EVALUACIÓN DE UNA LAGUNA DE ESTABILIZACIÓN MEDIANTE EL EMPLEO DE RADIOTRAZADORES C. Sebastián(1), E. Mamani (1), G. Maghella Maghella(1), M. Balboa (2), N. Bustamante Bustamante(2) (1) Instituto Instituto Peruan Peruano o de Energía Energía Nuclear Nuclear (2) Universi Universidad dad Naciona Nacionall de Ingeniería Ingeniería
1. IN INT TRO RODU DUCC CCIÓ IÓN N 1.1 Las Aguas Residuales En el año 1998 (según el BM, el BID y la SUNASS) el 73.7% de la Región de América Latina y El Caribe tenían servicio de alcantarillado alcantarillado colectándose diariamente 60 millones de metros cúbicos de aguas residuales que se vierten a los ríos, lagos y mares. Del volumen colectado por los sistemas de alcantarillado, menos del 10% recibe algún tipo de tratamiento previo a su descarga en un cuerpo de agua superficial o antes de su uso para el riego de productos agrícolas. En el Perú la situación no es diferente. En las ciudades costeras, las descargas de las aguas residuales, contaminan las playas de uso recreacional y los productos hidrobiológicos hidrobiológicos que crecen en las áreas cercanas. Esta situación también ocasiona un grave impacto económico sobre las exportaciones de productos hidrobiológicos y el turismo. La dispos disposic ición ión de las aguas aguas resid residual uales es sin tratam tratamien iento to previo previo en aguas aguas superficiales superficiales afecta su posterior uso. Muchos de los ríos y lagos utilizados como fuente de abastecimiento de agua, tienen altos niveles de contaminación microbiológica (16 ríos de América superan los 1000 coliformes fecales/100 ml; GEMS-1987). El nivel al que está expuesto la población es mayor considerando que menos del 50% de los servicios de agua potable cumplen con los parámetros de potabilidad establecidos por la OPS/ OMS. 1.2 Evaluación de Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales Muchas Muchas plant plantas as de tratam tratamie iento nto de aguas aguas residu residual ales es no tienen tienen la eficie eficienci ncia a esperada por deficiencias hidráulicas que ocasionan diferentes distribuciones de flujo y afectan los periodos de retención del agua en los reactores. Por esto, es necesario realizar evaluaciones durante la operación que permitan conocer el funcionamiento real de las unidades de tratamiento. El funcionamiento de las plantas de tratamiento que cuentan con lagunas de tipo facu faculta ltativ tivo, o, aire airead adas as,, anae anaero robi bias as,, etc., etc., como como unid unidad ades es de trat tratam amie ient nto, o, está están n influenciadas por una serie de factores físicos tales como geometría, ubicación de dispositivos de entrada, etc., químicos y biológicos que están relacionados directamente con el tipo de desechos además de ambientales; sin embargo, el diseño debe ser tal que permita una operación satisfactoria dentro de las condiciones climáticas esperadas. En las Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales el comportamiento hidráulico es el principal factor que determina la eficiencia del tratamiento y es afectado por la forma de ésta, la presencia de espacios muertos, cortocircuitos y la localización de sistemas de entrada y de salida. Las características hidráulicas del flujo obviamente tienen su efecto en la dispersión del desecho, en el tiempo de retención promedio y en la remoción remoción de materia materia orgánica orgánica,, sólidos sólidos suspendi suspendidos dos y organism organismos os patógeno patógenoss en consecuencia la calidad del efluente. Por esto, es necesario realizar evaluaciones durante la operación, que permitan conocer el funcionamiento real de las unidades de
tratamiento, evaluando los parámetros del porcentaje de mezcla completa, zona muerta y de canalización de flujo en las unidades de tratamiento. 2. OBJETIVO Determinación de las características hidráulicas en la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales: -
-
Tiempo de residencia en cada una de las unidades de interés. Análisis de las características de un reactor: Determinación de porcentaje de mezcla completa, flujo pistón y zona muerta. Evaluación de la dispersión a 2 dimensiones de la Laguna de Estabilización
