LAGUNAS.DISEOOPERACINYCONTROL

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Lagunas. Diseño, Operación y Control
Book · January 2009
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Carlos Menéndez Gutiérrez
Miguel Ángel Díaz Marrero
Universidad Tecnológica de la Habana, José Antonio Echeverría
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Carlos Menéndez Gutiérrez
Miguel Díaz Marrero
i
INSTITUTO SUPERIOR POLITÉCNICO
JOSÉ ANTONIO ECHEVERRÍA
LAGUNAS
DISEÑO, OPERACIÓN Y CONTROL
Carlos Menéndez Gutiérrez
Miguel Díaz Marrero
Octubre 2006
iii
Los autores
Carlos L. Menéndez Gutiérrez
Graduado de Ingeniero Químico en la Universidad de la Habana y de
Especialista en Saneamiento Ambiental en el Centro Nacional de
Investigaciones Científicas de Cuba. Obtuvo el título de Doctor en
Ciencias Técnicas en el Instituto de Tecnología Química de Praga.
Profesor del Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría,
Cuba. Ha impartido cursos en otras universidades cubanas y
latinoamericanas. Coordinador de la Maestría en Ingeniería Ambiental.
Miembro del Comité Doctoral del Instituto Tecnológico de Toluca,
México. Profesor Adjunto de la Universidad de Guelph, Canadá.
Miembro de varias sociedades científicas. Es autor de libros y artículos
técnicos.
Miguel Díaz Marrero
Graduado de Ingeniero Químico en la Universidad de la Habana
Especialista de Análisis de Procesos y Máster en Ingeniería en
Saneamiento Ambiental . Es coautor del Libro “Evaluación Ambiental
del Municipio Marianao“ publicado bajo el auspicio del Proyecto Habana
Ecópolis . Coordinador Ejecutivo de la Maestría en Ingeniería Ambiental.
Ha brindado asesoría en el campo del tratamiento de aguas residuales al
sector industrial del país. Es autor de artículos técnicos y Monografías.
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
Indice
Introducción
1. Lagunas de estabilización
1.1 Lagunas Aerobias
1.2 Lagunas anaerobias
1.3 Lagunas Facultativas
2. Simbiosis Algas – Bacterias en lagunas
3. Régimen de flujo en las Lagunas
4. Lagunas en serie y paralelo
5. Criterios de diseño y/o evaluación de las lagunas
facultativas.
5.1 Modelo de Hermann y Gloyna
5.2 Método racional. Marais y Shaw
5.3 Modelo de Thirumurthi (Flujo disperso)
5.4 Modelo de Vicent
5.5Método de diseño basado en la Carga Orgánica Superficial
(BA) combinado con la ecuación de Marais
6. Relación área: volumen para las lagunas
7. Algunos de los aspectos a tener en cuenta en el diseño de
lagunas de estabilización.
7.1 Geometría de la laguna
7.2 Diseño y ubicación de las estructuras de entrada y salida
7.3 Diseño y mantenimiento de los taludes
7.4 Dispositivos de distribución de flujo
7.5 Balance hídrico
8 Algunos criterios para la operación y mantenimiento de
lagunas de estabilización.
8.1 Lagunas anaerobias
8.2 Lagunas facultativas
9 Lagunas aireadas
9.1 Introducción
9.2 Lagunas aerobias
9.3 Lagunas facultativas
9.4 Implemento para la aireación de las lagunas aireadas
9.5 Diseño de lagunas aireadas
10 Operación y mantenimiento
10.1 Introducción
Página
3
3
4
5
6
7
9
10
10
11
12
18
24
25
27
31
31
32
32
33
33
35
35
37
40
40
41
44
45
53
67
67
1
Menéndez, C y M. Díaz
10.2 Expediente de la instalación de tratamiento
10.3 Operación y mantenimiento
10.4 Control operativo de las lagunas: inspección diaria
10.5 Determinaciones analíticas en lagunas
Anexo 1 Conservación de las muestras
Anexo 2 Presión de vapor del agua a distintas temperaturas
Algunas equivalencias de interés
Glosario
Simbología
Bibliografía
2
68
70
78
81
101
103
103
103
109
111
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
INTRODUCCIÓN
El empleo de lagunas de oxidación para el tratamiento de aguas
residuales que contengan compuestos orgánicos biodegradables es una
práctica común, fundamentalmente en países de zonas tropicales y
subtropicales. Cuba no es una excepción.
El término de lagunas es empleado para designar aquellos dispositivos de
tratamiento que se basan únicamente en procesos de autopurificación, a
diferencia de las llamadas lagunas aireadas, que hacen uso de la aireación
artificial.
Figura 1. Vista de una planta de tratamiento de aguas residuales
mediante lagunas
1. LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN.
El empleo de lagunas de estabilización para el tratamiento de aguas
residuales que contengan compuestos orgánicos biodegradables está muy
difundido.
Las lagunas son estructuras simples de fácil operación y mantenimiento
que se basan en el proceso de autopurificación. Generalmente están
constituidas por embalses naturales o artificiales, en tierra, expuestos al
aire y al sol, por lo que las condiciones climáticas influyen
significativamente en el funcionamiento de este dispositivo de
3
Menéndez, C y M. Díaz
tratamiento. Por esta razón el diseño de las lagunas es posiblemente, de
todos los procesos de tratamiento biológico, el menos definido.
Las lagunas de estabilización como elemento depurador de aguas
residuales, comenzó de forma casual. A los ingenieros y científicos les
parecía imposible que en una estructura tan simple, como era una
excavación donde se retenían las aguas residuales por varios días, bajo
las condiciones ambientales existentes, se llevaran a cabo procesos de
depuración tan eficientes.
Las lagunas de estabilización son utilizadas desde la década del 50 en las
regiones de América para el tratamiento de aguas residuales, tanto de
origen doméstico, como industriales. En Cuba su uso comenzó a
difundirse en a partir de la segunda mitad de la década de los años 50 del
siglo pasado y se estima que a finales de 1993 existían unas 2 500
funcionando a lo largo de todo el país.
Las lagunas de estabilización pueden ser consideradas como un reactor
horizontal de flujo disperso, aunque en ocasiones se asumen modelos de
flujo ideal (mezcla completa ó flujo pistón) y donde ocurren diversos
procesos a través de los cuales se produce la remoción de la materia
orgánica y microorganismos patógenos.
De acuerdo a la naturaleza de la actividad biológica que tiene lugar en la
misma,
y por tanto al metabolismo que prevalece durante su
funcionamiento, las lagunas de estabilización se clasifican en:
•
•
•
Aerobias
Anaerobias
Facultativas
1.1 Lagunas Aerobias
Bajo esta denominación se incluyen aquellas lagunas en las que la
materia biodegradable, suspendida y disuelta, es estabilizada por la
acción de microorganismos aerobios. El oxígeno es suministrado por la
acción fotosintética de las algas y por el oxígeno que se difunde del aire.
Debido a que la luz solar es esencial para la producción de oxígeno
4
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
mediante algas, la profundidad de estas lagunas está limitada de acuerdo
con la penetración de la luz, y normalmente es menor de 50 cm.
Los principales procesos que ocurren durante la estabilización en este
tipo de lagunas son:
degradación aerobia
6 C 6H12O 6 + 16 O 2 + 4NH3 → 4 C 5H7NO 2 + 16CO 2 + 28 H2 O
...1
a su vez, las algas sintetizan materia orgánica que se incorpora a su
propio protoplasma.
fotosíntesis
NH3 + 8 CO 2 + 4,5 H2O → C8H12O 3N + 8,75 O 2
...2
nitrificación
N org
→ NH3 → NO 2
→ NO 3
...3
Aunque estas lagunas admiten cargas de DBO relativamente altas,
especialmente en los países de clima tropical, su poca profundidad hace
que se requieran grandes áreas para su construcción y hoy día tienen un
uso muy limitado.
1.2 Lagunas Anaerobias
Las lagunas anaerobias se utilizan normalmente como primera fase en el
tratamiento de aguas residuales urbanas o industriales con alto contenido
en materia orgánica biodegradable. El objetivo primordial de estas
lagunas es la reducción de contenido en sólidos y materia orgánica del
agua residual, y no la obtención de un efluente de alta calidad. Por esta
razón, las lagunas anaerobias operan en serie con lagunas facultativas.
Generalmente se utiliza un sistema compuesto por al menos una laguna
de cada tipo en serie, para asegurar que el efluente final de la planta
depuradora va a poseer una calidad adecuada durante todo el año.
En las lagunas de este tipo la materia orgánica es estabilizada mediante
un mecanismo similar al que existe en los tanques de digestión anaerobia
5
Menéndez, C y M. Díaz
(formación de ácidos orgánicos y de metano). En las condiciones de
climas tropicales la carga de las lagunas anarobias puede variar entre 60
y 300 g DBO m-2 d-1. La profundidad está limitada por elementos
prácticos: nivel freático, tipo de suelo y facilidades para la limpieza
eventual de los lodos o fangos que se depositan en el fondo con el
transcurso del tiempo.
Las ecuaciones simplificadas que representan los procesos que tienen
lugar en una laguna anaeróbica son:
( CH2O) X → X . HCH3COO
...4
→
...5
2
HCH3COO
N − org
CH4 + CO2
→ NH +
4
...6
1.3 Lagunas Facultativas
En las lagunas facultativas se distinguen dos zonas de trabajo bien
diferenciadas: una región aerobia en la superficie y cercana a ésta y una
región anaerobia en el fondo. Entre ambas existe una zona, no muy bien
delimitada, facultativa. Figura 2.
La carga orgánica de estas lagunas para países tropicales puede oscilar
entre 20 y 35 g m-2 d-1 con profundidades entre 1,5 y 2,5 m.
Por lo general, una fracción de la materia orgánica contaminante que
llega a la laguna es sedimentable, lo que origina la capa anaeróbica en el
fondo.
Las lagunas facultativas operan correctamente aún cuando todo su
volumen no se encuentre oxigenado.
La radiación solar puede ser un elemento limitante en la operación
adecuada de este tipo de lagunas. Según Thirumurthi se requiere un
mínimo de 4 cal cm-2 d -1 por cada g de DBO aplicado m-2 d-1,
6
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
Eckenfelder sitúa este valor en 9 cal cm-2 d-1, mientras que Ildeu Duarte
da el valor de 6 cal cm-2 d-1.
No toda la energía solar que llega a la laguna es utilizada. Después de un
cierto valor de intensidad de luz donde las algas se saturan, el resto no es
utilizada excepto para elevar y mantener la temperatura. Así, por
ejemplo, el valor de saturación estimado para un cierto tipo de clorella es
de 60 cal cm-2 d-1.
Figura 2. Esquema de los mecanismos asociados a la depuración en
lagunas facultativas
En Cuba, los meses de menor radiación son diciembre y enero, con un
valor mínimo calculado como un promedio de 4 años de 250 cal cm-2 d-1
Esta es una de las razones de las excelentes condiciones de los países
tropicales para el funcionamiento de las lagunas facultativas.
2. Simbiosis Algas – Bacterias en lagunas
La simbiosis alga-bacteria está presente tanto en las lagunas aerobias
como en las facultativas.
En las lagunas, las algas pueden constituir un elemento importante
porque producen oxígeno a través del mecanismo de la fotosíntesis. Este
oxígeno es utilizado por las bacterias en su proceso metabólico, que a su
vez producen CO2, que es consumido por las algas.
7
Menéndez, C y M. Díaz
Figura 3. Simbiosis alga-bacteria
Debido a que la intensidad de la luz varía a lo largo del día y en el
transcurso del año, la producción de oxígeno, así como velocidad de
crecimiento de las algas, varían también de la misma forma. Figura 4.
Figura 4. Variación diaria de oxígeno y pH. Tanto el pH como el
oxígeno disuelto están sujetos a variaciones horarias que
se relacionan con la energía luminosa incidente
8
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
Este fenómeno da lugar a dos efectos fundamentales: el oxigeno disuelto
y el pH del agua presentan valores mínimos al final de la noche, y
aumentan durante las horas de luz solar hasta alcanzar valores máximos a
media tarde. A partir de este punto los valores decrecen de nuevo a lo
largo de la noche.
La cantidad de oxígeno producido por las algas puede determinarse
mediante la ecuación de Oswald,
Op = 0,25 FIL
…7
donde:
Op: oxígeno producido por las algas (kg. O2 / ha.d )
F : rendimiento de la conversión de la luz ( % )
IL : radiación solar incidente sobre la laguna ( cal / cm2. d) (Langley / d)
F : Se supone normalmente que tiene un valor de 4%. Si F = 4 se tiene:
Op = IL
…8
El valor de IL depende de varios factores tales como la localización
geográfica (latitud), la estación del año, la elevación y las condiciones
meteorológicas medias de la región.
3. Régimen de flujo en las lagunas
Uno de los aspectos más controvertidos en las lagunas es el del régimen
de flujo que prevalece en las mismas. Se reconocen varios modelos:
a) mezcla completa
b) flujo a pistón
c) flujo disperso
Los dos primeros modelos describen condiciones de flujo extremas e
ideales. El tercero, una intermedia entre ambas, se ajusta a las
condiciones de flujo que realmente prevalecen en las lagunas. No
obstante, condiciones muy cercanas al comportamiento de flujo de pistón
9
Menéndez, C y M. Díaz
o tubular se han encontrado en lagunas con una relación largo ancho
mayor de 3:1.
4. Lagunas en serie y paralelo
El mayor argumento para la construcción de una laguna grande está
relacionado con el beneficio que ocasionan los vientos. Sin embargo, hoy
se reconoce el beneficio de las baterías de lagunas, sean en serie o en
paralelo.
En serie:
•mejora la calidad bacteriológica del agua
•se obtiene mayor economía del área
En paralelo:
• no mejora la calidad del efluente pero trae ventajas en su operación
• mejor para la arrancada de las lagunas el tener lagunas más
pequeñas, ya que se llenan más rápido.
• mayor facilidad para la limpieza
5. Criterios de diseño y/o evaluación de las lagunas facultativas
Existen diversos criterios acerca de la selección del método más
apropiado para el diseño y/o evaluación de lagunas. Algunos autores
plantean, no sin razón, que ninguno de los métodos disponibles es
totalmente confiable, pues las condiciones climáticas y ambientales
pueden dar al traste con cualquier diseño. Es por ello que se recomienda
que el diseño de lagunas deba realizarse cada caso, sobre la base de la
experiencia local o la experimentación a escala piloto y que no siempre
es posible una generalización.
Por otra parte existen métodos de diseño que tratan de solucionar la
problemática planteada incluyendo algunas características climáticas
tales como temperatura y radiación solar.
En general una laguna puede considerarse como un reactor biológico, en
el que deben combinarse las leyes básicas de la hidráulica y los métodos
10
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
de diseño de reactores químicos, para que sea capaz de describir el
transporte y remoción de la masa contaminante, asumiendo flujo
continuo ó discontinuo. Los procesos biológicos dentro de la laguna son
más continuos que discontinuos, por lo que la consideración de la laguna
como un reactor a flujo continuo es un enfoque más realista y de ahí su
mayor aplicación.
5.1 Modelo de Hermann y Gloyna
Uno de los primeros modelos que describen el comportamiento de las
lagunas en la remoción de compuestos orgánicos fue desarrollado por
Hermann y Gloyna y se basa en la dependencia que tiene el tiempo de
retención de la temperatura. Así plantea que si t0 es el tiempo inicial y T0
la temperatura inicial, siendo T la temperatura final y tT el tiempo de
reacción para T, se tiene:
t
T =θ T -T
0 0
t
0
…9
Hermann y Gloyna realizando una serie de experimentos y concluyeron
que, para obtener una reducción entre un 80 y 90% de la DBO a partir de
un afluente de DBO = 200 mg/L se hace necesario:
a) tiempo de retención de 7 días
b) temperatura de 35 0C
c) considerar θ0 =1.085 para aguas residuales domésticas
Teniendo en cuenta todo lo anterior, la ecuación 9 se transforma:
tT
= 1.085 35 - T
7
…10
El tiempo de retención en días necesarios para una reducción entre el 80
y el 90% de un afluente cualquiera de aguas domésticas de concentración
So será por lo tanto:
t=
So
7So
35 - T
t =
* 1.085
200 T
200
…11
11
Menéndez, C y M. Díaz
t=
V
Q
…12
sustituyendo 12 en 11,
V = 3,5 .10 − 2 Q So 1,085
35 − T
…
13
donde:
V : Volumen de la laguna (m3 )
Q : Flujo de alimentación (m3 d-1 )
S0: DBO afluente (mg L-1 )
T : Temperatura promedio del mes más frío en 0C
Este modelo presupone la existencia de mezcla completa y la principal
objeción para su uso es que resultan instalaciones de estanque único, con
grandes requerimientos de área en comparación con otros métodos.
5.2 Método racional. Marais y Shaw
Marais y Shaw basan su método de diseño en la suposición de que se
logra una mezcla instantánea entre el afluente y el volumen total de la
laguna. Esta suposición se basa en los grandes volúmenes que
generalmente tienen las lagunas, el relativo alto tiempo de retención, y el
efecto de mezcla proporcionado por las brisas. De esta forma, haciendo
un balance de DBO alrededor de la laguna en estado estacionario (Figura
5), se obtiene que :
Qo So - Qo S + V
dS
=0
dt
…14
Qo, So
Qo, S
V
Figura 5. Esquema para el balance de DBO en una laguna completamente
mezclada
12
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
asumiendo una cinética de remoción de primer orden con respecto a la
DBO,
dS
=
dt
…15
kS
sustituyendo 15 en 14 y transformando se obtiene,
S
1
=
So 1 + k θ
...16
donde:
S : DBO efluente (mg L-1 )
So: DBO afluente (mg L-1 )
k : Constante de la reacción de primer orden (constante cinética) (d-1 )
θ : Tiempo de retención hidráulico (d)
Un aspecto importante en la utilización de este modelo lo constituye el
conocimiento del valor de la constante cinética del sistema (k) la cual
depende de la naturaleza del residual que se tratará en la laguna y de las
condiciones ambiéntales, especialmente de la temperatura.
