UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA E.A.P. INGENIERÍA QUÍMICA
CÁTEDRA: INGENIERIA AMBIENTAL TEMA: LAGUNA DE ESTABILIZACION Y LAGUNA FACULTATIVA
PRESENTADO A: Dr. SANTIAGO NAVARRO RODRÍGUEZ ESTUDIANTE: CAMPOSANO RODRIGUEZ, Yosef SEMESTRE: VII
HUANCAYO – PERÚ 2017
INTRODUCCION Las lagunas facultativas son aquellas que poseen una zona aerobia y una zona anaerobia, situadas respectivamente en superficie y fondo. Por tanto, en estas lagunas podemos encontrar cualquier tipo de microorganismo, desde anaerobios estrictos en el fango del fondo hasta aerobios estrictos en la zona inmediatamente adyacente a la superficie. Sin embargo, los seres vivos más adaptados al medio serán los microorganismos facultativos, que pueden sobrevivir en las condiciones cambiantes de oxígeno disuelto típicas de estas lagunas a lo largo del día y del año. Además de las bacterias y protozoos, en las lagunas facultativas es esencial la presencia de algas, que son las principales suministradoras de oxígeno disuelto. A diferencia de lo que ocurre con las lagunas anaerobias, el objetivo perseguido en las lagunas facultativas es obtener un efluente de la mayor calidad posible, en el que se haya alcanzado una elevada estabilización de la materia orgánica, y una reducción en el contenido en nutrientes y bacterias coliformes.
LAGUNAS FACULTATIVA (PUCARA) La degradación de la materia orgánica en lagunas facultativas tiene lugar fundamentalmente, por la actividad metabólica de bacterias heterótrofas facultativas, que pueden desarrollarse tanto en presencia como en ausencia de oxígeno disuelto, si bien su velocidad de crecimiento, y por tanto la velocidad de depuración, es mayor en condiciones aerobias. Puesto que la presencia de oxígeno es ventajosa para el tratamiento, las lagunas facultativas se diseñan de forma que se favorezcan los mecanismos de oxigenación del medio. Las dos fuentes de oxígeno en lagunas facultativas son la actividad fotosintética de las algas y la reaireación a través de la superficie. Puesto que las algas necesitan luz para generar oxígeno, y la difusión de éste en el agua es muy lenta, las lagunas tienen normalmente poca profundidad (1-2 metros), para facilitar así un ambiente oxigenado en la mayor parte del perfil vertical. La profundidad a la cual se anula el contenido de oxígeno disuelto se llama oxipausa y varía a lo largo del dia y del año. Uno de los signos de buen funcionamiento en las lagunas facultativas es el desarrollo de un color verde brillante debido a la presencia de algas. Las bacterias y algas actúan en forma simbiótica, con el resultado global de la degradación de la materia orgánica. Las bacterias utilizan el oxígeno suministrado por las algas para metabolizar en forma aeróbica los compuestos orgánicos. En este proceso se liberan nutrientes solubles (nitratos, fosfatos) y dióxido de carbono en grandes cantidades. Estos son utilizados por las algas en su crecimiento. De esta forma, la actividad de ambas es mutuamente. En la figura N° 1 aparece un diagrama en el que se resume esta actividad coordinada entre algas y bacterias. Figura N° 1
Desde el punto de vista de la depuración, las bacterias se pueden describir como pequeños reactores bioquímicos, capaces de autorregularse. La oxidación biológica es la conversión bacteriana de los compuestos orgánicos hasta compuestos inorgánicos oxidados, proceso que se conoce con el nombre de mineralización. Como ejemplo de estos procesos tenemos: bacterias
Carbono orgánico +O2 = CO2 Hidrógeno orgánico +O2 = H2O Nitrógeno orgánico +O2 = NO3Fósforo orgánico +O2 = PO43 Azufre orgánico +O2 = SO42Las bacterias oxidan los productos de desecho para conseguir la energía y materias primas necesarias para la síntesis de las moléculas complejas de las que están formadas (proteínas, polisacáridos, etc.). El proceso global de oxidación bacteriana puede describirse mediante la ecuación siguiente: Bacterias Materia orgánica + Oxigeno = Productos oxidados + Nuevas bacterias Por su parte, las algas sintetizan la materia orgánica de la que están constituidas en presencia de luz, para lo que necesitan, además, dióxido de carbono y nutrientes disueltos: Algas, luz CO2 + Nutrientes disueltos = Nuevas algas + Oxigeno De esta forma, si combinamos la actividad de algas y bacterias el proceso global es el siguiente: Bacterias, algas Materia orgánica = Nuevas bacterias + Nuevas algas En conjunto se obtiene una estabilización de la materia orgánica, que se traduce en fuertes descensos de la demanda bioquímica de oxígeno y demanda química de oxigeno del agua a su paso por las lagunas facultativas En la figura N° 2 aparece un esquema simplificado de los principales procesos por los que tiene lugar la depuración en lagunas facultativas. Figura N° 2
