2a Introduccion lagunas PO 2014 - 1793-HO

Taller “Operación y Mantenimiento de
Sistemas de Alcantarillado Sanitario y
Plantas de Tratamiento de Aguas
Residuales”
FUNDAMENTOS DE TRATAMIENTO POR LAGUNAS
Ing. PEDRO E. ORTIZ BARDALES
ASESOR TECNICO SANAA
La Ceiba, Atlántida, 03 al 07 de Marzo de 2014
Introducción
Las lagunas de estabilización constituyen una de las formas mas simples para el
tratamiento de aguas residuales. Hay diferentes combinaciones de lagunas que
requieren diferentes niveles de operación y de área.
Lagunas cuyo objetivo es la reducción de materia orgánica carbonácea.




Lagunas Faculticas
Sistemas de lagunas anaeróbicos seguidas por lagunas facultativas
Lagunas aireadas facultativas
Sistemas de lagunas aireadas de mezcla completa con laguna de decantación
Lagunas cuyo objetivo es la remoción de patógenos
 Lagunas de maduración
La utilización de lagunas en Honduras es conveniente las razones siguientes:
 Disponibilidad de área
 Clima favorable ( temperatura y radiación solar)
 Operación simple
 Requiere poco o ningún equipo
Clasificación de las de lagunas
Por el contenido de oxígeno
 Anaerobia

Aerobio

Facultativa

Aireada --- Aireación artificial
Por su ubicación con otros procesos

Primarias

Secundarias

Maduración
Por su Secuencia

En paralelo

En serie
Objetivos de una laguna de estabilización

Primaria

Reducción de compuestos orgánicos ( DBO y DQO )
tanto soluble como total

Reducción de sólidos suspendidos

Reducción de parásitos

Reducción de costos de construcción
superficiales

Nematodos > 10 días
> cargas
Secundaria

Reducción de Coliforme fecal al nivel deseado

Complementar reducción de nematodos

Reducir a los niveles requeridos la concentración de
otros contaminantes ( DBO, nutrientes y algas )

Minimizar la influencia de la estratificación termal
Características principales de los sistemas de
Lagunas
Descripción Característica
Facultativa
Anaerobia
facultativa
Aireada
Facultativa
Aireada MC
Decantación
Eficiencia
DBO (%)
Nitrógeno (%)
Fosforo (%)
Coliformes (%)
70 - 85
30 - 50
20 - 60
60 - 99
70 - 90
30 - 50
20 - 60
60 – 99.9
70 - 90
30 - 50
20 - 60
60 – 96
70 - 90
30 - 50
20 - 60
60 – 99
Requisitos
Area (m2)
Potencia (W/hab)
2.0 - 5.0
≈0
1.5 - 3.5
≈0
0.3 – 0.6
1.0 – 1.7
0.2 - 0.5
1.0 - 1.7
costos
Obra civil
10 - 30
10 - 25
10 - 25
10 - 25
Principales parámetros de proyecto
Parámetro
Lagunas
anaerobias
Lagunas
facultativas
Lagunas
aireadas
facultativas
Lagunas
aireadas de
mezcla
completa
Lagunas de
decantación
Lagunas de
maduración
Tiempo de retención
Tasa de aplicación sup. kgDBO5/ha.d.
Tasa aplicación vol. KgDBO5/m3.d.
Profundidad m
Relación L/B
3–6
0.1 – 0.3
4.0 – 5.0
≈1
15 – 45
100 – 350
1.5 – 3.0
2-4
5 – 10
2.5 - 4.5
2-4
2–4
2.5 - 4.5
1-2
≈2
3.0 - 4.0
(**)
0.8 – 1.5
(***)
Coef. rem DBO (M. Completa 20°), d-1
Coef. temperatura (M. Completa.), d-1
-
0.30 – 0.35
1.05 – 1.085
0.6 - 0.8
1.035
1.0 – 1.5
1.035
-
-
Coef. Rem DBO (F. Disperso 20°), d-1
Coef. Tem (F. disperso), d-1
-
0.13 – 0.17
1.035
-
-
-
-
Coef. Dec. bacter (M. Comp 20°), d-1
Coef. Temperatura (M. Comp), d-1
-
0.4 – 1.0
1.07
-
-
-
0.5 – 2.5
1.07
Coef. Dec. bacter (F. Disperso 20°), d-1
Coef. Temperatura (F. Disperso.), d-1
-
0.2 – 0.4
1.07
-
-
-
0.3 – 0.8
1.07
Número de dispersión (L/B =1)
Número de dispersión (L/B =2 - 4)
Número de dispersión (L/B >=5)
-
0.4 – 1.3
0.1 – 0.7
0.02 – 0.3
-
-
-
0.4 – 1.1
0.1 – 0.5
0.03 – 0.23
DBO particulada efluente
(mgDBO5/mg/SS)
-
0.3 – 0.4
0.3 – 0.4
0.3 – 0.6
-
-
Requisitos medios de O2
(KgO2/KgDBO5 remov)
Densidad de potencia (W/m3)
-
-
0.8 - 1.2
<2.0
1.1 – 1.4
≥ 3.0
-
-
Tasa de acumulación de
Lodo(m3/hab.año)
0.01 – 0.04
** = El tiempo de retención en una laguna de maduración es función de la forma de la laguna y de la eficiencia requerida
*** = Relación L/B incluido mamparas en una celda unica > 1.0; relación L/B en cada laguna de una serie de mas de 3 lagunas ≈ 1
Lagunas Anaeróbicas
Es esencial una operación en condiciones estrictamente anaeróbicas, que se propicia lanzando
grandes cargas de DBO por unidad de volumen, haciendo que la tasa de consumo de oxigeno
sea mucho mayor que la tasa de producción.
La estabilizaciones lenta por el hecho de que la bacterias anaeróbicas se reproducen a una tasa
baja, que depende en gran medida de la temperatura, son usualmente profundas del orden de 4
a 5.0m, esto es importante porque limita la penetración del oxigeno producido en la superficie
a las zonas bajas. Por ser mas profundas el área superficial es menor.
La eficiencia de remoción de DBO es del orden del 50 al 60 %, lo que implica la necesidad de
un tratamiento posterior, sin embargo esto proporciona una substancial economía ya que el
requisito de área total es 2/3 del área de una laguna facultativa única
Su aspecto físico es de coloración negra o gris, cuando por efecto de una carga adecuada,
presentan condiciones de fermentación del metano. Se utilizan como una primera etapa en el
tratamiento de aguas residuales domésticas e industriales.
LAGUNAS ANAERÓBIAS
H2S
Aguas residuales
CHONPS
Ácidos volátiles
N Orgânico
NO