3. DESCRIPCIÓN DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES La planta de tratamiento de la UNI fue construida en los años 1994 y 1995, con el auspicio del Ministerio de la Presidencia, FONCODES y la UNI. La puesta en funcionamiento se realizó durante el segundo semestre de 1995, operando continuadamente desde enero de 1996. Area y Ubicación Geográfica La planta de tratamiento comprende un área total aproximada de 4.5 Has, ubicada en el sector T del campus de la Universidad Nacional de Ingeniería, en los límites de los distritos del Rímac e Independencia. Descripción de las Unidades de Tratamiento Existen tres etapas de tratamiento, pretratamiento: cribado y desarenado, tratamiento primario: RAFA (reactor anaerobio de flujo ascendente), tratamiento secundario: dos lagunas facultativas en serie. Además, la planta cuenta con estructuras de captación y regulación de caudal, medidor de caudal de ingreso a la planta - Palmer Bowles; para el aprovechamiento de las aguas tratadas cuenta con tres estanques de peces, un vivero forestal y una rampa para llenado de camiones con agua tratada destinadas a riego en la UNI y en distrito aledaños según convenio. Las aguas residuales domésticas que son tratadas por la planta provienen de los poblados El Milagro y El Ángel (8000 y 10000 habitantes respectivamente). El caudal máximo captado es de 10 l /s, que corresponde al caudal de diseño de la planta, además la planta ha sido diseñada para una carga orgánica, en términos de DQO, de 500 mg/l. Las unidades componentes de la planta son: 1. Dispositivos de captación y regulación de caudales 2. Sistema de cribado 3. Desarenador 4. Medidor de caudal Palmer Bowles 5. Reactor Anaerobio de Flujo Ascendente 6. Lagunas de Estabilización 7. Lecho de secado de lodos 8. Estanque de Peces y
9. Sistema interno de alcantarillado Laguna de Estabilización El tratamiento secundario en la Planta de UNITRAR, esta constituido por un sistema de lagunas con dos lagunas del tipo facultativas en serie, la primera de forma rectangular y la segunda de forma cuadrada y con la mitad de volumen que la primera laguna. El efluente del RAFA ingresa a la primera laguna mediante tres entradas distanciadas proporcionalmente en todo el ancho de la laguna (actualmente las tres entradas se encuentran sumergidas para evitar olores producidos por la caída libre del afluente de la laguna). El efluente sale de la laguna por medio de tres dispositivos en los que se puede realizar la medición de caudales por medio de vertederos triangulares. Estas salidas se unen posteriormente para repartir el caudal nuevamente hacia tres entradas en la segunda laguna (con similares características que la primera laguna, pero con entradas no sumergidas). Ambas lagunas cuentan con arquetas de desagüe que permiten evacuar por rebose los excesos o vaciar las lagunas para su mantenimiento. Dichas arquetas son estructuras de concreto de 0.40m por 0.60m y de altura variable, cuentan con una compuerta lateral conformada por planchas, paralelas y separadas 0.15m, de PVC de 0.20 por 0.50m, instaladas una sobre la otra para permitir el desagüe de la laguna por la parte superior, los 15cm de espacio libre entre las planchas es rellenado con arcilla para evitar las filtraciones de la laguna hacia el desagüe. Estas cámaras están conectadas a la red de alcantarillado interno de la planta. El modelo hidráulico de ambas lagunas es de flujo disperso. Los procesos desarrollados en las lagunas son: sedimentación; digestión; estabilización aeróbica de la materia orgánica; fotosíntesis con formación de algas y producción de oxígeno y consumo de dióxido de carbono (CO 2); y remoción de bacterias y organismos patógenos. 4. MATERIAL Y EQUIPO EMPLEADO El material y equipo empleado son los siguientes: Equipos 01 equipo de adquisición de datos –Software Latin 36 06 Detectores de Centello para medición de radiación gamma con cristales NaI. 06 carretes de cable (longitud 100 mt) 01 monitor de radiación RADIAGEM. 01 Dosímetro de radiación Materiales 10 pares de guantes 04 jeringas de 10 ml 04 agujas 03 recipientes de 4lt 03 soportes para los detectores 01 estabilizador de corriente 03 flotadores 01 tomacorriente múltiple con 200m de cable de extensión
400 m de cordel de nylon resistente 01 rollo de cinta adhesiva 01 carpa para protección de los equipos 5. METODOLOGÍA Responsables de la prueba: A cargo de ingenieros especialistas del IPEN y personal de la planta UNITRAR. Preparación de material y revisión de equipos: Esta actividad fue realizada días previos al inicio de la prueba, en las instalaciones del IPEN - Huarangal. Transporte de material y equipos: El material radiactivo y los equipos fueron trasladados desde el IPEN hacia la planta UNITRAR el mismo día del inicio de la prueba bajo todas las medidas de seguridad radiológicas requeridas. Instalación de equipos: Los equipos fueron instalados en conjunto por el personal del IPEN y los tesistas en las instalaciones de la planta UNITRAR. Se emplearon 6 detectores de NaI y su distribución se muestra en la figura siguiente: Laguna terciaria de UNITRAR 8m
6
4
1
Afluente
Efluente
2
5
3
15
10
10
15
m
1m
m
m
Figura 1. Distribución de los detectores en la Laguna de Estabilización
Evaluación La evaluación de la laguna terciaria de la planta UNITRAR fue realizada en el período de verano Marzo-Abril del 2002, y para evaluar los parámetros hidráulicos se empleó un trazador radiactivo, mediante el método de inyección instantánea (ver figura).
