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Fundamentos
Conceptuales de las
Lagunas de
Estabilización de Aguas
Residuales Urbanas
(LEARU)
CONCEPTOS BASADOS EN LA
INVESTIGACIÓN DEL AUTOR, CUYOCONTENIDO PRIMORDIALMENTE SE
ENCUENTRA EN SU LIBRO TITULADO:
LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN: ¡LA
INVESTIGACIÓN CONTINÚA!
PRIMERA EDICIÓN, 2017
09 FEBRERO, 2021
SERGIO OMAR TERCERO TALAVERA
MsC Ingeniero Sanitario
https://sertertal.wordpress.com/
C: 84219690
OBJETIVOS DE ESTA PRESENTACIÓN
Dar a conocer el origen y la situación actual de las Lagunas
de Estabilización de Aguas Residuales Urbanas (LEARU) en
Nicaragua
Dar a conocer los avances en los conceptos fundamentales
del diseño de Lagunas de Estabilización de Aguas
Residuales Urbanas (LEARU).
INDICE TEMÁTICO
1. Mecanismos de las funciones físico-químicas y biológicas
2. Tipos de lagunas y Configuraciones.
3. Factores incidentes en el desempeño
4. Acción del viento
5. Radiación solar
6. Cortocircuitos: Tiempo de detención teórico y real: trazadores.
7. Uso de pantallas
8. DBO total y DBO soluble
9. Ecuaciones de desempeño de remoción orgánica, bacteriana
10. Remoción de nematodos: helmintos.
11. Remoción de virus
12. Constante de mortalidad bacteriana (Kb) del modelo de flujo disperso
13. Filtros de rocas
14. Recirculación intra y entre lagunas.
15. Análisis de incertidumbre simulación de Monte Carlo
16. Modelaje matemático mecanicista o de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD)
17. Controversias, Divergencias y Perspectivas.
LEARU EN NICARAGUA.
PRIMER
DOCUMENTO
SOBRE
LAGUNAS EN
NICARAGUA
AÑO 1964
1. Objetivo: Reducción de la contaminación orgánica, medida por la DBO5.
2. Criterios de diseño:
Carga unitaria: 146 Kg/Ha.Día.
Carga orgánica por persona: 54 g DBO5/día
Profundidad mínima: 0.90m
Altura de oscilación: 0.90 – 1.5m
Estructura de entrada: Superficial sobre pilotes hasta el centro de la laguna.
Tipo de sistema: unitario
Estructura de salida: caja de pantalla sumergida.
EVOLUCIÓN HISTÓRICA DE LAS LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN EN NICARAGUA.
AÑO 1973: Diseño de lagunas de Masaya, León y Chinandega.
1. Objetivo: Reducción de la contaminación orgánica, medida por la DBO5.
2. Criterios de diseño:
Fórmula de cálculo: Gloyna
Carga unitaria: 450 Kg/Ha.Día (recomendación de Gilbert Asc.)
Tipo de sistema: Lagunas facultativas en serie
Carga orgánica: 300 mg DBO5/litro
Profundidad: L. Primaria = 2.0m; L. Secundaria = 1.30m
Altura de oscilación: 0.90 – 1.5m
Estructura de entrada: Superficial sobre pilotes hasta el centro de la laguna.
Estructura de salida: caja de pantalla sumergida
Desinfección: uso de hipocloración, de ser requerido.
EVOLUCIÓN HISTÓRICA DE LAS LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN EN NICARAGUA.
LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN DE ARU EN NICARAGUAImágenes de sistemas de
lagunas en Nic
TIPO DE SISTEMA LOCALIZACIÓN ESTADO
LF LEÓN (William Fonseca), LEÓN (Veracruz),
SAN JUAN DEL SUR
En operación
Cerrada
LF + LM SOMOTO, LEÓN (El Cocal), LEÓN (Sutiava), CHINANDEGA
(ciudad), CHINANDEGA (Roberto González),
SÉBACO, NAGAROTE (Santa Elena), NAGAROTE (El Patriarca),
SAN RAFAEL DEL SUR, SAN MARCOS, RIVAS, MASAYA, TIPITAPA.
En operación
LF + LM + LM LEÓN (San Isidro)
CHICHIGALPA
En operación
En licitación
LA + LF + LM ESTELÍ, MATAGALPA, JINOTEGA, BILWI
BLUEFIELDS
En operación
En contratación
UASB + LF + HAFS ACOYAPA, SANTO TOMÁS En operación
UASB + LF + LM GRANADA,
CONDEGA, EL RAMA – LA ESPERANZA, NANDAIME
En operación
En construcción
TI + LF + LM SOMOTO En operación
INVESTIGADORES MÁS DESTACADOS
PERÍODO 1946 - 1970
Caldwell (1946), Parker et al. (1950, 1962), Ludwig, Oswald, Gotaas, Lynch (1951-1953), Van Heuvelen etal. (1954), Oswald y Gotaas (1955), Wehner & Wilhelm (1956), Hermann y Gloyna (1958), Marais & Shaw(1961, 1964), Levenspiel y Bischoff (1963), Marais (1966, 1970), Thirumurthi y Nashishibi(1967), Thirimurthi(1969), McGarry y Pescod (1970).
