Taller “Operación y Mantenimiento de

Sistemas de Alcantarillado Sanitario y

Plantas de Tratamiento de Aguas

Residuales”

FUNDAMENTOS DE TRATAMIENTO POR LAGUNAS

La Ceiba, Atlántida, 03 al 07 de Marzo de 2014

Ing. PEDRO E. ORTIZ BARDALES ASESOR TECNICO SANAA

Introducción Las lagunas de estabilización constituyen una de las formas mas simples para el tratamiento de aguas residuales. Hay diferentes combinaciones de lagunas que requieren diferentes niveles de operación y de área. Lagunas cuyo objetivo es la reducción de materia orgánica carbonácea. Lagunas Faculticas Sistemas de lagunas anaeróbicos seguidas por lagunas facultativas Lagunas aireadas facultativas Sistemas de lagunas aireadas de mezcla completa con laguna de decantación

Lagunas cuyo objetivo es la remoción de patógenos Lagunas de maduración

La utilización de lagunas en Honduras es conveniente las razones siguientes: Disponibilidad de área Clima favorable ( temperatura y radiación solar) Operación simple Requiere poco o ningún equipo

Por su Secuencia

En paralelo

En serie

Clasificación de las de lagunas

Por el contenido de oxígeno

Anaerobia

Aerobio

Facultativa

Aireada --- Aireación artificial

Por su ubicación con otros procesos

Primarias

Secundarias

Maduración

Objetivos de una laguna de estabilización

Primaria

Reducción de compuestos orgánicos ( DBO y DQO )

tanto soluble como total

Reducción de sólidos suspendidos

Reducción de parásitos Nematodos > 10 días

Reducción de costos de construcción > cargas

superficiales

Secundaria

Reducción de Coliforme fecal al nivel deseado

Complementar reducción de nematodos

Reducir a los niveles requeridos la concentración de

otros contaminantes ( DBO, nutrientes y algas )

Minimizar la influencia de la estratificación termal

Características principales de los sistemas de Lagunas

Descripción Característica Facultativa Anaerobia facultativa

Aireada Facultativa

Aireada MC Decantación

Eficiencia

DBO (%) Nitrógeno (%) Fosforo (%) Coliformes (%)

70 - 85 30 - 50 20 - 60 60 - 99

70 - 90 30 - 50 20 - 60

60 – 99.9

70 - 90 30 - 50 20 - 60 60 – 96

70 - 90 30 - 50 20 - 60 60 – 99

Requisitos Area (m2) Potencia (W/hab)

2.0 - 5.0 ≈0

1.5 - 3.5 ≈0

0.3 – 0.6 1.0 – 1.7

0.2 - 0.5 1.0 - 1.7

costos Obra civil 10 - 30 10 - 25 10 - 25 10 - 25

Principales parámetros de proyecto Parámetro Lagunas

anaerobias Lagunas facultativas

Lagunas aireadas facultativas

Lagunas aireadas de mezcla completa

Lagunas de decantación

Lagunas de maduración

Tiempo de retención Tasa de aplicación sup. kgDBO5/ha.d. Tasa aplicación vol. KgDBO5/m3.d. Profundidad m Relación L/B

3 – 6 -

0.1 – 0.3 4.0 – 5.0

≈ 1

15 – 45 100 – 350

- 1.5 – 3.0

2 - 4

5 – 10 - -

2.5 - 4.5 2 - 4

2 – 4 - -

2.5 - 4.5 1 - 2

≈ 2 - -

3.0 - 4.0

(**) - -

0.8 – 1.5 (***)

Coef. rem DBO (M. Completa 20°), d-1 Coef. temperatura (M. Completa.), d-1

- -

0.30 – 0.35 1.05 – 1.085

0.6 - 0.8 1.035

1.0 – 1.5 1.035

- -

- -

Coef. Rem DBO (F. Disperso 20°), d-1

Coef. Tem (F. disperso), d-1 - -

0.13 – 0.17 1.035

- -

- -

- -

- -

Coef. Dec. bacter (M. Comp 20°), d-1 Coef. Temperatura (M. Comp), d-1

- -

0.4 – 1.0 1.07

- -

- -

- -

0.5 – 2.5 1.07

Coef. Dec. bacter (F. Disperso 20°), d-1 Coef. Temperatura (F. Disperso.), d-1

- -

0.2 – 0.4 1.07

- -

- -

- -

0.3 – 0.8 1.07

Número de dispersión (L/B =1) Número de dispersión (L/B =2 - 4) Número de dispersión (L/B >=5)

- -

0.4 – 1.3 0.1 – 0.7

0.02 – 0.3

- - -

- - -

- - -

0.4 – 1.1 0.1 – 0.5

0.03 – 0.23

DBO particulada efluente (mgDBO5/mg/SS)

-

0.3 – 0.4

0.3 – 0.4

0.3 – 0.6

-

-

Requisitos medios de O2 (KgO2/KgDBO5 remov) Densidad de potencia (W/m3)

- -

- -

0.8 - 1.2

<2.0

1.1 – 1.4

≥ 3.0

- -

- -

Tasa de acumulación de Lodo(m3/hab.año)

0.01 – 0.04

** = El tiempo de retención en una laguna de maduración es función de la forma de la laguna y de la eficiencia requerida *** = Relación L/B incluido mamparas en una celda unica > 1.0; relación L/B en cada laguna de una serie de mas de 3 lagunas ≈ 1

Lagunas Anaeróbicas Es esencial una operación en condiciones estrictamente anaeróbicas, que se propicia lanzando

grandes cargas de DBO por unidad de volumen, haciendo que la tasa de consumo de oxigeno

sea mucho mayor que la tasa de producción.

La estabilizaciones lenta por el hecho de que la bacterias anaeróbicas se reproducen a una tasa

baja, que depende en gran medida de la temperatura, son usualmente profundas del orden de 4

a 5.0m, esto es importante porque limita la penetración del oxigeno producido en la superficie

a las zonas bajas. Por ser mas profundas el área superficial es menor.

