, que cada especie puede fermentar
únicamente un determinado grupo de ácidos.
Estos organismos son estrictamente anaerobios, y muy sensibles a los cambios de
pH y temperatura.
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Tratamiento y uso de aguas residuales:
Una estrategia para el futuro del saneamiento
Para que la fermentación metánica se produzca, es necesario que el medio sea
alcalino y tenga un pH comprendido entre 6,8 y 7,2. Si en el medio existe una
concentración elevada de sulfatos, es necesario que primero éstos sean reducidos
a SH2, ya que el proceso de reducción impide la metanogénesis.
La temperatura es un factor importante, ya que afecta al tiempo de generación de
las bacterias. En condiciones óptimas, las bacterias metanogénicas tienen un
tiempo de generación relativamente alto (2 –20 días) que aumenta al disminuir la
temperatura. En este sentido, la profundidad de las lagunas es importante. Es
necesario que sean profundas para garantizar la anaerobiosis de la zona, pero no
demasiado, pues si la temperatura del fondo es inferior al 15ºC, se afecta la
producción de gas.
Igualmente, las lagunas tienen que diseñarse de forma que el tiempo de retención
sea el suficiente para permitir el desarrollo de estas bacterias.
A continuación se expone una tabla con las condiciones ambientales necesarias
para la fermentación en relación con la tolerancia de las bacterias.
Condiciones ambientales para la fermentación metánica
__________________________________________________________________
__
Variable
Valor óptimo
Valores extremos
__________________________________________________________________
__
Temperatura
30 - 35
15 - 40
PH
6,8 - 7,4
6,2 - 7,8
Potencial Redox (mV)
-520 / -530
-490 / -550
Ácidos volátiles
(mg/l ác. acético)
50 - 500
2000
Alcalinidad
(mg/l CO3Ca)
2000 - 3000
1000 - 5000
__________________________________________________________________
__
19
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Se ha observado que la presencia de lodos en el fondo de las lagunas influye en la
actividad biológica de los microorganismos. Estos son más activos y se multiplican
con más velocidad cuando están asociados a superficies sólidas.
Se ha comprobado además que, en dos lagunas idénticas trabajando en igualdad
de condiciones, la adición de lodos al fondo de una de ellas producía una mayor
reducción de la DBO, el grado de purificación obtenido era igual al de una laguna
similar con únicamente el 20% de la profundidad total ocupada por lodos.
El diseño de estas lagunas tiene que prever una profundidad suficiente para el
almacenamiento de los lodos. Este es mayor durante el invierno, debido a la poca
actividad de los microorganismos. Una profundidad de 2,7 a 3,6 metros es
suficiente para el buen funcionamiento de éstas.
La consecuencia principal de la fermentación metánica es una gran reducción de
la DBO, DQO. La cantidad de materia orgánica estabilizada es directamente
proporcional a la cantidad de metano producida la reducción de la DBO en las
lagunas anaerobias puede llegar a ser del orden del 70 %.
Degradación anaerobia de la materia orgánica
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Inicialmente, se observa un descenso del pH que coincide con la producción de
ácidos volátiles, sin cambio aparente en la DQO. A continuación, siempre que
haya habido tiempo suficiente para la generación de bacterias metanogénicas,
disminuyen rápidamente la concentración de ácidos volátiles y la DQO, mientras
aumenta la producción de metano (CH4)
El efluente de estas lagunas tiene que sufrir normalmente un tratamiento adicional
en lagunas aerobias o facultativas.
5.2.4. – Transformación del azufre.
Son importantes, ya que algunas de ellas originan SH2, tóxico para las bacterias a
concentraciones elevadas (? 200 mg/l), y responsable, en gran parte del mal olor
de las lagunas.
Existen dos fuentes de aporte de SH2 :
a) la degradación de la materia orgánica y
b) la reducción de los sulfatos.
En la primera, los organismos proteolíticos descomponen las proteínas y
aminoácidos en amoníaco, liberándose el azufre orgánico en forma de SH2 .
La segunda fuente se debe a la actividad de las bacterias reductoras del sulfato
(Desulfovibrio desulfuricans). Estos organismos reducen el sulfato utilizando los
ácidos orgánicos del medio (acético, láctico, butírico), como aceptores de
hidrógeno.
Para que se produzca la reducción del sulfato es necesario que la concentración
de oxígeno disuelto en el agua sea inferior a 0,16 mg/l, la temperatura mayor e
15ºC y el potencial Redox comprendido entre –100 y –300 mv a pH 7. La
producción de SH2 viene limitada por el contenido de sulfatos del medio.
El SH2 así liberado se difunde a las capas superiores, creando problemas de olor
al entrar en contacto con la atmósfera. si existe algo de oxígeno en la zona
superficial, puede oxidarse espontáneamente.
Si en el medio abunda el SH2 , se desarrollan poblaciones masivas (“blooms”) de
bacterias fotosintéticas (bacterias purpúreas de azufre), capaces de oxidar este
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compuesto a sulfatos con formaciones intermedias de azufre elemental que puede
ser almacenado en el interior de la célula
Por otro lado, la presencia de SH2 en el medio favorece la precipitación de los
metales pesados.
5.2.5. – Transformación del nitrógeno.
El nitrógeno es transformado por los organismos proteolíticos hasta formar
amoníaco (NH3).
El amoníaco interviene en los procesos de alcalinización del medio, o es utilizado
como substrato por los organismos.
Al analizar la composición del gas de las lagunas anaerobias se comprobó la
presencia de nitrógeno libre, que sólo se podía explicar por un proceso de
desnitrificación de los nitratos existentes en el medio.
A menos que los nitratos formen parte de la composición de las aguas residuales,
es difícil explicar su formación en condiciones anaerobias. Es posible que una
pequeña proporción del amoníaco producido pueda ser oxidado por las bacterias
facultativas en presencia de oxígeno. En ese caso, el nitrato se reduciría
inmediatamente a N2 que pasaría a la atmósfera.
Composición del gas de una laguna anaerobia
Metano
75-85%
Dióxido de carbono
15-20%
Hidrógeno
2-5 %
Nitrógeno
5-10%
__________________________________________________________
5.2.6. – pH y alcalinidad.
La metanogénesis requiere un pH básico. Durante la fermentación ácida, y debido
a los ácidos generados, el pH disminuye, pudiendo afectar al desarrollo de las
bacterias metánicas.
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Es necesario compensar de alguna manera este camino. En las lagunas
anaerobias se consigue gracias a la alcalinidad del medio, con lo que se logra un
pH óptimo para el desarrollo del proceso.
La alcalinidad del medio se debe fundamentalmente a la presencia de
bicarbonatos derivados de la degradación de compuestos orgánicos.
CO2 + H2 O
CO3 H2
H- + HCO3-
El amoníaco también tiene relación con la alcalinidad. Cuando éste reacciona con
el CO2 y el H2 O, se forma carbonato amónico, capaz de reaccionar con los
ácidos volátiles dando sales, según las reacciones siguientes:
NH3
+ CO2 + H2 O
NH4 HCO3 + RCOOH
NH4 HCO3
RCOONH4 + H + + HCO3-
Una porción e la alcalinidad total aparece como “alcalinidad de las sales de ácidos
volátiles”. Cuando la producción de ácidos es pequeña, la alcalinidad
bicarbonácea representa aproximadamente la alcalinidad total, mientras que
cuando los ácidos aumentan, la alcalinidad bicarbonácea es menor que la total.
Como puede observarse en la tabla anterior de las condiciones ambientales para
la fermentación metánica, una alcalinidad del orden de 3.000 mg/l es bastante
adecuada para que se produzca la fermentación.
5.3. – Lagunas facultativas.
El proceso que en ellas tiene lugar es una mezcla de los apartados anteriores.
Básicamente, en una laguna de este tipo se pueden distinguir dos zonas:
?
?
Una superior aerobia, en la que la degradación es producida por
bacterias aerobias, y el suministro básico de oxígeno es la fotosíntesis y
la reaireación superficial.