PERÍODO 1971 – 1980
Se agregan Middlebrooks J. (1973), Siddiqui (1973), Duncan Mara (1974), Fabián Yánez C. (1976),Gedaliah Shelef (1977), Jack J. Fritz (1979).
PERÍODO 1981 -1990
Se agregan D. Polprasert, M.G. Dissanayake (1983), J.P. Arthur (1983); Carl L. Bartone (1985), H.W. Pearson(1987), S.A. Silva (1987), Aloise Mayo (1988), J.C. Agunwamba (1990).
PERÍODO 1991 – 2000
Se agregan Marcelo Juanico (1991), R.M. Ayres (1992), M.M. Saqqar, M.B. Pescod (1995), M. von Sperling(1996), A. Almasi (1996), G.U. Ruochuan (1996), Aloyce W. Mayo (1996), Steward M. Oakley (1997), SergioRolim M. (1999),
PERÍODO 2001 - 2020
Se agregan Matthew E. Verbyla (2014), Long T. Ho (2017) y varios otros especialistas en el desarrollo demodelos mecanicistas o de Dinámica de Fluidos Computacional (CDF)
MECANISMOS Y FACTORES QUE AFECTAN EL DESEMPEÑO EN LA REMOCIÓN DE
MATERIA ORGÁNICA
Fuente:
Algae Symbiosis in Oxidation Ponds: III. Phtosynthetic Oxygenation.
William J. Oswald, H.B. Gotaas, Harvey F. Ludwig and Victoria
Lynch (1953)
Fuente:
Photosynthesis in Sewage Treatment. William J. Oswald and Harold
B. Gotaas (1955)
MECANISMOS Y FACTORES DEL DESEMPEÑO EN LA REMOCIÓN DE
MATERIA ORGÁNICA
1983. J.P. ARTHUR. Notes on the Design and Operation of Waste Stabilization Ponds in Warm Climates of Developing Countries. World Bank Technical Paper Number 7.
1970: G.v.R.
Marais.
Dynamic
Behaviour of
Oxydation
Ponds. Lusaka,
Rodesia.
1993 F. Yánez
Lagunas de
Estabilización
FACTORES QUE AFECTAN EL DESEMPEÑO EN LA REMOCIÓN
BACTERIANA
Factores ambientales:
Radiación solar, Temperatura del aire y del agua, el viento, características del aguaresidual y carga orgánica (DBO5).
Factores internos:
Concentración y especificidad de las algas, liberación de ácidos grasos extra-celulares,Turbiedad, Especificidad y tasa de mortalidad de los microorganismos, pH. Presenciade sustancias inhibidoras.
Factores físicos e hidráulicos:
Profundidad del agua, Relación Longitud/Ancho, Disposición de entradas y salidas,Tiempo de detención,
Factores institucionales
Operación y Mantenimiento
1996. RUOCHUAN GU, FREDERICK N. LUCK Y HEINZ G. STEFAN. WATER QUALITY STRATIFICATION
IN SHALLOW WASTEWATER STABILIZATION PONDS. U.S.A.
COMPORTAMIENTO DINÁMICO DE LAS LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN
Fuente: Waste Stabilization Pond. Earnest F. Gloyna. 1971
TIPOS DE LAGUNAS Y CONFIGURACIONES TÍPICAS DE UN SISTEMA DE LAGUNAS
Fuente:
1971. Earnest F. Gloyna.
Waste Stabilization Ponds.
LAGUNAS ANÓXICAS Y LAGUNAS DE ALMACENAMIENTO Y TRATAMIENTO
Lagunas Anóxicas Almasi y Pescod (1996), Saqqar y Pescod (1996)
Tres condiciones deben satisfacer:
1. Debajo de 10cm de profundidad: OD = Cero
2. Incremento en los SS efluente por las algas.
3. pH > 7 ± 0.2 (lagunas anaeróbicas)
4. Las tres condiciones deben ser satisfechas.
5. Reducción hasta 2/3 de área L. Facultativa
Lagunas de Almacenamiento y Tratamiento.
De uso extensivo en Israel para el reúso en irrigación.
No son iguales a una laguna de estabilización profunda.
Deficientes en la remoción bacteriana (un orden de magnitud), baja carga orgánica superficial.
Sistema de llenado y vaciado; generación de olores a carga superior a 30 – 40 kg DBO/ha/día.
LAGUNAS FACULTATIVAS CON RECIRCULACIÓN
Fuente: Shelef Gedaliah y Kanarek
Adam (1995): Stabilization ponds with
recirculation. Israel.
Incrementar la carga orgánica crítica.
Mantener condiciones óxidas en la entrada
de la primera laguna,
Mantener la zona óxida en la capa superior
de la primera laguna, aun cuando las
cargas orgánicas sean muy altas.
Alimentar la primera laguna con una
biomasa algal activa.
Romper la estratificación térmica.
Incrementar la estabilidad estacional y
asuavizar las variaciones estacionales en el
desempeño de la laguna tanto como las
cargas orgánicas.