La eficiencia de remoción de DBO es del orden del 50 al 60 %, lo que implica la necesidad de

un tratamiento posterior, sin embargo esto proporciona una substancial economía ya que el

requisito de área total es 2/3 del área de una laguna facultativa única

Su aspecto físico es de coloración negra o gris, cuando por efecto de una carga adecuada,

presentan condiciones de fermentación del metano. Se utilizan como una primera etapa en el

tratamiento de aguas residuales domésticas e industriales.

LAGUNAS ANAERÓBIAS

Lodo

Aguas residuales

Sólidos sedimentables

Zona anaeróbia

Ácidos orgánicos CO2, NH3, H2S, CH4

H2S

Ausência de O2

CHONPS Ácidos volátiles CH4 + CO2 + H2O

N Orgânico N Amoniacal

3NO

2NO

2N

2

4

SO )(2

2 SHS

Fuente de carbono

CO2 Carbono Orgánico

Fuente

de

energía

Luz Solar Fotoautotróficos Fotoheterotróficos

Oxidacion de

compuestos

orgánicos e

inorgânicos

Quimioautotróficos

(Compostos

inorgánicos)

Quimioheterotróficos

(Compostos

orgánicos)

Microbiologia – Lagunas anaeróbias

Remoción de compuestos orgánicos en estado soluble coloidal y particulado

Descripción del proceso

CH4 + CO2

H2 + CO2 ACETATO

Acidos orgánicos

Propano y buriatico, etc

Orgánicos complejos

Carbohidratos, proteínas, lípidos

Orgánicos simples

Azúcares, aminoácidos, péptidos

Bacterias fermentativas(hidrólisis)

Bacterias fermentativas acidogénesis

Bacterias metanogénicas

Bacterias acetogénicas

acetogenesis

Bacterias acetogénicas productoras de Hidrógeno

Bacterias acetogénicas consumidoras de H

Metanogénicas acetoclásticas Metanogénicas hidrogenotróficas

Desventajas:

• Sensibles a factores tales como:

temperatura, variaciones bruscas de carga,

pH.

• Aspecto poco agradable debido a la

acumulación de natas.

• Efluente con alto contenido de materia

orgánica y color, Necesita otro tratamiento.

• Tasas de mortalidad bacteriana muy

reducida.

• posibilidad de malos olores ;

• Limpieza frecuente por la rápida

acumulación de sólidos.

Ventajas:

• Bajo Costo por su reducida área ;

• Ausencia de equipos mecánicos;

• reducidos costos de construcción y operación;

• Tratamiento de altas concentraciones;

• Eficiente para el tratamiento de desechos

industriales biodegradables.

Laguna anaerobia

Parámetros de diseño Cálculo de la concentración de DBO del efluente en una laguna anaerobia, método Sudafricano.

Donde: Se = DBO5 del efluente, en mg/L; So= DBO5 del afluente, en mg/L; Kn = Coeficiente de velocidad de remoción, día-1 t= tiempo de retención, en días; n = Exponente a ser determinado por experimentación.

Período de retención, días DBO5 remanente, % Reducción de DBO5, %

0.12 80 20

0.40 70 30

0.71 65 35

1.30 60 40

2.40 55 45

4.70 50 50

9.40 45 55

Fuente: Gloyna , 1971 Datos basados en sistemas mixtos (tanques sépticos, letrinas y lagunas anaerobias, en Zambia Africa), para n= 4.8 y Kn = 6 días a 22°C.

Parámetros de diseño Lagunas anaerobias

Temperatura media de la laguna en el mes más frio °C

Tiempo de retención

Inicio de proyecto Final del proyecto

≤ 20 ≥ 4 ≤ 6

> 20 ≥ 3 ≤ 5

Tiempos e retención requeridos para lagunas anaerobias

Tiempo de retención se basa en el tiempo necesario para la reproducción de las bacterias anaeróbicas, normalmente se estable entre 3 a 6 días. Con un tiempo inferior a 3 días puede ocurrir que la tasa de salida de las bacterias metanogénicas sea menor que su tasa de reproducción y con un tiempo mayor a 6 días podría funcionar como una laguna facultativa, que no es conveniente porque la producción de oxígeno es fatal para las bacterias metanogénicas.

Donde : t = tiempo de retención, en días; V = volumen de la laguna en m3 Qmed = caudal medio afluente, en m3/d

Temperatura Las reacciones físicas, químicas y bioquímicas que ocurren en las lagunas son muy influenciadas por la temperatura , este parámetro afecta el metabolismo de las bacterias responsables de la depuración, así como la solubilidad, transferencia de gases, condiciones de mezcla y la fermentación del lodo especialmente cuando la temperatura esta por debajo de los 17°C. Una de las condiciones básicas para que exista actividad anaerobia es que la temperatura sea mayor a 15°C.

Relación entre temperatura, tiempo den lagunas retención hidráulica, y eficiencia en lagunas anaerobias.

Temperatura, °C TRH, días Remoción de DBO, %

10 – 15 4 – 5 30 – 40

15 – 20 2 – 3 40 – 50

20 – 25 1- 2 50 – 60

25 - 30 1- 2 60 - 80

Fuente: Yánes , 1992

Area de la laguna Anaerobia El área puede estimarse mediante la ecuación siguiente: Donde:

A = área del nivel medio, en m2, Se recomienda sea < 5 ha; Qmed = caudal medio afluente, en m3/d; t = período de retención, en días; h = profundidad útil, en m.

Profundidad de la laguna anaerobia La profundidad de las lagunas es elevada para garantizar las condiciones anaerobias, los valores usualmente adoptados se encuentran en el rango siguiente: H = 4.0 – 5.0m Cuando no hay remoción previa de arena, la laguna debe ser dotada de una profundidad adicional no menor a 0.50m, junto a la entrada, extendiéndose por lo menos un 25% del área de la laguna.

