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CURSO PRACTICO SOBRE LAGUNAS DEESTABILIZACION

• Lagunas Anaerobias

• Expositor: Ing. José E. Vásconez G., M. Sc.

LAGUNAS ANAEROBIAS

INTRODUCCION

• Las lagunas anaerobias constituyen un proceso de tratamiento queopera bajo una condición de ausencia de oxígeno.

• Las lagunas anaerobias se utilizan normalmente como primera fase enel tratamiento de aguas residuales urbanas o industriales con altocontenido en materia orgánica biodegradable.

• El objetivo primordial de estas lagunas es la reducción de contenido ensólidos y materia orgánica del agua residual, y no la obtención de unefluente de alta calidad.

... INTRODUCCION ... (2)

• Las lagunas anaerobias operan en serie con lagunas facultativas y demaduración .

• Generalmente se utiliza un sistema compuesto por al menos una lagunade cada tipo en serie, para asegurar que el efluente final de la plantadepuradora va a poseer una calidad adecuada durante todo el año.

• Las lagunas anaerobias se diseñan para aguas residuales con altascargas y se caracterizan por su corto tiempo de retención hidráulica.

FUNDAMENTOS DEL PROCESO

La estabilización tiene lugar mediante tres etapas:

• Hidrólisis

• Fermentación Acida

• Fermentación del Metano

FUNDAMENTOS DEL PROCESO

COMPUESTOS ORGANICOS COMPLEJOS

HIDRÓLISIS

COMPUESTOS ORGANICOS

SIMPLES

FORMACION DE ACIDOS

CELULAS BACTERIANAS

ACIDOS VOLATILES CO2 H2

OTROS PRODUCTOS

FORMACION DE METANOS

CH4 CO2 CELULAS

BACTERIANAS

HIDROLISIS

Este término indica la conversión de compuestos orgánicoscomplejos e insolubles en otros compuestos más sencillos ysolubles en agua. Esta etapa es fundamental para suministrar loscompuestos orgánicos necesarios para la estabilización anaerobiaen forma que puedan ser utilizados por las bacterias responsablesde las dos etapas siguientes.

FERMENTACION ACIDA

Los compuestos orgánicos sencillos generados en la etapa anterior sonutilizados por las bacterias generadoras de ácidos.

Como resultado se produce su conversión en ácidos orgánicos volátiles,fundamentalmente en ácidos acético, propiónico y butírico.

Esta etapa la pueden llevar a cabo bacterias anaerobias o facultativas.Hay una gran variedad de bacterias capaces de efectuar la etapa deformación de ácidos, y además esta conversión ocurre con gran rapidez.

Dado que estos productos del metabolismo de las bacterias formadorasde ácido o acidogénicas están muy poco estabilizados en relación conlos productos de partida, la reducción de DBO5 o DQO en esta etapa espequeña

... FERMENTACION ACIDA ... (2)

La conversión de carbohidratos a células bacterianas, se realiza dela siguiente manera:

5(CH2O)x (CH2O)x + 2CH3COOH + Energía

FERMENTACION DEL METANO

Una vez que se han formado ácidos orgánicos, una nuevacategoría de bacterias entra en acción, y los utiliza paraconvertirlos finalmente en metano y dióxido de carbono. El metanoes un gas combustible e inodoro, y el dióxido de carbono es un gasestable, que forma parte de la atmósfera.

La liberación de estos gases es responsable de la aparición deburbujas, que son un síntoma de buen funcionamiento en laslagunas anaerobias.

... FERMENTACION DEL METANO ... (2)

Esta fase de la depuración anaerobia es fundamental paraconseguir la eliminación de materia orgánica, ya que los productosfinales no contribuyen a la DBO5 o DQO del medio.

A diferencia de lo que ocurría con la fase acidogénica, hay pocosmicroorganismos capaces de desarrollar la actividad metanogénica,su metabolismo es más lento y además, son mucho más sensiblesa distintas condiciones ambientales.


Los productos finales de la degradación son:

• Metano

• Bióxido de Carbono

• Gas sulfhídrico

• Agua


La conversión de carbohidratos a células bacterianas, se realiza dela siguiente manera:

2.5 CH3COOH (CH2O)x + CH4 + 2CO2 + Energía


De los dos grupos de bacterias referidos anteriormente, lasbacterias “formadoras de metano” son las más importantes para elproceso anaerobio.