Incrementar la dispersión de los lodos
sedimentados a lo largo del fondo de la
laguna.
En general, la recirculación permite:
Reducidos requerimientos de terreno, mejor estabilidad en la
operación, un mejor desempeño y la reducción de malos olores y
molestias.
RADIACION SOLAR
La radiación solar es la energía emitida por el sol y recibida en la superficie de la tierra. Su función está
íntimamente ligada al crecimiento de las plantas por el fenómeno de la fotosíntesis.
Las dos rutas principales envueltas en la inactivación patógena por radiación solar son: a través de los
procesos fotobiológicos que causan daño directo al ADN y ARN, y los procesos fotooxidativos, que
oxidan los componentes celulares.
La fotosíntesis por las algas bajo radiación solar incrementa la concentración de oxígeno disuelto y los
colifagos son adsorbidos en parte en el particulado microbiano bajo condiciones aeróbicas.El ritmo diurno de la radiación solar (en conjunto con la temperatura) produce grandes variaciones de
los parámetros del licor mixto en el sistema HRP influenciados por la fotosíntesis algal, a saber, OD y pH.
ACCION DE VIENTOEl esfuerzo cortante del viento en la superficie de la laguna produce una corriente ondulatoria que
resulta en una pendiente ascendente de la superficie del agua en una dirección hacia aguas abajo.
Orientar la laguna para obtener la mezcla por el viento y producir turbulencia por mezcla vertical.
La dirección del viento puede causar hasta 50% de variaciones en la remoción bacteriana.
Es recomendable escoger una orientación de la laguna tal que el viento dominante sea ortogonal a la
dirección entrada - salida, es decir, ortogonal al lado más largo de la laguna.
La radiación solar, la temperatura y la acción del viento son los factores que más contribuyen a la
complejidad de los fenómenos que ocurren en las lagunas, dada su dinámica y gran influencia en el
desempeño de estos sistemas.
RADIACIÓN SOLAR Y ACCIÓN DEL VIENTO
Las principales funciones ejercidas por las pantallas son: reducir los cortocircuitos hidráulicos y
proveer una superficie sumergida que pueda estimular el crecimiento de biomasa adherida.
Las unidades que poseen pantallas con un recorrido de flujo longitudinal (pantallas del tipo de
alrededor del final) invariablemente dieron valores más altos del D que aquellas que tenían las
mismas pantallas transversales sobre el ancho.
Todas las lagunas de maduración finales deben ser con pantallas como parte del criterio de
diseño físico básico.
Los resultados también sugieren que la construcción de lagunas rectangulares largas o la
inclusión de numerosas pantallas en las lagunas facultativas para estimular el flujo pistón está
sobreestimado.
USO DE PANTALLAS
Fuente: Middlebrooks. WSP, Design, Performance and Upgrading
TIEMPO DE DETENCIÓN (CORTOCIRCUITOS Y ZONAS MUERTAS Y
ESTANCADAS), DBO5 TOTAL Y DBO SOLUBLE
TIEMPO DE DETENCIÓN TEÓRICO Y TIEMPO DE
DETENCIÓN REAL.Los corto-circuitos de flujo ocurren en varios
grados en la mayoría de las lagunas
existentes, que se han detectado por medio
del uso de la técnica de trazadores.
El tiempo de detención promedio medido
(centroide del área debajo de la curva de
dispersión) en las celdas, varió de 25 a 89% del
tiempo de detención teórico de diseño.
El uso de múltiples celdas operadas en serie y
estructuras de entradas múltiples son efectivos
en reducir los cortocircuitos.
DBO5 TOTAL vs. DBO5 SOLUBLE / FILTRADAEste tema es controversial y viene siendo
objeto de atención desde años de 1950.
Su descarga puede ser beneficiosa o
perjudicial. Todo depende del estado del
cuerpo receptor.
MODELO DE REACTOR DE FLUJO DE MEZCLA COMPLETA
8. Criterios de diseño: Remoción de la DBO
1961. G.v.R. Marais & V.A.1961 Marais & Shaw.pdf Shaw. A Rational Theory for the Design ofSewage Stabilization Ponds in Central and South Africa (verificada experimentalmente). Lusaka,
Rodesia.
Asunción básica:
La mezcla del influente con el contenido de la laguna es instantánea y completa. Esto implica
que las concentraciones en la laguna y en el efluente de la laguna son idénticas.
MODELO DE REACTOR DE FLUJO DE MEZCLA COMPLETA
La concentración S en una laguna simple bajo condiciones de estado estable se determina por la
ecuación:𝑆0𝑆= (𝐾𝑅 + 1)
S0= Concentración en el influente a la laguna en el tiempo, t.
S = Concentración en la laguna en el efluente de la laguna en el tiempo, t.
R = Tiempo de detención en días
K = Constante monomolecular o de velocidad medida en unidades log S-día. (log Naperiano).