La otra zona, más profunda y anaerobia, funciona igual que una laguna
anaerobia. Aquí tiene lugar una hidrólisis y fermentación de la materia
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orgánica, con productos de gases que se difunden y son oxidados en la
zona aerobia.
Entre ambas zonas existe una fase intermedia ocupada por bacterias anaerobias
facultativas cuyo metabolismo puede ser tanto aerobio como anaerobio, y que
contribuye a la degradar la materia. La profundidad de estas lagunas es intermedia
entre las aerobias y las anaerobias. Por sobrecarga se transforman en lagunas
anaerobias.
Para describir la respuesta dinámica del carbono, nitrógeno y fósforo en lagunas
facultativas, se han desarrollado modelos biogeoquímicos que sirven para
predecir las demandas de oxígeno y las reacciones bioquímicas de bacterias y
algas.
Fundamento de una laguna facultativa
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Una estrategia para el futuro del saneamiento
6.- FACTORES QUE INFLUYEN EN EL PROCESO
BIOLÓGICO DE LOS SISTEMAS DE LAGUNAJE.
Por ser los lagunajes sistemas de tratamiento biológico, los factores más
influyentes en el proceso son los que afectan directamente al desarrollo de los
microorganismos, aunque hay otros factores que no inciden tan directamente en
los organismos pero que también afectan al proceso biológico.
6.1.- Luz.
Es indispensable para el funcionamiento correcto de las lagunas, sobre todo las
que no son aireadas.
La actividad fotosintética aumenta proporcionalmente a la intensidad de la luz y
por tanto la producción de oxigeno, hasta que el sistema fotosintético se satura.
Estos niveles de saturación dependen de cada tipo de organismo, puesto que la
intensidad de la luz varia a lo largo del día, se presentan los mínimos al final de la
noche, aumentando los valores hasta alcanzar el máximo a media tarde.
La actividad fotosintética depende también del espectro de luz disponible, la
longitud de onda que un microorganismo es capaz de absorber depende de los
pigmentos que tiene, de modo que diferentes microorganismos absorben distintas
longitudes de onda del espectro, por lo tanto la intensidad de la luz es variable con
la profundidad, lo cual trae como consecuencia una distribución vertical de los
microorganismos, esta profundidad de penetración de la luz determina el volumen
de la laguna que participa en la producción del oxigeno.
Los propios organismos y las partículas en suspensión limitan el paso de la luz,
existiendo una parte importante de las perdidas por el llamado fenómeno de
reflexión que llegan hasta un 30%.
El porcentaje anual de radiación solar disponible es un factor básico a la hora del
diseño de una laguna, ese factor es función de la latitud geográfica, de la altitud
sobre el nivel del mar, cobertura de las nubes, etc.
En el caso de los lagunajes aireados este fenómeno no existe puesto que el
soporte del oxigeno necesario para la actividad bacteriana depende
exclusivamente de elementos mecánicos externos y no de la acción de las
microalgas existentes en el agua y por tanto es indiferente de los periodos de
insolación existentes.
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Tratamiento y uso de aguas residuales:
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6.2.- Temperatura.
Este fenómeno influye directamente en la actividad biológica ya que aumenta o
disminuye la velocidad de las reacciones de metabolismo. Cuando aumenta la
temperatura también lo hacen las velocidades de reacción hasta un punto en que
desciende bruscamente, este punto fatídico indica la muerte de los
microorganismos por desnaturalización de las proteínas del protoplasma celular, lo
reflejamos en la tabla siguiente.
Por lo que respecta a las algas, se han detectado retardaciones en la actividad
fotosintética a temperaturas elevadas (superiores a 28 – 30º C) relacionadas con
la estimulación del crecimiento de las algas.
Según Eckenfelder, la ecuación que relaciona la temperatura con la velocidad de
reacción metabólica es del tipo:
KT = K 20 . ?
(T - 20)
Donde:
KT = Velocidad de reacción a Tº C
K 20 = Velocidad de reacción a 20º C
? = Coeficiente de actividad, función de la T
T = Temperatura
La temperatura también influye en la solubilidad del oxigeno disuelto, aumentando
esta cuando disminuye la temperatura.
La temperatura es un factor que determina la sucesión de especies dominantes de
bacterias, de algas y de otros organismos acuáticos, el rango optimo de
temperatura varia de unos organismos a otros, por ejemplo y según la EPA
Algas en general
Algas clorofíceas
Algas cianofíceas
Bacterias aerobias
Bacterias anaerobias
5
30
35
10
15
-
40º C
35º C
40º C
40º C
60º C
Dado que en las lagunas la principal fuente de calor es el sol, existe un gradiente
térmico en relación con la profundidad que estratifica el agua en determinadas
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Tratamiento y uso de aguas residuales:
Una estrategia para el futuro del saneamiento
épocas del año, este fenómeno se agrava en lagunas profundas ya que en las de
poca profundidad la temperatura se equilibra por la acción del viento.
En el caso de los lagunajes de tipo aireado, este fenómeno no es tan
trascendental como en el caso de los lagunajes naturales, ya que por el propio
sistema de aireación se homogeneizan las temperaturas de todo el sistema y no
se producen estratificaciones debido a las diferentes temperaturas, el fenómeno
de solubilidad del oxigeno en el agua en este tipo de lagunas también es menos
importante ya que la aportación del oxigeno al ser mecánica se puede forzar de
modo que se alcancen los puntos de oxigeno disuelto necesarios para la actividad
micro bacteriana.
6.3.- pH.
Este factor también influye de forma directa en la velocidad de las reacciones de
oxidación y en la supervivencia de los propios microorganismos. La mayoría de
ellos se desarrolla bien entre valores de pH de 6,5 a 8,5. a valores de pH
superiores a 9,5 – 10 o inferiores a 4 las bacterias no pueden vivir.
Tanto los sistemas aerobios o anaerobios necesitan condiciones alcalinas para
operar correctamente, esas condiciones se mantienen gracias a la actividad
fotosintética que ayuda a mantener ele vado el valor de pH de la laguna.
Las variaciones de pH también determinan los tipos de especies dominantes,
debido a la relación entre pH y fotosíntesis, existe también un gradiente vertical de
pH (disminuye con la profundidad), esto trae consigo una distribución vertical de
los organismos.
6.4.- Oxigeno disuelto.
El oxigeno es un gas parcialmente soluble en el agua y cuya solubilidad en
proporción directa a la presión atmosférica e inversamente a la temperatura, eso
tiene vital importancia en los dimensionamientos ya que en zonas costeras la
solubilidad del oxigeno es mayor que en lo alto de un monte y del mismo modo en
una zona fría es mejor que en zonas cálidas.
En el caso de los lagunajes naturales el intercambio del oxigeno con la atmósfera
se realiza por diferencia de presiones parciales entre ambas fases, en un laguna
sobresaturada el exceso de oxigeno disuelto pasa a la atmósfera.
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Tratamiento y uso de aguas residuales:
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En condiciones ambientales normales, la concentración del oxigeno disuelto en el
agua es de unos 8 mg/l, considerándose ese valor como el máximo disponible
(EPA)
Su presencia es necesaria para la vida de los organismos y para la oxidación de la
materia orgánica y de aquellos compuestos inorgánicos presentes en el agua y
que sean susceptibles de ser oxidados.
El contenido de oxigeno disuelto en una laguna natural esta relacionado
directamente con la actividad fotosintética, siendo mayor en la zona superficial y
disminuyendo según aumente la profundidad. Este hecho también determina una
distribución vertical de los organismos según el contenido de O2 disuelto.
En el caso de los lagunajes aireados este fenómeno no reviste importancia ya que
la cantidad de oxigeno disuelto es proporcional a la cantidad de aire introducido
para ello y una vez dentro del agua en forma de burbujas, estas ascienden a la
superficie y por tanto agitan el agua de la laguna evitando las zonas sin oxigeno,
por lo tanto permite que los microorganismos se distribuyan de forma homogénea
en el volumen de la laguna, con lo que se consigue unos microorganismos mucho
más activos que en el caso de las lagunas naturales, en que la actividad de los
mismos puede verse influida en momentos diferentes del día.