Carga orgánica Volumétrica (COV) El área superficial no es importante en las lagunas anaerobias, pero si la profundidad. Por lo tanto , las lagunas anaerobias se dimensionan en función de la carga orgánica volumétrica. La carga a ser adoptada depende de la temperatura, lugares más calientes permiten una mayor tasa. El considerar una carga volumétrica es importante especialmente en las descargas industriales, porque puede variar bastante la relación entre a Caudal y la concentración de DBO. Aquí el tiempo de retención seria inapropiado. Las tasas más usadas varían entre 100 – 300 g DDO5/m3.d. cargas mayores podrán adoptarse en desechos líquidos industriales, si el contenido de sulfatos no excede 100mg/L. La carga orgánica volumétrica se calcula mediante las ecuaciones siguientes:

1.

2. Donde:

COV = carga orgánica volumétrica, en g DDO5/m3.d So = Concentración de DBO5 del afluente , g/m3 (= mg/L ) Qmed = caudal medio afluente, en m3/d; A = área del nivel medio, en m2; h = profundidad útil, en m; t = período de retención, en días.

Volumen útil de la laguna (V)

Eficiencia de remoción de la DBO para lagunas anaerobias Una vez estimada la eficiencia de remoción (E %), se calcula la concentración del efluente (S) de la laguna por medio de la ecuación siguiente: S = Concentración de DBO en el efluente, mg/L

Temperatura media de la laguna en el mes más frio °C

Eficiencia en la Remoción de DBO

≤ 20 ≤ 50

≥ 20 ≤ 60

Donde: V = volumen de la laguna, en m3 ; COT = carga orgánica total aplicada (soluble + particulada), en g DDO5/d. ; COV = Carga orgánica volumétrica, en g DDO5/m3.d.

El Volumen adoptado debe satisfacer los dos criterios (Tiempo de retención y carga volumétrica.

Acumulación de lodos en las lagunas anaerobias La tasa de acumulación de lodo es del orden de 0.03 a0.04 m3/hab.año (Mendoca 1990). Las lagunas deben limpiarse obligatoriamente cuando la altura de lodo alcanza aproximadamente la mitad de la altura útil. Según la investigación de Okley en Honduras se puede usar una tasa de acumulación de lodos entre 0.224 – 0.548m3/1000m3 y se puede estimar la frecuencia de limpieza usando la relación siguiente:

Recirculación del efluente Final La recirculación del efluente de las lagunas facultativas o de maduración a la laguna anaerobia es una medida para evitarla formación de malos olores, debido a que el efluente recirculado tiende a permanecer en la superficie de la laguna anaerobia porque tiene una mayor temperatura. Los gases productores de malos olores como el H2S, son oxidados en esta capa superficial aerobia. La tasa de recirculación (QR/Q) es del orden de 1/6.

Donde: n = número de años de operación para la limpieza; FVL = fracción de la laguna ocupada por lodos (se utiliza 0.25 – 0.5); Va = volumen de la laguna anaerobia, m3; TAL = tasa de acumulación de lodos, m3/1000m3(se utiliza 0.6 con factor de seguridad); Qmed = caudal promedio, m3/d.

Ejemplo de diseño

Diseño laguna Anaerobia

DatosNo Descripción Simbolo Valor Unidad

1 Población P 20,000 hab.

2 Caudal medio Q 3,000 m3/d

3 Concentración de DBO5 So 350 mg/L

4 Temperatura T 23 °C

5 Carga Orgánica volumétrica adoptada COV 100 gDBO5/m3.d

6 Profundidad de laguna h 4.5 m

7 Número de Unidades N 2 adimensional

8 Eficiencia de remoción de DBO5 asumida E 50 %

9 Relación largo Ancho RLA 1 adimensional

10 Tasa de acumulación de lodos TAL 0.6 m3/1000m3

11 Fracción de la laguna ocupada por lodo FVL 0.4 adimensional

12 Bordo Libre bl 0.5 m

13 Relación Interna taludes Rt 3 adimensional

Cálculos

No Carga Orgánica Total COT =Q*So/1000 1050,000 gDBO5/d

1 Volumen de la laguna V= COT/COV 10,500 m3

2 Volumen unitario de la laguna Vu = V/N 5,250 m3

3 Tiempo de Retención TRH = V/Q 3.5 días

4 Concentración de DBO5 en el efluente S =So - So*E/100 175 mg/L

5 Area media de la laguna A = Vu/h 1,167 m2

6 Ancho medio de la laguna b = (A/RLA)0.5 34 m

7 Largo medio de la laguna l = R*RLA 34 m

8 Tiempo entre limpieza de la laguna n= 1000*FVL*Va/(365*TAL*Qmed) 6.4 años

9 Volumen de lodo a remover VL = FVL*V 4,200 m3

Pedro E. Ortiz

Lagunas facultativas

Son aquellas donde la estabilización de las aguas residuales se lleva a cabo mediante una

combinación de bacterias: aerobias, facultativas y anaerobias. Estas lagunas se excavan en

el terreno y se alimentan con agua residual procedente de un proceso previo de desbaste o

con el efluente de un tratamiento primario.

Los sólidos de gran tamaño sedimentan para formar una capa de fango anaerobio, los

materiales orgánicos sólidos y coloidales se oxidan por la acción de las bacterias aerobias

y facultativas, empleando el oxígeno generado por las abundantes algas presentes en la

superficie.

El dióxido de carbono ( CO2) que se produce en el proceso de oxidación orgánica, sirve

como fuente de carbono para las algas.

La descomposición anaerobia de los sólidos de la capa de fango permite la producción de

compuestos orgánicos disueltos y de gases como el CO2, H2S, CH4 y el NH3 que se oxidan

por las bacterias aerobias o se liberan a la atmósfera.

Reacciones en lagunas facultativas

PHD-2411 Saneamento I 22

Fuente de carbono

CO2 Carbono Orgânico

Fuente

de

energía

Luz Solar Fotoautotróficos Fotoheterotróficos

Oxidación de

compuestos

orgánicos e

inorgânicos

Quimioautotróficos

(Compuestos

inorgánicos)

Quimioheterotróficos

(Compuestos

orgánicos)

Microbiologia – Lagunas facultativas

Remoción de compuestos orgánicos em estado soluble coloidal y particulado

Producción de O2 y manutención de condiciones aerobias en la laguna

Laguna Facultativa

Ventajas

Satisfactoria remoción de patógenos

Eficiente remoción de DBO.