Las concentraciones S1, S2…Sn en una serie de lagunas:
𝑆1 =𝑆0
𝐾𝑅1 + 1
𝑆2 =𝑆0
𝐾𝑅1 + 1 𝐾𝑅2 + 1y
𝑆𝑛 =𝑆0
𝐾𝑅1 + 1 𝐾𝑅2 + 1 … 𝐾𝑅𝑛 + 1=
𝑆0ς𝑘=1𝑛 𝐾𝑅𝑛 + 1
Si el tiempo de retención, R, es el mismo para todas las lagunas, esta ecuación viene a ser:
𝑆𝑛 =𝑆0
𝐾𝑅 + 1 𝑛
MODELO DE REACTOR FLUJO DE MEZCLA COMPLETA
La ecuación de diseño para la DBO con factor de seguridad (75% del valor crítico)
viene a ser:
𝑃 =750
0.6𝑑+8
válida para profundidades (d)entre 2 y 10 pies.
Concentración P (mg/l).
Se recomienda que el tiempo de retención mínimo de la primera laguna sea de siete
días, a fin de asegurar una relación de DBO Total/DBO filtrada de 0.6.
Se recomienda que el número mínimo de lagunas secundarias en un sistema sea de dos
lagunas de siete días de tiempo de retención cada una.
MODELO DE REACTOR DE FLUJO DE MEZCLA COMPLETA
En relación a la remoción bacteriana, se establece la ecuación:
𝑁
𝑁0% =
100
𝐾𝑅 + 1 𝑛
Para R =1,2,3, etc. y para cada valor de R, n=1,2,3, etc.
N y N0 son el número de bacterias por militro del efluente y del influente del sistema.
K es la constante monomolecular de velocidad de reacción bacteriana, establecida
con valor de 2.
𝑅𝑇 = 𝑅35𝜃35−𝑇 = 3.5 1.072 35−𝑇
𝑅𝑇𝑅35
= 𝜃 35−𝑇 =𝐾35𝐾𝑇
𝑃 =𝑃0
𝐾𝑇𝑅+1, (Ec.18)
Donde:
𝐾𝑇 = 𝐾35− 35−𝑇
MODELO DE REACTOR DE FLUJO DISPERSO
Año 1969: D. Thirumurthi Design Principles of Waste Stabilization Ponds. Canada.
Fuente: Levenspiel O., Bischoff, K.B., 1963
MODELO DE REACTOR DE FLUJO DISPERSO
Año 1969: D. Thirumurthi Design Principles of Waste Stabilization Ponds. Canada.
Wehner &Wilhelm (1956)
Levenspiel & Bischoff (1963)
Dhandapani Thirumurthi (1969)𝐶𝑒
𝐶𝑖=
4𝑎𝑒 Τ1 2𝑑
1+𝑎 2𝑒𝑎/2𝑑− 1−𝑎 2𝑒−𝑎/2𝑑(3)
Donde,
𝑎 = 1 + 4𝑘𝑡𝑑 y 𝑑 =𝐷
𝑈𝐿=
𝐷𝑡
𝐿2
En la cual d = constante de difusividad o número de dispersión (adimensional), D =coeficiente de dispersión axial (pie2 por hora), U = velocidad del fluido (pies por hora), L =longitud característica de la ruta de tránsito de una partícula en el tanque (pies).
MODELO DE REACTOR DE FLUJO DISPERSO
Año 1969: D. Thirumurthi Design Principles of Waste Stabilization Ponds. Canada.
Como una aproximación, el segundo término del denominador se puede obviar, en cuyo caso la fórmula es simplificada así:
𝐶𝑒𝐶𝑖
=4𝑎𝑒 Τ(1−𝑎) 2𝑑
1 + 𝑎 2
Un reactor químico con flujo pistón está caracterizado por la fórmula siguiente (para reacciones químicas de primer orden):
𝐶𝑒𝐶𝑖
= 𝑒𝑘𝑡
Donde Ce = concentración efluente, Ci = concentración influente, k = constante de reacción de primer orden, y t = tiempo de detención o residencia promedio.
Esta fórmula de flujo pistón, ha sido popularmente utilizada en el diseño de plantas de tratamiento de desechos por varios investigadores. Sin embargo, por obvias razones, el flujo pistón no puede existir en filtros de goteo o en lagunas de estabilización. Por lo tanto, las ecuaciones de diseño basadas en patrón de flujo pistón no son más que aproximaciones.
MODELO DE REACTOR DE FLUJO DISPERSO
Año 1969: D. Thirumurthi Design Principles of Waste Stabilization Ponds. Canada.
Segundo Simposio Internacional para Lagunas de Tratamiento de Aguas Residuales, Kansas
City, Missouri.
M.G. McGarry & M.B. Pescod (1970)
CARGA ORGÁNICA SUPERFICIAL MÁXIMA (Kg DBO5/ha/día)
𝐿0 = 11.2 1.054 𝑇
(La versión original es 𝐿0 = 10 1.054 𝑇. L0 (lb/acre/día) y T (°F)
Mara, 1975:λ𝑠 = 7.5 1.054 𝑇
λs= 20T - 120
YÁNEZ F. (1993)𝐶𝑆𝑚 = 357.4. (1.085)𝑇−20
Donde T es la temperatura del agua del mes más frío (°C).