6.5.- Nutrientes.
Son necesarios para la síntesis celular y para la obtención de energía. Tanto el
desarrollo como la actividad de los microorganismos esta controlado
principalmente por la disponibilidad de los nutrientes.
Las necesidades de nutrientes son diferentes para los distintos tipos de
microorganismos. Básicamente estos necesitan carbono, oxigeno, hidrógeno,
fósforo y azufre que son los principales constituyentes del protoplasma celular.
Además de estos elementos necesitan pequeñas cantidades de K, Mg, Ca, Fe, Ni,
Cu, Zn, Na, etc.
Composición típica de las aguas residuales sin tratar
Concentración en mg/l
Compuesto
Fuerte
Media
Débil
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Sólidos Totales
Disueltos Totales
1200
850
525
700
500
300
350
250
145
325
200
105
350
200
100
75
50
30
275
150
70
20
300
300
10
200
200
5
100
100
1.000
85
35
50
0
0
20
5
15
100
200
150
500
40
15
25
0
0
10
3
7
50
100
100
250
20
8
12
0
0
6
2
4
30
50
50
Fijos
Volátiles
Suspendidos
Totales
Fijos
Volátiles
Sólidos sedimentables
DBO 5 a 20 º C
Carbono Orgánico Total
(TOC)
DQO
Nitrógeno Total (N)
Orgánico
Amoniaco Libre
Nitritos
Nitratos
Fósforo Total (P)
Orgánico
Inorgánico
Cloruros (*)
Alcalinidad (como Ca CO3)
Grasas
(*) Los valores de los cloruros se deben aumentar con la cantidad presente en el
agua de suministro.
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Una estrategia para el futuro del saneamiento
Por lo general las lagunas de aguas residuales contienen todos estos elementos
en forma de materia orgánica o inorgánica, disuelta o en suspensión.
La materia orgánica se encuentra generalmente en forma de proteínas (40 – 60%),
carbohidratos (25 - 50%) y grasas y aceites un 10 %. Aparte de estas sustancias
orgánicas aparecen otros compuestos como la urea (procedente de la orina) y
fenoles, tensoactivos, etc. No todos estos compuestos son igualmente
biodegradables y algunos no pueden descomponerse o lo hacen con extrema
lentitud, por lo que la biodegradabilidad de los compuestos orgánicos es
fundamental a la hora de establecer rendimientos de los procesos biológicos, a
continuación se refleja en forma de tabla la composición típica de las aguas
residuales domésticas sin tratar.
Este punto es indiferente si se trata de un sistema de lagunaje natural o de un
sistema aireado, con la diferencia de que como las bacterias de un lagunaje
aireado son mucho más enérgicas y voraces que las del lagunaje natural, su
actividad es mas frenética y por tanto si es muy importante disponer de un
correcto balance de nutrientes en el medio.
6.6.- Tóxicos
Existen ciertas sustancias orgánicas e inorgánicas que a determinadas
concentraciones resultan tóxicas para los microorganismos, inhibiendo con ello su
actividad y llegando incluso a ser letales, la presencia de estos elementos en el
agua puede afectar por tanto a los tratamientos de tipo biológico.
Entre los elementos tóxicos que con más frecuencia aparecen en las aguas
residuales cabe destacar los metales pesados, aunque son necesarios para la
vida de los microorganismos, únicamente son tolerados en concentraciones muy
bajas (mg/l). A concentraciones mayores actúan sobre las enzimas catalizadoras
de los procesos de síntesis inhibiendo su actividad.
Como consecuencia de lo anterior se ha fijado unos valores límites de
permisibilidad de las sustancias tóxicas en las aguas residuales susceptibles de
ser tratadas en procesos biológicos, estos valores se reflejan en la tabla siguiente.
Valores permisibles de sustancias tóxicas en aguas residuales, a tratar en
procesos biológicos.
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Tratamiento y uso de aguas residuales:
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Valor límite
Sustancia
Cromo Trivalente (Cr 3+)
Cromo hexavalente (Cr 6+)
Hierro (Fe)
Plomo (Pb)
Cobre (Cu)
Zinc (Zn)
Mercurio (Hg)
Níquel (Ni)
Cianuros (CN-)
Fenoles
Hidrocarburos
2,0
0,5
20,0
1
1
1
0,01
2,0
0,5
5,0
20,0
Otro problema de los metales pesados es que se concentran en los tejidos de los
animales y de las plantas (bioacumulación), llegando a producir la muerte de los
mismos cuando se alcanzan concentraciones elevadas, además no solo se
acumulan sino que se ha demostrado que pasan de un elemento al siguiente
dentro de la cadena trófica, es por tanto fundamental eliminar esos elementos
durante el proceso de tratamiento de las aguas residuales.
6.7.- Salinidad
Este factor afecta al proceso biológico de forma directa ya que conviene recordar
que el metabolismo celular esta basado en el principio del intercambio osmótico
entre las paredes de la célula y la concentración de iones hace variar ese valor,
hasta tal punto que muchos microorganismos no son capaces de resistir.
La actividad celular de los microorganismos no se ven prácticamente afectadas
por exceso de salinidad en las aguas residuales urbanas, aunque si juega un
papel importante en los tratamientos de las aguas residuales industriales, en cuya
primera fase puede emplearse un tratamiento físico químico y por la adicción de
reactivos aumente la salinidad del agua, o por vertidos a la línea de tratamiento de
aguas de los concentrados de la regeneración de intercambiadores iónicos para
las calderas.
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Tratamiento y uso de aguas residuales:
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6.8.- Otros factores
Aunque de menor importancia existen una serie de factores que también influyen
en el desarrollo del proceso biológico, tales como el viento, que favorece el
proceso en los sistemas de lagunaje natural, en los lagunajes aireados no afecta
este proceso.
Otro factor es el de las lluvias que hacen que el volumen que reciben las lagunas
aumente y por tanto pueda provocar la dilución de las aguas residuales y por tanto
afecta en el cambio de la temperatura del medio y en el tiempo de retención de las
lagunas.
7.- VENTAJAS E INCONVENIENTES ASOCIADOS A LOS
SISTEMAS DE LAGUNAJE NATURAL.
La utilización de los sistemas de tratamiento denominados de “bajo coste” ha
estado muy extendida en el mundo, en especial en las zonas de clima cálido y
soleado, en donde se han dado históricamente las condiciones óptimas de
funcionamiento.
Podemos enumerar una serie de ventajas asociadas a esta tipología de
tratamiento, las principales aplicaciones han sido siempre para pequeños núcleos
de poblaciones o núcleos rurales. Las ventajas más significativas se pueden
sintetizar en:
?
?
?
?
?
?
?
Bajo coste de construcción (sino se tiene en cuenta el coste del terreno
empleado)
Labores de mantenimiento periódico sencillas
Poca mano de obra y no excesivamente especializada
Funcionamiento sencillo en la práctica
Escaso o nulo consumo de energía eléctrica
Capacidad de acomodación a los cambios de caudal gracias a los
elevados tiempos de retención del sistema.
Buenos valores de eliminación de patógenos debido a los largos tiempos
de retención
32
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?
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Una estrategia para el futuro del saneamiento
Posibilidad de reutilización de las aguas tratadas en riego (si el sistema
funciona correctamente)
Por otro lado y sin embargo, presentan como contrapartida una serie de
inconvenientes ya en la teoría, entre los que se pueden destacar:
?
?
?
?
?
?
Se requieren grandes superficies de terreno (>1 Ha cada 1.000
habitantes), como consecuencia de los elevados tiempos de retención y
volúmenes de agua que se manejan.
Son sistemas bastante rígidos en los que es imposible intervenir para
manejar los procesos biológicos
Presencia masiva de plantas acuáticas en la superficie de las lagunas,
que condiciona la calidad del agua tratada.