Fácil de construir, mantener y operar.

No requiere equipamiento.

Satisfactoria resistencia a las variaciones

de carga.

Remoción de lodo espaciado entre 10 –

20 años.

Desventajas

Elevados requisitos de área.

La simplicidad de operación puede traer un

descuido en el mantenimiento.

Dificultad de cumplir con la normativa.

Posible necesidad de remover algas.

Posible crecimiento de insectos.

Es afectada por las condiciones climáticas.

Es afectada por los compuestos tóxicos.

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SISTEMAS DE LAGUNAS DE ESTABILIZACION

• Sistema Laguna anaerobia + facultativa

•Sistema Facultativa primaria

Sistema laguna facultativa + maduración

Sistema laguna Anaerobia + facultativa + maduración

Influencia de las condiciones ambientales

Factor Influencia

Radiación solar • Velocidad de fotosíntesis

Temperatura

• Velocidad de fotosíntesis • Tasa de descomposición bacteriana • Solubilidad y transferencia de gases • Condiciones de mezcla

Viento • Condiciones de mezcla • Reaireación atmosférica

Modelos de régimen hidráulicos Modelo Hidráulico Esquema Características

Flujo Pistón

La partículas entran continuamente en una extremo del tanque, pasan a través del mismo y son descargadas en el otro extremo, en la misma secuencia en que entran, las partículas conservan su identidad y permanecen un tiempo igual al de retención. Se logra en Tanques largos

Mezcla Completa

La partículas que entran en el tanque son inmediatamente dispersadas en todo el reactor, el flujo de entrada y salida es continuo, las partículas dejan el tanque en proporción a su distribución estadística. Se obtiene en tanque cuadrados o circulares.

Flujo Disperso

El flujo es arbitrario y se obtiene en un sistema con un grado de mezcla intermedio entre flujo pistón y mezcla completa, en la realidad la mayor parte de los reactores trabajan así.

Parámetros Generales de diseño, Lagunas facultativas

Período de Diseño

Se recomienda usar períodos cortos y estudiar la modulación con implementación por etapas no mayores de 10 años ni menores de 5 años.

Caudal de Diseño

Será igual al caudal de aguas servidas domésticas, más el caudal de efluentes industriales permitidos al sistema de alcantarillado y el caudal medio de infiltración. El caudal de conexiones ilícitas no se considera por su naturaleza periódica.

Demanda Biológica de Oxígeno (DBO)

Es el parámetro de contaminación orgánica más ampliamente utilizado. Su determinación esta relacionada con la medición del oxígeno disuelto que consumen los microorganismos en el proceso de oxidación bioquímica de la materia orgánica.

Es importante su determinación para el dimensionamiento de la planta, cuando no se cuenta con datos locales o en un predimensionamiento se puede considerar un valor promedio entre 200 y 300 mg/l .

Carga Orgánica Total

Es igual al producto del caudal por la concentración de la DBO.

Parámetros Generales de diseño, Lagunas facultativas

Número de Unidades

Por facilidades de operación y mantenimiento se recomienda un mínimo de 2 unidades en paralelo y para lograr mayores eficiencias dos unidades en paralelo

Forma de la laguna

Depende del sitio seleccionado para su ubicación, sin embargo se recomienda para las primarias la forma cuadrada o ligeramente rectangular( relación 2:1 ) y para las lagunas secundarias donde el propósito es reducir patógenos es mejor tener lagunas largas con relación 1: 4.

Profundidad

Para evitar el crecimiento de plantas acuáticas con raíces en el fondo, la profundidad debe estar por encima de 1.20 m, la profundidad debe variar entre 1.50 a 2.5 m.

Con poca profundidad debido a las altas temperaturas la capa de fango puede elevarse o volverse séptica y producir malos olores. Una profundidad mayor reduce el área superficial.

Temperatura de diseño Las fluctuaciones diarias y las variaciones anuales de la temperatura influyen en los procesos biológicos, físicos y químicos de las lagunas. Es un parámetro que se relaciona con la radiación solar y afecta tanto la velocidad de la fotosíntesis como el metabolismo de las bacterias responsables de la depuración. Esos fenómenos son retardados por las bajas temperaturas por esos el diseño debe hacerse con las condiciones de temperatura más adversas.

Por lo tanto para diseño de deberá utilizar la temperatura promedio mensual del agua en el mes más frio. En caso de no tener datos se puede utilizar la temperatura del aire que es más fácil de encontrar de la información meteorológica y utilizar para su conversión las ecuaciones siguientes:

Lugar Ecuación r2 Referencia

Campina Grande Brasil (1978) Tagua= 10,966 + 0.611 Taire 0.744 Auerswald (1979)

Lima, Perú (1982) Tagua= 10,443 + 0.688 Taire 0.828 Burgers (1982)

Lima , Perú (1982) Tagua= 9,336 + 0.780 Taire 0.831 Burgers (1982)

Melipilla Chile (1972) Tagua= 3,685 + 1.137 Taire 0.970 Vargas y Sánchez (1972)

Melipilla Chile (1982) Tagua= -0,236 + 1.404 Taire 1.000 Vargas y Sánchez (1972)

Amman, Jordania Tagua= 2,688 + 0.945 Taire 0.975 Yanez y Pescod (1988)

Profundidad de la laguna facultativa La profundidad de la laguna es un balance entre el volumen y el área requerida, H=V/A , la tendencia ha sido a usar lagunas poco profundas, con profundidades variando entre 1.5 – 3.0m.