NO
3
Sólidos
sedimentables
SO
2
4
Lodo
N Amoniacal

N
2
CH4 + CO2 + H2O
Zona
anaeróbia
2
2
S (H S )
2
Ácidos orgánicos
Ausência
de O2
CO2, NH3, H2S, CH4
Microbiologia – Lagunas anaeróbias
Luz Solar
Fuente Oxidacion de
de
compuestos
energía orgánicos e
inorgânicos
Fuente de carbono
CO2
Carbono Orgánico
Fotoautotróficos
Fotoheterotróficos
Quimioautotróficos Quimioheterotróficos
(Compostos
inorgánicos)
(Compostos
orgánicos)
Remoción de compuestos
orgánicos en estado soluble
coloidal y particulado
Descripción
del proceso
Orgánicos complejos
Carbohidratos, proteínas, lípidos
Bacterias fermentativas(hidrólisis)
Orgánicos simples
Azúcares, aminoácidos, péptidos
Bacterias fermentativas
acidogénesis
Acidos orgánicos
Propano y buriatico, etc
Bacterias acetogénicas
acetogenesis
Bacterias acetogénicas productoras de Hidrógeno
H2 + CO2
ACETATO
Bacterias acetogénicas consumidoras de H
Bacterias metanogénicas
CH4 + CO2
Metanogénicas hidrogenotróficas
Metanogénicas acetoclásticas
Ventajas:
• Bajo Costo por su reducida área ;
• Ausencia de equipos mecánicos;
• reducidos costos de construcción y operación;
• Tratamiento de altas concentraciones;
• Eficiente para el tratamiento de desechos
industriales biodegradables.
Desventajas:
• Sensibles a factores tales como:
temperatura, variaciones bruscas de carga,
pH.
• Aspecto poco agradable debido a la
acumulación de natas.
• Efluente con alto contenido de materia
orgánica y color, Necesita otro tratamiento.
• Tasas de mortalidad bacteriana muy
reducida.
• posibilidad de malos olores ;
• Limpieza frecuente por la rápida
acumulación de sólidos.
Laguna anaerobia
Parámetros de diseño
Cálculo de la concentración de DBO del efluente en una laguna anaerobia, método
Sudafricano.
Donde:
Se = DBO5 del efluente, en mg/L;
So= DBO5 del afluente, en mg/L;
Kn = Coeficiente de velocidad de remoción, día-1
t= tiempo de retención, en días;
n = Exponente a ser determinado por experimentación.
Período de retención, días
DBO5 remanente, %
Reducción de DBO5, %
0.12
80
20
0.40
70
30
0.71
65
35
1.30
60
40
2.40
55
45
4.70
50
50
9.40
45
55
Fuente: Gloyna , 1971
Datos basados en sistemas mixtos (tanques sépticos, letrinas y lagunas anaerobias, en Zambia Africa), para n=
4.8 y Kn = 6 días a 22°C.
Parámetros de diseño Lagunas anaerobias
Tiempo de retención
se basa en el tiempo necesario para la reproducción de las bacterias anaeróbicas,
normalmente se estable entre 3 a 6 días. Con un tiempo inferior a 3 días puede ocurrir que la
tasa de salida de las bacterias metanogénicas sea menor que su tasa de reproducción y con un
tiempo mayor a 6 días podría funcionar como una laguna facultativa, que no es conveniente
porque la producción de oxígeno es fatal para las bacterias metanogénicas.
Donde :
t = tiempo de retención, en días;
V = volumen de la laguna en m3
Qmed = caudal medio afluente, en m3/d
Tiempos e retención requeridos para lagunas anaerobias
Temperatura media de la
laguna en el mes más frio °C
Tiempo de retención
Inicio de proyecto
Final del proyecto
≤ 20
≥4
≤6
> 20
≥3
≤5
Temperatura
Las reacciones físicas, químicas y bioquímicas que ocurren en las lagunas son muy
influenciadas por la temperatura , este parámetro afecta el metabolismo de las bacterias
responsables de la depuración, así como la solubilidad, transferencia de gases, condiciones de
mezcla y la fermentación del lodo especialmente cuando la temperatura esta por debajo de los
17°C. Una de las condiciones básicas para que exista actividad anaerobia es que la temperatura
sea mayor a 15°C.
Relación entre temperatura, tiempo den lagunas retención hidráulica, y eficiencia
en lagunas anaerobias.
Temperatura, °C
TRH, días
Remoción de DBO, %
10 – 15
4–5
30 – 40
15 – 20
2–3
40 – 50
20 – 25
1- 2
50 – 60
25 - 30
1- 2
60 - 80
Fuente: Yánes , 1992
Area de la laguna Anaerobia
El área puede estimarse mediante la ecuación siguiente:
Donde:
A = área del nivel medio, en m2, Se recomienda sea < 5 ha;
Qmed = caudal medio afluente, en m3/d;
t = período de retención, en días;
h = profundidad útil, en m.
Profundidad de la laguna anaerobia
La profundidad de las lagunas es elevada para garantizar las
condiciones anaerobias, los valores usualmente adoptados se
encuentran en el rango siguiente:
H = 4.0 – 5.0m
Cuando no hay remoción previa de arena, la laguna debe ser
dotada de una profundidad adicional no menor a 0.50m, junto a
la entrada, extendiéndose por lo menos un 25% del área de la
laguna.
Carga orgánica Volumétrica (COV)
El área superficial no es importante en las lagunas anaerobias, pero si la profundidad. Por lo
tanto , las lagunas anaerobias se dimensionan en función de la carga orgánica volumétrica.
La carga a ser adoptada depende de la temperatura, lugares más calientes permiten una
mayor tasa.
El considerar una carga volumétrica es importante especialmente en las
descargas industriales, porque puede variar bastante la relación entre a Caudal y la
concentración de DBO. Aquí el tiempo de retención seria inapropiado. Las tasas más usadas
varían entre 100 – 300 g DDO5/m3.d. cargas mayores podrán adoptarse en desechos líquidos
industriales, si el contenido de sulfatos no excede 100mg/L. La carga orgánica volumétrica se
calcula mediante las ecuaciones siguientes:
1.
2.
Donde:
COV = carga orgánica volumétrica, en g DDO5/m3.d
So = Concentración de DBO5 del afluente , g/m3 (= mg/L )
Qmed = caudal medio afluente, en m3/d;
A = área del nivel medio, en m2;
h = profundidad útil, en m;
