TRATAMIENTO BIOLOGICO DE EFLUENTES MEDIANTE LAGUNAS DE ESTABILIZACIONDr. Javier R. Quispe LAGUNAS DE ESTABILIZACION Definición: - Estructura simple para embalsar agua residual con el objeto de mejorar sus características sanitarias mediante procesos de estabilización natural. - Estanque con Área y Volumen suficientes para promover tiempos de retención elevados que aseguren la degradación de la materia orgánica mediante mecanismos de autodepuración. - Se trata de crear un hábitat apropiado para los microorganismos Objetivos: - Disminuir carga orgánica (DBO) - Reducir e inactivar microorganismos patógenos Hasta el momento no se ha logrado un criterio racional concreto y totalmente satisfactorio que contemple adecuadamente los múltiples factores naturales que influyen en el proceso. IA 604 - Dr. Javier R. Quispe LAGUNAS DE ESTABILIZACION Factores no controlables que influyen: - Radiación solar - Temperatura del agua - Vientos - Presencia de inhibidores (tóxicos) Factores controlables que influyen: - Carga orgánica aplicada - Tiempo de retención hidráulica - Geometría de la laguna - Diseño y ubicación de los sistemas de entrada y salida - Mantenimiento de las lagunas IA 604 - Dr. Javier R. Quispe Anaerobias Aerobias Clasificación por vía metabólica ó Contenido de Oxígeno Disuelto Presencia de oxígeno molecular en todo el tirante de la laguna. Facultativas. Javier R.LAGUNAS DE ESTABILIZACION Clasificación: Según el contenido de oxígeno disuelto: Aerobias. Presencia de oxígeno molecular en el tirante de agua excepto en el fondo. Ausencia de oxígeno molecular en todo el tirante de agua. Quispe . Facultativas Anaerobias IA 604 .Dr. Dr. Quispe .LAGUNAS DE ESTABILIZACION Sistema de laguna facultativa reja desarenador medidor Q laguna facultativa cuerpo receptor Sistema de laguna anaerobia + facultativa reja desarenador medidor Q laguna anaerobia laguna facultativa cuerpo receptor IA 604 . Javier R. Quispe . Javier R.LAGUNAS ANAEROBIAS IA 604 .Dr. 2. y (bacterias baja de prod. particulado) son transformados en material disuelto más simple. metanogénicas CH4. (bacterias compiten CO metanogénicas el para sustrato acetoclásticas) con las demás y (se de H genera H2S. inhibición). por la acción de las bacterias y transformados en sustrato las bacterias metanogénicas. por enzimas producidas por bacterias 2S 2 medio Hidrólisis .por 2S H CO fermentativas acidogénicas. de olores e fermentativas. hay problema hidrogenotróficas).LAGUNAS ANAEROBIAS DEGRADACION DE LA MATERIA ORGANICA (MO): MO (compuestos orgánicos complejos) compuestos orgánicos simples Acidogénesis ácidos orgánicos Acetogénesis acetato + H2 + CO2 Metanogénesis H2S + CO2 CH4 + CO2 los finalmente productos hay se sulfatos solubles produce las son metano bacterias convertidos a partir sulfato en de ácidos Sulfurogénesis : Acidogénesis : Metanogénesis : cuando generados en la etapa anterior son Acetogénesis : compuestos orgánicos complejos (material Hidrólisis: los acetato reductoras grasos volátiles. etc. Dr.LAGUNAS ANAEROBIAS Profundidad: entre 2. Tiempo de retención: entre 20 y 50 días. Quispe . no hay difusión del oxígeno.temperatura del líquido > 15ºC . El color del agua es gris. Condiciones favorables para las metanogénesis: . no ocurre la fotosíntesis.ausencia de OD IA 604 . Javier R.pH próximo a 7 .5 y 5 m Oxígeno disuelto: prácticamente no hay aeración. Javier R. . ácidos grasos y amidas.LAGUNAS ANAEROBIAS Ventajas: • El lodo producido es razonablemente estable y puede secarse y disponerse por métodos