Aspectos relacionados con la profundidad de la laguna

Seca <1.0m Profunda > 1.2m

Se pueden comportar totalmente aeróbicas Menos daño por condiciones ambientales

Area requerida elevada Menor área requerida

Penetración de la luz total La camada inferior permanece anaerobia

Máxima producción de algas, pH elevado Libera subproductos por digestión anaeróbica

Mayor remoción de patógenos Menor remoción de patógenos

Crecimiento de vegetación emergente Permiten expansión futura (aireadores)

Afectada por variaciones de temperatura Mayor H, para almacenamiento de lodo

Tiempo de retención, TRH El criterio se fundamenta en que el agua residual permanezca el tiempo necesario para que los microorganismos realicen la estabilización de la materia orgánica presente en la laguna. Se relaciona por lo tanto con la actividad de las bacterias. El tiempo requerido varia con las condiciones locales, especialmente con la temperatura , Generalmente se adoptan tiempos de detención variando entre 15 y 45 días. Los tiempos menores se adoptan para lugares donde la temperatura del agua sea más elevada, con esto se logra reducir el área de la laguna . Además de eso el TRH requerido es función de la cinética de remoción de DBO y del régimen hidráulico de la laguna, en lugares con aguas residuales concentradas el tiempo tiende a ser elevado, El TRH es complementario con el la tasa superficial máxima , e sea que el área y el volumen obtenidos deben ser coherentes .

El período mínimo para la eliminación de nematodos deberá ser de 10 días y para la remoción completa de microorganismos patógenos protozoarios y helmintos de 24 días.

El tiempo de retención puede ser usado de las dos formas siguientes: Se adopta un tiempo de retención y se calcula el volumen (V = t*Q), con el área obtenida en base a la carga superficial (A = COT/Csa) , se calcula h (h =V/A) para comprobar si se encuentra en el rango permitido.

Se adopta un valor de h, se calcula el área de laguna con el criterio de la carga superficial , posteriormente se calcula el volumen (V = A*h), con el volumen se calcula el tiempo de retención (t = V/Q) . Con el tiempo se estima la concentración de DBO y si esta no satisface la normativa , se deberá aumentar el tiempo de retención.

Carga Superficial Este criterio se fundamenta en la necesidad de tener una determinada área en la laguna expuesta a la luz solar, para garantizar que el proceso de fotosíntesis ocurra, consecuentemente se produzca el crecimiento de las algas, que deberán producir una cantidad de oxígeno suficiente para suplir la demanda, requerida para la estabilización de la materia orgánica.

La tasa a ser adoptada varia con la temperatura local, latitud, exposición solar y altitud entre otros. En Brasil por ejemplo se han adoptado las tasas siguientes:

Autor Fórmula Observaciones

Mara (1995) Ls = 50*1.072T T = temperatura media del aire, en °C

Mara y Person (1996) Ls = 350*(1.107-0.002*T) (T-25) T = temperatura media del agua del mes más frio, en °C

Rittman y Mc Carty, 2001 Ls = 69.731806*Rs Rs = radiación Solar en kW/m2*d

Regiones con invierno caliente y elevada insolación COS = 240 – 350 kg DBO5/ha.d

Regiones con invierno caliente y moderada insolación COS = 120 – 240 kg DBO5/ha.d

Regiones con invierno frio y baja insolación COS = 100 – 180 kg DBO5/ha.d

Carga Superficial Máxima y de Diseño Es la carga máxima que se puede aplicar a una laguna facultativa sin que se torne anaerobia, ha sido determinada a través de mediciones de amoníaco y confirmada con mediciones de clorofila, se expresa en Kg DBO/ha*día. Puede ser estimada por la expresión presentada por Gloyna (1973) que se indica a continuación.

Para diseño podemos adoptar un a carga superficial con factor de seguridad un 20 % menos que el calculado.

20085.14.357 T

mCsDonde: T = temperatura del agua en el mes más frio, en °C

Coeficiente de Remoción de DBO (K) El valor de coeficiente de remoción de DBO (K) fue obtenido por diferentes investigadores en lagunas existentes en función de la DBO de entrada y de salida el tiempo de retención y el modelo hidráulico asumido. La mayor parte de los autores asumen el régimen de mezcla completa por las razones siguientes:

Los cálculos usando el modelo de mezcla completa son más simples; El dimensionamiento usando el modelo de mezcla completa brinda un factor de seguridad , ya que este reactor tiene una menor eficiencia.

Los valores más frecuentes adoptados para diseño usando mezcla completa están en el rango siguiente: K = 0.30 a0.35d-1 Para diferentes temperaturas, el valor de K puede ser corregido a través de la ecuación siguiente: Donde:

KT = coeficiente de remoción de DBO a la temperatura T °C del agua, en d-1; K20 = coeficiente de remoción de DBO a una temperatura del líquido igual a 20°C; Ɵ = coeficiente de temperatura.

Diferentes valores de Ɵ son propuestos, Para K = 0.35 citado por EPA (1893) se debe adoptar Ɵ =1.085. para K = 0.30, citado por Silva y Mara (1979), se debe adoptar Ɵ =1.05. Sustituyendo los últimos valores resulta la siguiente ecuación.

Coeficiente de remoción de DBO, flujo disperso En la realidad el régimen hidráulico en las lagunas de estabilización, no sigue exactamente los modelos ideales de Mezcla completa y flujo pistón ,si no el de flujo disperso, que se encuentra dentro de ambos modelos. Por esta razón es importante conocer el modelo de flujo disperso, que puede ser utilizado para tener un diseño de lagunas, más realista. El modelaje de una laguna siguiendo el flujo disperso es más complicado, por el hecho de necesitar dos parámetros (el coeficiente de remoción de DBO y el número de dispersión), contrario a los otros modelos que solo necesitan el coeficiente de DBO). El valor del coeficiente de DBO (K) puede ser obtenido a través de las ecuaciones empíricas siguientes:

Arceivala (1981), fórmula original modificada por el autor , expresando la tasa de aplicación superficial Ls, en términos e DBO5.

Vidal (1983), fórmula original modificada por el autor , excluyéndose el efecto de la

temperatura y el tiempo de retención.