Un criterio conservador recomendado cuando no se conoce el verdadero
valor de la constante k, es el considerar su valor como 0.17d-1.
Tabla 1. Valores de k a diversas temperaturas para aguas albañales
T (ºC)
k (d-1)
15
0.24
20
0.35
25
0.53
30
0.80
35
1.2
En la tabla 2 se aprecia que para altas temperaturas un aumento del
tiempo de retención, después de cierto límite, influye poco en la
eficiencia.
13
Menéndez, C y M. Díaz
Tabla 2. Eficiencia de remoción teóricos de DBO para distintos tiempos
de retención y valores de k (según la temperatura)
VALORES DE k (d-1)
t(d)
0.24
0.35
0.53
0.80
1.2
_________________________________________
7
62.7
71.0
78.7
84.8
89.4
10
70.6
77.8
84.1
88.9
92.3
15
78.2
84.0
88.8
92.3
94.7
20
82.7
87.5
91.4
94.1
96.0
30
87.8
91.3
94.1
96.0
97.3
40
90.6
93.3
95.5
97.0
98.0
En la práctica no deben esperarse estas relativas altas eficiencias, ya que
las condiciones ideales para la que se estimaron presuponen:
•mezcla instantánea y completa del afluente en el volumen de la
laguna
•pocos sólidos sedimentables
•pequeñas variaciones de temperatura
•predominio de condiciones aerobias
•baja DBO en el fondo
Marais recomienda asumir el valor de k = 0.17, debido a que para
tiempos de retención de hasta de 40 días, este valor corresponde a
reducciones de la DBO inferiores a las observadas experimentalmente en
lagunas primarias, brindando por tanto un diseño conservador.
La relación de las constantes de degradación a distintas temperaturas es
igual a la relación de los tiempos de retención
k 35 θ T
= φ35 - T
=
θ35
kT
14
…17
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
Cálculo de la constante de velocidad de reacción
El valor de esta constante se puede determinar:
a) Por la experiencias con lagunas que operen con residuales y
condiciones ambientales similares a las que tenga el proyectista o que
se puedan obtener por la literatura.
b) A través de la determinación experimental
La ecuación 16 puede escribirse:
So
= 1+ k θ
S
…18
So / S
3
2,5
2
1,5
k
1
0,5
0
0
5
10
tiempo de retención, d
Figura 6. Determinación experimental de la constante de remoción
Para determinar esta constante experimentalmente se requiere realizar
pruebas con el residual que se quiere tratar, en una
laguna a escala de laboratorio, utilizando 3 ó más tiempos de retención
hidráulicos.
15
Menéndez, C y M. Díaz
Al graficar So/S en función del tiempo de retención (ecuación 18), se
obtiene el valor de la constante k de la pendiente de la recta que se
genera. (Figura 6)
Ejemplo 1
Pruebas realizadas a 20 ºC en una laguna piloto arrojaron los resultados
que se ofrecen en la tabla. Determinar el valor de la constante de la
reacción de primer orden del modelo de Marais.
S0 (mg/L)
219
268
260
262
Θ (d)
2,5
5
7
10
Se (mg/L)
103
95
65
53
ecuación de Marais,
Se
1
=
, de donde
S0 1 + kθ
S0
= 1 + kθ
Se
Reordenando la información brindada por la tabla original,
S0/Se
θ
2,136
2,5
2,821
5
4,0
7
4,943
10
Graficando S0/Se vs θ
S0/Se
6
y = 0.3888x + 1
4
2
0
0
4
8
tiempo de retención, d
16
12
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
Por lo tanto, la k 20 ºC = 0,39 d-1
Si se tiene un conjunto de lagunas en serie como en el esquema de la
figura 7 :
Qo,So
Qo,Sn
L1
L2
Ln
Figura 7. Esquema de n lagunas en serie
la ecuación de Marais puede representarse según,
Sn =
S0
(1+ k 1 θ 1 )(1+ k 2 θ 2 ).... (1+ kn θ n )
…19
Considerando tiempos de retención iguales en todas las lagunas y
asumiendo que k es también la misma en todas ellas, la ecuación 19
puede escribirse:
Se =
So
(1 + kθ) n
…20
Es importante en este análisis destacar que en la situación de lagunas en
serie el valor de k, no es realmente igual para todas las lagunas de la
serie, pues la característica de los componentes y microorganismos que
se degradan van variando de una laguna a la otra. Mientras que en la
primera se produce la remoción de las sustancias que más fácil se
degradan, a medida que se va avanzando en la serie van quedando los
elementos más difícil de
17
Menéndez, C y M. Díaz
degradar y por lo tanto a la primera laguna le corresponde un valor mayor
de la constante que a la que le sigue y así sucesivamente. De aquí que
este valor de k debe ser estimado en función de criterios experimentales
de sistemas de lagunas en series y no tomarse valores ya preestablecidos
en la literatura en condiciones que no son las del diseño que se pretende
realizar.
5.3 Modelo de Thirumurthi (Flujo disperso)
La hipótesis de flujo disperso introducida por Thirumurthi, recomienda el
empleo de las ecuaciones desarrolladas inicialmente por Wehner y
Wilhem para reactores químicos.
Thirumurthi recomienda el empleo de cualquiera de las dos siguientes
expresiones en las que se ha respetado la simbología original:
EXACTA
⎛ 1⎞
4a exp ⎜ ⎟
Ce
⎝ 2d ⎠
=
Ci
(1 + a)2 ⎛⎜⎜ exp ⎛⎜ a ⎞⎟ ⎞⎟⎟ − (1 − a)2 exp ⎡⎢ − a ⎤⎥
⎝ 2d ⎠ ⎠
⎣ 2d ⎦
⎝
[
]
[
]
... 21
MODIFICADA
Ce
=
Ci
1− a
2d
(1 + a ) 2
4 a exp
22
donde:
a = 1+ 4 k θ d
23
D Dθ
=
UL L2
…24
y
d=
18
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
D: coeficiente dispersión axial (m 2 h -1 )
d: número de dispersión ( d = 0, flujo pistón, d = ∞ mezcla completa)
θ: tiempo de retención d
k: constante de remoción d-1
U: velocidad fluido m h-1
L: longitud de la trayectoria (entrada - salida)
El método se fundamenta en considerar la constante k como la clave del
diseño.
k =k
S
C
TE
C C
0 TOX
25
k S : constante de velocidad de depuración
ks promedio = 0.057 , considerando como temperatura de referencia 20
ºC
factor de corrección por temperatura
C TE:
factor de corrección por carga orgánica
CO:
factor de corrección por presencia de sustancias tóxicas
CTOX:
Las correcciones por los diferentes factores se realizan según se ilustra a
continuación.
C
TE
=φ
T − 20
…26
donde T es la temperatura del mes más frío
Algunos de los valores de θ recomendados son,
Hermann y Gloyna
Suwanakarn
Otros
φ =1.072
φ =1.036
φ =1.085
⎛ 0,083 ⎞
6
⎟⎟ .log ⎛⎜ ⎞⎟
C 0 = 1 − ⎜⎜
... 27
⎝L⎠
⎝ kS ⎠
L: carga orgánica de referencia o estándar de 6 g m -2 d –1.
19
Menéndez, C y M. Díaz
El valor de 6 g m-2 d-1 es la carga orgánica estándar propuesta por el
autor. Como se aprecia, este valor de carga es mucho más bajo que la que
parece debe ser recomendada en nuestras condiciones climáticas para
lagunas facultativas (aproximadamente de 35 g m-2 d-1 )
CTOX
Si no hay residuales industriales CTOX = 1
A modo de ejemplificación, en la tabla 3 se resumen algunos de los
factores de corrección por toxicidad.
Tabla 3. Valores de CTox de algunos compuestos
Compuesto
Concentración
en el afluente
(mg/L)
Valor sugerido
de CTOX
Ácido
etanoico
Ácido
propanoico
Ácido
hexanoico
1butanol
270
180
200
300
4 000
1,6
2,65
1,3
5,0
2,0
Para facilitar el empleo de la ecuación exacta, Thirumurthi desarrolló un
gráfico de kS θ en función de la relación C/Co a distintas condiciones de
dispersión “d”. (figura 8)
De esta figura se concluye que para aproximarse a las condiciones de
mezcla completa, el número de dispersión debe ser aproximadamente
igual a 5. Sin embargo, en las lagunas el número de dispersión “d” raras
veces sobrepasa el valor de 1.0.
Dawkins (1963) destaca que el valor del coeficiente de dispersión axial,
D, o el número de dispersión, “d”, pueden correlacionarse con formas
geométricas y propiedades del fluido.
20
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
D
expresa la importancia que para las características
UL
de la dispersión del flujo a través de la laguna tiene la relación entre la
longitud y el ancho de la misma ( L / W ).
La ecuación d =
Figura 8 Gráfico para la estimación de kS.θ en función de la remoción y
el número de dispersión
La eficiencia hidráulica de la laguna se incrementa en la medida de que la
relación L / W aumenta o el número de dispersión decrece.
Según Arceivala, generalmente en las lagunas el número de dispersión
toma un valor aproximado entre 0.2 - 4.0. La ecuación modificada puede
utilizarse sin mucho error cuando d<2.0
Uno de los problemas que presenta este modelo es la determinación del
factor de dispersión d. El mismo puede
21
Menéndez, C y M. Díaz
determinarse en el caso de lagunas ya existente a través de pruebas con
trazadores.
En los últimos años se han desarrollado muchos trabajos encaminados a
predecir el número de dispersión de una laguna sin necesidad de acudir al
empleo de trazadores. Uno de estos trabajos es el de Polprasert.
Polprasert presenta 3 ecuaciones diferentes para calcular el número de
dispersión “d”. La mejor parece ser:
0,489
(W )1,511
0,184 [ θ . v ( W + 2 Z )]
d=
(L . Z) 1,489
…28
Z: profundidad de la laguna
v: viscosidad cinemática = viscosidad / densidad
L : longitud de la laguna
W : ancho de la laguna
Sáenz ha transformado la ecuación 28 para expresar la viscosidad
cinemática en términos de la temperatura del agua (T) en oC.
0,489 ,.511
1,158 [θ (W + 2Z )]
W
d=
(T + 42.5 )0,734 (L.Z ) 1,489
.. 29
Por otro lado, Arceivala plantea una relación empírica entre el coeficiente
de dispersión axial (D) y el ancho de la laguna (W):
Para W>30m
con bafles D = 33 w
sin bafles D = 16.7 w
Para W<10m
con bafles D = 11 w2
in bafles D = 2 w2
Otros autores han llegado a expresiones para el cálculo de “d” basadas en
resultados experimentales y en correlaciones halladas, como es el caso de
Yanez
22
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
Cossío que con los datos obtenidos desarrolló la siguiente expresión con
un coeficiente de correlación de 0.99954
d=
B
…30
0,26118 + 0,25392 .B + 1,1368. .B 2
donde B es la relación largo / ancho.
Más recientemente Saenz, conjuntamente con un grupo de especialistas
de CEPIS, ha recomendado la introducción de tres nuevos términos en la
ecuación originalmente formulada por Thirumurthi. Estos son:
HCF: factor de corrección hidráulico vinculado al tiempo de retención
real.
SCF: factor que considera las características de la sedimentación, referida
a carga de DBO5 sedimentable.
IAF: factor de DBO intrínseco, que considera la influencia de la DBO
producida por las algas
La ecuación 22 se modifica al incluir dichos términos quedando:
1− a
m
2d
4a e
S
IAF
= m
+
So(SCF)
SCF
1+ a 2
m
(
)
am = 1 + 4 k θm d
θ
m
= HCF
V
Q
…31
…32
…33
23
Menéndez, C y M. Díaz
Como puede verse la medición o estimación a través de cálculos del
número de dispersión “d” es una de las mayores limitaciones para la
aplicación del modelo de flujo disperso y la consideración de los nuevos
términos (HCF, IAF y SCF) introducen nuevas complejidades al
procedimiento de diseño, aunque le confieren mayor rigor técnico y
flexibilidad en el ajuste.
5.4 Modelo de Vicent
Para el diseño de lagunas anaerobias, la literatura reporta el modelo de
Vicent, correlación sudafricana de mucha similitud con el modelo de
Marais y Shaw:
S
=
So
1
n
⎛ S ⎞
1 + K⎜
⎟ θ
⎝ So ⎠
…34
K: constante de reacción ( d-1 )
n: constante adimensional
Para elevaciones moderadas (menos de 1000 m sobre el nivel del mar) y
temperaturas cercanas a 220C se ha utilizado un valor de K = 6 d-1 y de n
= 4,8. La geometría del estanque suele ser con una relación largo / ancho
no mayor de 1,5.
La ecuación de Vicent considera mezcla completa y puede modificarse
considerando el factor
n
⎛ S ⎞
K⎜
⎟ = k´
⎝ So ⎠
…35
donde k ’ es la constante global anaerobia de remoción de la DBO.
Sustituyendo la ecuación 35 en 34:
24
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
S
1
=
So 1+ k′θ
…36
La ecuación 36 es similar a la expresión desarrollada por Marais, para los
sistemas que presentan mezcla completa.
5.5 Método de diseño basado en la Carga Orgánica Superficial (BA)
combinado con la ecuación de Marais
Teniendo en cuenta lo que se señala anteriormente con respecto a la toma
de criterios prácticos y la importancia de la experimentación, un
procedimiento muy empleado cuando se necesita determinar las
dimensiones de una laguna, es el método de las cargas. Este método se
basa en asumir la carga orgánica superficial con que se desea que trabaje
la laguna.
B
A
=
So Qo - 3
10
A
…37
donde:
BA: Carga Orgánica Superficial ( kg. de DBO.m-2d-1 )
A : Área superficial de laguna (m2 )
So: Concentración del afluente (mg. L-1)
Qo: Flujo que entra a la laguna (m3..d-1 )
Este valor de carga orgánica puede tomarse de la experiencia práctica de
lagunas que ya operan en la región o a través de algunas de las siguientes
expresiones desarrolladas en función de la temperatura, en todos los
casos º C.
La ecuación de McGarry y Pescod que fue desarrollada para las cargas
máximas permitidas:
BA = 60,3 (1,099 )T
(kg ha-1d-1)
…38
25
Menéndez, C y M. Díaz
Sin embargo las lagunas no deben diseñarse para trabajar con la carga
máxima permitida, por lo que se han desarrollado otras ecuaciones de
diseño, entre los que se tienen:
• Mara ( 1976 )
BA = 20T - 120
(kg ha-1d-1)
…39
• Arthur ( 1983 )
BA = 20T - 60
(kg ha-1d-1)
…40
• Mara y Pearson ( 1987 )
1. Para T < 10 o C
BA = 100
(kg ha-1d-1)
…41
2. Para 10 < T < 20
BA = 10 T
(kg ha-1d-1)
…42
3. Para T > 20
BA = 50 (1,072 )T
(kg ha-1d-1)
... 43
• Mara ( 1987 ) Desarrolló la ecuación general
BA = 350 (1,107 - 0,002T )T - 25
(kg ha-1d-1)
… 44
Resultados de experiencias prácticas sugieren los siguientes valores de
carga orgánica según la temperatura:
1. Para T = 10 o C
BA = 100 kg. ha-1 d-1 (Experiencia en Europa )
2. Para T = 25 o C
BA = 350
kg. ha-1 d-1 (Experiencia en el
Noreste del Brasil)
3. Para T = 35 o C
BA =500
kg. ha-1 d-1
(Límite superior
arbitrario )
Esta última es la expresión más empleada, cuando se quiere estimar la
carga orgánica superficial con que debe operar la Laguna.
26
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
Una vez establecida la carga orgánica con que se va a diseñar y
conociendo So y Qo se puede determinar el área superficial y asumiendo
una profundidad calcular el volumen una vez fijada la inclinación del
talud.
Con el volumen calculado y el flujo se obtiene el tiempo de retención a
través de:
θ=
V
Qo
…45
Calculado θ y conocido el valor de la constante cinética del sistema, se
estima el valor de concentración de salida (Se) mediante la ecuación de
Marais.
1
Se
=
So 1 + kθ
Pudiendo así determinar la eficiencia de remoción que puede esperarse
del sistema diseñado.
6. Relación área: volumen para las lagunas
La carga orgánica superficial de la laguna determina su área
superficie,
AS =
Qo So
BA
en la
… 46
AS: área superficial, m2
Qo: flujo de agua residual, m3d−1
So: DBO en el afluente, mgL−1
BA: carga orgánica superficial, g.m−2.d−1
27
Menéndez, C y M. Díaz
L
a1
L1
a
H
Figura 9. Esquema de vista en planta de una laguna y su corte
longitudinal
Una vez determinada el área en la superficie de la laguna, el área en el
fondo depende de la inclinación del talud, y la profundidad que se
seleccione para la laguna. Si la inclinación es 1:P,
A = A _ 2 . P . H . ( L + a) + (2 . P . H)2
F
S
…47
donde
1
H: profundidad efectiva
L: longitud de la laguna en la superficie
a: ancho en la superficie
AF: área en el fondo
AS: área en la superficie
P
Para calcular el volumen efectivo de la laguna,
V=
28
H
( A S + AF +
3
A .A
S F
)
…48
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
Ejemplo 2
Calcular las dimensiones de una laguna facultativa para tratar un residual
cuya DBO5 es 250 mg/L con un gasto de 550 m3/d, si se desea obtener un
80 % de eficiencia..