Presencia masiva de algas y fitoplancton en el agua tratada, que le da el
color característico verde y aporta contaminación al agua tratada.
Producción de malos olores y plagas de insectos
Es un proceso muy sensible a los cambios climáticos
Una vez analizada la teoría, en la práctica a estos sistemas de lagunajes naturales
hay que añadirle una serie de desventajas extras, atendiendo a la experiencia
desarrollada en multitud de instalaciones a lo largo de diversos países del mundo.
?
?
?
?
?
?
?
?
?
El campo de aplicación inicial se desvirtúa y no se limita a poblaciones
pequeñas
Nunca llegan las cargas contaminantes proyectadas
Este tipo de instalaciones exige un pretratamiento de las aguas muy
riguroso, que no se cumple nunca.
Mas que estaciones de tratamiento de agua, actúan generalmente como
instalaciones de decantación de sólidos y fermentación de los lodos
decantados.
El mantenimiento del proceso biológico en teoría fácil, pasa a ser
prácticamente inexistente.
Se dedica más atención al cuidado de la zona ajardinada que al
funcionamiento de la instalación.
Debido a las grandes superficies ocupadas, las instalaciones pasan a
ser habitualmente criaderos de malas hierbas y alimañas.
Debido a los olores existentes producidos por la instalación es un lugar
que nadie quiere visitar
La eficiencia del tratamiento en la teoría ya es escasa (+/- 50 – 60 %),
pero en la práctica aún es menor, debido a la enorme cantidad de
factores que afectan negativamente el funcionamiento.
33
43 CONGRESO NACIONAL DE ACODAL
RECONVERSIÓN DE LAGUNAS Y SU ADECUACIÓN
?
Tratamiento y uso de aguas residuales:
Una estrategia para el futuro del saneamiento
Actualmente no están adecuados los sistemas de lagunaje natural a los
requerimientos legales de calidad de vertido.
8.- SISTEMAS DE LAGUNAJE AIREADO.
A principios de los años 1970, se empezaron a hacer instalaciones de lagunajes
aireados, con la finalidad de encontrar un sistema más fiable y efectivo que los
sistemas de lagunaje naturales para el tratamiento de las aguas residuales
urbanas.
Uno de los problemas que motivó esa búsqueda incesante de nuevas tecnologías
fue el componente de los vertidos industriales de las aguas residuales aumentaba
sin cesar, coincidiendo con los ciclos económicos de expansión la industria crecía
y los municipios cercanos también, eso motivó que los vertidos a las depuradoras
cada vez estaban acompañados de nuevos compuestos menos tolerantes con el
medio ambiente y por tanto mas contaminados.
La Ley ambiental obligaba a las industrias a tratar sus aguas residuales, pero la
Ley no estaba muy desarrollada y las exigencias de calidad eran constantemente
modificadas, no había mucha experiencia en los sistemas de control y eso
obligaba a frecuentes adaptaciones.
8.1.- Turbinas flotantes
Las primeras experiencias en aireación de lagunajes estaban basadas en unas
turbinas flotantes de eje vertical y que se anclaban a unos puntales de apoyo en
tierra y se posicionaban por medio de unos cables de acero o cadenas, por uno de
ellos se alimentaba eléctricamente el motor de la turbina.
Básicamente eran iguales a las que se empleaban en aquella época para la
aireación de recintos biológicos, pero en vez de fijarlas al suelo, se las dotó de una
estructura metálica en sus extremos estaban situados unos flotadores que tenían
la capacidad de hacerla flotar
Estos sistemas están diseñados de modo que se genere un flujo ascendente o
descendente mediante un efecto de bombeo por convección. Consisten en un
impulsor sumergido o semisumergido que se encuentra conectado a un
motoreductor externo por medio de un eje de considerables dimensiones.
34
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RECONVERSIÓN DE LAGUNAS Y SU ADECUACIÓN
Tratamiento y uso de aguas residuales:
Una estrategia para el futuro del saneamiento
Los impulsores se fabrican en acero, poliéster, etc., se emplean para agitar
vigorosamente la superficie del agua introduciendo el aire en el agua residual
provocando rápidos cambios en la interfase aire agua que facilitan la disolución del
aire.
Una ventaja del montaje sobre estructura flotante es que se adaptan al nivel del
agua en caso de que este sea fluctuante, son máquinas robustas
de
mantenimiento fácil ya que se trata de un motor eléctrico de potencias hasta 100
kW (sin demasiadas complicaciones mecánicas), un reductor de considerable
tamaño que transmite el movimiento por medio de un acoplamiento mecánico y de
un plato giratorio o turbina de dimensiones considerables de hasta 2,5 m de
diámetro, lo que exige que los dimensionamientos mecánicos de las piezas estén
bien calculados ya que los esfuerzos axiales son impresionantes, sobre todo el
motoreductor donde es importante las labores de mantenimiento periódico del
mismo. La eficiencia de transferencia de las turbinas se establece entre 1,2 y 3 Kg.
O2/ kW, en agua limpia y dentro de la zona de influencia de la turbina.
El problema de este sistema es que si bien la aireación es bastante buena en la
zona de la instalación de la turbina, el radio de acción es bastante limitado tanto
en su superficie como en la profundidad de aireación y de agitación, siendo
frecuente encontrase con sedimentaciones importantes en las zonas alejadas de
la turbina, para evitar este problema se complementaron con unos tubos verticales
que forzaban las corrientes verticales de actuación de la máquina, tienen
capacidad de airear hasta unos 5 m de profundidad.
Este tipo de sistemas de aireación se encuentran bastante limitados en su función
cuando se trata de procesos biológicos con eliminación de nutrientes ya que
cuando se entra en la fase de desnitrificación por medio de interrupción de la
aireación, se deben complementar sistemas sumergidos de agitación para evitar
la sedimentación de los fangos en el fondo de la balsa, además es muy
complicado ajustar los niveles actuación de los mismos en función del oxigeno
disuelto en las balsas por medio de sondas de oxigeno.
Los sistemas de aireadores superficiales debido a las nuevas reglamentaciones
no están en sus mejores momentos y están en franco desuso prácticamente
desde finales de los 80.
35
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RECONVERSIÓN DE LAGUNAS Y SU ADECUACIÓN
Tratamiento y uso de aguas residuales:
Una estrategia para el futuro del saneamiento
Esquema de una turbina vertical flotante
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RECONVERSIÓN DE LAGUNAS Y SU ADECUACIÓN
Tratamiento y uso de aguas residuales:
Una estrategia para el futuro del saneamiento
8.2.- Aireadores horizontales
Este tipo de aireadores mecánicos, está formado por dos partes claramente
diferenciadas, una el sistema motor, generalmente un motoreductor de grandes
dimensiones y de un cilindro horizontal de entre 0,7 m y 1,2 m de diámetro,
situado justo por encima del agua y que esta equipado por una especie de paletas
axiales que se encargan de remover el agua en su superficie y por tanto de
airearla, un aventaja con respecto a las turbinas verticales es que ejercen un
movimiento de circulación del agua debido a la propia impulsión.
Un punto negativo es que como se agita y airea la superficie la penetración del
aire en el agua esta bastante limitada ya que las paletas penetran escasamente
unos 30 cm en el agua y el efecto del oxigeno disuelto en el agua se limita su
penetración a unos 2,5 m de profundidad.
El rendimiento es algo mas bajo que en las turbinas superficiales, estando
establecido normalmente entre 0,9 y 1,8 Kg. O2/ kW en agua limpia.
Esquema de un rotor horizontal flotante
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RECONVERSIÓN DE LAGUNAS Y SU ADECUACIÓN
Tratamiento y uso de aguas residuales:
Una estrategia para el futuro del saneamiento
8.3.- Aireadores sumergidos
Este tipo de maquinas son bastante más modernos que los anteriormente
enumerados, básicamente constan de una especie de bomba sumergida que
aspira el agua por la parte inferior pero que en la salida de impulsión lleva un
difusor dotado de una toma vertical por la que aspira el aire por un efecto ventury y
mezclándolo con el chorro radial del agua de salida de la bomba que se proyecta
como una corona circular centrado con el cuerpo de la bomba.