Ecuación Ls KgDBO5/ha.d 120 140 160 180 200

Arceivala K(d-1) 0.128 0.137 0.145 0.152 0,158

Vidal K(d-1) 0.116 0.120 0.124 0.128 0.132

Coeficiente de dispersión El número de dispersión , d, caracteriza las condiciones de mezcla en un reactor y puede ser determinado por la ecuación presentada por Yánez (1988) , que se indica a continuación. Donde: d = número de dispersión , adimensional; L = Longitud de la laguna , en m; B = ancho de la laguna, en m

Para L/B = 1 (laguna cuadrada) → d= 0.99362 Para L/b = 2 (laguna rectangular) → d = 0.46497 Para L/B = 3 (laguna rectangular) → d = 0.31173 Para L/B = 4 (laguna rectangular) → d = 0.23566

Remoción de DBO Aunque la cinética de remoción de DBO sea la misma para los diferentes regímenes hidráulicos, l a concentración de la DBO en el efluente varia, según la cinética de primer orden, la tasa de remoción es más elevada cuando la concentración de DBO es más elevada en la laguna. En función de los diferentes modelos hidráulicos, se tienen para la estimación de la concentración en el efluente final de DBO soluble las formulas siguientes:

Régimen hidráulico Esquema Ecuación para la concentración de DBO5 soluble en el efluente

Flujo Pistón

Mezcla Completa laguna única

Mescla completa (lagunas iguales en serie)

Flujo Disperso

Correlaciones Empíricas de carga

Donde: CSa =carga superficial de DBO aplicada en kg/ha.d, calculada con la DBO total del afluente. CSr = carga superficial de DBO removida en Kg/ha.d, calculada restando la carga de

DBO soluble del efluente de la carga aplicada, en Kg/ha.d

DBO efluente soluble y particulada La DBO afluente (So) es tomada como la DBO total (soluble más particulada), debido al hecho que los sólidos en suspensión orgánicos, responsables por la DBO particulada, serán convertidos en sólidos disueltos, a través de enzimas lanzadas al medio por las bacterias, así en principio toda la DBO estaría disponible para las bacterias. En cambio , la DBO total del efluente es causada por dos fuentes:

DBO remanente del tratamiento (DBO soluble) DBO causada por los sólidos en

suspensión en el efluente (DBO particulada), estos sólidos son predominantemente algas(60 a 90%), que pueden o no ejercer alguna demanda de Oxígeno en el cuerpo receptor.

Cada 1mg de algas genera una DBO5 en torno a 0.45 mg, de esta forma , 1mg/L de sólido en suspensión en el efluente es capaz de generar una DBO5 en la faja de 0.6x0.45=0.3mg/L a 0.9X0.45 =0.4mg/L. 1mgSS/L = 0.3 – 0.4 mgDBO5/L

Eficiencia en la remoción de DBO La eficiencia de remoción de DBO en el sistema puede ser calculado con la expresión siguiente: Donde:

E = eficiencia en remoción de DBO, en % So = concentración de DBO5 en el afluente, mg/L S= concentración de DBO soluble en el efluente, mg/L

Cuando las lagunas son en serie y tienen las mismas características y volúmenes la eficiencia se puede calculara de la manera siguiente: Donde: En = Eficiencia en el conjunto E1 = eficiencia en la primer laguna, en decimales

Carga de coliformes fecales En caso de no contar con análisis bacteriológicos que indiquen la concentración de Coliformes Fecales, para el diseño de puede estimar la concentración mediante el procedimiento siguiente: a) adoptar una producción de coliformes fecales por habitante igual a 4X1010

b) Calcular la carga de coliformes, multiplicando la producción per cápita de coliformes por

el número de habitantes. c) Calcular el caudal promedio afluente a la planta, m3/d

d) Obtener la concentración de coliformes en el agua residual bruta

Ejemplo: Población, P = 20,000hab Caudal, Q = 3000 m3/d (3.0X103) Concentración de Coliformes , CF= 4X1010 /d.hab

Carga de coliformes, CCF = PXD = 20,000X4x1010 = 8.0X1014 CF/d

Concentración de Coliformes fecales , CCF = CCF/Q = 8.0X1014/3.0X103 = 2.7X1011 CF/m3

= 2.7x107CF/100ml

Coeficiente de mortalidad bacteriana El coeficiente de mortalidad del primer orden para coliformes fecales , es muy dependiente de la temperatura de la reacción y el tipo de laguna, León y Moscoso (1996) reportaron las siguientes relaciones desarrolladas en los estudios de CEPIS en las lagunas de San Juan, en lima Perú.

Lagunas Facultativas Primera laguna de Maduración Segunda Laguna de Maduración Para otras temperaturas , Kb puede ser corregido a través de fórmula siguiente: Recomendad por Yánez = Donde: T = temperatura del agua en °C

Kb = 1.1*1.07(T-20)

Cont. D. laguna

Valores de KxT

En un estudio realizado en 33 lagunas facultativas y de maduración en Brasil, por Von Sperling , se analizaron los regímenes de mezcla completa y flujo disperso, observándose que para mezcla completa no existe ninguna relación significativa entre Kb y la profundidad (H) y el tiempo de retención (t), pero para flujo disperso si existe una relación, tal como se muestra en la ecuación siguiente: Para mezcla completa: Para flujo Pistón Von Sperling (1999) propuso una ecuación más simple para el número de dispersión , que da resultados muy parecidos a la ecuación de Yánez, que se indica a continuación

Coeficiente de mortalidad bacteriana

Concentración de coliformes en el efluente

Régimen hidráulico Esquema Ecuación para la concentración de DBO5 soluble en el efluente

Flujo Pistón

Mezcla Completa laguna única

Mescla completa (lagunas iguales en serie)

Flujo Disperso

La eliminación de patógenos e indicadores de contaminación fecal , sigue una cinética de primer orden . De acuerdo con las reacciones de primer orden, la tasa de mortalidad de patógenos es proporcional a la concentración de patógenos en cualquier momento. Así cuanto mayor sea la concentración de patógenos , mayor será la tasa de mortalidad.

