CURSO PRACTICO SOBRELAGUNAS DE ESTABILIZACION:

TEORIA, PRACTICA, OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO

ORGANIZADO POR:ASOCIACION ECUATORIANA DE INGENIERIA

SANITARIA Y AMBIENTAL, AEISA Y LAUNIVERSIDAD LAICA VICENTE ROCAFUERTE DE

GUAYAQUIL

12 al 24 de Mayo 2003Guayaquil, Ecuador

CURSO INTERNACIONALSOBRE LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN

EVALUACION DE LAGUNAS DEESTABILIZACION

Fabian Yanez, Ph.D.CONSULTANTOR

EVALUACION DE LAGUNAS Aspectos que requieren mas conocimiento

- Reducción de organismos patógenos en lagunas de variostipos

- Influencia de la temperatura - Dimensionamiento de lagunas en climas con condiciones

meteorológicas sujetas a variaciones cíclicas extremas(regiones montañosas en países andinos)

- Comportamiento hidráulico de lagunas de varias formas - Constantes de modelos y la adecuada interpretación de

datos de evaluación - Incertidumbre en el uso de modelos para diseño de lagunas

aeradas en climas tropicales - Producción del amoníaco el pretratamientos anaeróbicos - Toxicidad del amoníaco para las algas y cargas limitantes - Remoción de DBO en lagunas en serie

EVALUACION DE LAGUNAS Aspectos importantes en la metodología de

evaluación

- Tipos de investigaciones:- A escala de laboratorio: constantes de modelos- A escala piloto: tratabilidad, constantes- A escala completa: validación de modelos, acumulación

de lodos, comportamiento hidráulico- Pruebas especiales: mortalidad, secado de lodos

- Protocolo de investigación o definición de lametodología experimental:

- Uniformización de técnicas experimentales, para lograrla comparabilidad de resultados de investigacionesdiferentes

- Pruebas y métodos de análisis- Detalle de los procedimientos experimentales

EVALUACION DE LAGUNAS DE ESTABILIZACIONFormas de evaluación

• Evaluaciones hidráulicas– Calibración de medidores de caudal y división de flujo– Pruebas de trazadores– Ruteo de flujo e histogramas de entrada y salida

• Pruebas de mortalidad bacteriana• Constantes de reacción• Acumulación de lodos• Evaluación de sistemas de aeración• Calibración del modelo de temperaturas

PRUEBAS DE CAMPO EN FUNCIONAMIENTO CONTINUOEn lagunas con flujo tipo pistón

• La determinación de tasas de remoción de DBO en lagunasalargadas adolece de dificultades, debido a que la proporción másalta de degradación ocurre en el tramo inicial de la laguna, en elcual sedimenta la mayor parte de la biomasa

• Prueba es de utilidad en la determinación de tasas de mortalidadde bacterias en lagunas alargadas 

• N = No exp(-Kb.t) 

– No = conteo de coliformes fecales al inicio en NMP/100 ml– N =conteo de coliformes fecales al final en NMP por 100 ml, y,– Kb =constante de mortalidad neta de coliforme fecal en 1/días.– t = tiempo de flujo, días

• El procedimiento consiste en medir No y N a lo largo de la laguna,siguiendo su flujo y determinar Kb por ajuste exponencial

PRUEBAS DE CAMPO EN FUNCIONAMIENTO CONTINUOEn lagunas con mezcla completa

• Suposición de mezcla completa razonable para lagunas aeradascon una adecuada densidad de energía. O en instalaciones dondeno se efectúan pruebas de trazadores con buen viento y sinestratificación termal

S = Sa / (1 + K’.PR) K' = (Sa/S - 1)/PR = (E/(1 -E))/PR

• Sa = DBO total del afluente en mg/l• S = DBO soluble del efluente en mg/l• K' = constante global de remoción de DBO en 1/días• PR = período de retención nominal (PR=V/Q) en días y• E = eficiencia de remoción de DBO en decimales.• El procedimiento consiste en medir Sa, S y el caudal y determinar

K’ con la ecuación anterior

PRUEBAS DE CAMPO EN FUNCIONAMIENTO CONTINUOEn lagunas con flujo disperso

• Cubre los dos límites posibles y tiene aplicabilidad para ladescripción real de la reducción de bacterias 