t = período de retención, en días.
Volumen útil de la laguna (V)
Donde:
V = volumen de la laguna, en m3 ;
COT = carga orgánica total aplicada (soluble + particulada), en g DDO5/d. ;
COV = Carga orgánica volumétrica, en g DDO5/m3.d.
El Volumen adoptado debe satisfacer los dos criterios (Tiempo de retención y carga
volumétrica.
Eficiencia de remoción de la DBO para lagunas anaerobias
Temperatura media de la laguna en el
mes más frio °C
Eficiencia en la Remoción de DBO
≤ 20
≤ 50
≥ 20
≤ 60
Una vez estimada la eficiencia de remoción (E %), se calcula la concentración del efluente (S) de
la laguna por medio de la ecuación siguiente:
S = Concentración de DBO en el efluente, mg/L
Acumulación de lodos en las lagunas anaerobias
La tasa de acumulación de lodo es del orden de 0.03 a0.04 m3/hab.año (Mendoca 1990). Las
lagunas deben limpiarse obligatoriamente cuando la altura de lodo alcanza aproximadamente la
mitad de la altura útil. Según la investigación de Okley en Honduras se puede usar una tasa de
acumulación de lodos entre 0.224 – 0.548m3/1000m3 y se puede estimar la frecuencia de
limpieza usando la relación siguiente:
Donde:
n = número de años de operación para la limpieza;
FVL = fracción de la laguna ocupada por lodos (se utiliza 0.25 – 0.5);
Va = volumen de la laguna anaerobia, m3;
TAL = tasa de acumulación de lodos, m3/1000m3(se utiliza 0.6 con factor de
seguridad);
Qmed = caudal promedio, m3/d.
Recirculación del efluente Final
La recirculación del efluente de las lagunas facultativas o de maduración a la laguna anaerobia
es una medida para evitarla formación de malos olores, debido a que el efluente recirculado
tiende a permanecer en la superficie de la laguna anaerobia porque tiene una mayor
temperatura. Los gases productores de malos olores como el H2S, son oxidados en esta capa
superficial aerobia. La tasa de recirculación (QR/Q) es del orden de 1/6.
Diseño laguna Anaerobia
Pedro E. Ortiz
Datos
No Descripción
Ejemplo de
diseño
Simbolo
Valor
Unidad
1 Población
P
2 Caudal medio
3 Concentración de DBO5
4 Temperatura
Q
So
T
5 Carga Orgánica volumétrica adoptada
6 Profundidad de laguna
7 Número de Unidades
8 Eficiencia de remoción de DBO5 asumida
9 Relación largo Ancho
COV
h
N
E
RLA
100 gDBO5/m3.d
4.5 m
2 adimensional
50 %
1 adimensional
TAL
FVL
bl
Rt
0.6 m3/1000m3
0.4 adimensional
0.5 m
3 adimensional
10 Tasa de acumulación de lodos
11 Fracción de la laguna ocupada por lodo
12 Bordo Libre
13 Relación Interna taludes
Cálculos
No Carga Orgánica Total
COT =Q*So/1000
20,000 hab.
3,000 m3/d
350 mg/L
23 °C
1050,000 gDBO5/d
10,500 m3
1 Volumen de la laguna
V= COT/COV
2 Volumen unitario de la laguna
3 Tiempo de Retención
4 Concentración de DBO5 en el efluente
Vu = V/N
TRH = V/Q
S =So - So*E/100
5,250 m3
3.5 días
175 mg/L
5 Area media de la laguna
A = Vu/h
1,167 m2
6 Ancho medio de la laguna
7 Largo medio de la laguna
8 Tiempo entre limpieza de la laguna
b = (A/RLA) 0.5
l = R*RLA
n= 1000*FVL*Va/(365*TAL*Qmed)
9 Volumen de lodo a remover
VL = FVL*V
34 m
34 m
6.4 años
4,200 m3
Lagunas facultativas
Son aquellas donde la estabilización de las aguas residuales se lleva a cabo mediante una
combinación de bacterias: aerobias, facultativas y anaerobias. Estas lagunas se excavan en
el terreno y se alimentan con agua residual procedente de un proceso previo de desbaste o
con el efluente de un tratamiento primario.
Los sólidos de gran tamaño sedimentan para formar una capa de fango anaerobio, los
materiales orgánicos sólidos y coloidales se oxidan por la acción de las bacterias aerobias
y facultativas, empleando el oxígeno generado por las abundantes algas presentes en la
superficie.
El dióxido de carbono ( CO2) que se produce en el proceso de oxidación orgánica, sirve
como fuente de carbono para las algas.
La descomposición anaerobia de los sólidos de la capa de fango permite la producción de
compuestos orgánicos disueltos y de gases como el CO2, H2S, CH4 y el NH3 que se oxidan
por las bacterias aerobias o se liberan a la atmósfera.
Reacciones en lagunas facultativas
Microbiologia – Lagunas facultativas
Luz Solar
Fuente Oxidación de
de
compuestos
energía orgánicos e
inorgânicos
Fuente de carbono
CO2
Carbono Orgânico
Fotoautotróficos
Fotoheterotróficos
Quimioautotróficos Quimioheterotróficos
(Compuestos
(Compuestos
inorgánicos)
orgánicos)
Producción de O2 y
manutención de condiciones
aerobias en la laguna
Remoción de compuestos
orgánicos em estado soluble
coloidal y particulado
PHD-2411 Saneamento I
22
Laguna Facultativa
Ventajas
 Satisfactoria remoción de patógenos
 Eficiente remoción de DBO.
 Fácil de construir, mantener y operar.
 No requiere equipamiento.
 Satisfactoria resistencia a las variaciones
de carga.
 Remoción de lodo espaciado entre 10 –
20 años.
Desventajas
 Elevados requisitos de área.
 La simplicidad de operación puede traer un
descuido en el mantenimiento.
 Dificultad de cumplir con la normativa.
 Posible necesidad de remover algas.
 Posible crecimiento de insectos.
 Es afectada por las condiciones climáticas.
 Es afectada por los compuestos tóxicos.
SISTEMAS DE LAGUNAS DE ESTABILIZACION
•Sistema Facultativa primaria
• Sistema Laguna anaerobia + facultativa
24
 Sistema laguna facultativa + maduración
 Sistema laguna Anaerobia + facultativa + maduración
Influencia de las condiciones ambientales
Factor
Influencia
Radiación solar
•
•
•
•
•
Temperatura
Viento
Velocidad de fotosíntesis
Velocidad de fotosíntesis
Tasa de descomposición bacteriana