Parámetros de diseño

recomendados para Honduras

Recomendaciones para construcción

Dimensionamiento de lagunas facultativas Area de la Laguna El área media (A)requerida se calcula con la siguiente ecuación: Donde:

A = área media de la laguna, en m2

So = concentración de DBO5 en el afluente, en mg/l; Qmed = Caudal promedio en, m3/d; Csa= Carga superficial adoptada, KgDBO5/ha.d

El área total requerida , incluyendo los taludes y el área de influencia es cerca del 25 y 33% mayor que el área liquida calculada a la altura media, según Arceivala (1991).

Volumen de la laguna Para el calculo del volumen lo más sencillo es adoptar una profundidad (h)de la laguna que multiplicándolo por el área (A) , da como resultado el volumen, tal como se indica en la siguiente expresión: Donde:

V = volumen de la laguna, en m3

A = área media de la laguna, en m2 (se recomienda menor de 15ha)

h = profundidad útil de la laguna, en m

El volumen de la laguna se puede calcular con la expresión desarrollada por la EPA (1983), que es realmente la ecuación para el volumen de un prismoide: Donde:

V = Volumen de la laguna, en m3 h = Profundidad de la laguna, en m l = largo de la laguna, en m a = ancho de la laguna, en m i = Pendiente del talud interior , generalmente de 3/1

Volumen de la laguna

Tiempo de retención Hidráulica El tiempo de retención hidráulica se calcula con la ecuación siguiente: Donde :

T = tiempo de retención en la laguna, en días V = Volumen de laguna, m3

Qmed = caudal medio afluente a la laguna, m3/d

Acumulación de lodos en laguna facultativa La acumulación de lodos en el fondo de la laguna afecta el funcionamiento de la laguna, debido a que la disminución del volumen reduce el tiempo de retención. La acumulación anual para el caso de lagunas en Honduras según el estudio realizado por el Dr. Oakley, puede ser calculada mediante la siguiente ecuación: Donde:

VL = volumen de lodos producidos anualmente, m3/año Qmed = caudal promedio, m3/día SS = sólidos suspendidos en el afluente, mg/L

Frecuencia de Limpieza La laguna deberá limpiarse cuando el volumen del lodo alcance un veinticinco por ciento (25%), del volumen total de la laguna, el tiempo estimado de limpieza se obtuvo dividiendo el volumen equivalente de lodo permitido, entre el volumen de lodo acumulado anualmente. Donde:

Fl = frecuencia de limpieza, años V = Volumen de la laguna, m3 Vl = volumen de lodo acumulado, m3/año

Lagunas de Maduración

Introducción

Son frecuentes como tratamiento terciario después de una secuencia de lagunaje anaerobio +

facultativo, con el objeto de mejorar la calidad del efluente principalmente reduciendo la

concentración de patógenos, para lo cual su colocación en serie o con flujo pistón es más

efectiva .

Los factores que intervienen en el proceso son: Sedimentación, escasez de alimento, rayos

ultravioletas, predadores, competencia y toxinas producidas por algunas especies en el medio,

altas temperaturas y valores de pH.

Los principales parámetros de diseño para una carga dada son el régimen hidráulico adoptado y

el tiempo de retención.

El régimen hidráulico tiene una gran eficiencia en la remoción de coliformes, en orden

descendente la eficiencia es la siguiente:

Flujo pistón

Lagunas en serie

Flujo disperso

Mezcla completa

LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO

Esgoto

Vento

Mistura e reaeração O2

Zona aeróbia

CO2

O2 CO2

Bactérias

Algas

NH3, PO4, etc Novas células

Células mortas

NH3, PO4, etc Novas células

O2

Produção durante o dia

Decaimento bacteriano

Fuente de carbono

CO2 Carbono Orgánico

Fuente

de

energia

Luz Solar Fotoautotróficos Fotoheterotróficos

Oxidación de

compuestos

orgánicos e

inorgânicos

Quimioautotróficos

(Compuestos

inorgánicos)

Quimioheterotróficos

(Compuestos

orgánicos)

Microbiologia – Lagunas de maduración

Remoción de compuestos orgánicos em estado soluble coloidal y particulado

Produción de O2 y mantenimiento de condiciones aeróbias en la laguna

Coeficiente de remoción de Coliformes Fecales Existen varias ecuaciones empíricas para la estimación del coeficiente de remoción de C. Fecal, sin embargo se siguiere emplear el propuesto por Yánez (1993).

Autor Ecuación

Slanetz/Marais (1970)

Arceivala (1981)

Sáenz (1992)

IMTA (1992)

Yánez (1993)

Métodos de dimensionamiento Método basado en el período de retención. La lagunas de maduración siempre se dimensionan con mamparas o en serie en este caso todas deben tener las mismas dimensiones. Mara (1976) sugiere una caudal máximo del efluente de cada serie de lagunas de maduración debe ser menor que 5,000m3/d y preferiblemente menor que 2,500m3/d, Según WHO/EMRO (1987), el período de retención de las lagunas de maduración varía entre 3 y 10 días para dos o más lagunas en serie. Para una laguna de maduración el tiempo de retención debe ser igual o mayor a 5 días. La cantidad de coliformes fecales (CF) que salen en el efluente de un sistema de lagunas en serie puede calcularse con la expresión siguiente: Donde:

N = número de coliformes fecales en el efluente, en CF/100ml; No = número de coliformes fecales en el afluente, en CF/100ml; Kb = coeficiente de remoción de coliformes fecales, días-1

t = tiempo de retención en la laguna, en días; n = número de lagunas de maduración

Diseño, usando el método de flujo disperso El número de dispersión se estima adoptando una relación largo ancho (L/W) por medio e la ecuación propuesta por Yánez.