ECUACIONES DE APLICACIÓN Y REMOCIONES DE CARGA ORGÁNICA SUPERFICIAL
MÁXIMA
REMOCIÓN EN FUNCIÓN DE LA CARGA ORGÁNICA APLICADA
McGarry y Pescod
𝐿𝑟 = 9.23 + 0.725𝐿0 (lb/acre/día)
𝐿𝑟 = 10.35 + 0.725𝐿0 (Kg/ha/día)
Mara y Silva (Kg/ha/día)
𝐿𝑟 = 2 + 0.79𝐿𝑎Fabián Yánez (1980) (Kg/ha/día)
Lagunas primarias:
𝐿𝑟 = 7.67 + 0.8063𝐿𝑎Lagunas secundarias:
𝐿𝑟 = −0.8 + 0.765𝐿𝑎Lagunas facultativas en general:
𝐿𝑟 = −7.81 + 0.8193𝐿𝑎Críticas a la correlación (Sperling, Middlebrooks, Essen et al.)
ECUACIONES DE REMOCIÓN DE CARGA SUPERFICIAL UNITARIA
Polprasert & Bhattarai (1985):
Para lagunas operando en una serie de n lagunas, se aplican las siguiente ecuaciones, según si
los valores de a, K, θ y d son los mismos :
𝐶
𝐶0𝑜𝑁
𝑁0=ෑ
𝑗=1
𝑛 4𝑎𝑗.𝑒𝑥𝑝12𝑑𝑗
1 + 𝑎𝑗2. 𝑒𝑥𝑝
𝑎𝑗2𝑑𝑗
− 1 − 𝑎𝑗2. 𝑒𝑥𝑝 −
𝑎𝑗2𝑑𝑗
En la cual 𝑎𝑗 = 1 + 4𝐾𝑗𝜃𝑗𝑑𝑗
𝐶
𝐶0𝑜𝑁
𝑁0=
4𝑎. 𝑒𝑥𝑝12𝑑
1 + 𝑎 2. 𝑒𝑥𝑝𝑎2𝑑
− 1 − 𝑎𝑗2. 𝑒𝑥𝑝 −
𝑎2𝑑
𝑛
𝑎 = 1 + 𝑘𝜃𝑑
𝑑 =0.184 𝜃𝜐 𝑊+2𝑍 0.489 𝑊 1.511
𝐿𝑍 1.489 (23)
F. Yánez (1986):
𝑑 =𝑥
−0.26118+0.25392.𝑋+1.01368.𝑋2
(x = relación largo/ancho de la laguna)
APLICACIÓN DEL MODELO DE FLUJO DISPERSO PARA LA REMOCIÓN
BACTERIANA Y CÁLCULO DE LA CONSTANTE O NÚMERO DE DISPERSIÓN.
AGUNWAMBA ET AL. (1992):
𝑑 = 0.10201𝑈⋇𝑈
−0.81963
𝑥ℎ
𝑙
ℎ
𝑤
− 0.98074+1.38485ℎ𝑤
Donde:
d = Número de dispersión; U* = velocidad de corte (m.día-1); U = velocidad del flujo (m.día-1)
h = profundidad de la laguna (m); l = longitud de la laguna (m); w = ancho de la laguna (m)
w/h = razón del ancho de la laguna a la profundidad (relación de aspecto).
Von Sperling (1996):
𝑑 = Τ1 Τ𝐿 𝐵
Las conclusiones del estudio de von Sperling (1996) son:
a) las relaciones geométricas de las lagunas tienen influencia en la remoción de coliformes,
contrario a Oragui et al (1996) y Pearson et al (1995);
b) el modelo de flujo disperso conduce a una estimación de la remoción de coliformes mucho
mejor que el del modelo de mezcla completa;
c) una fórmula simplificada de Yánez, conduce a resultados equivalentes a los de la fórmula
más avanzada de Agunwamba et al., para la estimación del número de dispersión, siendo
necesario apenas el conocimiento de la relación ancho/largo de la laguna.
APLICACIÓN DEL MODELO DE FLUJO DISPERSO PARA LA REMOCIÓN
BACTERIANA Y EL CÁLCULO DE LA CONSTANTE O NÚMERO DE DISPERSIÓN.
F. Yánez (1986):
Kb = 0.841 x (1.07)T-20
Kb = 1.1 x (1.07)T-20.
Polprasert et al. (1983):
Coliformes totales, k:
𝑒𝑘 = 0.6351 1.0281 𝑇 1.0016 𝐶𝑠 0.9994 𝑂𝐿 (18)
Donde:
K = Coeficiente de mortalidad de coliformes totales en d-1; T (°C); Cs= concentración de la
biomasa de algas (mg/l); OL = carga orgánica (kg DQO/ha.d).
Coliformes fecales, kf:
𝑒𝑘𝑓 = 1.1274(0.6351) 1.0281 𝑇 1.0016 𝐶𝑠 0.9994 𝑂𝐿 (19)
Donde:
Kf = Coeficiente de mortalidad de coliforme fecal en d-1; T (°C); Cs= concentración de la
biomasa de algas (mg/l); OL = carga orgánica (kg DQO/ha.d).