convencionales • Tasa baja de síntesis celular y por consiguiente poca producción de lodos • No requiere O2. Quispe Desventajas: • Para obtener grades eficiencias de tratamiento requiere de temperaturas altas. el cual puede ser útil como energético.Dr. • El medio es corrosivo debido a la generación de H2S. • Tiene requerimientos de nutrientes bajos IA 604 . • Exige un intervalo de operación de pH bastante restringido. por lo tanto usa poca energía eléctrica y es especialmente adaptable a aguas residuales de alta cara orgánica • Produce metano. • Puede presentar olores desagradables por H2S. suponiendo mezcla completa en la laguna. Por esto se diseña según criterios empíricos. .8) ⎤ ⎡ ⎥ ⎢ 1 ⎛ DBO0 ⎞⎢ ⎥ − 1⎟ θ =⎜ n ⎝ DBO ⎠ ⎢ ⎛ DBO0 ⎞ ⎥ ⎢ K⎜ ⎟ ⎥ ⎢ ⎦ ⎣ ⎝ DBO ⎠ ⎥ Los procesos anaeróbicos son muy complejos y los modelos matemáticos (simplificados) no logran representarlos en forma aceptable.LAGUNAS ANAEROBIAS Tiempo de retención hidráulica (θ): Se basa en considerar la cinética del proceso de remoción de la MO. n=4. DBO = DBO0 (DBO DBO0 )n Kθ + 1 DBO = concentración de DBO del efluente (mg/L) DBOo = concentración de DBO del afluente (mg/L) K = constante de degradación para mezcla completa (d-1) θ = tiempo de retención hidráulica (d) n = constante adimensional K y n dependen de la temperatura y se deben evaluar experimentalmente (para 22ºC K=6. .Dr.7 9.si t < 3d no se mantiene una población estable de metanogénicas (tasa de salida > tasa de reproducción) .3 2. Quispe Según Gloyna: t ret (d) 1.4 4. En general t = 5 días.si t > 6d podría comportarse como facultativa Según Mara: t ret (d) 1 2.t = 3-6 días .4 Eficiencia en DBO 40% 45% 50% 55% Eficiencia en DBO 50% 60% 70% .5 5 IA 604 .LAGUNAS ANAEROBIAS Tiempo de retención: El criterio se basa en el tiempo necesario para la reproducción de las bacterias metanogénicas (depende de la temperatura). Javier R. Eficiencia: Eficiencia en remoción de DBO: 50-60% (depende de la temperatura) Temp. Javier R. En caso que no haya remoción previa de arena se debe dejar 50 cm adicionales en la zona de entrada (en el primer 25% de la longitud).Dr.LAGUNAS ANAEROBIAS Profundidad: H = 4-5 m (>3m) La profundidad es elevada para garantizar las condiciones anaerobias (disminuir penetración del oxígeno de la superficie).1/2 mes más frío < 20ºC > 20ºC Eficiencia en DBO < 50% < 60% IA 604 . Quispe . Dr.LAGUNAS FACULTATIVAS IA 604 . Quispe . Javier R. 5-3 m (en general 2 m) La intensidad de la luz disminuye con la profundidad: .H < 1 m: crecimiento de malezas y proliferación de mosquitos .H > 3 m: se puede transformar en laguna anaerobia .Zonas o capas de una Laguna Facultativa Viento O2 CO2 Lu ola s z r Zona fótica (aerobia) Agua residual cruda Agua residual Fotosíntesis (algas) tratada Zona heterótrofa facultativa (anaerobia aerobia) Degradación aerobia de materia orgánica disuelta (DBO5) (bacterias heterótrofas aerobias y facultativas) Degradación anaerobia de materia orgánica sedimentada (DBO5) (bacterias anaerobias y facultativas) Zona anaerobia (sedimentos) Profundidad H = 1. El segundo depende de: temperatura. El primer mecanismo es el más importante.LAGUNAS FACULTATIVAS DEGRADACION MO EN CAPA SUPERIOR: Luz solar CO2 nutrientes ALGAS O2 BACTERIAS Mat. generándose proceso nuevasfotosintético células. .org. características del líquido. viento. Los (algas) nutrientes desechados por las bacteriasreaireación son utilizados natural por las poralgas la superficie en la biosíntesis celular. Bacterias: MO + O2 Algas: CO2 + NH4+ células + CO2 + NH4+ + H2O células + O2 La MO sedisponible Oxígeno oxida. Viento: condiciones de mezcla.Radiación solar: fotosíntesis.Temperatura: cond.LAGUNAS FACULTATIVAS DEGRADACION MO EN CAPA INFERIOR: MO ác. por lo cual no habrá problema de olores.Dr. Javier R. reaireación IA 604 .volátiles acidogénesis metanogénesis CH4 + CO2 + H2O La degradación de la MO se da mediante procesos anaerobios. Los gases generados suben y son oxidados en las capas aerobias superiores. actividad microbiana . activ. solubilidad y transf. bacteriana y de las algas (valores límite <5ºC y >35ºC) . mezcla. gases. Influencia condiciones ambientales: . Quispe . 6 t T T pH ⎣ ⎦ Ne = Nitrógeno total del efluente. mg/L kT = Coeficiente de remoción que depende de la temperatura. mg/L N0 = Nitrógeno total del afluente. 08 − 0 .LAGUNAS FACULTATIVAS Remoción de nitrógeno L.Dr. d IA 604 . facultativas con flujo pistón (Reed. facultativas con flujo mezcla comp. 042 − 6 . 1985) N e = N 0 exp{− kt [t + 60.6 )]} L. °C t = Tiempo. (Pano y Middlebrooks. 1982) ⎡ ⎤ 1 Ne = N0 ⎢ ⎥ ( ) ( )( ) [ ] 1 + 0 . = 0. Javier R.0064 d-1 T = Temperatura del agua. 000567 − 0 . Quispe .6( pH − 6.039(T − 20 ) k20 = Coeficiente de remoción a 20°C. d-1 kT = k 20 ⋅1. 00028 exp 1 . m L = Longitud de viaje del agua entre el afluente y el efluente. d-1 t = Tiempo de retención hidráulica. d d = Número de dispersión del flujo.184[θ ⋅ν ⋅ (W + 2 ⋅ Z )] d= 1. adimensional (0.0) ν = Viscosidad cinemática.511 K = Constante de reacción de 1er. m Z = Profundidad del agua en la laguna. 489 (L ⋅ Z ) ⋅ W 1. m .2 – 4. DBO = DBO0 4⋅a⋅e ⎛ 1 ⎞ ⎜ ⎟ 2 d ⎝ ⎠ (1 + a ) 2 ⋅e ⎛ a ⎞ ⎟ ⎜ ⎝ 2d ⎠ − (1 − a ) ⋅ e 2 ⎛ −a ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ 2d ⎠ 0 . m2/s W = Ancho de la laguna. orden.LAGUNAS FACULTATIVAS Remoción de la DBO (Wehner y Wilhelm. 489 a = 1 + 4 ⋅ K ⋅θ ⋅ d 0. 1958): Para flujo no ideal (flujo con dispersión entre flujo pistón y flujo mezcla completa). 4 mg/l DBO Flujo disperso: ≅60-90% de los SS son algas ≅1 mg algas genera 0.LAGUNAS FACULTATIVAS Algunos Parámetros de Interés Coeficiente K Mezcla completa: K = 0.35 d-1 para 20ºC KT = K20 θ T-20 θ=1.035 T-20 1 mg/l SS ∼ 0. Quispe .3 θ=1. Javier R.3-0.05 para K20=0.3-0.13-0.Dr.mes más frío K = 0.085 para K20=0.17 d-1 para 20ºC KT = K20 1.35 T= temp.45 mg DBO IA 604 . Tasa acumulación de lodo: 0.En serie > eficiencia que una única laguna (para el mismo t total) .08 m3/hab. La fracción orgánica es estabilizada en forma anaerobia siendo transformada en agua y gases.03-0.año IA 604 .En paralelo misma eficiencia que una laguna única (para el mismo t total) pero da mayor flexibilidad y garantía Acumulación de lodo: Resultado de los sólidos en suspensión del afluente y los microorganismos sedimentados.Dr.LAGUNAS FACULTATIVAS Eficiencia de las lagunas facultativas: Eficiencia en remoción DBO: 70-90% (cercana a 90%) CF: 99% La eficiencia de un sistema depende del arreglo de las lagunas: . Javier R. Quispe . por lo que el volumen acumulado será menor al volumen sedimentado. Dr. Javier R.LAGUNAS AIREADAS IA 604 . Quispe . Se pueden construir con > profundidades que las facultativas .Al igual que en el caso de lagunas facultativas.A superficial < A necesaria en sistemas de lagunas facultativas .LAGUNAS AIREADAS GENERALIDADES: Son lagunas en las que la degradación de la MO se da en forma aerobia. .t ret < t necesario en lagunas facultativas (densidad de biomasa > que en lagunas facultativas) . pero en donde el OD es producido mecánicamente en lugar de por las algas. facultativas tratamiento