Temperatura ambiente: 25 ºC
Constante de velocidad de remoción de DBO (Marais) a 20 ºC: 0,4 /d
Estimación de la carga orgánica superficial
Según Mara,
B
A
_
= 350 (1,107 _ 0,002 . T )T 25
kg.ha-1.d-1
Considerando que la temperatura de trabajo es 25 ºC, BA = 35 g.m-2.d-1
Cálculo del área en la superficie:
AS =
S 0 Q 0 250 . 550
=
= 3928 , 57 m2
BA
35
Asumiendo que la longitud ( L ) de la laguna es 2 veces su ancho (2a) y
una profundidad (H) de 2 m:
A = 2.a.a = 3928,57
a = 44,32 ≈ 45 m;
L = 88,64 ≈ 90 m
AS = 4050 m2
Cálculo del volumen efectivo de la laguna,
V=
H
A + AF +
3 S
(
A S . AF
)
para estimar el área del fondo, se fija la inclinación del talud, 1:3 y
considerando
29
Menéndez, C y M. Díaz
A
F
= A _ 2 .P .H. (L + a) + (2 .P .H)2
S
se tiene,
A
F
= 4050
_
2 . 3 .H. (90 + 45) + (2 . 3 .H)2
Como H = 2,
AF = 2634 m2
V=
H
A + AF +
3 S
(
A S . AF
)
V = 6633 m3
tiempo de retención,
θ=
V
6633
=
= 12 d
Q0
550
Cálculo de la DBO de salida
Se =
S0
1+ k θ
k25 = k20 (1,085)
T _ 20
k 25 = 0,60 d-1
Se = 30 mg/L
Eficiencia de la laguna: 87,5 %
30
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
7. Algunos otros aspectos a tener en cuenta en el diseño de lagunas de
estabilización
Aunque en la literatura abundan trabajos donde se realizan estudios de
lagunas de estabilización, muchos se basan en la remoción de DBO,
patógenos y otros parámetros, en función de la carga orgánica aplicada y
de los tiempos de retención. Sin embargo en muchos casos se ignoran
aspectos tan importantes como:
7.1 Geometría de la laguna
Durante mucho tiempo y a partir del criterio hipótesis de mezcla
completa, se ha estado considerando que la forma geométrica de la
laguna no es muy importante. Hoy, a partir de resultados experimentales,
se reconoce que en las lagunas no hay mezcla completa, sino flujo
disperso, y donde el grado de dispersión depende de la geometría de la
laguna. Existen evidencias experimentales que demuestran que:
•
•
lagunas con tiempos de retención similares, pero de geometría
diferente, tienen eficiencias de remoción diferentes
lagunas con similar valor de carga superficial, pero de geometría
diferente, tienen eficiencias de remoción diferentes
Qo, So
Qo, S1
Qo, So
Qo, S1
L1
L2
L3
Qo, So
Qo, S1
Figura 10. Tres lagunas iguales pero con sistemas de entrada y
ubicados en diferentes posiciones.
salida
31
Menéndez, C y M. Díaz
7.2 Diseño y ubicación de las estructuras de entrada y salida
En la figura 10 pueden verse tres lagunas iguales pero que presentan los
sistemas de entrada y salida ubicados en diferentes posiciones.
En la figura 11 también se muestran tres lagunas iguales con el sistema
de entrada y salida ubicados en la misma posición pero con diferente
diseño.
Aunque en ambas figuras las tres lagunas son iguales, las calidades de los
efluentes son diferentes debido al no aprovechamiento por igual de los
volúmenes y áreas de las lagunas.
Qo, So
Qo, S1
Qo, So
Qo, So
Qo, S2
Qo, S3
Figura 11. Tres lagunas iguales con el sistema de entrada y salida
ubicados en la misma posición pero con diferente diseño
7.3 Diseño y mantenimiento de los taludes
El estudio de las características de los suelos de la zona en que se
construirá la laguna, y permeabilidad incidirán en el diseño de los taludes
y determinarán si son requeridos materiales de otras zonas o la
impermeabilización del fondo de la laguna y sus taludes.
32
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
El mantenimiento está relacionado con le corte de la maleza, procurando
la existencia de césped para evitar la erosión.
7.4 Dispositivo de distribución de flujo
Con frecuencia se hace necesario distribuir el caudal entre varias lagunas
que trabajen en paralelo siendo esta la función del distribuidor.
7.5 Balance hídrico
Uno de los aspectos que debe ser mejor investigado al proyectar la
laguna es el del balance hídrico, lo cual es tan importante como el de
lograr una carga orgánica adecuada.
El balance viene dado por la ecuación:
Qs = Qo + Pr + Pc - (E + Pe)
...49
Qs : flujo del efluente
Qo: flujo de afluente
Pr : precipitación que cae sobre la laguna
Pc : infiltración de agua subterránea hacia la laguna
E : evaporación
Pe : perdidas por percolación
Analizando el mes más critico (el de menos lluvia, el nivel freático más
bajo, de mayor evaporación) el valor de Qs tiene que ser positivo, de ahí
que en ocasiones se haga necesario reducir el área de la laguna y la
seguridad del diseño esta en las lagunas más pequeñas (en área total) y
no más grandes como supondría quien realizara un análisis superficial.
Si Qs es negativo una alternativa sería impermeabilizar la laguna. Esto
puede ser más económico si se usan lagunas anaerobias primarias que
pueden tener hasta un 60 % del área de una facultativa equivalente, lo
cual es muy importante desde el punto de vista hidráulico.
La evaporación que ocurre en una laguna puede estimarse a través de la
fórmula de Meyer,
33
Menéndez, C y M. Díaz
(
)
E = 15 Va - V . H . 1 +
ν
16
...50
E: evaporación mensual, milímetros, mm
Va: presión de vapor del agua a la temperatura del agua, mmHg
V: presión de vapor del agua a la temperatura del aire, mmHg
H: % humedad relativa
ν: velocidad. del viento km. h-1
Por otro lado, en aquellos casos en los que no se disponga de información
necesaria, las pérdidas por percolación pueden ser estimadas aplicando la
ley de Darcy,
Q = P .I. A
..51
Q: caudal que percola m 3 s-1
P: permeabilidad del suelo m s-1
A: área expuesta m2
I=
h
gradiente hidráulico
L
...52
L : distancia del fondo de la laguna al nivel freático
h : distancia de la superficie del agua en la laguna al nivel freático
por tanto, la profundidad de la laguna es igual a ( h – L )
h-L
h
L
Figura 12. Profundidad de la laguna y distancia al manto
34
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
Cuando se emplea como impermeabilizante algún tipo de suelo (arcilla),
por supuesto de menos permeabilidad que el suelo original, los valores de
L y h son:
L = espesor de la nueva capa de arcilla
h = L + la altura del agua en la laguna.
Ejemplo 3
Estimar, mediante la fórmula de Meyer, la evaporación en una laguna de
4000 m2, a partir de la siguiente información:
Temperatura media del aire. 28 °C
Temperatura media del agua: 26 °C
Humedad relativa media anual: 80 %
Velocidad promedio del aire: 18 km/h
Presión de vapor a la temperatura del agua: 27,0 mmHg
Presión de vapor a la temperatura del aire: 28,6 mmHg
ν
16
)
E = 15 ( 27 _ 28,6 . 0,8 ).( 1 +
18
16
E = 15 ( Va _ V . hr ). ( 1 +
) = 131,4 mm/ mes
Q evaporación = 525,6 m3/ mes
8. Algunos criterios para la operación y mantenimiento de lagunas de
estabilización
8.1 Lagunas anaerobias
• Si está bien operada, no tiene oxígeno (OD) en la masa líquida
• En los taludes puede haber crecimiento de algas que deben ser
retiradas
• No deben existir vegetales en los taludes
• Limpiar periódicamente el sistema de entrada
35
Menéndez, C y M. Díaz
• Vigilar filtraciones por los taludes
• Evitar el paso de material flotante a las siguientes lagunas
involucradas en el proceso.
Parámetros a analizar para comprobar la eficiencia de la laguna:
• temperatura aire y el agua
• pH entrada y salida
• Demanda Bioquímica y Demanda Química de Oxígeno (DBO y
DQO) de entrada y salida
• carga volumétrica y carga superficial
Se recomienda hacer análisis periódico del lodo depositado en el fondo
para constatar su estabilidad o estado de digestión.
Se determinarán:
- pH
-alcalinidad
- ácidos volátiles (AV)
- sólidos totales (ST)
- sólidos totales fijos (STF)
- sólidos totales volátiles (STV)
Los principales problemas operacionales
relacionados con:
1. Olores desagradables
Se originan principalmente por:
• sobrecarga de materia orgánica
• presencia de sustancias tóxicas
• caída de temperatura
• corto circuito
• deficiencia de alcalinidad
Cómo proceder:
• disminuir la carga
36
de estas lagunas están
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
• adicionar cal a una dosis de 1,2 kg por cada 10 000 m3 de volumen
de la laguna
• eliminar corto circuito, es probable que una de las entradas esté
obstruida o a su vez mejorar los sistemas de entrada y salida
2. Aparición de moscas e insectos
Puede deberse a:
•crecimiento de vegetación de los taludes
•sólidos flotantes
Cómo proceder:
• mantener los taludes limpios de maleza
• los sólidos flotantes que normalmente son capas de espuma deben
ser retirados y enterrados
• variar el nivel de la laguna semanalmente ± 0.10 m a partir de las
facilidades que puedan brindar las obras de salida
8.2 Lagunas facultativas
• Debe poseer oxígeno disuelto en toda la masa líquida alcanzada por
la radiación solar
• Si trabaja bien el efluente presenta una coloración verde intensa,
parcialmente transparente y sin sólidos flotantes
• Si la coloración cambia a ceniza claro, es que está sobrecargada
• Debe evitarse el crecimiento de vegetales en los taludes
• Sería importante poder mantener un control sobre la profundidad
de la laguna. En días nublados y de baja temperatura debe operarse
a un nivel mínimo (1.0 m). Para una buena radiación solar el nivel
puede ser de 2.0 m. Esto es ideal. Generalmente no se hace este
tipo de operación
Parámetros rutinarios a ser observados:
-DBO y DQO de entrada y salida
-temperatura del aire y agua
-oxígeno disuelto
-apariencia
-carga superficial
-caudal
37
Menéndez, C y M. Díaz
Generalmente las cuestiones de operación que requieren mayor atención
se vinculan a:
1. Natas
La aparición de natas puede deberse a:
• flotación del lodo de la laguna
• floración de algas (super producción de algas)
• exceso de detergentes
Cómo proceder:
• romper la nata, ya sea manualmente o por chorro de agua
• la nata puede retirarse con la ayuda de un bote y una rejilla
provista de cabo
2. Olores desagradables
Pueden originarse por:
• sobrecarga de materia orgánica
• tiempo nublado o baja temperatura
• presencia de sustancias tóxicas
• cortocircuito
• presencia de materia flotante
Cómo proceder:
•mejorar sistemas de entrada y salida
•disminuir carga superficial utilizando un sistema en paralelo
• en periodos nublados y de baja temperatura, bajar el nivel de la
laguna al mínimo (1.0m)
• retirar todo el material flotante
Acumulación de lodo
La posibilidad de acumulación de lodos en el fondo de las lagunas tiene
más importancia en las lagunas primarias, ya que en ellas es retenido casi
el 100 % de los sólidos sedimentables.
38
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
Se estima que el volumen de lodo húmedo que se deposita en el fondo de
las lagunas primarias se encuentra entre 150-200 L/hab. Año. A falta de
mayor información, este volumen puede ser tomado como referencia.
Remoción de patógenos
Una de las ventajas de las lagunas radica en la posibilidad de eliminación
de patógenos. Mientras que la remoción de coliformes mediante otros
tratamientos biológicos alcanza hasta 95 %, en las lagunas se aprecian
frecuentemente valores de este indicador hasta (99,9−99,999) %.
Las mayores remociones de patógenos en las lagunas se logran cuando se
está en presencia de altos tiempos de retención, baja turbiedad, alto pH y
bajos valores de DBO.
Hoy día se reconoce que la incidencia de la radiación solar puede ser un
elemento de consideración en la muerte de las bacterias. Sin embargo,
teniendo en cuenta que la penetración de la luz en las lagunas solo
alcanza unos (10−15) cm y que en la superficie raras veces se encuentran
altas concentraciones de bacterias, la posibilidad de incidencia de la
radiación solar sobre la reducción de patógenos es mayor en la medida
que es menor la turbiedad, de manera que se favorezca la penetración de
la luz.
Altos valores de pH aceleran la muerte de las bacterias al exponerlas a un
medio hostil. Una laguna que opere normalmente puede llegar a tener
valores de pH entre 9 y 10 durante determinadas horas del día debido a la
acción fotosintética de las algas. Estos valores favorecen la reducción de
patógenos.
Las bajas concentraciones de DBO en las lagunas favorecen la muerte de
patógenos al carecer del sustrato necesario para su subsistencia. Es por
ello importante mantener concentraciones de DBO< 20 mgL−1 en las
lagunas para propiciar una disminución apreciable de patógenos. El
empleo de dos o más lagunas en serie también favorece este propósito.
El empleo de altos tiempos de retención no está asociado solamente con
la obtención de bajos valores de concentración de DBO en el efluente,
sino con la intención de favorecer la eliminación de patógenos a través
de la sedimentación.
39
Menéndez, C y M. Díaz
9. LAGUNAS AIREADAS
9.1 Introducción
Las lagunas aireadas tienen un uso muy difundido en diversas partes del
mundo, especialmente en regiones de clima cálido, para el tratamiento de
aguas residuales, incluyendo residuales industriales biodegradables. Son
preferidas cuando las lagunas de estabilización se hacen impracticables y
los tratamientos convencionales son muy costosos, tienen altos consumos
de energía, o no se dispone localmente de la fuerza calificada que
requieren.
Figura 13 Vista de una laguna aireada
A diferencia de las lagunas de estabilización en las que el agua residual
se somete a procesos de autodepuración, las lagunas aireadas son
estanques con aireación artificial. La aireación se lleva a cabo
fundamentalmente mediante la acción de aireadores superficiales. No
obstante en ocasiones se emplean unidades de aireación por difusión. La
profundidad de los estanques que se emplean como lagunas aireadas
generalmente varía entre 2,5 y 5,0 m.
40
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
Se distinguen dos tipos de lagunas aireadas: las completamente
mezcladas y las parcialmente mezcladas. En las primeras, tanto el
oxígeno disuelto como los sólidos suspendidos están uniformemente
distribuidos en todo el volumen del estanque. En las lagunas
parcialmente mezcladas el oxígeno disuelto es el suficiente para
satisfacer su demanda, pero sólo una fracción de los sólidos suspendidos
se mantiene en suspensión. Comúnmente estas lagunas son denominadas
de manera abreviada como lagunas aerobias y facultativas
respectivamente.
Ambos tipos de lagunas tienen determinadas restricciones en cuanto al
nivel de potencia (NP) mínimo a utilizar en las mismas. Para las primeras
el NP mínimo para mantener los sólidos en suspensión está comprendido
entre 2,8 y 3,9 W m-3. En la laguna facultativa un NP de 0,79 W m-3,
considerado como mínimo permisible, es suficiente para mantener
alrededor de 50 mgL-1 de sólidos suspendidos.
En los últimos 20 años el empleo de lagunas aireadas en serie ha recibido
atención y ha sido objeto de diversos estudios, principalmente una
aerobia seguida de una facultativa. Los estudios teóricos realizados
demuestran las ventajas de las lagunas en serie sobre el uso de una sola
laguna, en cuanto a la reducción del consumo de energía, la necesidad de
menores tiempos de retención totales, la no proliferación de algas en la
primera laguna, y la no necesidad de sedimentadores al final del
tratamiento.
9.2 Lagunas aerobias
En realidad no existe una diferencia bien definida entre los límites que
existen entre una laguna aireada y un lodo activado en su variante de
aireación extendida. De hecho, la modelación de ambos sistemas se
desarrolla bajo los mismos principios generales de los sistemas de
biomasa en suspensión.