FORMULACIONES SOBRE LA CONSTANTE DE MORTALIDAD BACTERIANA (Kb)
Von Sperling (1999)
𝐾𝑏 = 0.917𝐻−0.877𝑡−0.329
CEPIS (León G. y Moscoso J., 1996)
Lagunas primarias: 𝐾𝑏 = 0.477(1.18)𝑇−20
Lagunas secundarias: 𝐾𝑏 = 0.904(1.04)𝑇−20
Lagunas terciarias: 𝐾𝑏 = 0.811(1.09)𝑇−20
Von Sperling (2005),
𝐾𝑏 = 0.682𝐻−1.286𝑡−0.103 𝐾𝑏 = 0.549𝐻−1.456
Tercero Talavera (2019)
𝑲𝒃(𝟐𝟎°𝑪) = 𝟎. 𝟕𝑯−𝟎.𝟏𝟎𝒕−𝟎.𝟒𝟎 (13)
FORMULACIONES SOBRE LA CONSTANTE DE MORTALIDAD BACTERIANA (Kb)
ECUACIÓN AUTOR
COEFICIENTE
DETERM. R2)
ERROR
ESTÁNDAR
(𝜀)
𝑲𝒃(𝟐𝟎°𝑪) = 𝟎. 𝟗𝟏𝟕𝑯−𝟎.𝟖𝟕𝟕𝒕−𝟎.𝟑𝟐𝟗 Marcos von Sperling 0.679 0.4480
𝑲𝒃(𝟐𝟎°𝑪) = 𝟎. 𝟖𝟒𝟏𝒙(𝟏. 𝟎𝟕)𝑻−𝟐𝟎 Fabián Yánez Cossío 0.725 2.2910
𝑲𝒃(𝟐𝟎°𝑪) = 𝟎. 𝟕𝑯−𝟎.𝟏𝟎𝒕−𝟎.𝟒𝟎 Sergio Tercero Talavera 0.710 0.3780
2019.- SERGIO TERCERO TALAVERA. PROPUESTA DE UNA NUEVA FÓRMULA DE CÁLCULO DEL
COEFICIENTE DE MORTALIDAD (Kb(20°C)) DE COLIFORMES FECALES EN LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN
DE AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS DE NICARAGUA
FORMULACIONES SOBRE LA CONSTANTE DE MORTALIDAD BACTERIANA (Kb)
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
CO
NC
EN
TRA
CIÓ
N C
F U
NIA
DES L
OG
AR
ITM
ICA
S
SISTEMA DE TRATAMIENTO
Yánez, 1984
COMPARACIÓN DE CURVA DE MEJOR AJUSTE
Y VALORES REALESEL FALSO POSITIVO DE LA FÓRMULA DE YÁNEZ
1.00E+00
1.00E+01
1.00E+02
1.00E+03
1.00E+04
1.00E+05
1.00E+06
1.00E+07
NM
P C
OLI
FEC
ALE
S/1
00M
L
SISTEMA DE TRATAMIENTO
NORMA Real Curva mejor ajuste STT
Las Guías Técnicas para el Diseño de Alcantarillado Sanitario y Sistemas de Tratamiento de Aguas Residuales, (actualmenteen revisión), publicadas por INAA (2004), establecen en la metodología de cálculo que “El coeficiente de mortalidadbacteriana (neto) deberá ser adoptado entre el intervalo de 0.8 a 1.6 (día-1) para 20°C. Se podrá utilizar un valor alrededorde 1.0 día-1)
NEMATODOS Y VIRUS
REMOCIÓN DE NEMATODOS𝑅 = 100 1 − 0.41𝑒𝑥𝑝(−0.49𝜃 + 0.0085𝜃2
Donde R es el porcentaje de remoción de huevos y θ es el tiempo de retención hidráulica.
Esta ecuación es significativa a p=0.001 y r=0.751.
La remoción de huevos de helmintos es alcanzada, básicamente, por la remoción física, resultado de laadsorción en los flóculos o de la sedimentación simple, en virtud de que los huevos presentan mayordensidad que el agua (Cavalcanti et al, 2001).
En Honduras, Oakley encontró el promedio aritmético de huevos de helmintos en el agua cruda fue de 9– 744 huevos/l. La concentración en los lodos va desde un promedio de 1 huevo por gramo de lodo secohasta 4,473.
Se encontró una remoción del 99.93%; el agua cruda contenía una media de 993 y el efluente 0.71huevos por litro. Los pocos huevos recuperados del efluente podrían ser resultado de corto circuitohidráulico, que se conoce que ocurren en las lagunas (Horan & Naylor, 1988).
VIABILIDAD DE NEMATODOS EN LOS LODOSEl almacenamiento por períodos prolongados a la temperatura ambiente destruirá los huevos de Áscaris,aunque lentamente; Veerannan (1977) encontró una reducción de 50% en la viabilidad después de unaño y virtualmente sin sobrevivientes después de 3 años.