TRAZADORES Entrada
Inyección del trazador
SISTEMA Trazador
Salida
Figura 2. Evaluación de un Sistema mediante la Inyección de trazador El principio básico del uso del trazador es ''marcar '' una sustancia, objeto o fase y ''seguirlo'' a través del sistema, siguiendo la determinación cuantitativa y registro del mismo a la salida del sistema contaje vs. tiempo; la interpretación y cálculos de estos registros determinan el comportamiento y características hidráulicas del sistema. Para ello el trazador debe: • •
Comportarse de la misma manera que el material marcado. Debe distinguirse de alguna manera del material marcado que lo haga fácilmente detectable entre otros materiales.
Preparación de Radiotrazador: El radiotrazador fue proporcionado por la Planta de Producción de Radioisótopos del Centro Nuclear RACSO en una ampolla de vidrio dentro de un blindaje de plomo en forma de una solución Yoduro de Sodio NaI 121 líquido con una actividad de 80 mCi, la dilución final se repartió en tres recipientes en partes iguales para la inyección en cada ingreso. Inyección del Radiotrazador y recolección del material contaminado El radiotrazador preparado fue inyectado simultáneamente en forma puntual en los tres ingresos de la laguna, al mismo tiempo se encendió el equipo y se inició la adquisición de los datos. Se registraron datos adicionales como: caudal de ingreso, temperatura, radiación, etc, esto no permitió tener una idea de las condiciones climáticas homogéneas en que debía desarrollarse la prueba. El material contaminado con Iodo fue recolectado y llevado a la Planta de Gestión de Desechos Radiactivos. Adquisición de Datos: La adquisición de datos se llevó a cabo en 5 días y las lecturas fueron cada 3 minutos durante las 24 horas mediante el equipo de adquisición marca DAMRI con 6 sondas o puntos de muestreos. El software empleado en la Adquisición fue el Latin36. Procesamiento de Datos, análisis y discusión de resultados
Los datos recolectados por el equipo en el Software Latin36, fueron exportados al programa Excel y estos posteriormente tratados con los softwares Peakfit4, DTR8, DTSPRO y Surfer 3.2 6. CÁLCULOS DE PARÁMETROS DE TRANSPORTE EN LA LAGUNA DE OXIDACIÓN UTILIZANDO TRAZADORES RADIACTIVOS 6.1 Cálculo del tiempo de residencia teórico (Θ) Datos de la Laguna Largo = Ancho = 50 metros Profundidad = 1,50 metros Q= caudal (10 lit/seg = 36 m 3/hr) Si Θ = V/Q Donde V= volumen y Q = caudal m3/hr Volumen de la Laguna = 50 m * 50 m * 1,5 m = 3750 m 3 Θ = 3750 m3 / (36 m3/hr) = 104.16 hr = 4.34 días 6.2 Cálculo de la cantidad de radiotrazador a inyectar: La determinación de la cantidad de radiotrazador necesario se realizó en función a los siguientes datos: La concentración empleado aproximada a utilizar es de 20 µCi/ m3 teniendo en cuenta la vida media del trazador y tiempo de duración de la toma de muestras. Actividad empleada = Concentración x Volumen del Sistema Actividad empleada = 20 µCi/m3 x 3750 m3 = 75 mCi Se empleó en el experimento una actividad de 80 mCi 6.3 Cálculo de los tiempos de residencia El tiempo de residencia Θ se calcula teniendo en cuenta el baricentro de la curva mostrada en la figura 1, dando los siguientes tiempos de residencia. Posición a 15 m de la inyección
Posición a 25 m de la inyección
Posición a 35 m de la inyección
Posición a la salida (50 m)
Θ teór . (días)
1.32
2.17
3.03
4.34
Θ exp (días) Varianza (σ)
2.25 4399.58
3.34 4457.51
3.41 4346.52
3.57 4661.86
Θ teórico
Θ práctico
% de error
4.34
3.57
17.74
Tiempo de Residencia en Laguna de Estabilización UNITRAR 350 300 250 Cps
200 150 100 50
Figura 4 Lectura a la salida de la Laguna
0 0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
tiempo, min
6.4 Cálculo de parámetros de diseño: flujo pistón, flujo mezclado y volumen muerto, por el método de Wolf - Resnick y Coeficiente de dispersión.