Solubilidad y transferencia de gases
Condiciones de mezcla
• Condiciones de mezcla
• Reaireación atmosférica
Modelos de régimen hidráulicos
Modelo Hidráulico
Esquema
Características
Flujo Pistón
La partículas entran continuamente en una
extremo del tanque, pasan a través del
mismo y son descargadas en el otro
extremo, en la misma secuencia en que
entran, las partículas conservan su
identidad y permanecen un tiempo igual al
de retención. Se logra en Tanques largos
Mezcla Completa
La partículas que entran en el tanque son
inmediatamente dispersadas en todo el
reactor, el flujo de entrada y salida es
continuo, las partículas dejan el tanque en
proporción a su distribución estadística. Se
obtiene en tanque cuadrados o circulares.
Flujo Disperso
El flujo es arbitrario y se obtiene en un
sistema con un grado de mezcla
intermedio entre flujo pistón y mezcla
completa, en la realidad la mayor parte de
los reactores trabajan así.
Parámetros Generales de diseño,
Lagunas facultativas
 Período de Diseño
Se recomienda usar períodos cortos y estudiar la modulación con implementación por etapas
no mayores de 10 años ni menores de 5 años.
 Caudal de Diseño
Será igual al caudal de aguas servidas domésticas, más el caudal de efluentes industriales
permitidos al sistema de alcantarillado y el caudal medio de infiltración. El caudal de
conexiones ilícitas no se considera por su naturaleza periódica.
 Demanda Biológica de Oxígeno (DBO)
Es el parámetro de contaminación orgánica más ampliamente utilizado. Su determinación esta
relacionada con la medición del oxígeno disuelto que consumen los microorganismos en el
proceso de oxidación bioquímica de la materia orgánica.
Es importante su determinación para el dimensionamiento de la planta, cuando no se cuenta
con datos locales o en un predimensionamiento se puede considerar un valor promedio entre
200 y 300 mg/l .
 Carga Orgánica Total
Es igual al producto del caudal por la concentración de la DBO.
Parámetros Generales de diseño,
Lagunas facultativas
 Número de Unidades
Por facilidades de operación y mantenimiento se recomienda un mínimo de 2 unidades en
paralelo y para lograr mayores eficiencias dos unidades en paralelo
Forma de la laguna
Depende del sitio seleccionado para su ubicación, sin embargo se recomienda para las
primarias la forma cuadrada o ligeramente rectangular( relación 2:1 ) y para las lagunas
secundarias donde el propósito es reducir patógenos es mejor tener lagunas largas con
relación 1: 4.
 Profundidad
Para evitar el crecimiento de plantas acuáticas con raíces en el fondo, la profundidad debe
estar por encima de 1.20 m, la profundidad debe variar entre 1.50 a 2.5 m.
Con poca profundidad debido a las altas temperaturas la capa de fango puede elevarse o
volverse séptica y producir malos olores. Una profundidad mayor reduce el área superficial.
Temperatura de diseño
Las fluctuaciones diarias y las variaciones anuales de la temperatura influyen en los procesos
biológicos, físicos y químicos de las lagunas. Es un parámetro que se relaciona con la
radiación solar y afecta tanto la velocidad de la fotosíntesis como el metabolismo de las
bacterias responsables de la depuración. Esos fenómenos son retardados por las bajas
temperaturas por esos el diseño debe hacerse con las condiciones de temperatura más
adversas.
Por lo tanto para diseño de deberá utilizar la temperatura promedio mensual del agua en el
mes más frio. En caso de no tener datos se puede utilizar la temperatura del aire que es más
fácil de encontrar de la información meteorológica y utilizar para su conversión las
ecuaciones siguientes:
Lugar
Ecuación
r2
Campina Grande Brasil (1978)
Tagua= 10,966 + 0.611 Taire
0.744 Auerswald (1979)
Lima, Perú (1982)
Tagua= 10,443 + 0.688 Taire
0.828 Burgers (1982)
Lima , Perú (1982)
Tagua= 9,336 + 0.780 Taire
0.831 Burgers (1982)
Melipilla Chile (1972)
Tagua= 3,685 + 1.137 Taire
0.970 Vargas y Sánchez (1972)
Melipilla Chile (1982)
Tagua= -0,236 + 1.404 Taire
1.000 Vargas y Sánchez (1972)
Amman, Jordania
Tagua= 2,688 + 0.945 Taire
0.975 Yanez y Pescod (1988)
Referencia
Profundidad de la laguna facultativa
La profundidad de la laguna es un balance entre el volumen y el área requerida,
H=V/A , la tendencia ha sido a usar lagunas poco profundas, con profundidades
variando entre 1.5 – 3.0m.
Aspectos relacionados con la profundidad de la laguna
Seca <1.0m
Profunda > 1.2m
Se pueden comportar totalmente aeróbicas
Menos daño por condiciones ambientales
Area requerida elevada
Menor área requerida
Penetración de la luz total
La camada inferior permanece anaerobia
Máxima producción de algas, pH elevado
Libera subproductos por digestión anaeróbica
Mayor remoción de patógenos
Menor remoción de patógenos
Crecimiento de vegetación emergente
Permiten expansión futura (aireadores)
Afectada por variaciones de temperatura
Mayor H, para almacenamiento de lodo
Tiempo de retención, TRH
El criterio se fundamenta en que el agua residual permanezca el tiempo necesario para que
los microorganismos realicen la estabilización de la materia orgánica presente en la laguna.
Se relaciona por lo tanto con la actividad de las bacterias.
El tiempo requerido varia con las condiciones locales, especialmente con la temperatura ,
Generalmente se adoptan tiempos de detención variando entre 15 y 45 días. Los tiempos
menores se adoptan para lugares donde la temperatura del agua sea más elevada, con esto
se logra reducir el área de la laguna .