  N 4a exp(1/2d)

---- = ----------------------------------------------- No (1+a)² exp(a/2d) - (1-a)² exp(-a/2d) 

d = D/U.L = D.PR/L² a = (1 + 4.Kb.PR.d)1/2

  No = coliformes fecales en el afluente en #/100 mlN = coliformes fecales en el efluente en #/100 mlPR = período de retención nominal en días (PR = V/Q)d = factor de dispersión adimensionala = constante adimensionalKb = constante de mortalidad neta en 1/días

PRUEBAS DE CAMPO COMBINADAS

• Ofrece las mejores ventajas en la evaluación• Permite conocer degradación de la materia orgánica y destrucción

de organismos, como las condiciones hidráulicas de la laguna

– DBO y coliforme fecal en entrada y salida– Paralelemente pruebas de trazadores– Prueba Batch para constante de mortalidad neta

dN/dt = - Kb.N N = No exp(-Kb.t) Kb = (1/t) ln (No/N)

• En papel semilogarítmico, "t90" es el tiempo necesario para unareducción bacteriana en un ciclo logarítmico (90%)

Kb = (1/t90) ln 10 = 2.3/t90

• Corrección por temperatura para determinar Kb20

MORTALIDAD NETA Kb

• Requiere pruebas específicas de mortalidad• Es un coeficiente cinético de primer orden que

sigue la Ley: N/No = e-Kb.t

• Con lagunas en reposo: sin entrada o tipo batch– Se realizan conteos diarios– Se determina Kb por regresión

• Con lagunas alargadas en operación– Se realizan conteos a lo largo de las lagunas– Se determina Kb por regresión– N/No = e-Kb.t

– Se calcula Kb = (Ln N/No)/t

CARACTERISTICAS DE LOSCOEFICIENTES

• Kb’ y Kb provienen de dos conceptostotalmente diferentes

• Kb’ es un simple coeficiente o número deuna fórmula

• Kb es un coeficiente cinético• Kb’ y Kb deben tener valores diferentes• No se deben comparar

DETERMINACION EXPERIMENTAL DEL T 90

'

'

,

,

,

,

0 1 2 3 4

Tiempo de Permanecia, Días

1E+03

1E+04

1E+05

1E+06

1E+07

Co

li

fo

rm

e

fe

ca

l,

N

MP

/1

00

m

l.

T90=1.92 R2=0.9738No. 3 Kb26=1.76, '

K20 = 1.2 1/d

COMPORTAMIENTO HIDRAULICO DELAGUNAS

• REQUIERE PRUEBAS CON TRAZADORES• EXISTEN MUCHAS VARIABLES:

– Dimensiones, forma y caudal– Meteorológicas: viento, estratificación termal– Trazador:tipo, cantidad, muestreo y análisis– Procesamiento de los datos: uso del método

de momentos de formas geométricas– Validación: alto % de recuperación– Datos adicionales a medir: caudal en la prueba

PRUEBAS DE TRAZADORESTipo de dosificación y duración de la prueba

• Dosificación continua: para calibración de mecanismos demedición como canaletas Palmer-Bowlus y vertederos.

• La dosificación instantánea: para el estudio de lascaracterísticas hidráulicas de reactores.

• La duración recomendada de pruebas es: (1) El tiemponecesario para alcanzar condiciones de equilibrio endosificación continua (10 - 15 minutos) y, (2) Por lo menos elperíodo de retención teórico de la laguna en dosificacióninstantánea.

•  El nivel de detección mínimo: 2 – 3 ug/l con fluorómetros; 0.2 –0.3 ug/l con espectrofluorómetros con escala expandida.

• La cantidad de trazador a dosificarse tiene relación con: (1)Nivel mínimo del método de detección; (2) Tipo de dosificación:continua o instantánea; (3) Tipo de reactor y grado de mezcla;y, (4) Duración de la prueba.