Su inmediata disposición presenta un problema en términos de riesgo de huevos de nematodo,
REMOCIÓN DE VIRUSSe encontró muy poca información sobre la remoción de virus en lagunas de estabilización.
No existe un modelo que describa, adecuada y precisamente, la remoción de virus en los sistemas deWTP.
La sedimentación puede no ser un mecanismo significativo de remoción de virus en algunas lagunas deaguas residuales.
FILTROS DE ROCA Existen varias
investigaciones sobre los
FR en comparación con
otros sistemas como el
HAFSS, filtración en arena.
FR no-aireados y aireados.
Los FR remueven SS, algas
y DBO, principalmente.
También reduce el
nitrógeno amoniacal.
Se puede lograr hasta el
60% de remoción de SS
En Brasil, después de 10
años de operación de un
sistema de UASB + LM + FR
no existen señales de
colmatación del filtro.
El FR es una buena
opción para la remoción
de algas.
ANÁLISIS DE INCERTIDUMBRE: SIMULACIONES DE MONTE CARLO
Se basa en la utilización de números
aleatorios y probabilidades para generar un
sinnúmero de resultados (500 – 1000), para
diferentes valores de cada parámetro de una
ecuación dentro de un rango
predeterminado (±20%).
Complementa con un análisis de sensibilidad,
aplicando el método de prueba no
paramétrico de dos muestras de Kolmogorov
– Smirnov.
ANÁLISIS DE INCERTIDUMBRE: SIMULACIONES DE MONTE CARLO
2018. SERGIO TERCERO TALAVERA.
Para lograr la probabilidad máxima de cumplimiento (70%), se debe construir un sistema de lagunas conárea total de 19.09 hectáreas (9.93 Ha de LF + 9.15 Ha de LM).
De igual forma, la probabilidad empieza a ser positiva (=> 50%), cuando el área de lagunas de maduraciónes de 7.77 Ha, a la que en la serie evaluada le corresponde un área de lagunas facultativas de 6.61 Ha,totalizando 14.38 Ha.
0.00E+00
2.00E+02
4.00E+02
6.00E+02
8.00E+02
1.00E+03
1.20E+03
- 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00
NM
P C
F/1
00m
l
AREAS DE LAGUNAS FACULTATIVAS Y DE MADURACIÓN EN
SERIE
GRÁFICA No.8
CORRELACIÓN ENTRE CONCENTRACIÓN CF
EFLUENTE VS. ÁREAS 2LF EN PARALELO + 3LM EN
SERIE CON LA CONDICIÓN DE
NMP CF <= 1.0E+03 CF/100mlAREAS DE 2LF+3LM EN…
0.00%
2.00%
4.00%
6.00%
8.00%
10.00%
12.00%
14.00%
0.00%
10.00%
20.00%
30.00%
40.00%
50.00%
60.00%
70.00%
80.00%
90.00%
100.00%
FR
EC
UEN
CIA
AB
SO
LUTA
FR
EC
UEN
CIA
RELA
TIV
A
EFLUENTE NMP CF/100ml
GRÁFICO No.1
CONCENTRACIÓN DE CF EFLUENTE
Distribución de frecuencia Período 2022 - 2031frecuencias relativas
frecuencias absolutas
Una simulación de 500 conjuntos de valores de Q, DBO, CF, Taire y ϴ, escogidos aleatoriamente en un
rango de ± 20% alrededor de los valores promedios de dichos parámetros.
MODELO COMPUTACIONAL DE DINÁMICA DE FLUIDOS (CFD)
2017. LONG T. HO ET AL. DESIGN OF WASTE STABILIZATION POND SYSTEMS: A REVIEW.
Avance significativo en los
últimos 20 años sobre los
modelos computacionales
CFD.
Fritz et al. (1979), quien fueel primero en aplicar las
ecuaciones de Monod
para describir la utilización
del sustrato en un modelo
mecanicista de régimen
no-estable.
Long T. Ho et al. (2017)llevaron a cabo una
revisión de más de 150
publicaciones relativas a los
modelos de diseño,
habiendo analizado cuatro
tipos diferentes de modelos
desde los más simples hasta
los más complejos, con sus
méritos y desventajas.
CONTROVERSIAS, DIVERGENCIAS, COINCIDENCIAS, PERSPECTIVAS
FABIÁN YÁNEZ COSSÍO (1984, 1993)
Destaca que el uso indiscriminado de tecnologías foráneas es un gran
problema que afecta el desarrollo de nuestros países. Una de las mayores
controversias radica sobre el uso del modelo de mezcla completa el cual
debería ser desterrado de los diseños porque es totalmente inadecuado.Incluso, no estuvo de acuerdo (sin mencionar su nombre) con Sperling (1999)
cuando éste en uno de sus análisis dio lugar al modelo de mezcla completa,
al establecer una ecuación de regresión entre el coeficiente de mortalidad
neta del modelo de flujo disperso y el coeficiente de mortalidad global
utilizado en el modelo de mezcla completa.
Se enfatiza la irracionalidad del uso del modelo de mezcla completa, para
el cálculo de la reducción de bacterias en lagunas en serie.