Además de eso el TRH requerido es función de la cinética de remoción de DBO y del régimen
hidráulico de la laguna, en lugares con aguas residuales concentradas el tiempo tiende a ser
elevado, El TRH es complementario con el la tasa superficial máxima , e sea que el área y el
volumen obtenidos deben ser coherentes .
El tiempo de retención puede ser usado de las dos formas siguientes:
Se adopta un tiempo de retención y se calcula el volumen (V = t*Q), con el área obtenida
en base a la carga superficial (A = COT/Csa) , se calcula h (h =V/A) para comprobar si se
encuentra en el rango permitido.
Se adopta un valor de h, se calcula el área de laguna con el criterio de la carga superficial ,
posteriormente se calcula el volumen (V = A*h), con el volumen se calcula el tiempo de
retención (t = V/Q) . Con el tiempo se estima la concentración de DBO y si esta no satisface
la normativa , se deberá aumentar el tiempo de retención.
El período mínimo para la eliminación de nematodos deberá ser de 10 días y para la remoción
completa de microorganismos patógenos protozoarios y helmintos de 24 días.
Carga Superficial
Este criterio se fundamenta en la necesidad de tener una determinada área en la laguna
expuesta a la luz solar, para garantizar que el proceso de fotosíntesis ocurra,
consecuentemente se produzca el crecimiento de las algas, que deberán producir una
cantidad de oxígeno suficiente para suplir la demanda, requerida para la estabilización de la
materia orgánica.
La tasa a ser adoptada varia con la temperatura local, latitud, exposición solar y altitud entre
otros. En Brasil por ejemplo se han adoptado las tasas siguientes:
Regiones con invierno caliente y elevada insolación
COS = 240 – 350 kg DBO5/ha.d
Regiones con invierno caliente y moderada insolación
COS = 120 – 240 kg DBO5/ha.d
Regiones con invierno frio y baja insolación
COS = 100 – 180 kg DBO5/ha.d
Autor
Fórmula
Observaciones
Mara (1995)
Ls = 50*1.072T
T = temperatura media del aire,
en °C
Mara y Person (1996)
Ls = 350*(1.107-0.002*T) (T-25)
T = temperatura media del agua
del mes más frio, en °C
Rittman y Mc Carty, 2001
Ls = 69.731806*Rs
Rs = radiación Solar en
kW/m2*d
Carga Superficial Máxima y de Diseño
Es la carga máxima que se puede aplicar a una laguna facultativa sin que se torne anaerobia, ha
sido determinada a través de mediciones de amoníaco y confirmada con mediciones de
clorofila, se expresa en Kg DBO/ha*día. Puede ser estimada por la expresión presentada por
Gloyna (1973) que se indica a continuación.
T  20
Csm  357.4 1.085
Donde:
T = temperatura del agua en
el mes más frio, en °C
Para diseño podemos adoptar un a carga superficial con factor de seguridad un 20 % menos
que el calculado.
Coeficiente de Remoción de DBO (K)
El valor de coeficiente de remoción de DBO (K) fue obtenido por diferentes investigadores en
lagunas existentes en función de la DBO de entrada y de salida el tiempo de retención y el
modelo hidráulico asumido. La mayor parte de los autores asumen el régimen de mezcla
completa por las razones siguientes:
Los cálculos usando el modelo de mezcla completa son más simples;
El dimensionamiento usando el modelo de mezcla completa brinda un factor de
seguridad , ya que este reactor tiene una menor eficiencia.
Los valores más frecuentes adoptados para diseño usando mezcla completa están en el rango
siguiente: K = 0.30 a0.35d-1
Para diferentes temperaturas, el valor de K puede ser corregido a través de la ecuación
siguiente:
Donde:
KT = coeficiente de remoción de DBO a la temperatura T °C del agua, en d-1;
K20 = coeficiente de remoción de DBO a una temperatura del líquido igual a 20°C;
Ɵ = coeficiente de temperatura.
Diferentes valores de Ɵ son propuestos, Para K = 0.35 citado por EPA (1893) se debe adoptar
Ɵ =1.085. para K = 0.30, citado por Silva y Mara (1979), se debe adoptar Ɵ =1.05. Sustituyendo
los últimos valores resulta la siguiente ecuación.
Coeficiente de remoción de DBO, flujo disperso
En la realidad el régimen hidráulico en las lagunas de estabilización, no sigue exactamente los
modelos ideales de Mezcla completa y flujo pistón ,si no el de flujo disperso, que se encuentra
dentro de ambos modelos. Por esta razón es importante conocer el modelo de flujo disperso,
que puede ser utilizado para tener un diseño de lagunas, más realista.
El modelaje de una laguna siguiendo el flujo disperso es más complicado, por el hecho de
necesitar dos parámetros (el coeficiente de remoción de DBO y el número de dispersión),
contrario a los otros modelos que solo necesitan el coeficiente de DBO).
El valor del coeficiente de DBO (K) puede ser obtenido a través de las ecuaciones empíricas
siguientes:
 Arceivala (1981), fórmula original modificada por el autor , expresando la tasa de
aplicación superficial Ls, en términos e DBO5.
 Vidal (1983), fórmula original modificada por el autor , excluyéndose el efecto de la
temperatura y el tiempo de retención.
Ecuación
Ls KgDBO5/ha.d
120
140
160
180
200
Arceivala
K(d-1)
0.128
0.137
0.145
0.152
0,158
Vidal
K(d-1)
0.116
0.120
0.124
0.128
0.132
Coeficiente de dispersión
El número de dispersión , d, caracteriza las condiciones de mezcla en un reactor y puede ser
determinado por la ecuación presentada por Yánez (1988) , que se indica a continuación.
Donde:
d = número de dispersión , adimensional;
L = Longitud de la laguna , en m;
B = ancho de la laguna, en m
Para L/B = 1 (laguna cuadrada) →
Para L/b = 2 (laguna rectangular) →