TRAZADOR IDEAL

• Asociación directa con el líquido:solubilidad total e inmediata

• No biodegradable• No adsorbible en sólidos• No le afectan valores altos del pH• Análisis de alta sensibilidad

– Sal común: 30,000 - 1 mg/l (invisible)– Rhodamina: 200,000 mg/l - 1 ug/l

(visible)

• Fácil manejo y costo

TRAZADORES COLORANTES FLUORESCENTES

• Muy usados como trazadores en hidrología• Varias posibilidades:

– Uranina (Fluorescein Sodio = FS Uranina)– Pontacyl B Rosado– Rhodamina B, Rhodamina WT, Rhodamina M– Eosina– Piranina

• Características importantes– Intensidad de fluorescencia– Concentración mínima detectable– Adsorción en sólidos– Dependencia del pH y temperatura– Tasa de decaimiento fotoquímico– Costo– Fabricación

RHODAMINA WT Y RHODAMINA M ENSOLUCIONES AL 20%

• Tienen la mejor experiencia práctica comotrazadores en lagunas

• Dosis no debe ser muy alta pues adsorciónincrementa con la concentración

• Usar para Cmax = 200 y Cmin = 1 ug/l(microgramos/litro)

• Muestreo intenso antes del pico: ideal 15 min• Muestreo después del pico: 1 hora por 1 día• Muestreo para cola de la curva: diario

CARACTERISTICAS DE LOS TRAZADORESCOLORANTES MAS COMUNES

 

FORMULA PARA LA SOLUCION DE RHODAMINA M

COMPONENTE UNIDAD FORMULA 1 FORMULA 2 FORMULA 3

----------------------------- ------------ ----------------- ----------------- -----------------Concentración % 20.0 10.0 20.0 

Rhodamina B en polvo Kg 2.00 2.00 5.000 Agua destilada Kg 3.75 13.75 9.375

 Acido acético Kg 0.25 0.25 0.625 

Alcohol metílico Kg 4.00 4.00 10.000----------------------------- ------------ ----------------- ----------------- -----------------

TOTAL Kg 10.00 20.00 25.000

Datos Necesarios en Pruebas de Trazadores

• Dimensiones laguna: largo, ancho,profundidad

• Caudal del efluente medido durante laprueba

• Masa de trazador• Tiempo de inyección del trazador• Tiempo de inicio de la curva• Procesamiento geométrico para muestreo

no uniforme

PRUEBAS DE TRAZADORESCantidad de trazador

Co = concentración idealizada de Rhodamina, en el reactor al inicio de laprueba en ug/l = Co = 1000 x W/V Co = Kr x Cmin

 El peso del trazador en fracción decimal se define por: P = W/Ws

 La densidad -D- de la solución es: D = Ws/v

 De las ecuaciones anteriores: Kr x Cmin x V

v = -------------------1000 x P x D

  W = peso de la rhodamina en la solución al P (%) en gCmin = nivel mínimo de detección al final de la prueba = 2 ug/lV = volumen de la laguna en m3Kr = relación Co/Cmin = 8 para rhodamina WT en lagunas

• P = % de rhodamina en la solución líquida, fracción dec. (usualmente 0.2)D = densidad de la solución de rhodamina en (g/ml)

• Ws = peso de la solución de rhodamina usada en gv = volumen de la solución de rhodamina usada en ml.

PRUEBA DETRAZADORES

PRUEBAS DE TRAZADORESDeterminación de la Dispersión

Se utilizan dos conceptos matemáticos: el primero y más importante es elprimer momento de la curva C vs t con respecto al origen, que define elcentro de gravedad de la curva, definido por el tiempo promedio -tm-: ∫∫ t.C.dt Para valores ΣΣ ti.Ci

tm = ----------- uniformes tm = ------------ ∫∫ C.dt ΣΣ Ci

El segundo concepto matemático importante es la dispersión de la curva,normalmente conocido como la varianza σσ². Este parámetro esta definido porel segundo momento de la curva C vs t, con res­pecto al promedio t; suexpresión matemática es:

  ∫∫(t - tm)² C.dt ∫∫t².C.dt ΣΣ ti².Ciσσ² = -------------------- = ----------- - tm² σσ² = ------------ - tm² ∫∫ C.dt ∫∫ C.dt ΣΣ Ci σσ² es la varianza de la curva C vs t y por consiguiente tiene dimensiones de

(tiempo)².