Distancia Pto. de Inyección Detector (m)
Coeficientes de Dispersión longitudinal
Volumen Muerto (%)
Flujo Pistón (%)
Flujo Mezclado (%)
15 25 35 50
1.50 0.69 0.65 0.84
10.20 0.00 19.50 17.34
5.03 18.70 9.98 11.32
84.77 81.30 70.52 71.34 % FM prom. = 76.98
6.5 Dispersión Para observar la distribución y comportamiento durante la operación se instaló 6 detectores (ver figura 1), los datos obtenidos fueron interpolados mediante el uso del software Surfer32 (ver Anexo I).
7. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS A la luz de los resultados obtenidos, se observa lo siguiente: un flujo preferencial central en la Unidad (18.7%), y considerando el siguiente tramo (25 a 50 m), se nota que los %s de volúmenes muertos aumentan, relacionadas con las distancias pto. de inyección -detector. Los mejores %s de mezcla completa se observan en el primer tramo de la Unidad (hasta los 25 m., aprox.), luego de lo cual desciende, mientras que el % de
volumen muerto se incrementa. Puede verse que a las 0.7 h. de haberse realizado la inyección, existe flujo preferencial superficial y al centro de la Unidad. Al lado derecho de ésta se observa una retracción de las isorradas, lo que podría inducir a la existencia de un elemento que distorsione las líneas de flujo, posiblemente la altura del sedimento en el fondo de la Unidad. Esto ocurre aprox. entre 20 y 25 metros del punto de inyección. Al cabo de una hora, parte del trazador con flujo preferencial tipo pistón llega al otro extremo de la Unidad, casi con contaje de fondo. En las siguientes gráficas puede verse el comportamiento de la difusión del trazador y el decaimiento paulatino en el contaje, advirtiéndose que a las 48 horas de inyectado prácticamente el nivel de éste es muy bajo, con una fracción de trazador significativa que ya ha pasado, determinando que la curva de respuesta presente una cola relativamente larga por efecto de la presencia de zonas con volúmenes muertos de tránsito muy lento que se manifiestan mientras que se alimenta a la Unidad.
El % de error entre el tiempo de residencia (Θ ) teórico y el práctico (17.74%) se justifica, dentro de los parámetros de diseño de la planta, considerando que el comportamiento del flujo mientras se difunde a través de la Unidad varía en el segundo tramo de ésta, haciendo que los %s de volúmenes muertos se incrementen. 8. Conclusiones De la experiencia realizada podemos concluir: •
•
•
•
•
Que el trazador recorre 3/5 de distancia lineal de la Laguna en 0,7 hr, lo que nos indica que hay un flujo preferencial en la parte superior de la Laguna, siendo este flujo mayor por la parte central. El trazador o parte del flujo de ingreso empieza a salir a la hora de iniciado el experimento, confirmándonos que existe un flujo preferencial. El tiempo de residencia para la estación de verano es de 3.57 días, este valor varía de acuerdo a los caudales, temperatura y regulación a la salida de la Laguna de Estabilización. El % de volumen muerto de la Laguna es de 17.34%, flujo pistón de 11.32 % y el de flujo mezclado de 71.40%. Para realizar medidas correctivas o modificar el diseño se sugiere realizar mas evaluaciones.