La fase de fermentación del metano es el factor cinético – limitanteen el proceso.

Las características fundamentales del grupo bacteriano son lassiguientes:


• Son estrictamente anaerobios (nitratos y sulfatos retardanacción de las bacterias)

• Se desarrollan muy lentamente en comparación con otrosorganismos (2 a 22 días).

• Son sensibles al pH (6,5 a 7,6).

• El trabajo de las bacterias del metano está en desventajadebido a la población reducida que es desarrollada.

VENTAJAS DE LAS LAGUNAS ANAEROBIAS

• Bajo costo, se requiere de áreas reducidas.

• Buen rendimiento para el tratamiento de aguas residuales conaltas concentraciones de materia orgánica.

• Eficiencia probada en el tratamiento de una variedad de aguasresiduales industriales biodegradables.

DESVENTAJAS DE LAS LAGUNAS ANAEROBIAS

• El proceso es sensible a factores ambientales comotemperatura y pH.

• El proceso es sensible a factores operativos como variacionesbruscas de carga.

• Tienen un aspecto poco agradable y condiciones estéticasdesfavorables (formación de natas, inciden en elmantenimiento).

... DESVENTAJAS DE LAS LAGUNAS ANAEROBIAS ... (2)

• El efluente del proceso tiene alto contenido de materia orgánicay color.

• Presentan bajas tasas de mortalidad bacteriana, encomparación con otras opciones.

... DESVENTAJAS DE LAS LAGUNAS ANAEROBIAS ... (3)

• Emanaciones de malos olores ocasionales, en especial en losprimeros años de operación.

• Se deben construir a distancias considerables de los límitesurbanos.

• Rápida acumulación de sólidos, en comparación con otro tipode lagunas, lo que deteriora en la calidad del efluente.

• Requiere de limpieza de lodos más frecuentemente.

PROCEDIMIENTOS DE DISEÑO

A continuación se presenta un análisis de las formulaciones ycriterios de diseño más representativos para lagunas anaerobias.

•Correlación Sudafricana

•Correlación de Kawai

•Modelo de Mezcla Completa

•Correlación de Saidam y Al Salem

CORRELACION SUDAFRICANA

Fue desarrollada para temperaturas climas tropicales ysubtropicales:

S = So / (Kn PR (S/So)n + 1)

En donde:

S = DBO5 del efluente de la laguna, mg /l

So = DBO5 del afluente de la laguna anaeróbica, mg/l

Kn = Constante de degradación, mezcla completa, día-1

PR = Período de retención nominal, días

n = exponente determinado experimentalmente.

... CORRELACION SUDAFRICANA ... (2)

Desventajas:

• La solución requiere de la aplicación del método deaproximaciones sucesivas

• Cuando se incrementa el período de retención en formaexagerada, existe el riesgo de que la laguna funcione comofacultativa.

• Hay discrepancias en relación a la constante de degradaciónanaeróbica Kn

CORRELACION DE KAWAI

Fueron desarrolladas con datos sobre lagunas del Brasil:

• CSr = -14,4555 + 0,6876 CSa

• CSr = -86,0971 + 0,6543 Csa + 3,3985 T

• CSr = -265,0576 + 0,77491 Csa + 23,5258 PR

En donde:

CSr = carga superficial removida, kgDBO / Ha x díaCsa = carga superficial aplicada, kgDBO / Ha x día

MEZCLA COMPLETA

La expresión cuando se considera mezcla completa esla siguiente:

•S = Sa (K’ PR + 1)

En donde:K’ = coeficiente de degradación global de DBO, día-1

K’ = 0,593 día-1 (investigaciones en Perú)K’ = 0,601 día-1 (Chiang y Gloyna)PR = 5 días

CORRELACION DE SAIDAM Y AL SALEM

La expresión cuando se considera mezcla completa esla siguiente:

•S = -1.326 + 7,4 T + 3.961 CV - 68 PR

CORRELACION DE SAIDAM Y AL SALEM

VARIABLE DEL PROCESO UNIDAD INTERVALO PROMEDIODBO del afluente (Sa) mg/l 629 a 826 726DBO del efluente (S) mg/l 213 a 440 321Eficiencia de remoción de DBO % 32 a 71 56Temperatura del agua °C 14,4 a 27 20

Carga volumétrica de DBO kg/(m3 x día) 0,091 a 0,153 0,117

Periodo de Retención (PR) días 4 a 7 5,7

CRITERIOS DE DISEÑO

El diseño de lagunas anaerobias está todavía en desarrollo,por lo tanto el uso de los criterios de diseño son una prácticaaceptable.