Este tipo de bomba sumergida tiene una construcción un poco especial ya que
trabaja a cavitación y por eso deben ser empleados unos materiales de mucha
calidad, sobre todos los correspondientes a la parte de la hidráulica de la máquina
(rodete y tubos radiales difusores).
Este tipo de aireadores aporta una gran ventaja comparado con los anteriores y es
que incorpora él oxigeno donde hace falta, es decir en el fondo de la laguna y al
distribuirse radialmente los chorros ascendentes de burbujas de pequeño tamaño
y estas se disuelven en el agua mientras van ascendiendo hacia la superficie, lo
que hace que tengan un rendimiento mayor que los aireadores superficiales.
Esquema de un aireador sumergido
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Tratamiento y uso de aguas residuales:
Una estrategia para el futuro del saneamiento
Como desventaja de estos elementos se puede citar que su radio de acción es
bastante escaso y muy limitado a la zona de instalación de los mismos.
Para las lagunas se instalaban unos sistemas de cables que hacían que la
barcaza que sostenía estos aireadores se desplazaba por la laguna guiado por los
cables a fin de no dejar zonas muertas de la misma, donde sedimentaban los
lodos y entraban en fase anaerobia.
Aireador sumergido montado con flotadores
8.4.- Aireación con sistemas de difusores fijos
Conforme fueron avanzando las técnicas de tratamiento de aguas, se fueron
incorporando nuevos elementos más eficaces en su función y aparecieron los
difusores, que básicamente se les puede dividir en dos tipos de acuerdo al
material empleado en su fabricación tanto sea materiales cerámicos o membranas
de neopreno. (existen muchos otros tipos de materiales especializados en la
aplicación a que se destinen, EPDM, Teflón, silicona, etc.)
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Tratamiento y uso de aguas residuales:
Una estrategia para el futuro del saneamiento
Estos elementos tienen la gran ventaja de que aportan el oxigeno también donde
hace falta, es decir en el fondo del agua y de nuevo se aprovecha la capacidad
ascensional de las burbujas para agitar el agua y por tanto aumentar el
rendimiento.
Si se pudiese repartir el fondo de las lagunas con difusores sumergidos, se
obtendría el sistema más eficaz de transferencia de oxigeno al tratamiento de las
aguas, pero eso muchas veces no es fácilmente realizable sobre todo si la
instalación no es nueva.
Parrilla de difusores sumergidos
El aire se introduce en los difusores por medio de unos sistemas de máquinas
soplantes de muy alto rendimiento mecánico, generalmente soplantes de tipo
“Roots” que están accionadas por medio de un motor y unas correas de
transmisión.
Se conduce el aire a través de unas tuberías generalmente realizadas en acero
protegido y dimensionadas de modo que no se generen frecuencias armónicas
que causen vibraciones y puedan romper las uniones de la misma y
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Tratamiento y uso de aguas residuales:
Una estrategia para el futuro del saneamiento
posteriormente se hacen unos ramales que distribuyen el aire a los diversos
puntos de captación de la parrilla y de ahí se distribuye a través de los difusores
por el fondo del recinto.
8.5.- Aireación con el sistema de difusores pendulares
Este sistema es básicamente una variación mejorada del anterior, incorporando
las ventajas del mismo en cuanto al empleo de los elementos de mayor capacidad
de transferencia que son los difusores y además están dotados de una serie de
elementos que permiten el movimiento de las cadenas de difusores por la balsa ya
que estos en vez de estar suje tos al fondo de la misma se encuentran
suspendidos de unas cadenas flotantes formadas por manguera y flotadores por
los que pasa el aire y se distribuye a los difusores que se encuentran suspendidos
de unos bajantes metálicos hasta la profundidad requerida de aireación.
Por el simple hecho de fluir el aire a través de los flotadores y descender a los
difusores que están suspendidos del mismo, se genera una serie de fuerzas en
las que una corresponde al propio peso del conjunto y la otra a la acción del
empuje vertical del sistema, como se trata de un sistema en equilibrio inestable,
hace que los difusores empiecen a querer flotar ya que en posición vertical no se
pueden aguantar y por tanto se desplazan lateralmente hacia el lado opuesto por
donde quieren flotar.
Eso hace que se desplace el flotador hacia un lado arrastrando consigo a la
cadena flotante y a todo el conjunto de flotadores que componen la misma. Justo
hasta donde les deja la cadena de fijación y cuando ésta alcanza el límite se tensa
el sistema y el movimiento se invierte hacia el otro lado.
Si se reproduce en toda su magnitud una instalación de este tipo nos encontramos
que todos los elementos flotantes de aireación están constantemente en
movimiento por lo que es imposible que sedimenten los fangos de la laguna, con
lo que se consigue el fenómeno esperado que es airear en el punto idóneo, evitar
sedimentaciones y optimizar la energía ya que únicamente se emplea energía en
introducir aire y para la agitación se emplea la propia energía de flotación de las
burbujas en su camino a la superficie.
Sistema de fuerzas en los sistemas de flotadores y difusores
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Tratamiento y uso de aguas residuales:
Una estrategia para el futuro del saneamiento
Burbujas ascendiendo
Entrada
Detalle del movimiento pendular
de las cadenas de aireación
Salida
Cadenas de aireación
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Tratamiento y uso de aguas residuales:
Una estrategia para el futuro del saneamiento
La disposición típica de una instalación de depuración por lagunaje aireado
corresponde a un esquema similar al representado a continuación.
Diagrama de una instalación por lagunaje aireado
Equipos soplantes
Micro tamizado
Entrada
agua
Desarenado
Medición de
caudal
Primera
laguna de
aireación
Decantación
Recirculación
Segunda
laguna de
aireación
Laguna de
decantación
Salida
agua
43
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Tratamiento y uso de aguas residuales:
Una estrategia para el futuro del saneamiento
El corte en sección de un elemento flotador difusor es el representado en la figura.
Flotador
Superficie
Bajante
Té de unión
Difusor
Fondo de la laguna
Este sistema de lagunaje conjuga prácticamente todas las ventajas de los
sistemas clásicos de lagunaje natural, además se complementa con dos lagunas a
continuación de las de aireación de tipo facultativo en serie, con la finalidad de
decantar los fangos en la tercera laguna y de desinfectar los elementos patógenos
en la cuarta.
El diseño de estas instalaciones exige tener en cuenta una serie de elementos que
condicionan la vida futura de la instalación, como son mantener un especial
cuidado en una serie de partes del tratamiento que se enumeran a continuación:
?
Desbaste muy riguroso (del orden de 1.5 mm)
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?
?
?
?
?
?
?
?
Tratamiento y uso de aguas residuales:
Una estrategia para el futuro del saneamiento
Desarenado
Desengrasado
Medición del caudal de entrada a la planta
Primera laguna de aireación (donde se elimina del 70 al 90 % de la
carga contaminante)
Decantación rápida de lodos y recirculación (si se requiere por el diseño)
Segunda laguna de aireación (donde se elimina del 50 al 80 % de la
carga restante)
Laguna de decantación
Laguna de embellecimiento
A continuación se muestra a modo de ejemplo el dimensionamiento de una
instalación de este tipo.
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Tratamiento y uso de aguas residuales:
Una estrategia para el futuro del saneamiento
EJEMPLO DE CALCULO DE UNA INSTALACIÓN DE
LAGUNAJE AIREADO.