PRUEBAS DE TRAZADORESDeterminación de la Dispersión

Los muestreos son diferentes en las partes ascendente y descendentede la curva, por lo cual el autor ha desarrollado el método de cálculoexacto, para intervalos de tiempo variables.El calculo se efectúa a partir de los conceptos establecidos, asimilandolos datos a formas geométricas de triángulos y rectángulos y tomandolos momentos de dichas áreas con respecto al origen y al tiempopromedio.En este caso el área de cada forma geométrica -Ai- es:

 Ai = Cmi.dt = Cmi (t2 - t1) Las ecuaciones cambian a:

   ΣΣ tmi.Ai ΣΣ tmi².Ai

tm = ----------- σσ² = ------------- - tm² ΣΣ Ai ΣΣ Ai

  ti = es el brazo de palanca de cada área, definido por el tiempo

correspondiente a su centro de gravedad. Cmi= concentración media de cada forma geométrica

Primer momento determina el centro de gravedadSegundo momento determina la varianza

PRUEBAS DE TRAZADORESDeterminación de la Dispersión

El área Ai de cada forma geométrica (ug/(l.hr)), se calcula con: (t2 - t1)Ai = ------------ (C1 + C2)

2Los brazos de palanca se calculan para la curva ascendente odescendente, con la siguiente ecuación: 

(t2 - t1)tmi = t1 + --------------- [C1 + 2C2]

3(C2 + C1)

PRUEBAS DE TRAZADORESDeterminación de la Dispersión

El cálculo del factor de dispersión -d- se efectúa a partir de lavarianza en su forma adimensional -σσt²- que está definida por elsiguiente concepto estadístico:

σσ²σσt² = ------ = 2d -2d² [1 - exp(-1/d)] t²

σσt²= varianza adimensionalσσ² = varianza de la curva Ci vs ti en unidades de (tiempo)²d = factor de dispersión adimensional = D/UL t = período de retención promedio, el mismo que corresponde a

la abscisa del centro de gravedad de la curva Ci vs tiEl cálculo se realiza con la ayuda de la computadora

R e s u l t a d o s d e P r u e b a s d e T r a z a d o r e s e n L a g u n a s ( 2 0 0 0 )

L A G U N A S T R A Z A D O R Y D I S P E R S I O NI N S T A L A C I O N A r e a , m 2 L/A T I P O % R e c . d d P r o m

1 S A N J U A N L A G U N A P 3 - 2 8 , 9 0 0 0 .54 R H O D A M I N A M 9 1 . 8 7 7 . 6 3 5 7 . 6 3 5

2 S A N J U A N L A G U N A P 1 - 1 1 2 , 0 0 0 1 .00 R H O D A M I N A W T 8 5 . 1 3 0 . 7 3 93 S A N J U A N L A G U N A I P 1 - 1 1 2 , 0 0 0 1 .00 Y O D O 1 3 1 8 2 . 8 3 0 . 8 0 04 S A N J U A N L A G U N A P 2 - 1 1 1 , 0 0 0 1 .00 R H O D A M I N A W T 9 6 . 7 7 0 . 6 0 85 S A N J U A N L A G U N A I P 2 - 1 1 1 , 0 0 0 1 .00 Y O D O 1 3 1 8 7 . 6 0 0 . 7 7 56 S A N J U A N L A G U N A P 3 - 1 8 , 9 0 0 1 .00 R H O D A M I N A W T 9 1 . 4 3 0 . 8 4 8 0 . 9 3 57 S A N J U A N L A G U N A T 3 - 1 5 , 3 0 0 1 .00 R H O D A M I N A W T 9 2 . 2 9 1 . 3 8 48 S A N J U A N L A G U N A T 3 - 2 5 , 3 0 0 1 .00 R H O D A M I N A M 8 4 . 1 7 1 . 0 2 39 S A N J U A N L A G U N A S 3 - 1 4 , 9 0 0 1 .00 R H O D A M I N A W T 8 8 . 1 8 1 . 3 0 0