Los criterios de diseño son los siguientes:

• Carga Superficial

• Carga Volumétrica

• Profundidad

• Eficiencias

• Acumulación de Sólidos

... CRITERIOS DE DISEÑO ... (2)

CARGA SUPERFICIAL

Se emplea para comprobar que la carga sea suficientemente alta afin de sobrepasar la carga facultativa.

La carga facultativa es de 375 kg DBO / Ha x día.

La carga de diseño debe ser superior a los 1000 kg DBO / Ha xdía.


CARGA VOLUMETRICA

La carga volumétrica para diseño deberá estar sobre los 100 gDBO5 / m3 x día.

Se recomienda como limite superior los 1.000 DBO5 / m3 x día.

Aguas residuales con concentraciones en exceso de 100 mg/l desulfatos podrían generar malos olores.

Para lagunas anaeróbicas que traten aguas servidas domésticas,la carga máxima sugerida es de 400 DBO5 / m3 x día.


PROFUNDIDAD

La mayoría está entre 2,5 y 5,0 metros.

TIEMPO DE RETENCIÓN Y EFICIENCIA

Son los dos parámetros que tienen mayores divergencias.

El período de retención está en relación directa con el tipo dedesecho.


PERIODO DE RETENCION días

REDUCCION DE DBO5 %

1 50

2,5 60

5 70


TEMPERATURA °C

PERIODO DE RETENCION días

REDUCCION DE DBO5

%

10 - 15 4 - 5 30 - 40

15 - 20 2 - 3 40 - 50

20 - 25 1 - 2 50 - 60

25 - 30 1 - 2 60 - 80


TASA DE ACUMULACIÓN DE LODO

Intervalo de tasa de acumulación: 0,08 a 0,113 litros / habitante xdía.

Para diseño el límite máximo recomendado es: 40 litros / habitantex año

NUMERO DE AÑOS ENTRE DOS LIMPIEZAS CONSECUTIVAS

N = (0,5 V) / (Ta P)


En donde:

N = Número de años de operación para limpieza, años

V = Volumen de la laguna , m3

Ta = Tasa de acumulación de lodos; 0,04 m3 / (habitante x año)

P = Población equivalente servida; habitantes

MECANISMOS PARA MANTENER EL AMBIENTEANAERÓBICO

• La abundante carga orgánica, presente da lugar a queel posible oxígeno introducido en las lagunas con elafluente o por reaireación superficial se consumarápidamente en la zona inmediatamente adyacente ala entrada o enla superficie.

• En las lagunas anaerobias se produce la reducción delos sulfatos, que entran con el agua residual, asulfuros. La presencia de sulfuros en el mediodisminuye la posibilidad de crecimiento de las algasen dos formas

... MECANISMOS PARA MANTENER EL AMBIENTE ANAERÓBICO... (2)

• La penetración de la luz necesaria para el crecimiento de lasalgas se ve impedida por la presencia de sulfuros metálicos ensuspensión, como el sulfuro de hierro, responsables de latonalidad gris de las lagunas anaerobias. Estos sulfuros acabanprecipitando en el fondo de las lagunas, y provocan lacoloración gris oscura o negra que presentan los fangos.

• Los sulfuros solubles son tóxicos para las algas, de modo quelos cortos períodos de residencia, la falta de iluminación y unambiente de composición química hostil impiden el crecimientode éstas y en consecuencia, mantienen el medio en condicionesanaerobias.

... MECANISMOS PARA MANTENER EL AMBIENTE ANAERÓBICO... (3)

• Puesto que las lagunas carecen de agitación, el aporte deoxigeno atmosférico es despreciable, debido a que la difusiónde este gas en la columna de agua es muy lenta.

• Además de las bacterias responsables de las etapasacidogénica y metanogénica de la degradación anaerobia, enocasiones se desarrollan en estas lagunas otras bacterias queconfieren una coloración rojiza. Se trata de bacteriasfotosintéticas del azufre, que viven en la zona superficial yoxidan los sulfuros a azufre elemental. Los pigmentos queposeen estas bacterias le dan a las lagunas una coloración rosao roja.

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