FACTORES QUE AFECTAN A LA DEPURACION Temperatura Como ocurre con todos los procesos biológicos, la temperatura presenta una influencia marcada en todas las etapas. En general, y para los intervalos de temperatura normales en las lagunas, se puede decir que la velocidad de la depuración aumenta con la temperatura, en especial en lo que concierne a la actividad de las bacterias. Sin embargo, y en lo que respecta a las algas, se han detectado retardaciones importantes en la actividad fotosintética a temperaturas elevadas (superiores a 28º C), relacionadas con la estimulación del crecimiento de algas Verdi azules (cianoficeas), menos productivas que las algas verdes (cloroficeas) a las que sustituyen. Puesto que este fenómeno coincide con una gran actividad de las bacterias, y por tanto, grandes consumos de oxígeno, pueden desarrollarse zonas anaerobias en las lagunas facultativas en épocas muy calurosas, especialmente si el calentamiento se produce de forma brusca. Normalmente esta situación es transitoria y las lagunas vuelven a funcionar correctamente al cabo de poco tiempo (AGAMIT, S. A., 1988; INYPSA, 1986). La depuración en lagunas facultativas es más lenta durante los meses de invierno, lo que debe tenerse en cuenta a la hora del diseño para evitar sobrecargas y mal funcionamiento en la época fría del año.
Radiación solar La luz es fundamental, como hemos visto, para la actividad fotosintética. Esta depende no sólo de la luz que alcanza la superficie del agua, sino de la que penetra en profundidad. Dado que el medio es normalmente muy turbio, debido sobre todo a la presencia de las mismas algas (este fenómeno se conoce como auto sombreado), la luz que penetra en la laguna se atenúa rápidamente y se anula a poca distancia de la superficie. Por esta razón la profundidad de las lagunas debe ser pequeña, garantizando así que la mayor parte de la columna de agua va a contar con cierto grado de iluminación. Puesto que la intensidad de la luz varía a lo largo del día y a lo largo del año, la velocidad de crecimiento de las algas varía también de la misma forma. Este fenómeno da lugar a dos efectos fundamentales: el oxígeno disuelto y el pH del agua presentan valores mínimos al final de la noche, y aumentan durante las horas de luz solar hasta alcanzar valores máximos a media tarde. A partir de este punto los valores decrecen de nuevo a lo largo de la noche. Esta evolución se observa mejor durante la primavera y verano, cuando la actividad fotosintética es más intensa.
Viento La acción del viento en las lagunas facultativas es importante por dos razones 1. La reaireación a través de la interface aire-agua depende de la velocidad del viento. 2. El efecto de mezcla del viento puede evitar el desarrollo de estratificación térmica, aunque en ocasiones la acción del viento puede dar lugar a la aparición de problemas reflujo. Por tanto, el proyectista debe estudiar cuidadosamente el régimen de vientos en la zona donde se va a construir la depuradora por lagunaje, de forma que el diseño se beneficie
al máximo del efecto del viento en el área. Por ejemplo, hay que evitar que se produzcan corrientes superficiales estimuladas por el empuje del viento entre la entrada y la salida. Para ello habría que reorientar la laguna o la posición de la alimentación y el efluente. Por otra parte, es necesario estudiar el efecto de los taludes o de los árboles situados alrededor de la planta en la reaireación de las lagunas, o en la posibilidad de aparición de estratificación si éstos actúan como cortavientos.