1 0 S A N J U A N L A G U N A S 1 - 1 1 4 , 4 0 0 1 .41 R H O D A M I N A W T 8 6 . 4 7 0 . 5 5 61 1 S A N J U A N L A G U N A S 1 - 2 1 4 , 4 0 0 1 .41 R H O D A M I N A W T 9 3 . 0 7 0 . 8 4 51 2 S A N J U A N L A G U N A S 1 - 3 1 4 , 4 0 0 1 .41 R H O D A M I N A B 9 6 . 4 5 0 . 5 4 91 3 S A N J U A N L A G U N A S 1 - 4 1 4 , 4 0 0 1 .41 R H O D A M I N A W T 8 0 . 3 6 1 . 0 1 61 4 S A N J U A N L A G U N A S I - 5 1 4 , 4 0 0 1 .41 R H O D A M I N A W T 9 2 . 8 3 0 . 8 1 81 5 S A N J U A N L A G U N A S 1 - 6 1 4 , 4 0 0 1 .41 R H O D A M I N A M 8 3 . 4 0 0 . 4 3 21 6 S A N J U A N L A G U N A I S 1 - 1 1 4 , 4 0 0 1 .41 Y O D O 1 3 1 8 3 . 6 4 0 . 5 6 51 7 S A N J U A N L A G U N A T 2 - 1 1 3 , 2 0 0 1 .41 R H O D A M I N A W T 9 0 . 8 7 0 . 5 1 2 0 . 6 5 21 8 S A N J U A N L A G U N A T 2 - 2 1 3 , 2 0 0 1 .41 R H O D A M I N A M 9 1 . 6 0 0 . 9 4 21 9 C O R I N E , U T A H - 7 3 , 4 0 0 1 .41 R H O D A M I N A B 9 5 . 6 2 0 . 5 8 02 0 C O R I N E , U T A H - 6 4 , 1 0 0 1 .41 R H O D A M I N A B 9 9 . 6 0 0 . 5 7 52 1 C O R I N E , U T A H - 5 4 , 1 0 0 1 .41 R H O D A M I N A B 9 2 . 9 0 0 . 4 4 52 2 C O R I N E , U T A H - 4 4 , 1 0 0 1 .41 R H O D A M I N A B 9 2 . 9 0 0 . 4 4 52 3 C O R I N E , U T A H - 3 4 , 1 0 0 1 .41 R H O D A M I N A B 9 0 . 4 3 0 . 7 3 42 4 C O R I N E , U T A H - 2 4 , 1 0 0 1 .41 R H O D A M I N A B 9 1 . 7 3 0 . 7 6 1

2 5 S A N J U A N L A G U N A T 1 - 1 1 4 , 9 0 0 2 .00 R H O D A M I N A W T 8 2 . 1 0 0 . 5 0 12 6 S A N J U A N L A G U N A I T 1 - 1 1 4 , 9 0 0 2 .00 Y O D O 1 3 1 9 2 . 5 0 0 . 4 2 1 0 . 3 9 42 7 S A N J U A N L A G U N A T 1 - 2 1 4 , 9 0 0 2 .00 R H O D A M I N A M 9 4 . 9 9 0 . 2 6 0

2 8 C O R I N E , U T A H - 1 1 4 , 9 0 0 2 .80 R H O D A M I N A B 9 0 . 3 4 0 . 3 1 5 0 . 3 1 5

2 9 S A N J U A N L A G U N A S 2 - 1 8 , 8 0 0 8 .00 R H O D A M I N A W T 8 3 . 5 7 0 . 1 3 0 0 . 1 3 0

TRAZADORES BACTERIOFAGOS

• Constantes de mortalidad: 0.5/día• Factor de corrección por mortalidad válido solo

para flujo tipo tubular• Factor de corrección en 1 día: 1.6• Factor de corrección en 5 días: 12• Factor de corrección en 30 días: 3,269,000

• Altos valores del pH (sobre 8.5) en combinacióncon foto oxidación producen condicionesextremadamente hostiles a todos losbacteriófagos estudiados.

• Inapropiado para lagunas facultativas.

TRAZADORES RADIOACTIVOS

• Trazador a escogerse cuidadosamente• Media vida y Vida útil (requiere corrección por deterioro)• Costo y permiso de la autoridad de energía atómica

• Factor de corrección por deterioro en proporcióninversa con media vida

• Idealmente válido solo para flujo tipo tubular• Trazador no es visible, por lo que se tiene que

efectuar muestreo mas intensivo• Prueba debe necesariamente validarse con % de

recuperación de trazador sobre el 85%• Procedimiento mucho mas complejo y caro que

con trazadores colorantes,no justifica.

FIN DE LA PRESENTACION

Gracias por su atención

Preguntas por favor