1.- Objeto del estudio. .......................................................................................................46
2.- Datos de partida. ..........................................................................................................47
2.- Pretratamiento: .............................................................................................................47
2.1.- Desbaste de gruesos: ..........................................................................................47
2.2.- Desbaste de finos: ................................................................................................48
2.3.- Desarenado-desengrasado:................................................................................48
2.4.- Medida de Caudal:................................................................................................49
3.- Cálculos de dimensionamiento:.................................................................................49
3.1- Lagunas de aireación ............................................................................................50
3.2- Lagunas facultativas..............................................................................................51
3.3- Cálculo de la aireación..........................................................................................52
3.4- Lagunas de sedimentación: .................................................................................57
3.5- Laguna de afino......................................................................................................58
1.- Objeto del estudio.
Se estudia a continuación la planta depuradora para tratar la aguas residuales
producidas por el núcleo urbano de XXXXX (Colombia) con tipología de
laguna
aireada.
El sistema está constituido por cuatro lagunas de aireación, cuatro facultativas
aireadas, cuatro de sedimentación y una laguna de afino. La Planta de
tratamiento, tal como se expresa en el estudio que sigue tiene estos recintos de
agua con las siguientes dimensiones:
Recinto
Largo (m)
Ancho (m)
Lagunas de aireación
90,0
225,1
Lagunas facultativas
56,3
235,0
Lagunas sedimentación
100,0
282,8
Laguna de afino
300,0
356,5
Superficie ocupada por las lagunas:
Total superficie ocupada:
354.038
m2
35,40 Hectáreas
46
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Tratamiento y uso de aguas residuales:
Una estrategia para el futuro del saneamiento
2.- Datos de partida.
En la presente solución se admite una carga contaminante por habitante de
gr. habitante y día, y por ello los datos de contaminación son los que siguen:
Población equivalente:
60
583.200 habitantes
Datos sobre el caudal:
Caudal medio diario (Q24h)
* (l/s):
* (m3/h):
* (m3/día):
* Dotación: litros habitante y día:
1.800,0
6.480,0
155.519,0
267
Datos sobre la contaminación de origen orgánico:
* Demanda bioquímica de oxígeno, (DBO5)
* Concentración, (mg/l):
* Carga contaminante, (Kg/día):
* Dotación media(gr. / habitante y día):
225,0
34.992,0
60,0
Sólidos en suspensión, (SST)
* Concentración, (mg/l):
* Carga contaminante, (Kg/día):
220,0
34.214,2
Nitrógeno total, (NTK)
* Concentración, (mg/l):
* Carga contaminante, (Kg/día):
28,0
4.354,5
2.- Pretratamiento:
2.1.- Desbaste de gruesos:
Caudal admisible en desbaste:
6.480 m3/h
* Líneas funcionales:
Tipo: Limpieza automática.
47
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RECONVERSIÓN DE LAGUNAS Y SU ADECUACIÓN
Tratamiento y uso de aguas residuales:
Una estrategia para el futuro del saneamiento
Nº de unidades:
3
Luz de paso:
Ancho canal:
Producción de sólidos:
80
mm.
1
m
4.666 l/d
* Línea de by-pass:
Tipo:
Nº de unidades:
Luz de paso:
Ancho canal:
Limpieza manual.
1
80
mm.
1
m.
2.2.- Desbaste de finos:
Se diseñan 3 líneas de tamices que admitan el total del caudal admisible en planta.
* Tamizado:
* Líneas funcionales:
Tipo
Luz de paso:
Tamiz autolimpiante
3
mm
Ancho de canal:
1
m
1
1
m.
* Línea de b y-pass:
Tipo: Limpieza manual.
Nº de unidades:
Ancho canal:
2.3.- Desarenado-desengrasado:
Tipo: puente móvil aireado.
nº de unidades:
3
Carga hidráulica máxima a Q med.:
Superficie mínima necesaria:
10
m/h
648,00
m2
48
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RECONVERSIÓN DE LAGUNAS Y SU ADECUACIÓN
Tratamiento y uso de aguas residuales:
Una estrategia para el futuro del saneamiento
Tiempo de retención mínimo:
0,33 h
Volumen mínimo:
2.138 m3
Dimensiones unitarias adoptadas:
Superficie útil:
Ancho útil:
Longitud útil:
Profundidad útil:
216
6
36
3,3
m2
m
m
m
Necesidades de aireación:
Caudal a suministrar:
8
m3 / h / m2
Caudal de aireación:
5.184 m3/h
86,40 m3 / min.
Nº de grupos soplantes:
3+1 R
Caudal de aire unitario necesario:
28,80 m3/min.
1.727,99
m3/h
Caudal real de aire:
86,4 m3 / min.
5.184 m3/h
Caudal de aire difusores:
Nº de difusores:
Nº de difusores por tanque:
10
519
173
m3/h / Ud.
Ud.
Ud.
3
108
Ud.
m3/h
Bomba de extracción de arenas:
Nº de unidades:
Caudal unitario:
2.4.- Medida de Caudal:
Tipo de medidor:
Ultrasonidos por tubería.
3.- Cálculos de dimensionamientos:
49
43 CONGRESO NACIONAL DE ACODAL
RECONVERSIÓN DE LAGUNAS Y SU ADECUACIÓN
Tratamiento y uso de aguas residuales:
Una estrategia para el futuro del saneamiento
3.1- Lagunas de aireación
Criterios de diseño:
Dimensionamos las primeras lagunas con la carga volúmica, que en el caso
de lagunas aireadas, y teniendo en cuenta que se pretende una eliminación
del 75% de la DBO, se pueden adoptar valores entre 0.6 y 0.1 kg DBO5
diarios por metro cúbico de reactor, por lo que adoptaremos
el valor de Cv = 0,100 Kg. DBO5/m3 y día
Carga volúmica, (Cv)
0,100 Kg. DBO5/m3 y día
Volumen total lagunas, (V = DBO / Cv) 349.920 m3
(Tiempo residencia:
2,3
días)
Se adoptan 4 módulos, capaz de tratar cada uno de ellos un caudal de 450,00 l /
s.
Nº de lagunas de aireación:
El volumen de cada laguna será de:
4
87.480
m3
DBO5 en el efluente de salida:
en carga contaminante, kg DBO5 /día: 8.748,0
en concentración, mg/l:
56,3
Características unitarias de las lagunas:
Altura de agua:
5,00 m.
Altura entre nivel de agua y coronación laguna (resguardo): 0,50 m.
Pendiente taludes:
1 : 1,80
Angulo talud:
29,1 º
Longitud total:
90,0 m.
Longitud al nivel de agua:
88,2 m.
Longitud en el fondo:
70,2 m.
Ancho total:
Ancho al nivel de agua:
Ancho en el fondo:
225,1 m.
223,2 m.
205,2 m.
50
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RECONVERSIÓN DE LAGUNAS Y SU ADECUACIÓN
Tratamiento y uso de aguas residuales:
Una estrategia para el futuro del saneamiento
Superficie de fondo plano:
14.401,8
m2.
Superficie espejo de agua:
19.682,1
m2.
Superficie total:
20.262,0
m2.
3.2- Lagunas facultativas
Criterios de diseño:
Dimensionamos el segundo tipo de lagunas con la carga volúmica,
que para
esta segunda laguna teniendo en cuenta que se
pretende una eliminación del
75% de la DBO, se puede
adoptar valores entre 0.020 y 0.060 kg. DBO5
diarios por metro cúbico de reactor. Adoptaremos el siguiente valor:
Carga volúmica, (Cv)
0,050 kg. DBO5/m3 y día
Volumen total lagunas, (V = DBO5/Cv) 174.960
m3
(Tiempo residencia:
Nº de lagunas facultativas:
El volumen de cada laguna será de:
1,1
días)
4
43.740
m3
DBO5 en el efluente de salida:
en carga contaminante, kg DBO5/día:
en concentración, mg/l:
2.187,0
14,1
Características unitarias de las lagunas:
Altura de agua:
Altura entre nivel de agua
y coronación laguna (resguardo):
Pendiente taludes:
Angulo talud:
Longitud total:
Longitud al nivel de agua:
Longitud en el fondo:
4,00
m.
Ancho total:
235,0 m.
0,50 m.
1 : 1,80
29,1 º
56,3 m.