Evaporación Este factor debe tenerse en cuenta en climas muy cálidos y secos. Se considera que una evaporación diaria de 5 milímetros no provoca efectos apreciables en las lagunas La repercusión principal de la evaporación es la concentrac ión de los sólido que contiene el agua almacenada. El consiguiente aumento de la salinidad puede resultar perjudicial si el efluente se va a emplear en riegos
Precipitación El efecto inmediato de la lluvia es provocar un aumento del caudal de entrada, por lo que el tiempo de residencia del agua disminuye. Cuando la lluvia es fuerte, la turbulencia que ésta genera da lugar a que las lagunas aparezcan revueltas. El oxígeno disuelto suele bajar después de las tormentas debido a la demanda adicional de oxígeno provocada por los sólidos arrastrados por el agua de lluvia y los sedimentos de las lagunas que se mezclan con la columna de agua. Este último fenómeno es especialmente importante en días cálidos, cuando la caída de tormentas provoca el enfriamiento superficial de las lagunas, con lo que se crea una capa de inversión que favorece el desprendimiento de fangos hacia la superficie. Otro efecto de la lluvia es una cierta oxigenación en la zona superficial de las lagunas, debida tanto al propio contenido en oxigeno de la lluvia como a la turbulencia que provoca con su caída.
Estratificación Puesto que la densidad del agua cambia con la temperatura, es mínima a 4º C y aumenta para temperaturas menores o mayores, el agua más cálida es más ligera y tiende a «flotar» sobre las capas más frías. Como durante los meses de primavera y verano el calentamiento tiene lugar desde la superficie, las capas superiores están más calientes que las inferiores, son menos densas y flotan sobre ellas sin que se produzca la mezcla entre unas y otras. Este fenómeno es lo que se conoce como estratificación. Si las lagunas son suficientemente profundas la estratificación aparece a medida que progresa la primavera, y se mantiene hasta mediados de otoño. En lagunas poco profundas, la acción del viento es suficiente para romper esta distribución por densidades y dar lugar a la homogeneización de toda la columna de agua. En la figura N° 3. Se ha hecho una representación gráfica del perfil de temperaturas en una laguna o lago estratificado. La zona próxima a la superficie, más cálida y con una temperatura casi uniforme, es el epilimnio. La zona central, en la que la temperatura desciende bruscamente al aumentar la profundidad, es la termoclina. Por último, la zona del fondo, que presenta una temperatura más baja, es el hipolimnio. El efecto principal de la estratificación térmica en lagunas facultativas es la segregación a efectos de flujo de la capa fría inferior. Como la alimentación a la laguna facultativa viene directamente del alcantarillado o de las lagunas anaerobias, su temperatura es normalmente alta, similar a la que existe en el epilimnio. Puesto que su densidad es también similar a la del agua en el epilimnio, se mezcla únicamente con ésta, es decir, se distribuye en una capa fina próxima a la superficie, y ocupa sólo una fracción del volumen de la laguna. En estas condiciones, el tiempo de residencia es inferior al de diseño, por lo que no hay
tiempo suficiente para la mineralización de la materia orgánica, y el efluente presenta concentraciones anormalmente altas de DBO5 y DQO. Cuando esto ocurre hay que tomar medidas especiales que estudiaremos con más detalle en el apartado de mantenimiento. Fundamentalmente, las medidas a tomar consistirían en disminuir la altura de agua de trabajo o intentar romper la estratificación mediante alteraciones de la posición de entradas y salidas de agua. Figura N° 3
Flujo a través de las lagunas La actividad biológica en las lagunas facultativas está muy influida por las características de la circulación del agua. Cuando se proyecta una laguna facultativa. Se calcula el tiempo necesario para alcanzar un determinado grado de depuración. Este tiempo se denomina tiempo teórico de retención, y resulta de dividir el volumen de la laguna por el caudal de agua a tratar que recibe. Aunque este dato es importante, desde el punto de vista de la depuración lo que importa es si realmente todo el material que entra en la laguna permanece en ella durante ese tiempo, o si hay diferencias importantes entre el tiempo que una parte u otra del fluido permanece en la laguna. Cuando esto ocurre, la fracción que atraviesa rápidamente el estanque alcanza un grado menor de estabilización que la que permanece embalsada durante más tiempo. Estas diferencias en el tiempo real de residencia provocan siempre la disminución de la eficacia de la depuración. La circulación del agua a través de la laguna viene afectada por la forma y tamaño de ésta, la situación de entradas y salidas, velocidad y dirección de los vientos dominantes, y, como veíamos anteriormente, la aparición de diferencias de densidad dentro del estanque. Las anomalías de flujo más frecuentes se manifiestan en la
aparición de zonas muertas, es decir, partes de la laguna en las que el agua permanece estancada durante largos períodos de t iempo.