CONTROVERSIAS, DIVERGENCIAS, COINCIDENCIAS, PERSPECTIVAS
1987. DUNCAN MARA. WASTE STABILIZATION PONDS. PROBLEMS AND
CONTROVERSIES.
Los puristas se quejarán porque el enfoque de diseño basado en cargas permisibles es
demasiado simplista y que es preferible el enfoque cinético.
Es cierto que los modelos cinéticos son más placenteros desde el punto de vista teórico;
pero la asignación de valores a las constantes cinéticas requiere un muestreo y análisis
muy cuidadosos, que casi nunca se dan. Consecuentemente, poca confianza se
puede poner en los valores obtenidos.
Más problemática es aún la medida de los números de dispersión para utilizarlos en la
ecuación de Wehner – Wilhelm. Esto es teóricamente muy atractivo; pero el tiempo de
retención hidráulica promedio es tan largo en las lagunas que las condiciones
ambientales nunca pueden ser reproducidas, de tal manera que una segunda medida
usualmente genera un valor diferente.
CONTROVERSIAS, DIVERGENCIAS, COINCIDENCIAS, PERSPECTIVAS
S. OAKLEY ET AL. (2000)
En un análisis que efectuaron sobre la situación de los sistemas de lagunas deestabilización en Centroamérica, expresaron que:
Particularmente sobre Nicaragua, un problema persistente ha sido la inhabilidad decualquier sistema de laguna de cumplir el requerimiento de coliforme fecal de 10,000NMP/100ml. Aunque los cálculos teóricos, utilizando los parámetros desarrollados porCEPIS (Sáenz, 1985; Yánez, 1992) muestran que la remoción de coliforme fecal debe sermás alta, en la práctica esta eficiencia remocional no se puede alcanzar.
Los modelos teóricos son insuficientes para tomar en cuenta las variaciones locales, acomo puede verse en los datos de coliforme fecal de Nicaragua. Las lagunas debenser diseñadas utilizando parámetros desarrollados de datos bajo las condiciones deCentro América.
También, a nivel de Centroamérica, consideran que la remoción de patógenos debeser el objetivo primario del tratamiento de aguas residuales en las municipalidades. Senecesita desarrollar programas de monitoreo que se focalicen específicamente en laremoción de patógenos a fin de mejorar los diseños y asegurar que las lagunas deestabilización cumplan su rol en la protección de la salud pública.
CONTROVERSIAS, DIVERGENCIAS, COINCIDENCIAS, PERSPECTIVAS
WILLIAM J. OSWALD (2005†), PERSPECTIVA
Por más de 50 años propugnó por el desarrollo de lagunas de algas de alta tasa
(HRAP)como una medida para alimentar las poblaciones futuras con proteína algal,
a mayores rendimientos que la agricultura convencional
Es posible utilizar microalgas como alimento animal para mejorar la producción y
bajar los costos relativos de la carne, la leche, los huevos y el pescado. Esto,
paralelamente, puede permitir la estabilización de la población humana y eliminar la
competencia ruinosa ahora evidente en el hambre y la enfermedad en los países en
desarrollo y la pobreza y los sin-hogar en los EUA y otros países desarrollados.
LA COMPLEJIDAD DE LAS LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN
2016. IVÁN TERCERO TALAVERA. CONCEPTOS BÁSICOS PARA MANEJAR LA
COMPLEJIDAD. SUS ACCIONES TIENEN A LARGO PLAZO RESULTADOS IMPREDECIBLES
Sea muy consciente de que no puede predecir a largo plazo los resultados de las
acciones que en este momento toma.
Esos resultados no dependen solamente de sus intenciones, sino de las condiciones del
medio en que las acciones tienen lugar. Interacciones y retro-acciones son reales y de
mucha importancia.
Quizá puede suponer los efectos a corto plazo, pero lo que sucederá a largo plazo es
impredecible.
La acción puede fracasar o generar resultados totalmente contrarios a lo que usted
intentaba lograr. Así lo ha resumido el filósofo francés Edgar Morín, con su concepto de
Ecología de la Acción. (Morín, E., 2006)
Aceptando entonces la impredecibilidad de los resultados de sus acciones, es casi
obligatorio mantener una reevaluación frecuente de los mismos.
Solamente así, como timonel diestro, usted podrá mantener el rumbo de su nave hacia
el puerto deseado.
MUCHAS GRACIAS A TODOS
Los autores de la investigación, 1950.Parker, C.D., Jones, H.L. and Taylor,W.S. Purification of Sewage inLagoons. Australia. consideran que:"el resultado más importante deestos estudios ha sido lademostración de que se puedealcanzar una remociónextremadamente eficiente de DBOpor medio del paso de aguasresiduales crudas continuamente através de lagunas anaeróbicas, enlas cuales las condiciones sonmantenidas deliberadamenteanaeróbicas al permitir que el lodose acumule y digiera.”
(Inició en 1897, ocupa un área de 10,000 Ha, sirve al 58% de la población de Melbourne de 5 Millones de habitantes, las lagunas y los humedales tienen importancia internacional (sitio RAMSAR) con más de 250
especies de aves).