54,5 m.
40,1 m.
51
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RECONVERSIÓN DE LAGUNAS Y SU ADECUACIÓN
Tratamiento y uso de aguas residuales:
Una estrategia para el futuro del saneamiento
Ancho al nivel de agua:
233,0 m.
Ancho en el fondo:
218,6 m.
Superficie de fondo plano:
Superficie espejo de agua:
Superficie total:
8.763,9
12.696,9
13.227,8
m2.
m2.
m2.
Carga volúmica conjunta:
0,067 Kg. DBO5/m3
Es un valor excelente para esta tipología de estación.
3.3- Cálculo de la aireación
El consumo total de oxígeno se compone del oxígeno necesario para el
crecimiento microbiano oxigenado por la transformación de la materia orgánica y
el necesario para la respiración endógena del fango existente.
Se toma una Oc.-load de 1.8 kg. O2/kg. DBO5 eliminado
La cantidad de oxígeno necesario 62.985,6
kgO2/día
Este oxígeno se suministrará por medio de la insuflación de aire introducido en el
recinto de aireación a través de difusores cerámicos o especiales que suministren
el aire en burbuja fina de aire.
Las características técnicas de esta insuflación de aire son las que se detallan a
continuación:
Lagunas de aireación
Necesidades de oxígeno, 75%
47.239
kgO2/día
Rendimiento de introducción:
8,0
gO2/m3/ml
Profundidad de aireación:
4,4
m.
Caudal de aire necesario:
55.917,6
m3/h.
Suministro de aire por difusor:
40,0 m3/h.
Nº de difusores necesarios:
1.398 Ud.
(Difusores cilíndricos de cerámicos de 1.500 mm. de longitud)
52
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RECONVERSIÓN DE LAGUNAS Y SU ADECUACIÓN
Tratamiento y uso de aguas residuales:
Una estrategia para el futuro del saneamiento
Lagunas facultativas
Necesidades de oxígeno, 25%
15.746
kgO2/día
Rendimiento de introducción:
8,0
gO2/m3/ml
Profundidad de aireación:
3,5
m.
Caudal de aire necesario:
23.432,1
m3/h.
Suministro de aire por difusor:
40,0 m3/h.
Nº de difusores necesarios:
586 Ud.
(Difusores cilíndricos de cerámicos de 1.500 mm. de longitud)
Distribución de aire:
Caudal en las lagunas aerobias:
Caudal unitario en cada laguna:
Caudal en las lagunas facultativas:
Caudal unitario en cada laguna:
55.917,6
13.979,4
23.432,1
5.858,04
m3/h. aire
m3/h. aire
m3/h. aire
m3/h. aire
Lagunas de aireación
Difusores totales:
Nº de difusores por laguna:
1.398 Ud.
350 Ud.
- Por laguna:
Nº cadenas de aireación:
20
Difusores por cadena:
17
Tomamos
20
cadenas con un total de
Longitud lado anclajes:
Distancia a comienzo fondo:
Longitud fondo:
Distancia //fondo a 1er. anclaje
Número de anclajes
Distancia entre anclajes
Distancia anclaje a 1er. difusor
Longitud lado difusores
Distancia entre difusores
Ud.
Ud.
17
225,13
9,9
205,33
4,90
20
*2
10,29
12,84
90,00
3,68
difusores
m.
m.
* Lagunas facultativas
Difusores totales:
586
Ud.
53
43 CONGRESO NACIONAL DE ACODAL
RECONVERSIÓN DE LAGUNAS Y SU ADECUACIÓN
Tratamiento y uso de aguas residuales:
Una estrategia para el futuro del saneamiento
Nº de difusores por laguna:
147 Ud.
- Por laguna:
Nº cadenas de aireación:
Difusores por cadena:
11
14
Tomamos 11 cadenas con un total
Longitud lado anclajes:
Distancia a comienzo fondo:
Longitud fondo:
Distancia //fondo a 1er. anclaje
Número de anclajes
Distancia entre anclajes
Distancia anclaje a 1er. difusor
Longitud lado difusores
Distancia entre difusores
Ud.
Ud.
14 difusores
235,02 m.
9,9 m.
215,22
5,39
11
*2
20,44
13,134
56,28
2,10
Por lo tanto, el número de difusores de aire de burbuja fina a colocar es de: 2.028
, y la longitud de tubería flexible de DN90 es de:
Primera laguna:
Segunda laguna:
1.980,00
681,03
ml.
ml.
* Selección del sistema de aireación en lagunas aerobias:
Caudal total a suministrar:
Caudal por laguna:
Cada caseta servirá a 2 lagunas:
Instalaremos 5+1; caudal por soplante:
55.918
m3/h
13.979
m3/h
27.959
m3/h
5.592 m3/h
Selección de la soplante
Caudal unitario por soplante
Caudal unitario por soplante
1
Soplante
26,20
5.591,8
m3/h
93,2 m3/min.
Corrección 4,40
a
m.c.a.
54
43 CONGRESO NACIONAL DE ACODAL
RECONVERSIÓN DE LAGUNAS Y SU ADECUACIÓN
m3/min
kW
r.p.m.
Tratamiento y uso de aguas residuales:
Una estrategia para el futuro del saneamiento
75,70
92,50
93,20
63,40
77,80
78,40
86,24
985
1.200
1.209
Numero de unidades:
Caudal aspirado:
Presión soplado, m.c.d.a
Potencia absorbida:
Potencia instalada:
Ratio de uso de motor:
Velocidad de giro del motor:
Velocidad de giro de la soplante:
1
93,20 m3/min.
4,40 m.c.a.
86,24 kW
110,00
kW
78,40%
1.200 r.p.m
1.209 r.p.m
Caudal total suministrado
93,20 m3/min.
5.591,76
m3/h
* Selección del sistema de aireación en lagunas facultativas:
Caudal total a suministrar:
Caudal unitario por laguna:
Cada caseta servirá a 2 lagunas:
Instalaremos 2+1; caudal por soplante:
23.432
m3/h
5.858 m3/h
11.716
m3/h
5.858 m3/h
Selección de la soplante
Caudal unitario por soplante
Caudal unitario por soplante
1
Soplante
26,20
m3/min
kW
r.p.m.
75,70
63,40
985
92,50
92,50
1.200
Numero de unidades:
Caudal aspirado:
Presión soplado, m.c.a
Potencia absorbida:
5.858,0 m3/h
97,6 m3/min.
Corrección
a
97,63
101,39
1.266
3,50
m.c.a.
88,72
1
97,63 m3/min.
3,50 m.c.a.
88,72 kW
55
43 CONGRESO NACIONAL DE ACODAL
RECONVERSIÓN DE LAGUNAS Y SU ADECUACIÓN
Tratamiento y uso de aguas residuales:
Una estrategia para el futuro del saneamiento
Potencia instalada:
110,00
kW
Ratio de uso de motor:
80,65%
Velocidad de giro del motor:
1.200 r.p.m
Velocidad de giro de la soplante:
1.266 r.p.m
Caudal total suministrado
97,63 m3/min.
5.858,04
m3/h
Distribución de aire.
La distribución de aire se realiza a través de tubos de fundición dúctil de acero.
La velocidad máxima a la que proyectamos es de 8 m/s.
Calculamos el diámetro necesario en salida colector de soplantes y para cada
uno de los dos ramales de conducción de aire hacia cada laguna.