Profundidad La profundidad de las lagunas facultativas suele fijarse entre 1-2 metros. El límite inferior viene condicionado a la posibilidad de crecimiento de vegetación emergente para profundidades menores, lo cual se desaconseja normalmente para evitar el desarrollo de mosquitos. En cuanto al límite superior, las profundidades inferiores a 2 metros tienen el objetivo de limitar la posibilidad de estratificación, así como favorecer un ambiente aerobio en la mayor parte del perfil vertical. Sin embargo, recientemente se ha construido un número creciente de lagunas profundas, en las que se han obtenido buenos resultados en eficacia de depuración. Normalmente estas lagunas profundas presentan más de una finalidad, como es la de servir al mismo tiempo de sistema de depuración y de sistema regulador para riegos. Se han sugerido varias razones para explicar la mayor eficacia depuradora detectada en estos sistemas profundos, entre otras la mayor productividad de las algas en un medio en el que tienden a sedimentar en la zona profunda y morir, bien por ausencia de luz o por el efecto tóxico de sulfuros solubles, lo que da lugar a que las poblaciones en superficies sean más jóvenes y, por tanto, productivas. La zona profunda tiende a estar en condiciones anaerobias, y en ella se produce la degradación lenta de compuestos orgánicos y microorganismos sedimentados desde la zona superficial. De esta forma se generan nutrientes solubles que se reincorporan a la capa superficial y contribuyen a la actividad biológica en ésta. Por otra parte, en climas áridos la mayor profundidad repercute en una disminución de la evaporación, lo que es beneficioso tanto desde el punto de vista de almacenamiento para riegos como para evitar aumentos de salinidad en el efluente (Moreno, 1984). Por último, otra ventaja de los sistemas profundos es la mayor retención de calor durante los meses fríos. Puesto que la mayor profundidad también da lugar a problemas específicos (como la estratificación), el proyectista debe analizar cada situación concreta para alcanzar un compromiso entre ventajas e inconvenientes en cada caso. pH El pH de las lagunas facultativas viene determinado fundamentalmente por la actividad fotosintética del fitoplancton y la degradación de la materia orgánica por las bacterias. Las algas consumen anhídrido carbónico en la fotosíntesis, lo que desplaza el equilibrio de los carbonatos y da lugar a un aumento del pH. Por otra parte, la degradación de la materia orgánica conduce a la formación de CO2 como producto final, lo que causa una disminución del pH. Cuando las lagunas facultativas están operando correctamente el pH presenta valores ligeramente alcalinos, del orden de 7,5-8,5. Debido a que la fotosíntesis depende de la radiación solar, el pH de las lagunas facultativas presenta variaciones durante el día y el año. Cuanto mayor es la intensidad luminosa, los valores del pH son más altos. Estas variaciones diarias son muy marcadas en verano, cuando pueden alcanzarse niveles de pH de hasta 9 o mayores, partiendo de valores del orden de 7-7,5 al final de la noche.