en lagunas facultativas. industrialeso y principalmente como medio de aquellas incrementar que por la capacidad su alta turbiedad de sistemas o color de lagunas dificulten suexistentes. Las lagunas aireadas tienen las siguientes características: . se logran altas eficiencias en remoción de DBO pero no de patógenos La aireación se puede dar a través de aireadores de superficie o de inyección (tipo turbina o de aire a presión) Pueden tratarse utilizarse aguas en instalaciones residuales domésticas nuevas más ecompactas. de lodos.Fleckseder y Malina: 20 w/m3 para V=500m3 El efluente contiene sólidos en 3 concentraciones iguales a las de 3 10 w/m para V=2000 m la laguna. por lo que debe existir una unidad de tratamiento 3 .Eckenfelder: 20 w/m .Puede considerarse la siguiente relación: w/m3 = 450 / V0. No hay presencia de algas en el efluente. . El tiempo de 3 retención es igual a la edad del lodo. La densidad de energía necesaria para lograr la mezcla completa El proceso es similar a los lodos activados pero sin recirculación de la masa de líquido depende de las dimensiones de la laguna. .Balasha y Sperber: 3-4 w/m para V=14000 m3 posterior (ej: laguna facultativa).5 .LAGUNAS AIREADAS TIPOS DE LAGUNAS AIREADAS: Lagunas aireadas de mezcla completa: Toda la biomasa se encuentra en suspensión. Quispe . durante todo el período de operación. depósito de lodos Hay algas en el efluente. para el dimensionamiento se usa la teoría de mezcla completa (a falta de mejores herramientas). Javier R. IA 604 .Dr. Igualmente. El OD es abastecido totalmente en forma artificial (aireadores mecánicos) y la producción por fotosíntesis es despreciable. La densidad de energía es menor al caso anterior y no es suficiente como para lograr la mezcla completa (2-4 w/m3). No se puede tener certeza de si la laguna operará como mezcla completa o como facultativa aireada.LAGUNAS AIREADAS Lagunas aireadas facultativas: Biomasa parcialmente en suspensión. Hay algas en el efluente. El diseño se hace como para lagunas facultativas. instalados en profundidad (densidad de energía: 0. Quispe .Dr. El objetivo es favorecer la mezcla en la laguna y evitar la estratificación térmica (en lagunas facultativas convencionales esta mezcla se da por la acción del viento). En lagunas pequeñas se puede lograr recirculando el líquido con una bomba.1 w/m3). IA 604 .LAGUNAS AIREADAS Lagunas facultativas con agitación mecánica: depósito de lodos Biomasa parcialmente en suspensión. Se puede lograr instalando agitadores de baja velocidad de giro. Javier R. 5 Ta = Temperatura ambiente. m3/d Ti = Temperatura del afluente. °C Q = Caudal del agua residual. °C A = Area superficial de la laguna. m2 f = Factor de proporcionalidad = 0.LAGUNAS AIREADAS Requerimiento de Aireación Carga orgánica en la laguna (CO): CO = DBO0 ⋅ Q Demanda de O2 ó Tasa real de transferencia de O2 requerido. °C . bajo condiciones de campo para el tratamiento del agua residual (TRTO) (kg O2/h): TRTO = 1.5 ⋅ CO Temperatura del agua en la laguna: A ⋅ f ⋅ Ta + Q ⋅ Ti Tw = A⋅ f + Q Tw = Temperatura del agua en la laguna. (mg/L) = Concentración de O2 a las condiciones de operación (generalmente 2 mg/L) = Concentración de saturación de O2 disuelto en agua limpia a 20°C y 1 atm. (mg/L) = Factor de corrección a la transf.0.(TETO) (kg O2/h) TRTO TETO = ⎡ β ⋅ CsTH − C L ⎤ T − 20 α ⋅⎢ ⋅ 1 .95 . 