La ecuación general de los sistemas de biomasa en suspensión es:
1
= Y ΔB X _ kb
θx
…53
41
Menéndez, C y M. Díaz
Δ BX: remoción específica, kg DBO ( kg SSV.d )-1
kb: constante de respiración endógena, d-1
θX. edad del lodo o tiempo de retención medio celular, d
De la ecuación 53 puede obtenerse una expresión para la estimación de
la concentración de sólidos suspendidos volátiles (SSV):
X=
Yθ x ΔS
θ (1 + k b θ x )
… 54
θ: tiempo de retención hidráulico, d
Y: coeficiente de rendimiento
X: concentración de sólidos suspendidos volátiles, mg.L-1
Δ S: remoción de DBO
Cuando no hay recirculación, como es el caso típico de las lagunas
aireadas,
θ = θ x , entonces la ecuación 54 queda,
X=
Y ΔS
(1 + kb θ )
…55
Aceptando que se cumple el modelo cinético de primer orden de Grau,
ΔS
S
=k
Xθ
S0
…56
S: concentración de DBO efluente, mg.L-1
So: concentración de DBO afluente, mg.L-1
Combinando las ecuaciones 55 y 56 se obtiene,
S 1 + kb θ
=
S0
Ykθ
42
…57
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
En caso que se necesite calcular el tiempo de retención mínimo, debe ser
asumido que S
So, entonces la ecuación 57 se transforma en,
θm =
1
Y k − kb
…58
θm: tiempo de retención hidráulico mínimo, d
La dependencia de la constante k en función de la temperatura puede
expresarse,
k t = k 20 oC (1,035 )t − 20
…59
Un parámetro importante a tener en cuenta en el diseño y operación de
las lagunas aireadas es la temperatura del agua. Debido a que los
volúmenes de agua en los estanques es grande, su temperatura difiere de
la del ambiente. De acuerdo con Manzini y Barnhart,
Tw =
A f . Ta + Q . Ti
Af + Q
…60
Ta: temperatura ambiente, ºC
Ti: temperatura del agua a tratar, ºC
Tw: temperatura en la laguna, ºC
Q: gasto, m3.d-1
A: área, m2
f: constante, (0,5)
El requerimiento de oxígeno para las lagunas aerobias se determina
mediante la misma expresión que se utiliza para los lodos activados.
r = Y´ ΔBV + b X
(kg m-3 d-1)
…61
r: velocidad de consumo de oxígeno, kg O2.m-3.d-1
Δ BV: carga volumétrica, kg DBO m-3d-1
43
Menéndez, C y M. Díaz
b: constante de respiración endógena en base al oxígeno, d-1
Y´: relación oxígeno consumido/DBO removida
9.3 Lagunas facultativas
En las lagunas facultativas la concentración de sólidos que se mantiene
en suspensión depende del nivel de potencia aplicado en el estanque. En
estas lagunas se produce una recirculación interna de la DBO como
consecuencia de los compuestos orgánicos solubles originados durante la
digestión anaerobia en el fondo. Esto está reflejado en el factor F:
So′ = F So
…62
F: 1,4
So´ : DBO del afluente, considerando la recirculación interna
La ecuación que describe la cinética es:
S
′
So
=
′
So
…63
′
k X θ + So
k: constante de velocidad de remoción de DBO cuando se aplica el
modelo cinético de Grau, d-1
El requerimiento de oxígeno se estima mediante la ecuación 64
R = F′ Δ S . Q
(kg O2. d-1)
R: flujo másico de oxígeno, kg O2.d-1
(mg L-1)
ΔS = S ′ − S
o
F´: 1,5
44
…64
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
9.4 Implementos para la aireación de las lagunas aireadas
La aireación mecánica es la que más comúnmente se emplea en las
lagunas aireadas, aunque la aireación por difusión no se descarta.
Aire difundido
Los sistemas de aire difundido están constituidos por difusores
sumergidos en el agua, las líneas o tuberías conductoras de aire, los
sopladores o compresores, y su equipamiento auxiliar.
(a)
(b)
Figura 14. Implementos para la aireación mediante aire difundido (a)
difusor poroso para burbujas finas (b) Tubos para burbujas
gruesas
Básicamente se conocen dos tipos de difusores: los que producen
burbujas pequeñas a partir de un medio poroso y aquellos que utilizan
tuberías horadadas o algún otro dispositivo para producir burbujas
grandes o medianas. Todos estos implementos son muy diversos en
dependencia de los fabricantes.
45
Menéndez, C y M. Díaz
Los difusores se distribuyen en toda la longitud de la laguna. La
ubicación de los difusores debe ser tal que los puntos de salida del aire
deben estar unos de otros a una distancia comprendida entre 15 y 75 cm.
En difusores de burbuja fina el diámetro de la burbuja suele estar
comprendido entre 2 - 2,5 mm. Estas unidades se diseñan para lograr un
flujo de aire por unidad de 3 - 28 m3 h-1 en condiciones estándar, (presión
(de 101,3 kPa, yt 20 0 C). Los difusores no porosos originan burbujas de
hasta 25 mm de diámetro. Estas burbujas grandes son la causa de que
estos difusores presenten menor rendimiento que los porosos, pero por
otro lado presentan las ventajas de tener menor costo, y menos
necesidades de mantenimiento y de limpieza de aire.
Figura 15. Distribución de los difusores. Vista de planta
La aireación mediante difusores es recomendada fundamentalmente para
profundidades de líquido en las lagunas entre 2,5 y 5,0 m y valores de
velocidades de consumo de oxígeno inferiores a 1 mg L-1min -1.
Aireación mecánica
Los aireadores mecánicos pueden ser superficiales o sumergidos, y
ambos a su vez, de eje vertical o de eje horizontal. En los aireadores
mecánicos el oxígeno se toma de la atmósfera. Hay modelos de
aireadores mecánicos sumergidos, las turbinas, en los que además se
introduce aire por la parte inferior del tanque de aireación.
46
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
(a)
(b).
Figura 16. Aireadores mecánicos. (a) aireador superficial. (b) aireador de
turbina
Entre las funciones de un aireador mecánico se pueden citar:
a) Disolver oxígeno en el tanque de aireación
b) Mantener los SSV en suspensión
c) Distribuir el afluente por todo el volumen del tanque
d) Remover parte del CO2 que se genera
47
Menéndez, C y M. Díaz
Figura 17. Aireador superficial de cepillo
Aireadores superficiales
Los aireadores de superficie, equipos para la introducción de grandes
cantidades de aire, y por tanto de oxígeno, consisten en turbinas
parcialmente sumergidas, de alta o baja velocidad o en unidades flotantes
de alta velocidad que giran en la superficie del líquido.
Cualquier superficie de agua tiende a absorber oxígeno del aire. Este
proceso se acelera cuando hay turbulencia en la superficie. Los
aireadores superficiales llevan este proceso a una etapa superior al
romper mecánicamente la superficie del líquido y crear una interfase gaslíquido en forma atomizada de pequeñas gotas de agua y burbujas de aire,
arrastradas dentro del líquido. Además el volumen total de líquido circula
y se mezcla de manera tal que el agua oxigenada se reemplaza
continuamente por líquido de otras zonas.
Los aireadores superficiales de eje vertical pueden montarse sobre una
estructura rígida o sobre flotadores. Los de eje horizontal tienen su origen
en los aireadores Kessener de cepillo y hoy se fabrican de diferentes
tipos. Encuentran mayor uso en canales de oxidación que en lagunas.
La transferencia de oxígeno ocurre a través de la acción de vórtice y por
la exposición a la superficie de grandes volúmenes de agua atomizada.
Para los implementos de eje vertical, la cantidad de oxígeno transferido
al líquido es función de la potencia.
48
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
La velocidad de transferencia depende de:
- diámetro del implemento
- velocidad de rotación
- profundidad del elemento rotatorio
En condiciones óptimas de inmersión, la velocidad de transferencia por
potencia consumida es relativamente constante dentro de un amplio
intervalo de valores de diámetro del impelente.
Kormanik obtuvo una correlación entre la velocidad de transferencia de
oxígeno y la potencia por unidad de área. Así, para aireadores
superficiales de alta velocidad, puede considerarse la expresión:
Np = 1,973 P + 1,0045
...65
Np : kg O2 ( kW-h ) –1
P : kW m –2
Para mantener una concentración uniforme de oxígeno disuelto se
necesita disponer de niveles de potencia de 1,2 a 2 Wm-3 por otro lado,
para lagunas aireadas tratando aguas residuales domésticas, un nivel de
potencia de 4. Wm-3 es suficiente para que los sólidos permanezcan en
suspensión.
Cuando se emplea este tipo de aireador, la altura mínima de laguna
recomendada es de 1,8 - 2,4 m y máxima entre 3,7 - 4,9 m.
Los aireadores superficiales se utilizan cuando la velocidad de consumo
de oxígeno del sistema está en el intervalo de 1,0 a 1,4 g.m-3.min–1. Para
mayores velocidades de consumo se recomienda el empleo de aireadores
de turbina.
Aireadores sumergidos
Las unidades de aireación a través del empleo de turbinas dispersan el
aire comprimido mediante la acción cortante de un impelente rotatorio y
promueven además la mezcla del contenido del tanque de aireación.
49
Menéndez, C y M. Díaz
Los aireadores sumergidos de eje horizontal funcionan por el mismo
principio que los superficiales excepto que la agitación del agua se lleva
a efecto con discos o paletas acoplados al eje.
Las turbinas se distribuyen en el tanque de aireación de manera tal que
exista una cada 85-220 m2.
Las potencias de los aireadores mecánicos disponibles varían de 0,75 a
100 kW.
Capacidad de los aireadores
Los fabricantes de equipos de aireación generalmente ofrecen la
capacidad de transferencia de oxígeno de su equipamiento sobre la base
de la masa de oxígeno transferido por unidad de energía, o sea, (kg de
oxígeno transferido por kW.h) en condiciones normales (C.N.). Las
condiciones normales o estándar están definidas para agua de acueducto,
a 20 0 C, cero concentración de oxígeno disuelto y la presión
correspondiente al nivel del mar (P = 101,3 kPa).
Para las condiciones de campo o reales (C.R.) la capacidad de
transferencia o rendimiento, No, reportada en (C.N.) por el fabricante,
deben ser rectificadas,
N = N0
(β Cs, m _ C) α1,02 t - 20
Cs
…66
20 oC
N: capacidad de transferencia de oxígeno en condiciones de trabajo o
reales kg O2 (kW h) -1
No: capacidad de transferencia de oxígeno en condiciones estándar
kg O 2(kW h) -1
Cs,20oC: concentración de saturación de oxígeno disuelto a la temperatura
de 20 0C mg L -1
Cs,m: concentración de saturación de oxígeno disuelto en agua limpia a
la temperatura y presión de trabajo mg L-1
C: Concentración de oxígeno disuelto deseada mg L-1
50
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
β=
α=
solubilidad en el agua residual
=
solubilidad en el agua limpia
Cs, w
Cs
k L a del medio
k L a del agua limpia
kLa: Coeficiente de transferencia de oxígeno h -1
t: temperatura de trabajo oC
Cuando se evalúa la capacidad de transferencia de oxígeno en sistemas
de aire difundido, es necesario valorar no sólo la eficiencia de los
difusores, sino también la capacidad de los sopladores o compresores.
Esta información está disponible generalmente en los manuales de
operación y mantenimiento que ofrecen los proveedores de los equipos.
Por tanto, para determinar la transferencia de oxígeno del sistema de
aireación por difusión en kgd –1, además de necesitar la capacidad de
transferencia de los difusores en condiciones reales, debe conocerse la
capacidad de los sopladores en condiciones estándar (m3min -1 a 20 °C y
la presión de 101,3 kPa). Con estos dos elementos puede calcularse la
masa de aire que el sistema es capaz de entregar.
Tabla 4. Intervalos típicos de valores de capacidad de transferencia de
oxígeno para algunos de los tipos de aireadores
Tipo de aireador
Superficial (baja velocidad)
Superficial (alta velocidad)
Turbina
Rotor de cepillo y placas
Difusores de burbuja fina
Difusores de burbuja gruesa
No (kg O2 (kW.h)-1)
1,21 – 3,04
1,21 – 2,19
1,21 – 2,25
0,91 – 2,19
1,80 – 3,20
0,90 – 1,50
Cuando la capacidad de transferencia que se necesita calcular sea la de
un aireador superficial, debe determinarse la potencia de trabajo del
motor, m, y la capacidad o rendimiento, kg O2 (kw-h)-1, del aireador en
51
Menéndez, C y M. Díaz
particular. En el caso de no existir otra información, puede asumirse que
la eficiencia del motor es 90 % y la de los elementos mecánicos del
aireador 85 %. De acuerdo con esto ha de considerarse que el 75 % de la
potencia nominal del motor del aireador superficial es convertido en
energía para la transferencia de oxígeno.
Eficiencia de la transferencia de oxígeno
La eficiencia de absorción o de la transferencia de oxígeno viene definida
para difusores y las turbinas como los kg h -1 de oxígeno transferido por
kg h -1 de oxígeno suministrado.
Los fabricantes definen la Eficiencia Estándar de Transferencia de
Oxígeno (Eo) (Standard Oxygen Transfer Eficiency, SOTE) de sus
implementos de aireación para agua de acueducto, a 20 0 C, cero
oxígeno disuelto y a nivel del mar.
kLa
Eo =
Cs
20 oC 20 oC
V
16,56 Qs
…67
Eo: Eficiencia estándar de transferencia %
kLa: Coeficiente de transferencia de oxígeno h -1
Qs: Flujo de aire m3 min -1, a 101,3 kPa, 20 0 C
V: Volumen del tanque de aireación
Los valores de Eo deben ser rectificados para las condiciones normales
de trabajo, (eficiencia real o actual de transferencia de oxígeno, E),
(AOTE),
_
(
β Cs, m _ C)
E =E
α 1,02 t 20
0
Cs
…68
20 oC
La eficiencia de absorción también puede ser calculada directamente,
E=
52
(
k L a β Cs, m _ C
16,56 Q s
)α1,02 t _ 20 . V
…69
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
En la tabla 5 se brinda información típica de la eficiencia de
transferencia de oxígeno de varios tipos de difusores.
Tabla 5. Valores típicos de eficiencia estándar de transferencia de
diferentes difusores14
Tipo de difusor
Profundidad
E0 (%)
(m)
Domos de cerámica
4,2
29,0
Discos de cerámica
3,7
26,0
Placas de cerámica
4,5
30,0
Tubo plástico rígido poroso
4,0
27,0
Tubo plástico rígido poroso
4,5
30,0
Difusor no poroso de eje longitudinal
4,5
12,0
9.5 Diseño de lagunas aireadas
Para el cálculo de las dimensiones de las lagunas aireadas en serie no se
utiliza un método directo, sino un procedimiento de tanteo y error. Esto
es así porque la velocidad de remoción de la DBO es función de la
temperatura y ésta a su vez depende del volumen de la laguna. Por otra
parte el tiempo de retención, que definirá el volumen de la laguna,
depende de la velocidad de remoción de la DBO.
Los sistemas de 2 etapas pueden optimizarse por dos vías: minimizando
el tiempo de retención o minimizando la potencia instalada.
En la figura 18 se grafica, a modo de ilustración, resultados obtenidos en
el problema que se desarrolla más adelante para dos lagunas en serie. En
la figura se representa la variación de la DBO de salida en función del
tiempo de retención de la primera laguna.
Por otro lado en las figuras 19 y 20, se grafican las potencias requeridas
en ambas lagunas en función del tiempo de retención y en la figura 21 la
potencia total.
53
Menéndez, C y M. Díaz
Ejemplo 4
Dimensione una laguna aireada para tratar 1890 m3d-1 de un agua
residual industrial que tiene incorporado desechos domésticos. La DBO
promedio es 600 mg L-1 y la temperatura del agua residual es de 29 o C.
Otros datos para el diseño son:
DBO máxima a la salida de la laguna = 80 mg L-1
k20 C = 7,0 d--1
α = 0,9β = 0,8
Ta = 30 o C
Y = 0,5
kb = 0,09 d-1
Los aireadores superficiales disponibles están garantizados para transferir
0,85 kg O2 (kw h)-1 a TPN (20 o C, 1 at).
El procedimiento que se propone para realizar el cálculo solicitado,
consiste en asumir un tiempo de retención en la laguna, y bajo esa
condición, determinar si la DBO que se obtiene es la deseada o no. En
caso negativo, se asume otro tiempo de retención, y así hasta lograr la
concentración de DBO que se exige para el efluente.
Asumiendo θ = 5 d ,
V = Q θ = 9450 m 3
Una altura de líquido aceptable para estos dispositivos de tratamiento
puede ser 4 m.
Si H = 4 m,
A = 2362,5 m2
Af . T + Q . Ti 2362,5 . 0,5 . 30 + 1980 . 29
a
T =
=
w
Af + Q
2362,5 . 0,5 + 1980
54
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
Tw = 29,4 o C
k 29,4 = 7,0(1,035)9,4 = 9,67 d-1
S=
1 + kb θ
1 + 0,09 . 5
So =
. 600 = 36 mg L−1
Ykθ
0,5 . 9,67 . 5
< < 80
El efluente que se obtiene con un tiempo de retención de 5 días tiene una
concentración de DBO muy inferior a la deseada. Puede entonces ser
asumido un tiempo de retención menor con el objetivo de disminuir las
dimensiones de la laguna.
Asumiendo θ = 2 d ,
V = Q θ = 3780 m3
TW = 29,2 o C
A = 945 m2
k29,2 = 9,6 d-1
S = 74 mg L-1
Como para θ = 2 d la DBO efluente = 74 mg L-1, menor que la
concentración máxima permisible y próxima a ésta, se selecciona ese
tiempo de retención.
La concentración de SSV será
X=
Y ΔS
0,5 (600 − 74 )
=
= 223 mg L−1
1 + kb θ
1 + 0,09 . 2
A falta de información más precisa, el requerimiento de oxígeno puede
estimarse asumiendo que se necesitan 1,5 kgO2 por cada kg de DBO
removido, (1,5 kg O2 (kg DBO remov.) –1).
R = 1,5 ΔS . Q . 10-3 = 1,5 (600 – 74) . 1890 . 10-3
R = 1491,2 kg O2 d-1
N = No
α (β CS − C) 1,02t − 20
CS , 20 oC
CS , 20o C = 9,2 mg L−1
55
Menéndez, C y M. Díaz
CS , 20o C = 9,2 mg L−1
N = 0,85
CS , 29,2 oC = 7,78 oC
0,9 (0,8 . 7,78 − 2)
. 1,167
9,2
N = 0,41 kg (kw h)
−1
P=
R
= 151,2 kw
24 N
NP = 0,04 kw m-3. Este es un valor apropiado para mantener los sólidos
en suspensión.