El coeficiente de reducción bacteriana, Kb, puede estimarse por medio de la ecuación siguiente:

El coeficiente a después de haber establecido el tiempo de retención, t, se estima por medio de la expresión siguiente:

La ecuación para estimar la cantidad de coliformes fecales puede simplificarse de d < 0.25, por la expresión siguiente:

Que puede simplificarse si d< 0.25, en la expresión siguiente:

Kb = 1.1*1.07(T-20)

Parámetros de diseño para lagunas de Maduración

Carga superficial < 75% de la última laguna facultativa

preferible < 20 Kg DBO h/día

Profundidad = 0.80 - 1.5 m

Tiempo de retención = entre 3 - 6 días

Régimen hidráulico = pistón

Arreglo del sistema = En serie

Coeficiente de decaimiento bacteriano, Kb = 0.917*H-0.877* t -0.329

Bables

Lagunas en serie

Regímenes hidráulicos idealizados Con el fin de obtener una elevada remoción de coliformes, usualmente es requerida y necesaria la adopción de lagunas en serie o preferible de una laguna con flujo pistón, el cual se obtiene con números de dispersión (d) abajo de 0.3 y preferiblemente de 0.1, que se alcanzan cuando la relación largo a ancho (L/B) es superior a 5. para obtener esta relación se pueden dividir las lagunas con mamparas internas, que pueden ubicarse en forma paralela al ancho (B) o paralelas al largo (L). Para el calculo de la relación L/B pueden emplearse las fórmulas siguientes: Divisiones paralelas al largo B. Divisiones Paralelas al largo L. Donde: L = largo de la laguna B = ancho de la laguna n = número de divisiones internas

Remoción de huevos de Helmintos

Modelo de Ayres

] 0,14.e [1 . 100E 0,38.t)(

] 0,41.e [1 . 100E )0,0085.t 0,49.t ( 2

Eficiência média:

95% de confiança:

EFICIÊNCIA DE REM OÇÃO DE OVOS DE HELM INTOS

0 ,0

1 ,0

2 ,0

3 ,0

4 ,0

5 ,0

6 ,0

0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4 2 6 2 8 3 0

T e m p o d e d e te n ção h id r áu lica (d )

Un

ida

de

s l

og

re

mo

vid

as

V a lo r e s m é d io s

9 5 % d e c o n f ia n ç a

OMS (irrigación):

< 1 huevo/L

Los huevos de helmintos se remueven por medio de sedimentación. Normalmente la mayoría se elimina en la laguna anaerobia o en la facultativa. Se estima que el agua residual domestica cruda contiene menos de 1,000 huevos de nematodos intestinales húmedos por litro.

Lagunas Aireadas

Lagunas aireadas de mezcla completa

En estas lagunas se mantiene la biomasa en suspensión, con un alta densidad de energía instalada( >15

W/m3). Son consideradas como un procesos incipiente de lodos activados sin eliminación y recirculación

de lodos y la presencia de algas no es aparente.

la profundidad en este tipo de lagunas varia entre 3 y 5 m y el período de retención entre 2 y 5 días. Se

recomienda el uso de aireadores de baja velocidad de rotación.

Son empleadas generalmente como primera unidad de un sistema, en casos donde la

disponibilidad de terreno es limitada o para el tratamiento de desechos domésticos con

altas concentraciones y desechos industriales, son muy utilizadas en climas fríos.

El efluente es de buena calidad si se coloca seguidamente una laguna de decantación.

Tipos de lagunas

Lagunas aireadas de mezcla completa.

Lagunas aireadas facultativas.

Laguna facultativa con agitación mecánica.

Laguna de oxidación aireada.

Los dos primeros tipos de lagunas, deben ser complementadas con lagunas facultativas diseñadas con la

finalidad de tratar el efluente de la laguna primaria, asimilando una gran cantidad de sólidos en

suspensión.

Ventajas

• Construcción, Operación y manutención simples

en comparación con aireación extendida o lodos

activados.

• Menores requisitos de área que todos los sistemas

de lagunas.

• Mayor independencia de las condiciones

climáticas.

• Buena eficiencia para remoción de DBO.

• Satisfactoria resistencia a las variaciones de

carga.

• Reducidas posibilidades de malos olores

Desventajas

• No es eficiente para remover patógenos

• Necesidad de equipamiento

• Requisitos de energía relativamente altos

• Requisitos de área todavía elevados

• Operación más complicada que en lagunas

anaerobicas y facultativas.

• Necesidad de remover el lodo en forma contínua

o periódica.

Lagunas aireadas de

mezcla completa y

laguna de decantación

Remoción de sólidos en lagunas aireadas

La remoción de sólidos en suspensión de las

lagunas aireadas debe hacerse con

decantación, generalmente se utilizan

lagunas de decantación.

Parámetros de diseño

Un tiempo de retención mayor de 1 día, para

sedimentación de sólidos en suspensión.

El volumen para acumulación de lodos debe

calcularse separadamente. Los dispositivos de

entrada y salida deben evitar al máximo el

aparecimiento de zonas muertas.

Para evitar el crecimiento de algas, se

recomienda un tiempo de detención menor de

2 días.

En lugares calientes debe tener la posibilidad

de trabajar a nivel variable, de modo de

mantener un tiempo de retención próximo a

un día.

Para el control de olores una altura entre 1 y 2

m de agua debe mantenerse sobre el lodo.

La profundidad de la laguna varia

normalmente entre 3 y 5 m.

Se estima que entre el 40 y 60 % de los

sólidos volátiles son degradados cada año en

la lagunas

MODULO DE TRATAMIENTO Y USO

100 l/s

50,000 hab.

vvvvvvvvvvvvvvv vvvvvvvvvvvvvvv vvvvvvvvvvv vvvvvvvvvvvvv vvvvvvvvvvv

FORESTACIÓN (40 ha)

(9 ha)

HORTALIZAS (17 ha)

ACUICULTURA (9 ha)

FORRAJES (24 ha)

CEPIS/OPS

4,400 kg/ha

Sin alimentación suplementaria !!!!

Reuso de agua en agricultura, El Zamorano

Plantación de frijoles

Riego de maíz y frijoles

Elaboración de Compost

El agua y su valor como fertilizante son importantes.

• Ahorro fertilizantes – 225 kg nitrógeno – 45 kg fósforo – EUA $ 135/Ha

• Menos tiempo para cosecha – (hasta 3 cosechas anuales)

• Mejor producción por Hectárea – 28% Trigo – 30% Papa – 42% Algodón – 47% Arroz – 200% Tomate – 250% Maíz

Potencial de Calentamiento Global

Fuente:

Villareal & Zambrano (2006)