025 ⎥ Cs 20 ⎣ ⎦ β CsTH CL Cs20 α T = Factor de corrección tensión superficial y salinidad (0.9) = Temperatura del agua residual.98) = Concentración de saturación de O2 disuelto en agua limpia a T y altitud (msnm) ó presión barométrica.LAGUNAS AIREADAS Requerimiento de Aireación (cont.) Transferencia de O2 en la capa superior a 20°C y con concentración de O2 disuelto igual a cero. .6 y 0. de O2 en el agua residual (valor usual entre 0. °C. Dr.5 m para lagunas facultativas aireadas IA 604 .LAGUNAS AIREADAS Criterios prácticos: Remoción de DBO = 70-80% para lagunas de mezcla completa 75-90% para lagunas facultativas aireadas Tiempo retención = 2-7 d para lagunas de mezcla completa 10-15 d para lagunas facultativas aireadas Profundidad = 3-5m para lagunas aireadas de mezcla completa 1. Quispe . Javier R. Javier R.Dr.LAGUNAS DE ESTABILIZACION PROBLEMAS DE OPERACIÓN IA 604 . Quispe . Javier R.Dr.OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO Problemas de operación: Lagunas anaerobias: Problema vegetación mosquitos y moscas Causa Solución remover la vegetación presente en taludes y laguna (de raíz) remover la vegetación presente en taludes y laguna (de raíz) falta de mantenimiento existencia de vegetación o espumas en la zona de contacto líquido talud proliferación de revolver la capa de espuma o moscas sobre la capa aplicar insecticida o pesticida (en de espuma cantidad adecuada para no perjudicar el funcionamiento de la laguna) IA 604 . Quispe . Javier R.OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO Problemas de operación: Lagunas anaerobias: Problema generación de malos olores Causa disminución de la temperatura en la laguna ingreso de líquido con pH bajo agua residual con alto contenido de sulfatos o con presencia de sustancias tóxicas que inhiben la actividad metanogénica IA 604 . .Dr. Quispe Solución no existen maneras prácticas y económicas para controlar ese factor. agregar alcalinizante de forma de elevar el pH del líquido a ser tratado. los aportes de sustancias inhibidoras por líquidos industriales deberán ser controlados en la fuente. remover las plantas acuáticas. poner a funcionar unidad en paralelo instalar aireadores o recircular el efluente los aportes por líquidos industriales deberán ser controlados en la fuente. rediseñar la distribución del afluente largos períodos de baja radiación o temperatura agua residual con presencia de sustancias tóxicas corto circuitos y zonas muertas (por presencia de plantas acuáticas. instalar aireadores en forma temporaria. Quispe remover capa de flotantes con agua a presión y desnatador.OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO Lagunas facultativas: Problema generación de malos olores Causa sobrecarga orgánica Solución recircular el efluente. Javier R. mala distribución del afluente) flotantes en la superficie IA 604 .Dr. . espumas IA 604 .Dr. Javier R. remover los flotantes con la ayuda del desnatador.OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO Lagunas facultativas: Problema vegetación mosquitos y moscas Causa falta de mantenimiento existencia de vegetación o espumas en la zona de contacto líquido talud proliferación de moscas sobre la capa de espuma condiciones de temperatura favorable a su crecimiento resuspensión del lodo sedimentado. Quispe . afluente con algo contenido de grasas. capa de algas Solución remover la vegetación presente en taludes y laguna (de raíz) remover la vegetación presente en taludes y laguna (de raíz) remover la capa de espuma algas en el efluente rediseñar la salida para que sea sumergida o colocar una pantalla de retención acoplada al sistema de salida romper la capa de flotantes con agua a presión.