Ejemplo 5
Diseñe una laguna aireada de 2 etapas de 4,0 m de profundidad para
tratar 23100 m3 d-1 de un agua residual industrial con las siguientes
características:
afluente:
DBO = 500 mgL-1
Temperatura = 30 ºC
Temperatura ambiente = 28 oC
Variables cinéticas:
α = 0,85
k = 5,0 d-1
Y = 0,5
kb = 0,1 d-1
β = 0,90
C = 1 mgL-1
Y' = 0,52
b = 0,28 d-1
‫ = ט‬1,035 (para DBO) ‫ = ט‬1,020 (para kLa)
DBO de salida. 25 mgL-1
Sólidos suspendidos en la segunda laguna. 50 mgL-1
56
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
Cálculo de la kDBO para 29,8 oC
N o = 1,95 kg( kW .h )-1
El efluente final debe tener una DBO soluble máxima de 20 mgL-1
Para el trabajo con dos lagunas en serie, el procedimiento de cálculo
consiste en determinar para distintos tiempos de retención en la primera
laguna, la DBO de su efluente y el consumo de potencia. La DBO del
efluente de la primera laguna será la del afluente de la segunda. De forma
similar a como se hace con la primera laguna, para la segunda se asumen
distintos tiempos de retención, pero en este caso considerando cada uno
de los posibles valores de concentración del afluente.
El mejor diseño del sistema será aquél que en su conjunto, ofrezca menor
tiempo de retención o consumo de potencia, según el criterio que se
seleccione.
Primera laguna
Asumiendo θ = 1 día
V = Q.θ = 23100 m3d-1 . 1 d = 23100 m3
A = 5775 m2
Cálculo de la temperatura del estanque,
T
w
=
TW =
T
w
Af . T + Q . Ti
a
Af + Q
5775 . 0,5 . 28 + 23100 . 30
= 29,77
5775 . 0,5 + 23100
= 29,77 °C
Cálculo de kDBO para 29,8 ºC
57
Menéndez, C y M. Díaz
k = k (1,035 ) t
t
20
k
29,8
_
20
= 5 (1,035) 9,8
k29,8 = 7,0 d - 1
Cálculo de la concentración del efluente (S)
S 1 + kb θ
=
So
Ykθ
S=
⇒
S=
1 + kb θ
So
Ykθ
1 + 0,1 . 1
. 500
0,5 . 7,0 . 1
S = 157,14 mg L-1
Cálculo de la concentración de sólidos suspendidos volátiles (SSV)
X =
YΔS
0,5 (500 - 157,14)
=
1 + kb θ
1 + 0,1 . 1
X = 155,14 mg L-1
Requerimiento de oxígeno
R = F . ΔS . Q . 10 - 3
(
.
)
_
R = 1,5 500 _ 157,14 23100 .10 3
R = 11925 kg O2 d-1
Cálculo de la capacidad de transferencia
58
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
N = No
α (β CS − C )
1,02 t − 20
CS , 20 oC
CS , 20o C = 9,2 mg L−1
CS 29,8 C = 7,64 oC
(
)
0,85 0,9 . 7,6 _ 2
1,02 9,8
N = 1,95
9,2
N = 1,28 kg O2 (kw h)-1
Requerimiento de potencia:
P=
R
11925 kg O2 d 1 1 d
=
24 .N 1,28 kg O2 (kW.h ) 1 24 h
P = 388,19 kW
Chequeo del nivel de potencia ( NP )
NP =
P 388,19 kW
=
= 0,017 kW m- 3
V 23100 m3
Para un diseño conservador, el NP mínimo puede tomarse como
N P = 2,7 W m−3
Si NP calculado es < 2,7 W.m-3 , se escoge el NP mínimo. En este caso
en particular, el NP calculado es 17 W.m-3.
59
Menéndez, C y M. Díaz
Los resultados de repetir el procedimiento para distintos tiempos de
retención, se resumen en la tabla 6.
Tabla 6. Resultados para la primera laguna.
θ
(d)
1
2
3
4
5
S
( mgL-1 )
157,14
86,33
62,62
50,80
43,67
θ
(d)
V
( m3 )
1
2
3
4
5
23100
46200
69300
92400
115500
X
( mgL-1 )
155,84
172,36
168,22
160,43
152,11
R
( kgd-1 )
11925,14
14333,67
15155,22
15574,78
15811,83
P
( kW )
388,19
470,26
482,04
498,87
506,79
NP
( kW.m-3 )
0,017
0,010
0,007
0,005
0,004
A
(m2)
N
( kg. kW-1 h-1)
CS
( mgL-1 )
5775
11550
17325
23100
28875
1,28
1,27
1,31
1,30
1,30
7,64
7,61
7,59
7,56
7,55
Segunda laguna
Normalmente es aceptado que el nivel de potencia (NP) para mantener en
suspensión 50 mgL-1 de sólidos suspendidos (SS ) es de 0,79 Wm-3.
Tal como ya fue descrito, el diseño de la segunda laguna se basa en la
selección de la DBO efluente de la primera laguna que sea su afluente.
Sea So = 157,14 mgL-1 (el efluente para θ = 1 en la primera laguna)
Ti = 29,8 ºC
En las lagunas aireadas facultativas se produce una recirculación interna
de los compuestos orgánicos solubles originados en la digestión
anaerobia que tiene lugar en el fondo de la misma. Esto está reflejado en
el factor F. De manera tal que So' = F So, donde
60
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
F ~ 1,4. Así la ecuación que describe la cinética puede transformarse,
S
F S0
=
F S0 k X θ + F S0
El valor de la constante cinética a 20 ºC está dado en este caso por,
k
20C
=
5,0
S
500 0
Se asumir un tiempo de retención θ y después se verifica.
Asumiendo θ = 10 d
V = Q . θ = 23100 . 5 = 231000 m3
A = 57750 m2
TW =
57750 . 0,5 . 28 + 23100 . 29,8
= 28,8 oC
0,5 . 57750 + 23100
S o′ = 1,4 . 157,14 = 220
k
=
20 °C
5,0
-1
. 220 = 2,2 d
500
k 28,8 C = 2,2 (1,036 ) 8,8 = 3,0 d 1
Chequeo del valor de θ asumido:
θ=
S0′
( S0′ _ S ) ; S = 25 mgL
-1
k XS
(
)
220 220 _ 25
θ=
= 11,4 d
3 . 50 . 25
61
Menéndez, C y M. Díaz
Asumir entonces otro valor de θ,
Se asume θ = 11,5 d
V = 265650 m3
A = 66412,5 m2
TW = 28,74 ºC
k 28,74 = 2,99 d-1
(
)
220 220 _ 25
θ=
= 11,48 d ,
2,99 .50 . 25
chequea
Por lo tanto, el tiempo de retención es de 11,5 días
Requerimiento de oxígeno
R = F' . Δ M
F' = 1,5 ;
Δ M = ( So' - S ) . Q. 10-3 kgDBO. d-1
(
)
_
R = 1,5 220 _ 25 . 23100 . 10 3
R = 6756 kgO2.d-1
CS = 7,8
_
mgL 1
N = 1,29 kgO2 (kW.h)-1
62
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
P=
6756,75
R
=
= 218,24
24 . N 1,29 . 24
P = 218,24 kW
NP =
_
_
P
= 0,8 . 10 3 kW.m 3
V
De forma similar se procede con los efluentes de la primera laguna para
tiempos de retención de 2, 3, 4 y 5 días de retención en la misma.
Los resultados obtenidos para la segunda laguna se resumen en la tabla 7.
Mejor variante de sistema
El sistema de lagunas de 2 etapas puede optimizarse minimizando el
tiempo de retención o la potencia total a instalar. La tabla 8 resume los
resultados de las 2 lagunas en serie.
Las condiciones de mejor diseño se obtienen para un tiempo de retención
de 4 y 2,8 días en la primera y segunda laguna respectivamente. En esas
condiciones la potencia total que se necesita es 550 kW.
63
Menéndez, C y M. Díaz
Tabla 7. Resultados obtenidos para la segunda laguna
SO
mgL-1
TW
(ºC)
k
d-1
Θ
d
N
kW.h-1
R
kgd-1
P
kW
NP.103
kW.m-3
157,14
86,33
62,62
50,80
43,67
28,74
28,90
28,96
28,96
28,98
3,20
1,71
1,23
0,99
0,85
11,5
6
4
3
2
1,29
1,27
1,31
1,30
1,30
6756,75
3321,55
2171,52
1598
1252,25
218,24
107,28
70,14
51,91
40,45
0,80
0,80
0,76
0,74
0,90
Tabla 8. Tiempo de retención y potencia necesaria para cada laguna y total
Θ (días)
Laguna I
1
2
3
4
5
64
Laguna II
11,5
6
4
3
2
Potencia kW
Total
12,5
8
7
7
7
Laguna I
388,19
470,26
482,04
498,87
506,79
Laguna II
218,24
107,28
70,14
51,91
40,45
Total
606,43
577,54
552,18
550,78
547,24
DBO efluente, m g/L
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
200
150
100
50
0
0
1
2
3
4
5
6
tiempo de retención, d
Figura 18 . Variación de la concentración de la DBO afluente de la
laguna 1 en función del tiempo de retención
potencia, kW
600
400
200
0
0
1
2
3
4
5
6
tiempo de retención, d
Figura 19. Potencia de la laguna 1 en función del tiempo de retención
65
Menéndez, C y M. Díaz
potencia, kW
250
200
150
100
50
0
0
5
10
15
tiempo de retención, d
Figura 20 Potencia de la laguna 2 en función del tiempo de retención
potencia total, kW
630
600
570
540
5
10
15
tiempo de retención total, d
Figura 21. Potencia total en función del tiempo total
66
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
10. OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO
10.1 Introducción
Como es bien conocido, el mecanismo depurador de las lagunas se basa
en la autopurificación. O sea, que existe poco o ninguna incidencia del
hombre sobre variables de operación tales como temperatura, flujo de
recirculación y concentración de biomasa, entre otros. Sin embargo, eso
no quiere decir que las lagunas no requieran ningún tipo de control ni que
no puedan acometerse acciones para mejorar su efectividad.
Aún cuando no es una práctica común, en ocasiones las lagunas se
consideran parte de tratamientos más integrales en los que pueden
concebirse además operaciones de pretratamiento como rejas,
desarenadotes y desengrasadores, entre otros, que tienden a facilitar la
actividad de depuración de las lagunas y prolongar su vida útil. Por lo
tanto, las instalaciones de tratamiento mediante lagunas pueden estar
constituidas por todo un conjunto de operaciones o solo por la laguna en
sí.
Una de las principales ventajas de las instalaciones de tratamiento
mediante lagunas de oxidación, posean éstas o no pretratamiento, es que
requieren poca actividad de mantenimiento, aunque esto frecuentemente
se traduce en ningún mantenimiento.
El control sobre la operación de los dispositivos mediante lagunas es
necesario. Este tipo de control es importante por tres razones
fundamentales:
1. Conocer la eficiencia de la depuración en distintas épocas del
año
2. Detectar anomalías de funcionamiento y tomar medidas de
corrección adecuadas
3. Reunir datos representativos de la depuración, que servirán a
su vez para mejorar los criterios de diseño y construcción de
futuras instalaciones
67
Menéndez, C y M. Díaz
Estos seguimientos están orientados fundamentalmente a lagunas que
tratan aguas residuales urbanas. Para el caso de vertidos industriales han
de tomarse en consideración otros aspectos complementarios. Los
controles a realizar deben variar ligeramente según cuál sea el destino
final del efluente, y adaptarse también a posibles incidencias locales.
Para evaluar la operación de las lagunas de estabilización es necesario no
solo realizar muestreos periódicos y determinaciones analíticas que
permitan conocer la evolución en la calidad del agua almacenada, sino
además reunir información precisa relativa a su configuración física y
situación climática a la que está sometida.
Las instalaciones de tratamiento han de estar documentadas. Debe existir
una documentación mínima que permita demostrar a quién lo requiera,
las principales características de la misma y la efectividad de su
operación.
10.2 Expediente de la instalación de tratamiento
La documentación de la instalación constituye su expediente, y debe
constar de:
Descripción física de la instalación
Condiciones de operación
Acciones de mantenimiento
Régimen de muestreo
Registro de resultados de los análisis de control
Descripción física de la instalación
La descripción de la instalación de tratamiento que emplea lagunas de
oxidación de cualquier tipo debe incluir como mínimo la información
siguiente:
•
•
•
Situación geográfica
Características de la planta en general
Características de las lagunas en particular
Es importante que a partir de la puesta en operación de la laguna, se
registre cualquier variación que no se haya tenido en cuenta a la hora del
68
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
proyecto definitivo o en la etapa de construcción de la misma. Esta
información pudiera tener relevancia en el momento de interpretar
resultados experimentales que se obtengan en el tiempo.
Situación:
1.
2.
3.
4.
Latitud y longitud, y de ser posible su microlocalización
Altitud
Tipo de suelo
Población a la que sirve. Si además se reciben vertidos
industriales, expresar esta última carga en términos de población
equivalente tomando como base un equivalente poblacional de
50 g DBO5/habitante.día
5. Datos climáticos. Temperatura media en temporada de lluvia y de
seca. Precipitación y evaporación (medias mensuales y anuales)
b) Características de la planta en general:
1. Pretratamientos: Si posee algún tipo de pretratamiento.
Especificar
2. Medidores de caudal (tipo)
3. Número de lagunas y su arreglo (en serie o paralelo, primarias o
secundarias)
4. Información relativa a las conexiones entre lagunas, obras de
reparto, flexibilidad de la distribución de caudales entre las
distintas lagunas, posibilidad de recirculación, etc. (incluir
esquema)
5. Tipos de lagunas: Anaerobias, facultativas, maduración,
profundas, continuas, discontinuas, etc.
6. Volumen efectivo de trabajo según proyecto
7. Disposición final del efluente. Especificar: Descarga en cursos de
agua, reutilización en riego, infiltración en el subsuelo
8. Historia de la instalación: Fecha de construcción y puesta en
marcha, modificaciones posteriores
c) Características de las lagunas en particular:
1. Dimensiones: Longitud de los lados en superficie y fondo, área de
superficie y fondo, taludes, profundidad, altura de agua, forma de
las lagunas
69
Menéndez, C y M. Díaz
2. Impermeabilización: Tipo de arcilla u otro material
3. Protección de los taludes y orillas: Escollera, hormigón. Indicar la
presencia de erosión
4. Estructuras de entrada y salida: Descarga del afluente por encima
o debajo de la superficie del agua, profundidad de la toma del
efluente, situación de alimentación y salida, posibilidad de salida
a profundidad variable
5. Caudal y carga orgánica de proyecto; caudal y carga orgánica
reales; tendencia a lo largo de los años de operación
6. Antecedentes sobre calidad de afluente y efluente: Datos
disponibles y su procedencia, análisis efectuados, fechas de
muestreo
Usualmente, muchos de los datos que caracterizan la instalación pueden
extraerse de los proyectos de las mismas. Es también necesario disponer
de planos de la instalación y diagramas de flujo.
10.3. Operación y mantenimiento
Uno de los principales problemas que se presentan en las lagunas de
oxidación viene dado por la falta de atención y mantenimiento a estos
dispositivos de tratamiento. La simplicidad de las lagunas, así como por
ocurrir en ellas un proceso de autodepuración, hace pensar que no
requieren de ningún tipo de mantenimiento. Nada más alejado de la
realidad. Al igual que cualquier otra instalación de tratamiento de aguas
residuales, las lagunas necesitan de un seguimiento de su operación así
como de un mantenimiento periódico. Ello es decisivo para la obtención
de buenos resultados en la depuración.
El mantenimiento de las lagunas de estabilización contempla dos
aspectos fundamentales:
•
•
70
Cuidado de la obra civil: limpieza de la unidad de pretratamiento
(si la hubiera), medidores de caudal, cercas perimetrales,
caminos, jardinería, retirada del fango acumulado en las lagunas,
etc.
Detección de problemas de funcionamiento y adopción de
medidas correctoras
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
La primera actividad de mantenimiento comienza inmediatamente
después de concluido su construcción. Esta consiste en llenar la laguna
de agua cuanto antes para evitar agrietamiento del fondo y taludes debido
a la caída de lluvias, así como el crecimiento de malas hierbas en esa
área.
Atención a la obra civil
El mantenimiento de la laguna y su entorno en buenas condiciones debe
ser uno de los objetivos fundamentales del operador. Al igual que ocurre
con cualquier otra instalación, si no se cuida diariamente de que esté
limpia, y se reparan los desperfectos a medida que se van produciendo,
en poco tiempo la instalación en su conjunto se deteriora. Esto puede
acarrear problemas no solo a la propia instalación, sino también
trastornos y molestias a la población circundante, aún cuando se cumplan
los requisitos de distancia apropiada de ésta.
El operador, por tanto, debe ser consciente de que su trabajo es muy
importante para la comunidad, y de que es responsable de posibles
amenazas a la salud pública que puedan derivarse de un mantenimiento
incorrecto de la laguna.
Figura 22. Detalle de una laguna facultativa en el que se observa su
coloración característica
71
Menéndez, C y M. Díaz
Limpieza del área de pretratamiento
Algunas lagunas de oxidación pueden contar al menos con un sistema de
desbaste mediante rejas, con el que se eliminan los sólidos de mayor
tamaño arrastrados por las aguas residuales. Con menos frecuencia, el
pretratamiento consta también de una cámara de grasas, tamices o
desarenador. Cada una de estas unidades requiere cuidados especiales.