Para L/B = 3 (laguna rectangular) →
Para L/B = 4 (laguna rectangular) →
d= 0.99362
d = 0.46497
d = 0.31173
d = 0.23566
Remoción de DBO
Aunque la cinética de remoción de DBO sea la misma para los diferentes regímenes hidráulicos,
l a concentración de la DBO en el efluente varia, según la cinética de primer orden, la tasa de
remoción es más elevada cuando la concentración de DBO es más elevada en la laguna.
En función de los diferentes modelos hidráulicos, se tienen para la estimación de la
concentración en el efluente final de DBO soluble las formulas siguientes:
Régimen hidráulico
Flujo Pistón
Mezcla Completa
laguna única
Mescla completa
(lagunas iguales en
serie)
Flujo Disperso
Esquema
Ecuación para la concentración
de DBO5 soluble en el efluente
Correlaciones Empíricas de carga
Donde:
CSa =carga superficial de DBO aplicada en kg/ha.d, calculada con la DBO total del
afluente.
CSr = carga superficial de DBO removida en Kg/ha.d, calculada restando la carga de
DBO soluble del efluente de la carga aplicada, en Kg/ha.d
DBO efluente soluble y particulada
La DBO afluente (So) es tomada como la DBO total (soluble más particulada), debido al hecho
que los sólidos en suspensión orgánicos, responsables por la DBO particulada, serán
convertidos en sólidos disueltos, a través de enzimas lanzadas al medio por las bacterias, así
en principio toda la DBO estaría disponible para las bacterias. En cambio , la DBO total del
efluente es causada por dos fuentes:
 DBO remanente del tratamiento (DBO
soluble)
 DBO causada por los sólidos en
suspensión en el efluente (DBO
particulada),
estos
sólidos
son
predominantemente algas(60 a 90%), que
pueden o no ejercer alguna demanda de
Oxígeno en el cuerpo receptor.
Cada 1mg de algas genera una DBO5 en torno a
0.45 mg, de esta forma , 1mg/L de sólido en
suspensión en el efluente es capaz de generar
una DBO5 en la faja de 0.6x0.45=0.3mg/L a
0.9X0.45 =0.4mg/L.
1mgSS/L = 0.3 – 0.4 mgDBO5/L
Eficiencia en la remoción de DBO
La eficiencia de remoción de DBO en el sistema puede ser calculado con la expresión siguiente:
Donde:
E = eficiencia en remoción de DBO, en %
So = concentración de DBO5 en el afluente, mg/L
S= concentración de DBO soluble en el efluente, mg/L
Cuando las lagunas son en serie y
tienen las mismas características y
volúmenes la eficiencia se puede
calculara de la manera siguiente:
Donde:
En = Eficiencia en el conjunto
E1 = eficiencia en la primer
laguna, en decimales
Carga de coliformes fecales
En caso de no contar con análisis bacteriológicos que indiquen la concentración de Coliformes
Fecales, para el diseño de puede estimar la concentración mediante el procedimiento
siguiente:
a) adoptar una producción de coliformes fecales por habitante igual a 4X1010
b) Calcular la carga de coliformes, multiplicando la producción per cápita de coliformes por
el número de habitantes.
c) Calcular el caudal promedio afluente a la planta, m3/d
d) Obtener la concentración de coliformes en el agua residual bruta
Ejemplo:
Población, P = 20,000hab
Caudal, Q = 3000 m3/d (3.0X103)
Concentración de Coliformes , CF= 4X1010 /d.hab
Carga de coliformes, CCF = PXD = 20,000X4x1010 = 8.0X1014 CF/d
Concentración de Coliformes fecales , CCF = CCF/Q = 8.0X1014/3.0X103 = 2.7X1011 CF/m3
= 2.7x107CF/100ml
Coeficiente de mortalidad bacteriana
El coeficiente de mortalidad del primer orden para coliformes fecales , es muy dependiente de
la temperatura de la reacción y el tipo de laguna, León y Moscoso (1996) reportaron las
siguientes relaciones desarrolladas en los estudios de CEPIS en las lagunas de San Juan, en
lima Perú.
Lagunas Facultativas
Primera laguna de Maduración
Segunda Laguna de Maduración
Para otras temperaturas , Kb puede ser corregido a través de fórmula siguiente:
Recomendad por Yánez =
Donde:
T = temperatura del agua en °C
Kb = 1.1*1.07(T-20)
Cont. D. laguna
Valores de KxT
Coeficiente de mortalidad bacteriana
En un estudio realizado en 33 lagunas facultativas y de maduración en Brasil, por Von Sperling ,
se analizaron los regímenes de mezcla completa y flujo disperso, observándose que para mezcla
completa no existe ninguna relación significativa entre Kb y la profundidad (H) y el tiempo de
retención (t), pero para flujo disperso si existe una relación, tal como se muestra en la ecuación
siguiente:
Para mezcla completa:
Para flujo Pistón
Von Sperling (1999) propuso una ecuación más simple para el número de dispersión , que da
resultados muy parecidos a la ecuación de Yánez, que se indica a continuación
Concentración de coliformes en el efluente
La eliminación de patógenos e indicadores de contaminación fecal , sigue una cinética de
primer orden . De acuerdo con las reacciones de primer orden, la tasa de mortalidad de
patógenos es proporcional a la concentración de patógenos en cualquier momento. Así
cuanto mayor sea la concentración de patógenos , mayor será la tasa de mortalidad.
Régimen hidráulico
Flujo Pistón
Mezcla Completa
laguna única
Mescla completa
(lagunas iguales en
serie)
Flujo Disperso
Esquema
Ecuación para la concentración
de DBO5 soluble en el efluente
Parámetros de
diseño
recomendados
para Honduras
Recomendaciones
para construcción
Dimensionamiento de lagunas facultativas
Area de la Laguna
El área media (A)requerida se calcula con la siguiente ecuación:
Donde:
A = área media de la laguna, en m2
So = concentración de DBO5 en el afluente, en mg/l;
Qmed = Caudal promedio en, m3/d;