ANEXO I COMPORTAMIENTO Y DISTRIBUCIÓN DE LA LAGUNA DE OXIDACION
Laguna de Oxidación UNITRAR - I soradas de I -131 a 0.7 h 50
45
40 910 35
810 710
m
30 610 25
D
510 410
20 310 15
210 110
10 100 5
0 0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Distancia,
Laguna de Oxidación UNITRAR-I sorradas de I-131, 1 h 50
45
40
660 610
35
560 510
m a n a D
30
460 410
25
360 310 260
20
210 160
15
110 60
10
10 5
0 0
5
10
15
20
25
Distancia,
30
35
40
45
50
L a g u n a d e O x i d a c ió n U N I T R A R - I s o r r a d a s d e I - 1 3 1 a 2 h r 50
45
40
3300 3100 2900
35
2700 2500 30
2300
m , a i c n a t s i D
2100 1900
25
1700 1500 1300
20
1100 90 0 15
70 0 50 0 30 0
10
10 0 5
0 0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
D i s t a n c ia , m
L a g u n a d e O x i d a c ió n U N I T R A R - I s o r r a d a s a 4 h o r a s 50
45
40
1900 1800 1700
35
1600 1500 1400
30
1300
m , a i c n a t s i D
1200 1100
25
1000 90 0 80 0
20
70 0 60 0 50 0
15
40 0 30 0 20 0
10
10 0 5
0 0
5
10
15
20
25
D i s t a n c ia , m
30
35
40
45
50
L a g u n a d e O x id a c ió n U N I T R A R - I s o rr a d a s d e I - 1 3 1 a 5 h r 50
45
40
1700 1600 1500
35
1400 1300 30
1200
m , a i c n a t s i D
1100 1000
25
9 00 8 00 7 00
20
6 00 5 00 15
4 00 3 00 2 00
10
1 00 5
0 0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
D i s t a n c ia , m
L a g u n a d e O x i d a ció n U N I T R A R - I s o rr ad a s d e I - 1 3 1 a 7 h r 50
45
40 1200 1100 35 1000 9 00
30 m , a i c n a t s i D
8 00 25
7 00 6 00
20
5 00 4 00
15 3 00 2 00 10 1 00 5
0 0
5
10
15
20
25
D i s t a n c ia , m
30
35
40
45
50
Laguna de Oxidación UNITRAR - I sorradas de I-131 a 12 h 50
45
40
75 70
35
65 60
m
55
30
50 45
25
D
40 35
20
30 25
15
20 15 10
10
50 5
0 0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Distancia,m
L a g u n a d e O x id a c ió n U N I T R A R , I s o r r a d a s d e I - 1 3 1 a 1 5 h r s 50
45
40
65 0 60 0
35
55 0 50 0
30 45 0
m , a i c n a t s i D
40 0 25 35 0 30 0 20 25 0 20 0
15
15 0 10 0
10
50 5
0 0
5
10
15
20
25
D i s t a n c ia , m
30
35
40
45
50
L a g u n a d e O x id a c ió n U N I T R A R - I s o r ra d a s d e I - 1 3 1 a 2 0 h o r a s 50
45
40
60 0 55 0
35
50 0 45 0
30 m , a i c n a t s i D
40 0 25
35 0 30 0
20
25 0 20 0
15
15 0 10 0
10
50 5
0 0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
D i s t a n c ia , m
L a g u n a d e O x i d a c ió n U N I T R A R - I s o r r a d a s d e I - 1 3 1 a 2 4 h r s 50
45
40 50 0 35
45 0 40 0
30 m , n o i s n e
35 0 25
30 0 25 0
m i D
20 20 0 15
15 0 10 0
10 50 5
0 0
5
10
15
20
25
D i s ta n c i a , m
30
35
40
45
50
L a g u n a d e O x id a c ió n U N I T R A R , I s o r ra d a s d e I - 1 3 1 a 3 6 h r s 50
45
40 33 0 30 0
35
27 0 30
24 0
m , a i c n a t s i D
21 0 25 18 0 15 0
20
12 0 15
90 60
10 30 5
0 0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
D i s t a n c ia , m
L a g u n a d e O x id a c ió n U N I T R A R - I s o rr a d a s d e I - 1 3 1 a 4 8 h r s 50
45
40 20 0 35
18 0 16 0
30 14 0
m , a i c n a t s i D
25
12 0 10 0
20 80 15
60 40
10 20 5
0 0
5
10
15
20
25
D is t a n c i a , m
30
35
40
45
50
ANEXO 2 Gráficas de Wolf-Resnick de las lagunas de UNITRAR
Metodo de Wolf-Resnick
100.00
F 0 0 1
10.00
CPT2
1.00 0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
t/to
Metodo de W olf-Resnick 100.00
t ( F 0 0 1
10.00
CPT4
1.00 0.0
2.0
4.0 t/to
6.0
8.0
Metodo de W olf-Resnick
100.00
) t ( F 0 0 1
10.00
CPT10
1.00 0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
t/to
Metodo de W olf-Resnick
100.00
) t ( F 0 0 1
10.00
CPT8
1.00 0.0
0.5
1.0 t/to
1.5
2.0
Metodo de Wolf-Resnick
100.00
t ( F 0 0 1
10.00
CPT6
1.00 0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
t/to
Metodo de Wolf-Resnick 100.00
) t ( F 0 0 1
10.00
CPT12
1.00 0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0 t/to
1.2
1.4
1.6
1.8
Metodo de Wolf-Resnick
100.00
) t ( F 0 0 1
10.00
Promedio
1.00 0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0 t/to
1.2
1.4
1.6
1.8