Rejas
En el caso más simple, el pretratamiento consta sólo de un sistema de
rejas. A medida que los sólidos se van acumulando en las rejas, éstas se
van colmatando y el agua encuentra mayor dificultad en atravesarlas. Por
tanto, es necesario eliminar, al menos una vez al día, los sólidos
depositados. Los sólidos húmedos constituyen un ambiente propicio para
criadero de mosquitos y roedores. Dede preverse un área para el
enterramiento de estos desechos sólidos.
Tamices
El pretratamiento de las aguas residuales destinadas a lagunas de
oxidación pudiera estar constituido además por tamices.
Al igual que en el desbaste mediante rejas, los sólidos deben eliminarse
al menos una vez al día. Dado que la planta suele tener un sistema de
rejas previo al tamiz, lo más sencillo es proceder a la limpieza conjunta
de ambos y reunir los sólidos separados por uno y otro método. El
destino final de esos sólidos debe ser su enterramiento en el menor
tiempo posible.
Limpieza de los medidores de caudal
Las lagunas de estabilización pueden contar con algún dispositivo para la
medida de caudal, que puede estar situado a la entrada o a la salida de la
planta, aunque usualmente está ubicado a la entrada. Es esencial
mantener, tanto el dispositivo como los canales de acceso y salida del
mismo limpio de acumulaciones de residuos, ya que de lo contrario las
lecturas de caudal pueden ser erróneas. Esta limpieza debe efectuarse al
72
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
menos una vez a la semana, y los sólidos recogidos deben eliminarse en
la misma forma descrita para las rejas y tamices.
Limpieza de conducciones y arquetas de reparto
Todas las conducciones del agua residual entre los distintos elementos de
la planta de depuración por lagunas deben mantenerse limpios,
eliminando para ello los depósitos de materia sólida que puedan ir
acumulándose. Estos sólidos también deben enterrarse a la mayor
brevedad posible después de ser retirados de las conducciones.
Las arquetas de reparto deben ser objeto de cuidados especiales, ya que
la acumulación de sedimentos en ellas provoca que los caudales que
pasan a las lagunas se vayan desviando de los valores de proyecto, con lo
que finalmente se provoca el mal funcionamiento de la planta
depuradora.
Figura 23. Arqueta de reparto
La inspección de las arquetas de reparto y las conducciones de entrada y
salida a cada laguna debe llevarse a cabo diariamente, para vigilar si
73
Menéndez, C y M. Díaz
existen plásticos, costras, hojas, trapos u otras materias que hayan
accedido a la depuradora y puedan originar obstrucciones. Como regla
general, debe efectuarse la limpieza de estos elementos una vez por
semana y después de lluvias, siempre que la inspección diaria muestre la
presencia de materiales acumulados
Si la planta cuenta con aliviaderos para aguas de lluvia, deben ser
inspeccionados regularmente, al menos una vez al mes en tiempo seco, y
al final de cada episodio lluvioso, para asegurarse que están libres de
obstrucciones y están en condiciones de cumplir su misión
correctamente.
Mantenimiento de taludes
Los taludes son los elementos de las lagunas más sensibles al deterioro y
donde éste resulta más visible. Los cuidados que requieren dependen del
material del que estén formados.
Figura 24. Talud y fondo de laguna Impermeabilizado con material
sintético
Los taludes de tierra, que son los más usuales, pueden resultar dañados
por animales que construyan sus cuevas en ellos y por la escorrentía
provocada por las lluvias. El operador debe inspeccionar los taludes para
detectar señales de erosión, desarrollo de grietas y agujeros causados por
animales. Las medidas a tomar en caso de deterioro están recomendadas
por la OMS (1987):
74
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
•
•
•
•
Rellenar las grietas con tierra, y de ser posible con arcilla, y
seguidamente emparejar el terreno y compactarlo
Eliminar las malas hierbas que crecen en los taludes, en especial
las plantas acuáticas
Si por razones estéticas se ha dotado a la depuradora de
jardinería, debe mantenerse una distancia mínima de 30
centímetros entre el nivel máximo de agua en las lagunas y las
plantas cultivadas en los taludes interiores
Si existen zonas arboladas en las proximidades de la planta,
impedir el desarrollo de árboles próximos a las lagunas
Pérdidas por infiltración. Balance hídrico de las lagunas.
Un aspecto importante de las lagunas, no siempre tenido en cuenta es el
balance hídrico. El balance hídrico permite conocer si existe o no
percolación en el dispositivo de tratamiento.
Para el balance hídrico puede consultarse el epígrafe 7.5. En aquellos
casos en los que el caudal del efluente de la laguna sea negativo, una
alternativa de solución consiste en mejorar la impermeabilización de la
misma.
Figura 25. Distancia de seguridad entre las plantas en el talud
interior de una laguna facultativa y la lámina de agua
75
Menéndez, C y M. Díaz
Mantenimiento de caminos, verjas y otros elementos de la planta
depuradora
Es frecuentemente recomendable que la planta depuradora esté protegida
perimetralmente por un cercado.
El operador de la instalación debe inspeccionar la cerca periódicamente,
aproximadamente una vez a la semana, recorriendo todo el perímetro
para detectar daños en los postes o el alambre de la cerca. Los posibles
deterioros deben ser arreglados inmediatamente. Es muy importante
mantener el recinto bien aislado para impedir la entrada de intrusos y
evitar así posibles accidentes.
Los caminos de acceso a la planta deben mantenerse en buen estado. Si
no están asfaltados o al menos dotados de una cubierta de grava deben
vigilarse para evitar el crecimiento de malas hierbas y la formación de
charcos de agua en períodos de lluvia.
En terrenos arcillosos es conveniente que los caminos tengan un buen
acabado, ya que de lo contrario puede quedar cortado el acceso a la
planta en tiempo lluvioso. Los caminos interiores deben mantenerse
siempre libre de malas hierbas. Si el acabado es de gravilla, deberá
mantenerse en buen estado y libre de crecimientos de hierbas. Si se
producen grietas o desperfectos ocasionados por las lluvias hay que
repararlos inmediatamente, al igual que en el caso de los taludes.
Retirada de los fangos de las lagunas
Un criterio especialmente controvertido es el de la necesidad o no de
limpieza del los fangos depositados en el fondo de las lagunas. No se
trata aquí de la existencia o no de tal necesidad, sino de cómo proceder
en caso de que se requiera.
Lagunas anaerobias
Las lagunas anaerobias se construyen de forma que el fango pueda
acumularse en el fondo durante un período de tiempo bastante largo
(tres-seis años) antes de que sea necesaria su limpieza. La retirada del
fango puede acometerse por las llamadas técnicas en seco o en húmedo.
76
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
La elección de una u otra depende de la disponibilidad de otras unidades
en paralelo que permitan paralizar la laguna a limpiar durante un tiempo
considerable.
•
Limpieza en seco. En este caso se deja la laguna anaerobia fuera
de servicio y se hace pasar el afluente a una de las otras unidades.
La capa líquida de la superficie de la laguna se elimina mediante
bombeo, y una vez el fango queda expuesto al aire se deja secar
por evaporación. Una vez que la capa de fangos se ha secado, se
retira y se almacena para usarse como abono, si es posible en la
jardinería de la propia instalación. Si se utiliza este método, es
aconsejable dejar que la capa de fangos supere una décima parte
del volumen de la laguna, con objeto de que el período de secado
no sea demasiado largo.
•
Limpieza en húmedo. La retirada de fangos puede llevarse a cabo
sin vaciar la laguna, utilizando bombeo o un equipo de dragado.
Otra posibilidad es vaciar el agua hasta dejar la capa de fangos al
descubierto y retirarlos mediante una retroexcavadora.
El principal inconveniente de este tipo de limpieza es el importante
volumen de fangos obtenidos, que hay que secar antes de que sea posible
su utilización, para lo que hay que disponer lechos de secado. Este
método tiene que utilizarse cuando no se dispone de ninguna otra unidad
que reemplace durante la operación de limpieza a la laguna anaerobia,
por lo que mientras ésta se lleva a cabo hay que efectuar un by-pass. En
estas condiciones, la retirada de los fangos debe hacerse lo más
rápidamente posible. Cuando se utiliza este método se considera que hay
que proceder a la retirada de los fangos cuando éstos ocupan la mitad del
volumen de las lagunas.
Lagunas facultativas
Cuando la instalación no cuenta con lagunas anaerobias, es decir, el agua
residual cruda alimenta directamente una laguna facultativa, se produce
una acumulación de fangos en el fondo de ésta que es posible que haya
que eliminar periódicamente. Puesto que las lagunas facultativas son
normalmente mucho mayores que las anaerobias, la retirada del fango se
suele hacer paralizando la laguna a limpiar cuando se ha producido una
77
Menéndez, C y M. Díaz
acumulación de 50-100 centímetros de fango, vaciando el agua
almacenada y dejando secar por evaporación el sedimento. La mayor
superficie de fondo no aconseja el uso de las técnicas de retirada de
fango en húmedo comentadas para las lagunas anaerobias.
10.4. CONTROL OPERATIVO DE LAS LAGUNAS: INSPECCIÓN
DIARIA
Además de las determinaciones analíticas que se detallan más adelante, el
operador de la instalación debe efectuar un control diario de las
incidencias de las lagunas, con el objetivo de detectar lo antes posible
cualquier problema de funcionamiento y poder así tomar las medidas
correctoras correspondientes antes de que se produzcan fallos en la
depuración.
Este control diario es sencillo y se limita a observaciones que pueden
reunirse durante un paseo alrededor de la instalación, que debe realizarse
en forma rutinaria procurando que siempre sea a la misma hora del día. Si
no es posible efectuar esta inspección diariamente, se recomienda llevarla
a cabo al menos una vez a la semana.
Durante esta inspección visual, el operador debe tomar notas relativas a
las incidencias siguientes:
•
•
•
•
78
Aparición de espumas y flotantes en distintos puntos de la
laguna. Esta condición puede indicar la presencia de
concentraciones elevadas de detergente en el agua, y resulta
perjudicial para la marcha general de la depuración
Acumulación de grasa en las lagunas, aspecto de estas
manchas y localización en los estanques
Desprendimiento de fangos desde el fondo de los estanques y
acumulación de éstos en la superficie. Esta incidencia también
es indeseable, con la excepción de las lagunas anaerobias
Coloración de las distintas lagunas. Las lagunas anaerobias
deben presentar un color gris, y las facultativas y de
maduración un color verde brillante, menos intenso en las
últimas
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
•
•
Es importante reflejar la aparición de manchas de distinto
color en las lagunas, ya que estas variaciones pueden indicar
el principio de desarrollo de microorganismos no deseables
También es muy importante registrar cualquier cambio del
aspecto del agua, tal como el desarrollo de turbiedad o
apariencia lechosa, coloraciones amarillentas, marrones,
rosadas o rojas, y aparición de zonas diferenciadas dentro de
las lagunas
Figura 26. Flotantes en la superficie de una laguna facultativa
•
•
•
•
•
•
Crecimiento de plantas leñosas en los taludes o dentro de las
lagunas
Erosión de los taludes
Infiltración visible del agua en los taludes: zonas húmedas en
la base de los taludes, normalmente acompañado por
crecimientos de vegetación leñosa
Estado de los caminos de acceso a la laguna y de los pasillos
interiores entre las lagunas: presencia de barro, deterioro de la
cubierta de grava o asfalto
Estado de la cerca que rodea la instalación
Estado de los medidores de caudal y arquetas de reparto:
acumulación de suciedad o fangos, desequilibrios visibles en
79
Menéndez, C y M. Díaz
•
•
•
•
•
los repartos de caudal, presencia de válvulas atascadas
Pretratamiento: Condición en la que se encuentran las rejas de
desbaste, posibles dificultades en la remoción de gruesos,
estado de desarenadores, desengrasadores, de haberlos
Presencia de insectos o larvas en las lagunas
Presencia de aves acuáticas
Presencia de roedores
Desarrollo de olores en distintas partes de la instalación
La Organización Mundial de la Salud (W. H. O., 1987) recomienda
registrar las observaciones cualitativas siguientes:
Precipitación:
- Nula (tiempo seco)
- Lluvia fina
- Lluvia moderada
- Lluvia fuerte
En los tres últimos casos se recomienda consignar también la duración de
la lluvia
Viento:
- Aire en calma
- Brisa
- Viento moderado
- Viento fuerte
Radiación solar:
- Luz brillante (despejado, sin nubes)
- Nubes ocasionales
- Parcialmente nublado
- Nublado
Estas observaciones pueden servir de ayuda para interpretar los
resultados de los controles operativos y analíticos, en ausencia de otros
datos cuantitativos.
80
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
10.5. DETERMINACIONES ANALÍTICAS EN LAGUNAS
Es función del operador el conseguir muestras representativas y tomar las
precauciones necesarias para que lleguen al laboratorio en las mismas
condiciones en que se tomaron. Lo ideal es disponer de algún tipo de
nevera portátil y suficientes frascos de muestreo. Para las
determinaciones microbiológicas los frascos deben ser estériles.
Los análisis de las muestras que se tomen deben ser realizados en un
tiempo lo más próximo posible al de la toma. En caso en que medie más
de 2 horas entre el muestreo y la realización de las determinaciones, el
laboratorio seleccionado deberá señalar los reactivos y cantidades de
éstos a añadir a cada muestra, así como suministrar los aditivos
correspondientes para su adecuada preservación.
En cuanto a las determinaciones de pH, alcalinidad y oxígeno disuelto,
cuando se necesiten, deben realizarse «in situ».
Precauciones especiales para la medida de algunas de las variables:
•
Temperatura media: Puede estimarse a partir del promedio de las
temperaturas media y máxima medidas a la mitad de la
profundidad. El termómetro debe quedar instalado durante un
periodo de 24 horas de cada día en que se vayan a efectuar
muestreos de la instalación. La temperatura media se calcula
como la media aritmética de la máxima y mínima para cada
período
•
Oxígeno disuelto: La concentración de oxígeno disuelto se
determina frecuentemente en los efluentes de las lagunas, lo que
suministra una información puntual que debe acompañarse de la
hora del día en que se verificó la medida, ya que el oxígeno
disuelto varia en función de la intensidad de la radiación solar.
Con objeto de conocer estas variaciones durante las épocas de
actividad máxima y mínima es conveniente realizar la medida de
oxigeno disuelto a distintas horas del día y profundidades al
menos en dos ocasiones, durante las temporadas seleccionadas de
muestreo
81
Menéndez, C y M. Díaz
•
Sulfatos y sulfuros: La medida de estas dos variables puede
resultar útil cuando se presentan problemas de mal
funcionamiento y olores. Normalmente la aparición de olores está
asociada a sobrecargas, tanto en lagunas anaerobias como
facultativas. La presencia de sulfuros en el afluente indica que
éste se encuentra en condiciones sépticas
•
Sodio, magnesio y calcio: Estos
cationes se determinan
fundamentalmente para evaluar la calidad del agua cuando el
efluente va a ser utilizado en riego
•
Profundidad del fango: La acumulación de fangos en las lagunas
anaerobias y facultativas primarias (las que reciben el agua
residual directamente) debe medirse al menos una vez durante
cada período de muestreo. Para ello puede aplicarse el test o
prueba de la toalla
•
Otras determinaciones: Si la laguna recibe algún vertido
industrial, además de los análisis usualmente recomendados, en
ocasiones hay necesidad de incluir otros que permitan establecer
la eficiencia en la eliminación de contaminantes específicos
durante el tratamiento, y la posible toxicidad de los vertidos
En la tabla 9 se detallan las variables más comunes a medir así como el
punto donde se recomienda hacerlo.
Prueba de la toalla
La prueba de la «toalla» consiste en revestir el extremo de un palo de
suficiente longitud con tela blanca absorbente, como puede ser una toalla
blanca. Una vez que la tela se encuentra bien fijada al soporte, se
introduce éste en la laguna cuidando que permanezca en posición
vertical, hasta que alcance el fondo. Entonces se retira y se mide la altura
manchada con fango, que queda fácilmente retenido en la toalla. Esta
operación debe repetirse en varios puntos de cada laguna (dependiendo
de las dimensiones, de tres o seis puntos), y calcularse seguidamente la
profundidad media del fango depositado.
82
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
Tabla 9.Variables a determinar para el seguimiento mínimo de las
lagunas de estabilización
VARIABLE
Caudal
DBO5
DQO
Sólidos suspendidos
Coli fecales
N-NH3
Nitrato
P total
S2SO42pH
Temperatura
OD
Conductividad
Na, Ca, Mg
Profundidad del
fango
Punto de muestreo 1
Tipo de muestra 2
AR
A
F
M
X
I
P
P
P
I
P
P
P
I
P
P
P
I
P
P
P
I
P
P
P
I
P
P
P
I
P
P
P
I
P
P
P
I
P
P
P
I
P
PP
PP
I
I
X
X
I
P
PP
PP
I
X
OBS.
E
X
P
P
P
P
P
P
P
P
P
I
I
I
I
I
X
AR: Agua residual bruta. A: Anaerobia. F: Facultativa. M:
Maduración. E: Efluente. 2I: Integrada. P: Puntual. PP: Promedio
Profundidad.
1
Tipos de muestras y su frecuencia
La aplicación de una técnica de muestreo correcta es la base para el
seguimiento de la operación de cualquier dispositivo de tratamiento. Las
lagunas no constituyen una excepción.
Para medir la efectividad de una laguna de oxidación hay que realizar
análisis físicos, químicos y/o bacteriológicos. A tales efectos deben
tomarse muestras de agua residual al menos a la entrada y salida de la
misma.