Csa= Carga superficial adoptada, KgDBO5/ha.d
El área total requerida , incluyendo los taludes y el área de influencia es cerca del 25 y 33%
mayor que el área liquida calculada a la altura media, según Arceivala (1991).
Volumen de la laguna
Para el calculo del volumen lo más sencillo es adoptar una profundidad (h)de la laguna que
multiplicándolo por el área (A) , da como resultado el volumen, tal como se indica en la
siguiente expresión:
Donde:
V = volumen de la laguna, en m3
A = área media de la laguna, en m2 (se recomienda menor de 15ha)
h = profundidad útil de la laguna, en m
Volumen de la laguna
El volumen de la laguna se puede calcular con la expresión desarrollada por la EPA (1983),
que es realmente la ecuación para el volumen de un prismoide:
Donde:
V = Volumen de la laguna, en m3
h = Profundidad de la laguna, en m
l = largo de la laguna, en m
a = ancho de la laguna, en m
i = Pendiente del talud interior , generalmente de 3/1
Tiempo de retención Hidráulica
El tiempo de retención hidráulica se calcula con la ecuación siguiente:
Donde :
T = tiempo de retención en la laguna, en días
V = Volumen de laguna, m3
Qmed = caudal medio afluente a la laguna, m3/d
Acumulación de lodos en laguna facultativa
La acumulación de lodos en el fondo de la laguna afecta el funcionamiento de la laguna, debido
a que la disminución del volumen reduce el tiempo de retención. La acumulación anual para
el caso de lagunas en Honduras según el estudio realizado por el Dr. Oakley, puede ser
calculada mediante la siguiente ecuación:
Donde:
VL = volumen de lodos producidos anualmente, m3/año
Qmed = caudal promedio, m3/día
SS = sólidos suspendidos en el afluente, mg/L
Frecuencia de Limpieza
La laguna deberá limpiarse cuando el volumen del lodo alcance un veinticinco por ciento (25%),
del volumen total de la laguna, el tiempo estimado de limpieza se obtuvo dividiendo el volumen
equivalente de lodo permitido, entre el volumen de lodo acumulado anualmente.
Donde:
Fl = frecuencia de limpieza, años
V = Volumen de la laguna, m3
Vl = volumen de lodo acumulado, m3/año
Lagunas de Maduración
Introducción
Son frecuentes como tratamiento terciario después de una secuencia de lagunaje anaerobio +
facultativo, con el objeto de mejorar la calidad del efluente principalmente reduciendo la
concentración de patógenos, para lo cual su colocación en serie o con flujo pistón es más
efectiva .
Los factores que intervienen en el proceso son: Sedimentación, escasez de alimento, rayos
ultravioletas, predadores, competencia y toxinas producidas por algunas especies en el medio,
altas temperaturas y valores de pH.
Los principales parámetros de diseño para una carga dada son el régimen hidráulico adoptado y
el tiempo de retención.
El régimen hidráulico tiene una gran eficiencia en la remoción de coliformes, en orden
descendente la eficiencia es la siguiente:
 Flujo pistón
 Lagunas en serie
 Flujo disperso
 Mezcla completa
LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO
Produção
durante o dia
Vento
O2
O2
Mistura e reaeração
Novas células
Esgoto
CO2
NH3, PO4, etc
Algas
O2
CO2
Bactérias
Zona
aeróbia
Novas células
NH3, PO4, etc
Decaimento bacteriano
Células mortas
Microbiologia – Lagunas de maduración
Luz Solar
Fuente Oxidación de
de
compuestos
energia orgánicos e
inorgânicos
Fuente de carbono
CO2
Carbono Orgánico
Fotoautotróficos
Fotoheterotróficos
Quimioautotróficos Quimioheterotróficos
(Compuestos
(Compuestos
inorgánicos)
orgánicos)
Produción de O2 y
mantenimiento de condiciones
aeróbias en la laguna
Remoción de compuestos
orgánicos em estado soluble
coloidal y particulado
Coeficiente de remoción de Coliformes Fecales
Existen varias ecuaciones empíricas para la estimación del coeficiente de remoción de C. Fecal,
sin embargo se siguiere emplear el propuesto por Yánez (1993).
Autor
Slanetz/Marais (1970)
Arceivala (1981)
Sáenz (1992)
IMTA (1992)
Yánez (1993)
Ecuación
Métodos de dimensionamiento
Método basado en el período de retención.
La lagunas de maduración siempre se dimensionan con mamparas o en serie en este
caso todas deben tener las mismas dimensiones. Mara (1976) sugiere una caudal
máximo del efluente de cada serie de lagunas de maduración debe ser menor que
5,000m3/d y preferiblemente menor que 2,500m3/d, Según WHO/EMRO (1987), el
período de retención de las lagunas de maduración varía entre 3 y 10 días para dos o
más lagunas en serie. Para una laguna de maduración el tiempo de retención debe ser
igual o mayor a 5 días.
La cantidad de coliformes fecales (CF) que salen en el efluente de un sistema de
lagunas en serie puede calcularse con la expresión siguiente:
Donde:
N = número de coliformes fecales en el efluente, en CF/100ml;
No = número de coliformes fecales en el afluente, en CF/100ml;
Kb = coeficiente de remoción de coliformes fecales, días-1
t = tiempo de retención en la laguna, en días;
n = número de lagunas de maduración
Diseño, usando el método de flujo disperso
 El número de dispersión se estima adoptando una relación largo ancho (L/W) por medio e la
ecuación propuesta por Yánez.
 El coeficiente de reducción bacteriana, Kb, puede estimarse por medio de la ecuación
siguiente:
Kb = 1.1*1.07(T-20)
 El coeficiente a después de haber establecido el tiempo de retención, t, se estima por medio
de la expresión siguiente:
 La ecuación para estimar la cantidad de coliformes fecales puede simplificarse de d < 0.25,
por la expresión siguiente:
Que puede simplificarse si d< 0.25, en la expresión siguiente:
Parámetros de diseño para lagunas de Maduración
 Carga superficial < 75% de la última laguna facultativa
preferible < 20 Kg DBO h/día
 Profundidad = 0.80 - 1.5 m
 Tiempo de retención = entre 3 - 6 días
 Régimen hidráulico = pistón
 Arreglo del sistema = En serie
 Coeficiente de decaimiento bacteriano, Kb = 0.917*H-0.877* t -0.329
Bables
Lagunas en serie
Regímenes hidráulicos idealizados
Con el fin de obtener una elevada remoción de coliformes, usualmente es requerida y
necesaria la adopción de lagunas en serie o preferible de una laguna con flujo pistón, el cual
se obtiene con números de dispersión (d) abajo de 0.3 y preferiblemente de 0.1, que se
alcanzan cuando la relación largo a ancho (L/B) es superior a 5. para obtener esta relación se
pueden dividir las lagunas con mamparas internas, que pueden ubicarse en forma paralela al
ancho (B) o paralelas al largo (L). Para el calculo de la relación L/B pueden emplearse las
fórmulas siguientes:
Divisiones paralelas al largo B.
Divisiones Paralelas al largo L.
Donde:
L = largo de la laguna
B = ancho de la laguna
n = número de divisiones internas
Remoción de huevos de Helmintos
Los huevos de helmintos se remueven por medio de sedimentación. Normalmente la mayoría se
elimina en la laguna anaerobia o en la facultativa. Se estima que el agua residual domestica
cruda contiene menos de 1,000 huevos de nematodos intestinales húmedos por litro.
Modelo de Ayres
E  100. [1  0,14.e (0,38.t) ]
Eficiência média:
E  100. [1  0,41.e
95% de confiança:
( 0,49.t 0,0085.t 2)
]
Un id a d e s lo g r e m o v id a s
EFICIÊNCIA DE REM O ÇÃO DE O V O S DE HELM INTO S
6 ,0
5 ,0
OMS (irrigación):
< 1 huevo/L
4 ,0
3 ,0
2 ,0
V a lo r e s m é d io s
1 ,0
9 5 % d e c o n f ia n ç a
0 ,0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
T e m p o d e d e te n ção h id r áu lica (d )
24
26
28
30
Lagunas Aireadas
Son empleadas generalmente como primera unidad de un sistema, en casos donde la
disponibilidad de terreno es limitada o para el tratamiento de desechos domésticos con
altas concentraciones y desechos industriales, son muy utilizadas en climas fríos.
El efluente es de buena calidad si se coloca seguidamente una laguna de decantación.
Tipos de lagunas
 Lagunas aireadas de mezcla completa.
 Lagunas aireadas facultativas.
 Laguna facultativa con agitación mecánica.
 Laguna de oxidación aireada.
Los dos primeros tipos de lagunas, deben ser complementadas con lagunas facultativas diseñadas con la
finalidad de tratar el efluente de la laguna primaria, asimilando una gran cantidad de sólidos en
suspensión.
Lagunas aireadas de mezcla completa
En estas lagunas se mantiene la biomasa en suspensión, con un alta densidad de energía instalada( >15
W/m3). Son consideradas como un procesos incipiente de lodos activados sin eliminación y recirculación
de lodos y la presencia de algas no es aparente.
la profundidad en este tipo de lagunas varia entre 3 y 5 m y el período de retención entre 2 y 5 días. Se
recomienda el uso de aireadores de baja velocidad de rotación.
Lagunas aireadas de
mezcla completa y
laguna de decantación
Ventajas
• Construcción, Operación y manutención simples
en comparación con aireación extendida o lodos
activados.
• Menores requisitos de área que todos los sistemas
de lagunas.
• Mayor independencia
climáticas.
de
las
condiciones
Desventajas
• No es eficiente para remover patógenos
• Necesidad de equipamiento
• Requisitos de energía relativamente altos
• Requisitos de área todavía elevados
• Buena eficiencia para remoción de DBO.
• Operación más complicada que en lagunas
anaerobicas y facultativas.
• Satisfactoria resistencia a las variaciones de
carga.
• Necesidad de remover el lodo en forma contínua
o periódica.
• Reducidas posibilidades de malos olores
Parámetros de diseño
Un tiempo de retención mayor de 1 día, para
sedimentación de sólidos en suspensión.
El volumen para acumulación de lodos debe
calcularse separadamente. Los dispositivos de
entrada y salida deben evitar al máximo el
aparecimiento de zonas muertas.
Para evitar el crecimiento de algas, se
recomienda un tiempo de detención menor de
2 días.
En lugares calientes debe tener la posibilidad
de trabajar a nivel variable, de modo de
mantener un tiempo de retención próximo a
un día.
Para el control de olores una altura entre 1 y 2
m de agua debe mantenerse sobre el lodo.
La profundidad de la
normalmente entre 3 y 5 m.
laguna
varia
Se estima que entre el 40 y 60 % de los
sólidos volátiles son degradados cada año en
la lagunas
Remoción de sólidos en
lagunas aireadas
La remoción de sólidos en suspensión de las
lagunas aireadas debe hacerse con
decantación, generalmente se utilizan
lagunas de decantación.
MODULO DE TRATAMIENTO Y USO
100 l/s
(9 ha)
50,000 hab.
ACUICULTURA
(9 ha)
FORRAJES
(24 ha)
4,400 kg/ha
Sin alimentación
suplementaria !!!!
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HORTALIZAS
(17 ha)
FORESTACIÓN
(40 ha)
CEPIS/OPS
Reuso de agua en agricultura, El Zamorano
Plantación de frijoles
Riego de maíz y frijoles
Elaboración de Compost
El agua y su valor como fertilizante son importantes.
• Ahorro fertilizantes
– 225 kg nitrógeno
– 45 kg fósforo
– EUA $ 135/Ha
• Menos tiempo para cosecha
– (hasta 3 cosechas anuales)
• Mejor producción por Hectárea
–
–
–
–
–
–
28%
Trigo
30%
Papa
42%
Algodón
47%
Arroz
200% Tomate
250% Maíz
Potencial de Calentamiento Global
Fuente:
Villareal & Zambrano (2006)