Velocidad de diseño:
12
m/s
Por dos lagunas aerobias:
Tramo Caudal
m3/h l/s
D min, mm
Por 2 lagunas
27.958,8
I
13.979,4 3.883,2
II
6.989,7
1.941,6
III
6.989,7
1.941,6
IV
3.494,9
970,8
Cadenas
699,0 194,2 143,5
D proy., mm Vd, m/s
7.766,3
907,8 1000 9,89
641,9
700
10,09
453,9
500
9,89
453,9
500
9,89
320,9
350
10,09
150 10,99
Longitudes previstas:
Tramo Caudal, m3/h
Por 2 lagunas
27.958,8
I
13.979,4
II
6.989,7
III
6.989,7
IV
3.494,9
D proy,mm long. prevista, m
1000 20
700
150
500
110
500
450
350
220
56
43 CONGRESO NACIONAL DE ACODAL
RECONVERSIÓN DE LAGUNAS Y SU ADECUACIÓN
Tratamiento y uso de aguas residuales:
Una estrategia para el futuro del saneamiento
Por dos lagunas facultativas:
Tramo Caudal
m3/h l/s
D min., mm D proy, mm
Por
2 11.716,1 3.254,5
587,6
lagunas
I
5.858,0
1.627,2
415,5
II
2.929,0
813,6
293,8
III
2.929,0
813,6
293,8
IV
1.464,5
406,8
207,8
Cadenas 532,5
147,9
125,3
Vd, m/s
600
11,51
400
300
300
200
150
12,95
11,51
11,51
12,95
8,37
Longitudes previstas:
Tramo Caudal, m3/h
Por
2 11.716,1
lagunas
I
5.858,0
II
2.929,0
III
2.929,0
IV
1.464,5
D proy., mm long. prevista, m
600
10
400
300
300
200
160
120
400
250
3.4- Lagunas de sedimentación:
Las lagunas se dimensionan para atender tres condiciones:
-Velocidad ascensional:
-Tiempo de permanencia mínimo:
-Capacidad almacenamiento de fango
* Superficie necesaria:
* Volumen necesario (tpo. perman.)
* Volumen adoptado
Nº de lagunas de sedimentación:
El volumen de cada laguna será de:
Características unitarias de las lagunas:
0,1
m/h
1,50 días
> 3 años
64.799,6
233.279
311.038
m2
m3
m3
4
77.759,51
m3
57
43 CONGRESO NACIONAL DE ACODAL
RECONVERSIÓN DE LAGUNAS Y SU ADECUACIÓN
Tratamiento y uso de aguas residuales:
Una estrategia para el futuro del saneamiento
Altura de agua:
3,00 m.
Altura entre nivel de agua
y coronación laguna (resguardo):
0,50 m.
Pendiente taludes:
Longitud total:
Longitud al nivel de agua:
Longitud en el fondo:
1:
100,0
98,2
87,4
1,80 29,1
m.
m.
m.
Ancho total:
Ancho a nivel de agua:
Ancho en el fondo:
282,8 m.
280,8 m.
270,0 m.
Superficie de fondo plano:
Superficie espejo de agua:
Superficie total:
Velocidad ascensional:
23.600,6
27.577,5
28.281,0
0,23 m/h
º
m2.
m2.
m2.
Acumulación de fango:
El fango en exceso anual que se recoge por cada 100 kg de DBO 5 eliminado es
de 0.350 metros cúbicos. (Es, aproximadamente 70 litros habitante equivalente
y año).
Por tanto el fango en exceso anual será de:
* Volumen anual fango:
Por laguna:
* Volumen anual fango:
44.702
m3/año
11.176
m3/año
* Altura media acumulada por año
* Altura máxima de fango permisible
* Periodo máximo entre vaciados
0,44 m. al año
2,30 m.
5,27 años
3.5- Laguna de afino.
Su capacidad se calcula en función de su tiempo de permanencia, que se
establece en un día, y consiste en un zona de aguas someras (profundidad del
orden de un metro o menos) en la que la acción de las radiaciones ultravioletas
solares y su escasa velocidad ascensional
eliminan la turbiedad del agua.
58
43 CONGRESO NACIONAL DE ACODAL
RECONVERSIÓN DE LAGUNAS Y SU ADECUACIÓN
Tratamiento y uso de aguas residuales:
Una estrategia para el futuro del saneamiento
* Volumen adoptado
155.519
Altura de agua:
Altura entre nivel de agua
y coronación laguna (resguardo):
Pendiente taludes:
1,50 m.
Longitud total:
Longitud al nivel de agua:
Longitud en el fondo:
0,50
1:
29,1
300,0
298,2
292,8
Ancho total:
Ancho al nivel de agua:
Ancho en el fondo:
Superficie de fondo plano:
Superficie espejo de agua:
Superficie total:
Velocidad ascensional:
356,5 m.
354,5 m.
349,1 m.
102.227,0
105.722,7
106.954,8
0,061 m/h
m3
m.
1,80
º
m.
m.
m.
m2.
m2.
m2.
9.- DIFERENCIAS DE LOS SISTEMAS DE LAGUNAJE AIREADO CON LOS
SISTEMAS DE LAGUNAJE NATURAL.
Una vez analizados los pros y los contras de los sistemas de lagunaje natural,
podemos establecer una relación de las que aporta la inclusión de sistemas de
aireación a las lagunas naturales.
?
?
?
?
?
Mayor capacidad de tratamiento ya que los microorganismos son mucho
más enérgicos y activos, lo que permite el tratamiento de cargas más
elevadas
Menor superficie ocupada unas 15 veces menos (de 12.000 a 15.000
habitantes por Ha)
No hay dependencia de los fenómenos naturales como el sol, el viento,
ni de elementos vivos como las microalgas para generar el oxigeno
necesario este es introducido por sistemas externos.
Se puede actuar sobre el proceso biológico, ajustando los niveles de
oxigeno disuelto ante las necesidades del tratamiento, recirculando
lodos para aumentar la carga de sólidos en la planta y por tanto el
rendimiento de la misma.
La eficiencia del tratamiento es superior al 90 - 95 %
59
43 CONGRESO NACIONAL DE ACODAL
RECONVERSIÓN DE LAGUNAS Y SU ADECUACIÓN
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
Tratamiento y uso de aguas residuales:
Una estrategia para el futuro del saneamiento
Los diseños de las instalaciones se hacen con una carga volúmica muy
baja y son por tanto conservadores
Los tiempos de retención globales son de unos 6 – 8 días
Es un sistema mucho mas resistente ante vertidos puntuales
“potencialmente raros”
El mantenimiento periódico de la instalación es la purga de los lodos en
exceso cada 3 – 5 años, pero esto también se debería hacer en el caso
de las lagunas naturales.
No existen olores.
El pretratamiento es igual de critico que en los sistemas de lagunaje
natural.
No tienen plantas en la superficie de las lagunas
Se obtiene un subproducto de gran riqueza con los lodos de la planta
para aplicación en agricultura
Es el sistema de tratamiento biológico por fangos activados que menos
generación de lodos produce y el que posee mejor edad de fangos.
Dentro de los sistemas de tratamiento biológico por fangos activados es
el que menos consumo eléctrico genera.
Este tipo de instalaciones puede adaptarse a las exigencias más
rigurosas en cuanto a eliminación de nutrientes, es un sistema
fácilmente implementable.
Para una planta de hasta 20.000 – 30.000 personas se precisa un único
mantenedor en jornada de 8 h al día.
Son plantas fácilmente regulables y de funcionamiento automático en
función de un sencillo programador
Como contrapartida cabe señalar que entre las desventajas se pueden señalar:
?
?
?
?
El coste de construcción es algo mas caro que los sistemas de lagunaje
natural, se ahorra trabajo de Obra Civil pero se incrementa el coste por
los equipos electromecánicos.
Hay un consumo eléctrico para que la instalación funcione
correctamente, aunque es el mas bajo de todos los sistemas de
tratamiento por fangos activados
En esta tipología de tratamiento, el mantenimiento de la instalación hay
que distinguirlo del trabajo del jardinero y dependiendo del tamaño de la
instalación debe haber personal que tenga conocimientos de
tratamientos biológicos o la posibilidad de encontrar una asistencia
eventual.
A nivel electromecánico hay que contar con la posible ayuda de un
técnico que entienda de automatismos eléctricos.
60
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RECONVERSIÓN DE LAGUNAS Y SU ADECUACIÓN
Tratamiento y uso de aguas residuales:
Una estrategia para el futuro del saneamiento
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