83
Menéndez, C y M. Díaz
La validez de los resultados de laboratorio depende, de entre otros
factores, de la representatividad de la muestra. El objetivo del muestreo
es recolectar una muestra que tenga un volumen lo suficientemente
pequeño como para que pueda manipularse fácilmente, y que al mismo
tiempo sea representativo de la corriente que se desea caracterizar.
Tipos de muestras
Los dos tipos fundamentales de muestras que pueden tomarse en una
laguna de estabilización son:
1. Muestras puntuales
Son muestras simples, tomadas en un solo punto de la laguna y en un
momento dado del día, por lo que no son representativas de la
composición media del punto que se desea muestrear. Para tomar una
muestra puntual del efluente simplemente debe llenarse un recipiente
con el agua de salida.
En este tipo de muestras es importante registrar cuidadosamente la
localización del punto de muestreo y la hora del día a la que se llevó
a cabo la toma de muestras. En este caso lo más aconsejable es que la
o las horas de muestreo sean siempre las mismas. Las muestras
puntuales ofrecen información sobre el estado de la parte de la laguna
muestreada en ese punto y ese momento, por lo que sólo tienen valor
con respecto a aquellas variables que no sufren grandes variaciones
durante el transcurso del día o la posición en el estanque. Cuando se
usen las muestras instantáneas o puntuales para determinar la
eficiencia de la laguna, la muestra del efluente debe ser recolectada
después de un período que se corresponda al tiempo de retención de
la laguna.
2. Muestras integradas
Proporcionan información sobre la media diaria de las variables que
se analicen.
Este tipo de muestra es el resultado de la mezcla de varias muestras
puntuales tomadas a diferentes horas del día. La integración se hace
de manera tal que el volumen de cada muestra instantánea tomada sea
proporcional al caudal medio en el momento que se toma la muestra.
El número de muestras puntuales que constituyen la integrada debe
estar en función de la variabilidad del gasto que se desea medir.
84
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
Cuando debido a limitaciones de tiempo o mano de obra no sea posible la
toma de muestras durante períodos de veinticuatro horas a intervalos de
una-dos horas, debe intentarse por lo menos la toma de muestras durante
las horas de luz, separadas como máximo por intervalos de 3 horas.
Para llegar a disponer de muestras integradas, se requiere que cada una
de las tomas puntuales que constituirán la compuesta, sea obtenida
teniendo en cuenta tanto el flujo promedio de agua residual como el
existente en el instante en que se toma la muestra. El flujo promedio debe
ser calculado previamente.
Para estimar el volumen de muestra a extraer en cada momento, puede
utilizarse la expresión:
Vi =
VT
*Q
i
Q *N
donde
Vi : volumen de muestra a tomar en un instante (L)
VT :volumen total de muestra que se desea recolectar al final del
`período de muestreo (L)
N : número de muestras que se van a tomar
Q : flujo promedio determinado previamente (L / h)
Qi: flujo puntual en el instante de la toma de muestra (L / h)
Observaciones
• De la muestra captada deben excluirse las partículas
relativamente grandes (mayores de 5 mm), porque pueden
distorsionar los resultados de los análisis a realizar
• Tampoco deben ser incluidos los sedimentos o material flotante
que existan acumulados en el punto de muestreo, porque tampoco
serían representativos de las corrientes de entrada o salida de la
laguna
•
3. Muestras promedio en profundidad
Algunas de las variables más importantes en las lagunas, como lo pueden
ser el oxígeno disuelto y la presencia de algas, presentan cambios muy
85
Menéndez, C y M. Díaz
importantes de concentración en función de la profundidad a la que se
toma la muestra. En estos casos, una estimación adecuada de la variable
en cuestión tiene que ir acompañada de la profundidad a la que se
verificó la medición.
De igual forma, para el conjunto del estanque hay que suministrar un
valor medio que represente dicha variable para la totalidad de la columna
de agua. Esto se logra tomando muestras a varias profundidades y
obteniendo la media de los resultados obtenidos. Esta media debe hacerse
teniendo en cuenta que el volumen de agua representado por cada
profundidad varía en función del talud, siendo máximo en la superficie y
mínimo en el fondo.
Frecuencia de muestreo
Con objeto de determinar el comportamiento de las lagunas durante las
épocas del año en las que su eficiencia es máxima y mínima, se
recomienda escoger dos períodos de muestreo que corresponden a los
meses de enero y agosto.
Los muestreos deben llevarse a cabo con periodicidad semanal durante al
menos cinco semanas situadas en las épocas seleccionadas (por ejemplo,
en enero-febrero y julio-agosto). Aunque normalmente es mejor realizar
el muestreo entre semana para detectar mejor los vertidos industriales, en
zonas turísticas con notable afluencia de visitantes los fines de semana,
es conveniente incluir también muestreos durante esos días. Por tanto, al
diseñar el programa de muestreo deben ser tomados en cuenta las
condiciones locales que puedan influir en los vertidos de aguas
residuales.
Este sistema de dos campañas anuales de muestreo debe tomarse como el
mínimo necesario para la evaluación de la capacidad depouradora de las
lagunas. Siempre que sea posible, y se cuente con los medios necesarios
para un seguimiento más completo, es preferible la toma de muestras
mensual, complementada con las dos campañas anuales indicadas en el
párrafo anterior.
86
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
Medidas del caudal
La medición del caudal tiene una importancia decisiva para evaluar el
comportamiento de las lagunas. No sólo es necesaria para obtener
muestras integradas, sino también para determinar el tiempo de retención
del agua en la planta, la carga superficial y volumétrica así como la
capacidad de tratamiento.
Normalmente existe siempre un medidor de caudal a la entrada de la
planta. Algunas pocas plantas cuentan con dos medidores de caudal: uno
a la entrada y otro a la salida. Disponer de estas dos medidas es
conveniente, ya que de esa forma pueden calcularse las pérdidas por
evaporación e infiltración en el terreno.
Tabla 10. Reporte de los resultados analíticos
VARIABLE
Fecha
Hora
Fecha
Hora
Fecha
Hora
OBS
Caudal m3/h
DBO5 mg/L
DQO mg/L
Sólidos suspendidos
mg/L
Coli fecales
colonias/100 mL
N-NH3 mg/L
N-Nitrato mg/L
P total mg/L
Sulfato mg/L
pH
Temperatura oC
OD mg/L
Conductividad
μSiemens/cm
Na mg/L
Ca
mg/L
Mg mg/L
Profundidad del fango
cm
87
Menéndez, C y M. Díaz
PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN Y PRESENTACIÓN
DE RESULTADOS
Si importantes son las observaciones cualitativas y los análisis
cuantitativos, no lo es menos la forma en que se presentan los resultados.
Para la interpretación primaria de los resultados de los controles directos,
éstos pueden presentarse en forma de tabla. Ver tabla 10.
Para obtener mayor información de los controles que se realizan a la
operación de cualquier instalación de tratamiento y en particular en las
lagunas de oxidación, es necesario el procesamiento adecuado del
resultado de las determinaciones analíticas que se realizan en el
laboratorio. Por otro lado, es importante que el propio operador sepa
analizar algunos de los resultados que se van obteniendo y presentarlos
de forma que resulten fácil de interpretar.
Para ello, en esta sección se incluyen algunos conceptos útiles para el
análisis de resultados (media, mediana, varianza, cálculo del
rendimiento), así como la confección e interpretación de gráficos.
En la tabla 11 se presenta una forma de reflejar el resultado de la
inspección diaria de carácter cualitativo.
Tabla 11 . Parte diario del control operativo
INSPECCIÓN DIARIA
Operador:
Caudal m3h-1
Fecha:
Hora:
afluente
efluente
Espuma o sólidos flotantes
sí
no
Grasa en la superficie
sí
no
Crecimiento de plantas
en los taludes en el agua
sí
no
Presencia de roedores
sí
no
Coloración del agua
88
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
Valor promedio o Media aritmética
El valor promedio de un grupo de N valores es la suma de éstos dividida
por el número de valores N, es decir:
Vpromedio =
V1 + V2 + V3 + ..... + Vn
n
Por ejemplo, si se desea calcular el valor promedio del caudal durante
una semana, y se tienen los caudales que han entrado durante cada uno de
los días en la planta depuradora, tal como aparecen en la tabla 12 debe
procederse en la forma siguiente:
Q promedio =
Q promedio =
Q lun + Q mart + Q miér + Q juev + Q vier + Q sáb + Q dom
7
1200 + 1220 + 1210 + 1240 + 1200 + 1170 + 1100
7
3
Q promedio = 1191 m
d
Tabla 12. Valores del caudal diario de entrada en la planta
depuradora
Día de la semana
Lunes
Martes
Miércoles
Jueves
Viernes
Sábado
Domingo
Caudal m3/d
1200
1220
1210
1240
1200
1170
1100
Este mismo procedimiento se aplica para calcular el valor medio de
cualquier otra variable. Por ejemplo, resulta interesante conocer cuál es la
89
Menéndez, C y M. Díaz
media de la materia orgánica a la salida de la planta durante una semana,
bien como DQO o como DBO5. Para calcular estas medias hay que
sumar todos los resultados procedentes del laboratorio y dividir por el
número total de éstos. Otro cálculo interesante es la media en período de
seca y lluvia de la materia orgánica a la salida de la laguna.
En la tabla 13 se recogen los resultados correspondientes, para un caso
hipotético. Se reporta la DBO5 resultado del muestreo intensivo del
efluente de una laguna durante una semana típica, en 2 temporadas. Estos
muestreos consistieron en una toma diaria de muestras durante cuatro
semanas y se llevaron a cabo en los meses de enero (temporada de seca)
y julio (temporada de lluvia).
Tabla 13. Resultados de la DBO5 a la salida de la laguna.
Muestreos intensivos en época de lluvia y seca
(1 semana típica de muestreo por campaña. Hora: 1 pm)
día
1
2
3
4
5
6
7
DBO 5 días mg/L
seca
lluvia
50
47
30
30
45
15
30
24
40
12
20
35
45
30
Para calcular la DBO5 media en período de lluvia, se suman todos los
resultados de la tercera columna en la tabla 2 y se divide entre el número
total de valores, es decir, 7.
Para calcular la DB05 media en período de seca se hace lo mismo con los
resultados de la segunda columna:
DB05 lluvia = (suma valores en columna 3)/7 = 27,6 mg/L
DBO5 seca = (suma valores en columna 2)/7 = 37,0 mg/L
90
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
De esta forma se obtienen los valores medios, en los que se comprueba
fácilmente, sin necesidad de manejar a la vez todos los resultados de la
tabla, que la laguna entrega un agua residual tratada con menor DBO en
época de lluvia que en época de seca.
Intervalo de variación
En el apartado anterior se calculó la media de una serie de valores. Sin
embargo, este valor por sí mismo no informa sobre la dispersión de
aquéllos, es decir, las variaciones que existen entre las diferentes medidas
utilizadas para calcular el valor promedio. Una de las posibles formas de
evaluar la dispersión es calculando el intervalo de variación. El intervalo
de variación es la diferencia entre el valor más alto y el más bajo de la
serie de números que se están considerando. Por ejemplo, en las medidas
de la DBO5 contenidas en la tabla 13, los intervalos de valores para época
de seca y de lluvia serán, respectivamente:
temporada de seca:
Valor máximo = 50 mg/L
Valor mínimo = 20 mg/L
Intervalo de valores = 50 - 20 = 30 mg/L
temporada de lluvia:
Valor máximo = 47 mg/L
Valor mínimo = 12 mg/L
Intervalo de valores = 47 - 12 = 35 mg/L
Por consiguiente, los datos recogidos en época de lluvia presentan una
dispersión mayor.
Varianza y desviación típica
Otra medida de la dispersión de un grupo de valores la proporciona el
cálculo de su varianza y desviación típica. Cuando se conoce la media e
intervalo de variación se tiene una cierta idea sobre las características del
conjunto, pero no hay forma de averiguar si estos valores se concentran
91
Menéndez, C y M. Díaz
en la parte central del intervalo o en los extremos de éste, es decir, no se
conoce su distribución en el intervalo.
Considere como ejemplo el caso siguiente:
Se ha medido la DQO a la salida de dos lagunas facultativas durante dos
semanas, con los resultados que se recogen en la tabla 6. Con la finalidad
de presentar unos valores que representen todas las medidas llevadas a
cabo sin tener que manejar todos los datos, lo que puede ser muy
engorroso, se han calculado los valores medios y la dispersión de los dos
conjuntos de medidas. Los resultados son los siguientes:
Tabla 14. Medidas diarias de DQO a la salida de dos lagunas
facultativas
Laguna
A
Laguna
B
42
42
35
65
25
25
27
71
40
40
25
70
47
47
75
31
75
75
28
70
61
61
74
26
57
57
30
73
Conjunto de medidas A:
Media = 50 mg/L
Intervalo de variación = 50 mg/L
Conjunto de medidas B:
Media = 50 mg/L
Intervalo de variación = 50 mg/L
Es decir, estas dos medidas no son suficientes para informar sobre la
diferente distribución de los valores en uno y otro conjunto de muestras.
Las medidas que pueden proporcionar información sobre la distribución
de los valores son la varianza y la desviación típica. La varianza se
calcula hallando las diferencias que existen entre cada valor y la media,
sumando estas diferencias y elevándolas al cuadrado, y por último se
92
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
divide la suma obtenida por el número de valores menos uno, tal como
indica la ecuación:
∑ (X − X )
S =
2
m
2
n
n −1
donde
S2= varianza;
Xn = cada uno de los valores del conjunto;
Xm= media aritmética del conjunto de valores; y
n = número total de valores.
Aplicando esta definición al ejemplo anterior, la varianza de los
resultados correspondientes a la laguna A y B es respectivamente:
SA2 = 133
SB2 = 492
Es decir, la dispersión es mayor en los resultados correspondientes a la
salida de la laguna B.
Muchas veces la dispersión se expresa por medio de la desviación típica,
S, que es la raíz cuadrada de la varianza. Para el ejemplo anterior, la
desviación típica es:
S = S2
SA= 11,52 mg/L
SB = 22,18 mg/L
Cálculo de la eficiencia de remoción
Generalmente la efectividad de depuración de las lagunas se reporta a
través del % de eliminación o reducción de algún indicador como lo
pueden ser:
93
Menéndez, C y M. Díaz
•
•
•
•
materia orgánica, medida como DBO5 o DQO
materia en suspensión
coliformes
nutrientes
En otras oportunidades el interés se centra en destacar el valor de estos u
otros indicadores a la salida de la laguna.
Cuando se utiliza el % de depuración se está haciendo uso del concepto
de rendimiento de depuración. Normalmente el rendimiento se calcula,
como ya fue mencionado, tomando como base la materia orgánica,
expresada como DBO5 o DQO, aunque se puede hablar también del
rendimiento en la reducción de nutrientes o cualquier otro indicador
según sea el interés primario.
La reducción porcentual o rendimiento de la depuración se calcula en la
forma siguiente:
eficiencia de remoción =
Pentrada − Psalida
. 100
Pentrada
donde Pent es el valor a la entrada de la laguna, del indicador seleccionado
y Psalida es el valor del mismo indicador pero en el efluente.
Información gráfica
Otra forma útil de presentar los datos es mediante gráficos, sean éstos de
líneas o de barras. La presentación de resultados mediante gráficos
permite ordenarlos fácilmente. De otra forma pudieran ser amontonados
en tablas de las que pudiera ser difícil extraer conclusiones.
Gráficos de barras
En este tipo de gráficos se representa la frecuencia con que se repiten
resultados o intervalos de resultados. Esta modalidad de gráficos permite
estudiar fácilmente características de los datos que se van recogiendo, y
en especial su dispersión y distribución.
94
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
Como ejemplo se confeccionarán gráficos de barras a partir de los datos
recogidos en la tabla 14. Como se destacó anteriormente, estos resultados
corresponden a los análisis de la DQO a la salida de dos lagunas
facultativas A y B que presentan la misma media e intervalo de
variación, pero sus varianzas son diferentes. A continuación se verá en
qué forma un gráfico de barras ayuda a visualizar inmediatamente las
diferencias entre los dos conjuntos de resultados.
El primer paso para la realización del gráfico de barras es determinar la
frecuencia de cada resultado. Para ello, los resultados se agrupan por
subintervalos iguales. La amplitud de los subintervalos se determina de
forma tal que se obtengan varios valores dentro del mismo, tal como se
recoge en la tabla 15.
Tabla 15. Frecuencia de los resultados obtenidos en las lagunas A y B
Planta
A
Planta
B
42
42
35
65
25
25
27
71
40
40
25
70
Intervalo
Punto
medio
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
22,5 – 27,5
27,5 – 32,5
32,5 – 37,5
37,5 – 42,5
42,5 – 47,5
47,5 – 52,5
52,5 - 57,5
57,5 – 62,5
62,0 – 67,5
67,0 – 72,5
72,0 – 77,5
47
47
75
31
75
75
28
70
61
61
74
26
57
57
30
73
Frecuencia
Planta A
Planta B
1
3
0
3
0
1
2
0
3
0
4
0
1
0
2
0
0
1
0
3
1
3
95
Menéndez, C y M. Díaz
Una vez calculada la frecuencia de valores en cada intervalo, se llevan a
una gráfica en la forma recogida en las figuras 14 y 15. Una simple
inspección a estas gráficas arroja de que los dos conjuntos de valores
tienen diferente dispersión. Los resultados correspondientes a la laguna B
presentan una dispersión mucho mayor.