Oxígeno disuelto El contenido de oxígeno disuelto en las lagunas facultativas es uno de los mejores indicadores sobre su funcionamiento. La principal fuente de oxígeno disuelto es la fotosíntesis, seguida por la reaireación superficial. Una laguna facultativa que opere correctamente debe tener una capa superficial oxigenada. La concentración de oxígeno disuelto presenta una variación sinusoidal a lo largo del día. El contenido en oxigeno es
mínimo al amanecer y máximo por la tarde, y puede oscilar entre una valor nulo hasta la sobresaturación. Durante el verano es muy común encontrar que las lagunas están sobresaturadas de oxígeno disuelto en las capas superficiales. Además de las variaciones diarias en el contenido en oxígeno disuelto, éste presenta también variaciones importantes en profundidad. La concentración de oxígeno disuelto es máxima en superficie, y a medida que aumenta la profundidad va disminuyendo hasta anularse. La profundidad a la que se anula el oxígeno disuelto se llama oxipausa, y su posición depende de la actividad fotosintética, el consumo de oxigeno por las bacterias y el grado de mezcla inducido por el viento. En invierno la capa oxigenada tiende a ser mucho más reducida que en verano.
LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN (SAPALLANGA) Son estanques conformados perimetralmente por diques de tierra, con profundidades menores a 5 m. Y períodos de permanencia hidráulica de 1 – 40 días, divididos en compartimientos que tienen distintas finalidades. La laguna de estabilización puede reducir considerablemente los agentes patógenos, lo que no se cumple con los procedimientos de tratamiento normales salvo que se desinfecte el efluente previamente.
Ventajas: • En las lagunas con grandes períodos de retención hidráulicos, generalmente se eliminan los huevos y quistes de los parásitos intestinales, lo que no ocurre con tratamientos convencionales, aún con desinfección. • Pueden tratar gran variedad de aguas residuales domésticas, industriales y agrícolas cuando la carga de las mismas es biodegradable.
Inconvenientes: • En comparación a la cantidad de experiencias efectuadas, hay pocos modelos matemáticos y formulaciones de proyecto. • En nuestro país no se han desarrollado investigaciones para obtener parámetros racionales de diseño. • Se requiere disponer de terrenos aptos para la ejecución de la laguna. • Deben estar alejados de la zona pobla da, lo que obliga a proyectar emisarios de gran longitud. • Cuando el efluente contiene algas y en el cuerpo receptor hay pocos nutrientes, las algas vegetan y tienen una pequeña demanda (DBO) que no es objetable. En cambio si no hay luz solar suficiente se mueren y sedimentan produciendo demanda de oxígeno por respiración endógena. • En cursos sin agua permanente como ocurre en zonas secas no es aconsejable la aplicación de lagunas, ya que las algas del efluente pueden producir olores al descomponerse.
Clasificación de las lagunas de estabilización • Aeróbicas : Soportan cargas orgánicas bajas y contienen oxígeno disuelto en todo instante y en todo volumen del líquido • Anaeróbicas: Se proyectan para altas cargas orgánicas y no contienen oxígeno disuelto. El proceso es semejante al de un digestor anaeróbico sin mezcla. • Facultativas: Operan con una carga orgánica media. En las capas superiores hay un proceso aeróbico. En las capas inferiores se tiene un proceso anaeróbico, donde se produce simultáneamente fermentación ácida y metánica. • De maduración: Se utilizan como una segunda etapa de tratamiento a continuación de lagunas facultativas. Se diseñan para disminuir el número de organismos patógenos, ya que las bacterias y virus mueren en un tiempo razonable, mientras que los quistes y huevos de parásitos intestinales requieren más tempo. También reducen la población de algas. Hay pequeña remoción de la DBO. • Aereadas facultativas: Son una extensión de las lagunas facultativas convencionales. Tienen como función suministrar oxígeno al proceso, cuando la actividad de las algas se reduce durante la noche. Esta acción provoca la disminución de la zona anaeróbica e incrementa la aeróbica provocando la concentración de algas en toda la masa líquida. • Aereadas de mezcla completa: Tienen un nivel de potencia instalados (aireadores) suficientemente alto para suministrar todo el oxígeno requerido y además para mantener en suspensión los sólidos. Es una variante de aireación prolongada sin recirculación. Tiene mayor permanencia hidráulica. • Lagunas de sedimentación: Son empleadas para clarificar el efluente de las lagunas aereadas aeróbicas. En ellas se produce el almacenamiento y digestión de los lodos sedimentados. Son organismos capaces de sintetizar materia orgánica compleja. Contienen pigmentos fotosintéticos denominados clorofila, mediante la cual producen oxígeno absorbiendo energía de la luz solar y convirtiéndola en calor y energía química. Entre las acciones que desarrollan las algas en las lagunas podemos citar: • Producir oxígeno para la descomposición de la materia orgánica y mantener las condiciones aeróbicas del líquido • Remueven los nutrientes como son los compuestos del fósforo, nitrógeno y carbono para satisfacer necesidades nutricionales. La mayor parte de la población algacea se encuentra en los primeros centímetros de la capa superficial.