4
3,5
Frecuencia
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
1
25
2
3
35
4
5
45
6
7
55
8
965 10 75
11
DQO
Figura 14. Distribución del efluente de la laguna A
96
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
3
Frecuencia
2,5
2
1,5
1
0,5
0
125
2
335
4
5
45
6
7
55
8
9
65
10 11
75
DQO
Figura 15. Distribución del efluente de la laguna B
Gráfico de líneas
Muchos de los resultados que se obtienen en el seguimiento de la
operación de las lagunas se pueden representar fácilmente frente al
tiempo, a través de gráficos que pueden resultar interesantes y de los que
se pueden derivar conclusiones prácticas. Sobre todo, la realización de
gráficos permite disponer de los resultados en una forma muy sencilla de
interpretar, en lugar de numerosas tablas llenas de números. De esta
forma se visualizan fácilmente las tendencias en la laguna o cualquier
planta depuradora.
Por ejemplo, si se representa la Demanda Química de Oxigeno a la salida
de la laguna para distintas épocas del año, se obtendrá una gráfica en la
que se aprecia un descenso en el contenido de materia orgánica durante la
parte central del año, cuando la temperatura es más alta. Figura 16.
Puesto que las variaciones en el comportamiento de las lagunas dependen
de las condiciones meteorológicas y de la composición y caudal del agua
residual de entrada, si en años sucesivos no se esperan cambios en la
alimentación puede suponerse que el comportamiento de la laguna será
97
Menéndez, C y M. Díaz
similar al que se refleja en la figura 16.
160
DQO mg/L
120
80
40
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12
mes del año
Figura 16. DBO a la salida de una laguna en diferentes meses de un
año
Otras relaciones que pudieran ser particularmente interesantes en el caso
de las lagunas son las que existen entre la concentración de oxígeno
disuelto, y la alcalinidad con las diferentes horas del día, o el caudal
horario.
En la tabla 16 aparecen reportados valores del caudal de alimentación
medidos a intervalos de 2 horas durante un día completo a partir de la
cuál fue trazado el gráfico de la figura 17 . Este gráfico resulta útil para
calcular los volúmenes a utilizar en la obtención de muestras compuestas
98
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
y para planificar los labores de mantenimiento de acuerdo con el caudal
que recibe la planta a distintas horas.
Tabla 16. Variación del flujo de entrada con el tiempo durante un
día típico
Hora 2
Q
m3/h
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
15 15
18
30
35
45
60
60
55
45
25
20
70
metros cúbicos/hora
60
50
40
30
20
10
0
1
3
5
7
9
11
horas
Figura 17. Variación del flujo o gasto horario con las horas del día.
99
Menéndez, C y M. Díaz
100
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
ANEXO 1
CONSERVACIÓN DE LAS MUESTRAS
101
Determinación
Envase
Conservación
Tiempo máximo de
conservación
recomendado / obligado
Aceites y grasas
Alcalinidad
Conductividad
DBO
DQO
V
P, V
P, V
P, V
P, V
28 d / 28 d
24 h / 14 d
28 d / 28 d
6 h / 48 h
Dureza
Fósforo
P, V
V(A)
Nitrato
P,V
Añadir H2SO4, hasta pH < 2, refrigerar
Refrigerar
Refrigerar
Refrigerar
Analizar lo antes posible o añadir H2SO4
hasta pH < 2
Añadir HNO3 hasta pH < 2
Para fosfato disuelto, filtrar de inmediato,
refrigerar
Analizar lo antes posible, o refrigerar
Nitrito
Nitrógeno amoníaco
P, V
P, V
Analizar lo antes posible, o refrigerar
Analizar lo antes posible, o añadir H2SO4,
hasta pH < 2, refrigerar
6 meses / 6 meses
48 h / N. C.
48 h / 48 h (28 d para
muestras cloradas
Ninguno / 28 d
7 d / 28 d
Menéndez, C y M. Díaz
CONSERVACIÓN DE LAS MUESTRAS cont.
Orgánico Kjeldahl
Oxígeno disuelto
Winkler
pH
Sólidos
P, V
V
P,V
P, V
Nota:
P : Plástico (polietileno o equivalente)
V : Vidrio .
V(A) : Lavado con 1 + 1 HNO3
N.C : No consta en la referencia consultada
102
Refrigerar, añadir H2SO4, hasta pH < 2,
Puede retirarse la titulación tras la
acidificación
Analizar inmediatamente
Refrigerar
7 d / 28 d
8h/8h
2 h / inmediato
7d/2–7d
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
ANEXO 2
Presión de vapor de agua a distintas temperaturas
Temperatura
ºC
Presión
mmHg
15
20
25
30
35
40
12,79
17,53
23,75
31,82
42,17
55,32
ALGUNAS EQUIVALENCIAS DE INTERÉS
Para convertir de
acre
días
días
hectáreas
horas
kilogramo
litros
metros
metros cúbicos
a
metro cuadrado
segundos
horas
metro cuadrado
segundos
gramos
mililitros
centímetros
litros
Multiplicar por
4 046,82
86 400
24
10 000
60
1 000
1 000
100
1 000
GLOSARIO
Acetogénesis Etapa básica del proceso anaerobio en la cual los productos de la
acidogénesis son
convertidos en ácido acético, hidrógeno y gas carbónico.
Acidez Capacidad de una solución acuosa para reaccionar con hidróxidos. Se mide
cuantitativamente por titulación con una solución alcalina normalizada y se expresa
usualmente en
términos de mg/l como carbonato de calcio.
Acidogénesis Etapa básica del proceso anaerobio en la cual las moléculas pequeñas,
producto de la hidrólisis, se transforman en hidrógeno, gas carbónico y ácidos orgánicos
(butírico, propiónico y acético).
Afluente Agua residual u otro líquido que ingrese a un reservorio, o algún proceso de
tratamiento.
Aguas crudas Aguas residuales que no han sido tratadas.
103
Menéndez, C y M. Díaz
Aguas residuales Agua que contiene material disuelto y en suspensión, luego de ser
usada por una comunidad o industria.
Aguas residuales municipales Agua residual de origen doméstico, comercial e
institucional que
contiene desechos humanos.
Aguas servidas Aguas de desecho provenientes de lavamanos, tinas de baño, duchas,
lavaplatos, y otros artefactos que no descargan materias fecales.
Ambiente aerobio Proceso que requiere o no es destruido por la presencia de oxígeno.
Ambiente anaerobio Proceso desarrollado en ausencia de oxígeno molecular.
Ambiente anóxico Ambiente bioquímico en el cual no existe oxígeno molecular pero
existe oxígeno en forma combinada como nitratos y nitritos.
Análisis Examen del agua, agua residual o lodos, efectuado por un laboratorio.
Bacteria Grupo de organismos microscópicos unicelulares, carentes de clorofila, que
desempeñan un conjunto de procesos de tratamiento que incluyen oxidación biológica,
fermentaciones, digestión, nitrificación y desnitrificación.
Biodegradación Degradación de la materia orgánica por acción de microorganismos
sobre el suelo, aire, cuerpos de agua receptores o procesos de tratamiento de aguas
residuales.
Carga de diseño Producto del caudal por la concentración de un parámetro específico;
se usa para dimensionar un proceso de tratamiento, en condiciones aceptables de
operación. Tiene unidades de masa por unidad de tiempo, (M/T).
Carga orgánica Producto de la concentración media de DBO por el caudal medio
determinado en el mismo sitio; se expresa en kilogramos por día (kg/d).
Carga superficial Masa de un parámetro por unidad de área y por unidad de tiempo,
que se emplea para dimensionar un proceso de tratamiento mediante lagunas kg
DBO/(ha día).
Caudal máximo horario Caudal a la hora de máxima descarga.
Caudal medio Caudal medio anual.
Clarificador Tanque de sedimentación rectangular o circular usado para remover
sólidos sedimentables del agua residual.
Cloración Aplicación de cloro, o compuestos de cloro, al agua residual para
desinfección ; en algunos casos se emplea para oxidación química o control de olores.
104
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
Coliformes Bacterias gram negativas de forma alargada capaces de fermentar lactosa
con producción de gas a la temperatura de 35 o 37ºC (coliformes totales). Aquellas que
tienen las mismas propiedades a la RAS 2.000.Tratamiento de Aguas Residuales
Municipales.
Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) Cantidad de oxígeno usado en la
estabilización de la materia orgánica carbonácea y nitrogenada por acción de los
microorganismos en condiciones de tiempo y temperatura especificados (generalmente
cinco días y 20 ºC). Mide indirectamente el contenido de materia orgánica
biodegradable.
Demanda Química de Oxígeno (DQO) Medida de la cantidad de oxígeno requerido
para oxidación química de la materia orgánica del agua residual, usando como oxidantes
sales inorgánicas de permanganato o dicromato en un ambiente ácido y a altas
temperaturas.
Descomposición anaerobia Degradación de la materia orgánica en ausencia de oxígeno
molecular (libre) por efecto de microorganismos. Usualmente va acompañada de la
generación de ácidos y gas metano.
Desinfección Destrucción de bacterias y virus de origen fecal en las aguas residuales,
mediante un agente desinfectante.
Determinaciones Analíticas . Ver Análisis Examen del agua, agua residual o lodos,
efectuado por un laboratorio
Digestión aerobia Descomposición biológica de la materia orgánica de un lodo en
presencia de oxígeno.
Digestión anaerobia Descomposición biológica de la materia orgánica de un lodo en
ausencia de
oxígeno.
Disposición en el suelo Reciclaje de agua residual o lodos parcialmente tratados en el
terreno, bajo condiciones controladas.
Disposición final Disposición del efluente de una laguna
Eficiencia de tratamiento Relación entre la masa o concentración removida y la masa
o concentración en el afluente, para un proceso o planta de tratamiento y un parámetro
específico; normalmente se expresa en porcentaje.
Efluente Líquido que sale de un proceso de tratamiento.
Laguna aerobia Término a veces utilizado para significar “laguna de alta producción
de biomasa”.
Lagunas de poca profundidad, que mantienen oxigeno disuelto (molecular) en todo el
tirante de agua.
105
Menéndez, C y M. Díaz
Laguna anaerobia Laguna con alta carga orgánica en la cual se efectúa el tratamiento
en ausencia de oxígeno disuelto (molecular), con la producción de gas metano y otros
gases como el sulfuro de hidrógeno (H2S).
Laguna de estabilización Se entiende por lagunas de estabilización los estanques
construidos en tierra, de poca profundidad (1-2 m) y períodos de retención considerable
(1-40 días). En ellas se realizan de forma espontánea procesos físicos, químicos,
bioquímicos y biológicos, conocidos con el nombre de autodepuración o estabilización
natural. La finalidad de este proceso es entregar un efluente de características múltiples
establecidas (DBO, DQO, OD, SS, algas, nutrientes, parásitos, enterobacterias,
coliformes, etc).
Laguna de maduración Laguna de estabilización diseñada para tratar efluente
secundario o agua residual previamente tratada por un sistema de lagunas (anaerobia facultativa, aireada - facultativa o primaria - secundaria). Originalmente concebida para
reducir la población bacteriana.
Laguna facultativa Laguna de coloración verdosa cuyo contenido de oxígeno varía de
acuerdo con la profundidad y hora del día. En el estrato superior de una laguna
facultativa primaria existe una simbiosis entre algas y bacterias, en presencia de
oxígeno; en los estratos inferiores se produce una biodegradación anaerobia de los
sólidos sedimentables.
Metanogénesis Etapa del proceso anaerobio en la cual se genera gas metano y gas
carbónico.
Mortalidad de bacterias Medida de descomposición de la población bacteriana.
Normalmente se
expresa por un coeficiente cinético de primer orden.
Muestra compuesta Mezcla de varias muestras instantáneas de igual volumen,
recolectadas en un punto de muestreo en diferentes tiempos. La mezcla se hace sin tener
en cuenta el caudal en el momento de la toma.
Muestra integrada Mezcla de varias muestras instantáneas. La integración se hace de
manera tal que el volumen de cada muestra instantánea tomada es proporcional al
caudal medido al tomar la muestra.
Muestra puntual Muestra de agua residual tomada al azar en un momento determinado
para su análisis. Algunos parámetros deben determinarse in situ y otros en el
laboratorio.
Oxígeno disuelto Concentración de oxígeno medida en un líquido, por debajo de la
saturación.
Normalmente se expresa en mg/L.
pH Indicador de la concentración de iones hidrógeno, en moles por litro.
106
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
Planta de tratamiento (de agua residual) Conjunto de obras, instalaciones y procesos
para tratar las aguas residuales.
Población equivalente Población estimada al relacionar la carga total o volumen total
de un parámetro en un efluente (DBO, sólidos en suspensión, caudal) con el
correspondiente aporte per capita (kgDBO/hab/día), L/hab/día.
Pretratamiento Procesos de tratamiento localizados antes del tratamiento primario.
Proceso biológico Proceso en el cual las bacterias y otros microorganismos asimilan la
materia orgánica del desecho, para estabilizar el desecho e incrementar la población de
microorganismos (lodos activados, filtros percoladores, digestión, etc.).
Reja gruesa Por lo general, de barras paralelas de separación uniforme (4 a 10 cm),
utilizado para
remover sólidos flotantes de gran tamaño, aguas arriba de bombas de gran capacidad.
Rejilla media Artefacto de barras paralelas de separación uniforme (2 a 4 cm), utilizado
para remover sólidos flotantes y en suspensión. Son las más empleadas en el tratamiento
preliminar.
Requisitos de oxígeno Cantidad de oxígeno requerida en la estabilización aerobia de la
materia
orgánica para reproducción o síntesis celular y metabolismo endógeno.
Sedimentación Proceso físico de clarificación de las aguas residuales por efecto de la
gravedad. Junto con los sólidos sedimentables precipita materia orgánica del tipo
putrescible.
Sólidos activos Parte de los sólidos volátiles en suspensión que representan los
microorganismos.
Sólidos sedimentables Materia sólida que sedimenta en un periodo de 1 hora.
Tiempo de retención hidráulico Tiempo medio teórico que se demoran las partículas
de agua en un proceso de tratamiento. Usualmente se expresa como la razón entre el
caudal y el volumen útil.
Tratamiento anaerobio Estabilización de un desecho por acción de microorganismos
en ausencia de oxígeno.
Tratamiento biológico Procesos de tratamiento en los cuales se intensifican la acción
natural de los microorganismos para estabilizar la materia orgánica presente.
Usualmente se utilizan para la remoción de material orgánico disuelto.
Tratamiento primario Tratamiento en el que se remueve una porción de los sólidos
suspendidos y de la materia orgánica del agua residual. Esta remoción normalmente es
realizada por operaciones físicas como la sedimentación. El efluente del tratamiento
107
Menéndez, C y M. Díaz
primario usualmente contiene alto contenido de materia orgánica y una relativamente
alta DBO.
Tratamiento secundario Es aquel directamente encargado de la remoción de la materia
orgánica y los sólidos suspendidos.
Vertederos Son dispositivos que permiten determinar el caudal. Poseen una ecuación
general que depende de la gravedad, de su geometría, de su espesor de pared. La
variable independiente será siempre la altura de la lámina de agua sobre el nivel de
referencia. De esta forma cualquier vertedero puede calibrarse mediante una curva de
calibración del mismo con base en diferentes alturas de la lamina de agua de los
diferentes caudales.
108
Lagunas. Diseño,
Operación y Control
Simbología
A: área, m2
a: ancho de la laguna en la superficie, m
AF: área de la laguna en el fondo, m2
AS: área de la laguna en la superficie, m2
B: relación largo/ancho
BA: carga orgánica superficial kg DBO m-2d-1
Δ BV: carga volumétrica, kg DBO m-3d-1
Δ BX: remoción específica, kg DBO ( kg SSV.d )-1
C: concentración de oxígeno disuelto, mg.L-1
CS: concentración de saturación de oxígeno disuelto, mg.L-1
d: número de dispersión
F: factor, 1,4
F': factor empírico, kg O2.(kg DBO removido)-1
H: profundidad, m
L: longitud de la laguna en la superficie, m
Δ M: flujo másico de DBO removido, kg DBO.d-1
N: capacidad de transferencia de oxígeno requerida en condiciones de
operación, kg O2. (kW.h)-1
No: capacidad de transferencia de oxígeno requerida en condiciones
estándar, kg O2. (kW.h)-1
NP: nivel de potencia, W.m-3
P: potencia, W
Q: gasto, m3.d-1
R: flujo másico de oxígeno, kg O2.d-1
S: concentración de DBO efluente, mg.L-1
So: concentración de DBO afluente, mg.L-1
Δ S: remoción de DBO
Ta: temperatura ambiente, ºC
Ti: temperatura del agua a tratar, ºC
Tw: temperatura en la laguna, ºC
V: volumen, m3
X: concentración de sólidos suspendidos volátiles, mg.L-1
Y: coeficiente de rendimiento
b: constante de respiración endógena en base al oxígeno, d-1
f: constante, (0,5)
k: constante cinética de remoción de DBO, d-1
kb: constante de respiración endógena en base a los sólidos suspendidos
volátiles, d-1
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Menéndez, C y M. Díaz
kt: constante cinética de remoción de DBO a la temperatura t, d-1
r: velocidad de consumo de oxígeno, kg O2.m-3.d-1
α: k L a del medio (k L a del agua limpia)-1
β: CS del medio (CS del agua limpia)-1
θ: tiempo de retención hidráulico, d
θm: tiempo de retención hidráulico mínimo, d
θX. edad del lodo o tiempo de retención medio celular, d
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Lagunas. Diseño,
Operación y Control
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I SBN 9 5 9 - 2 6 1 - 2 5 7 - 9
9 789592 612570
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