Procesos que se desarrollan en las lagunas de estabilización La materia orgánica que ingresa en la laguna de estabilización se halla en estado de sólidos sedimentables y sólidos en suspensión, éstos a su vez en estado coloidal y diluido. Los sólidos sedimentables y coloidales floculados, sedimentan en el fondo de la laguna y particularmente en la zona de ingreso. En cambio, el resto de la materia
orgánica permanece en la masa líquida. Los sólidos biodegradables depositados son estabilizados por las bacterias formadoras de ácidos y de metano que en condiciones anaeróbicas producen gases que escapan a la atmósfera, y compuestos solubles en la masa líquida. Las bacterias, especialmente las facultativas, estabilizan la fracción no sedimentables de la materia orgánica presente en el efluente y la solubilizada del lodo sedimentado.
Factores que influyen en las reacciones biológicas (no controlables por el hombre) 1. • Radiación solar : En las lagunas facultativas es fundamental la fotosíntesis realizada por las algas para producir el oxígeno requerido por las bacterias aeróbicas. La radiación solar que se produce durante el día interviene en forma directa en la fotosíntesis. 2. • Temperatura del agua en las lagunas: Es un factor fundamental en el diseño de la laguna. Los procesos de reducción de la materia orgánica por acción bacteriana son dependientes de la temperatura. Un aumento de 4 – 5 °C en la temperatura puede aumentar enormemente la eficiencia de la laguna. 3. • Vientos: Influyen en la aireación y homogenización de los líquidos de las lagunas, además de regular la temperatura. Los vientos además favorecen la mezcla y rotura de la estratificación térmica. 1. 2. 3. 4. 5.
• Carga orgánica superficial (kg DBO/d.hab). • Profundidad de la laguna (m). • Distribución del ingreso de la carga hidráulica. • Período de detención hidráulica (d). • Operación en serie o en paralelo.
Condiciones generales para el diseño • Debe ubicarse alejadas de núcleos urbanos (como mínimo 1000 m) • La dirección de los vientos predominantes debe seguir la dirección del flujo en la laguna para alejar olores. • La relación ancho: largo será de 3:6 y se evitará la formación de islas. Radio mínimo en extremo: 5m • La altura de los diques de tierra entre el coronamiento y el líquido será > 0,5 m y los taludes internos y externos tendrán una inclinación de vertical:horiz = 1:2. Y o,5 m debajo y por sobre el líquido debe haber un revestimiento de pasto, hormigón, ladrillos u otros que aplaquen el oleaje. • Cuando exista infiltración, debe impermeabilizarse el fondo. • El ingreso a la laguna se hará por medio de al mens 2 emisarios sumergidos • El sistema de salida no debe dejar lugares muertos. Se recomienda igual número de entradas que de salidas.
CUESTIONARIO 1. Calculo del tiempo de residencia =
… = 3
= 3 /
2. Explicar porque la primera laguna no tiene algas y la segunda si tiene algas La primera laguna se queda los lodos en la parte inferior y en estos hay bacterias que consumen casi en su totalidad los nutrientes y en la segunda como al no haber lodos en el interior los nutrientes son absorbidos en la parte superior pos algas.
3. Diferencias entre lagua de estabilización y lagunas facultativas
LAGUNA DE ESTABILIZACION
LAGUNA FALCULTATIVA
Teraflones naturales Menor temperatura
Teraflones con geo membrana Mayor temperatura
BIBLIOGRAFIA
(Metcalf-Eddy, 1979) (Mara, 1976; Dinges, 1982; Brock, 1978). (W. H. O., 1987). (Vollenweider, 1974; Moreno, 1984). (Abeliovich, 1982;Moreno y col., 1984). (Ferrera y Harleman, 1981; Levenspiel, 1986; Middlebrooks y col., 1982;Moreno y col., 1984).
ANEXO
