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Tratamiento y uso de aguas residuales: Una estrategia para el futuro del saneamiento

43 CONGRESO NACIONAL DE ACODAL

RECONVERSIÓN DE LAGUNAS Y SU ADECUACIÓN

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RECONVERSIÓN DE LAGUNAS Y SU ADAPTACIÓN A LAS

MODERNAS TECNOLOGÍAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS

RESIDUALES

Ing. José Luis Pitarch

España

1. - OBJETO DEL ESTUDIO. El objeto del presente estudio es establecer de forma sencilla pero metódica, criterios sobre la adaptación de los sistemas de lagunaje naturales o facultativos anteriormente empleados a otros sistemas más eficientes incorporando tecnologías más avanzadas en el proceso de depuración de las aguas residuales Actualmente Europa es la referencia mundial en cuanto a los sistemas de tratamiento de aguas, es el modelo a imitar por los otros países, además Europa está regulada por leyes muy rigurosas y de obligatorio cumplimiento a lo largo de los países componentes. En virtud de la necesidad de unificar una serie de criterios y experiencias que se fueron sucediendo a lo largo de los tiempos y de países, en los que se trataban las aguas bajo criterios muy diferentes, totalmente independientes entre unos y otros, eso motivó que se tuviese que refundir leyes y concluir en dictaminar la Directiva 91/271/CEE, en la que se recogen los criterios de calidad del vertido exigidos, los plazos de tiempo en que se deben poner en práctica, así como los valores de fiabilidad exigible a los tratamientos. La Directiva sólo exige la calidad del agua tratada e impone a su vez unos criterios de fiabilidad en los tratamientos, marcando cuantas incidencias por falta de calidad en el vertido se pueden permitir. Eso ha dejado libertad en escoger los sistemas de tratamiento pero se ha demostrado que analizando las diversas opciones en cuanto a tecnologías e investigando a lo largo de las miles de estaciones depuradoras emplazadas en Europa la conclusión es clara y la tendencia a aplicar actualmente en función de las exigencias requeridas en los tratamientos también queda claramente definida.




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En Europa como en todo el mundo se han construido a lo largo de su historia depuradoras de todos los tipos y tecnologías, pero los únicos sistemas que han demostrado que cumplen los requerimientos y exigencias establecidos por la Directiva Europea son los basados en tratamientos biológicos de fangos activados, no solo por sus rendimientos sino porque son sistemas estables y fiables y bien diseñados, por no depender su fiabilidad ni rendimiento de las agresiones externas por vertidos puntuales o incontrolados.

2.- INTRODUCCION A lo largo de los tiempos se han venido desarrollando una serie de experiencias en los procesos de tratamiento de las aguas residuales, normalmente extendiéndolas de un lugar a otro, en función de una serie de parámetros que se ha ido suponiendo que se deberían seguir manteniendo a pesar de los diversos lugares de aplicación. Esto ha generado no pocos inconvenientes en los funcionamientos de éstas, además de que las tipologías de cada país son aparentemente similares pero realmente son diferentes, no olvidemos que los tratamientos de aguas se basan en unos sistemas vivos y por tanto sensibles al medio. Realmente no existe una única tecnología para los tratamientos de las aguas, sino que hay un verdadero abanico disponible y se debe escoger siempre entre las posibles alternativas la más adecuada a cada caso, pero no sólo como único parámetro de decisión el coste de construcción (otro gran error) sino que se debe valorar además las ventajas operacionales que comportan los diversos sistemas, los costos de mantenimiento y como no la fiabilidad del sistema. Cabe recordar que una instalación de bajo coste que no funcione es a la larga muy cara y un fracaso a pesar de que en su día costó poco dinero, pero pagar aunque sea poco por nada es un derroche. Para no desvirtuar los datos cuando hablamos de coste bajo o coste alto, en realidad no se está hablando de poco ni mucho, sino de valores bastante próximos entre sí, separados a razón de un 30 % o menos y si se incluyen los costos del terreno el balance es negativo ya que es más barata cualquier instalación que la de un lagunaje natural por lo menos en Europa donde el terreno ocupado es de todo menos barato, pero además el incorporar tecnologías modernas supone optimizar el espacio de terreno ahorrando dinero con ello. Supone además el empleo de sistemas mucho más estables (no tan sensibles a los malos mantenimientos, cosa bastante frecuente también) lo que también genera un importante ahorro porque a pesar de todo tienen capacidad para seguir




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funcionando con un buen rendimiento, que a fin de cuentas es para eso para lo que se construyeron ¿no?. Se pretende hacer una breve exposición de los sistemas de tratamiento de aguas residuales más generales y que de una forma u otra han ido ocupando un lugar importante dentro de este campo, lo que no quiere decir que un único sistema siempre sea el mejor ni del mismo modo que sea el único, además a lo largo de esta ponencia se hará una breve exposición de los diversos sistemas de tratamiento empleados y los pros y contras de los mismos. 3.- ANTECEDENTES HISTORICOS DEL LAGUNAJE El tratamiento por lagunaje de las aguas residuales consiste en el almacenamiento de estas durante un tiempo variable en función de la carga aplicada y de las condiciones climáticas, de modo que la materia orgánica se vaya degradando por la acción de las bacterias heterótrofas presentes en el medio. Puesto que en la depuración por lagunaje no interviene la acción del hombre, quien únicamente se limita a proporcionar un emplazamiento adecuado a las balsas, el lagunaje es un sistema biológico natural de tratamiento, basado en los mismos principios por los que tiene lugar la auto depuración en los ríos y los lagos. Dado que la presencia de oxígeno disuelto en las lagunas de estabilización determina que tipo de mecanismos va a ser responsable de la depuración, los tipos de instalaciones de lagunaje se pueden clasificar en:

? Lagunajes aerobios ? Lagunajes anaerobios ? Lagunajes facultativos

Además de esta clasificación básica también se utilizan otras relacionadas con sus propias características físicas, tales como la profundidad. Ambas clasificaciones están íntimamente relacionadas ya que las fuentes de oxigeno disuelto en lagunas son fenómenos de superficie. Estas fuentes de oxigeno son la actividad de las algas microscópicas y la reacción en la interfase aire-agua. Las primeras lagunas de estabilización fueron en realidad embalses construidos como sistemas reguladores de agua para riegos, en ellos se almacenaban los excedentes de agua residual utilizada en riegos directos, sin tratamientos previos.




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En el curso de estos almacenamientos se observó que la calidad del agua almacenada mejoraba sustancialmente con el transcurso del tiempo, por lo que comenzó a estudiarse la posibilidad de lagunas como sistemas de tratamiento de aguas residuales. El primer embalse en el que se realizaron los estudios de este tipo fue el del llamado Lago Mitchell, situado en la ciudad de San Antonio (Texas en los EU), a principios del siglo XX. Posteriormente se estudiaron sistemáticamente los procesos responsables de la depuración por lagunaje, se establecieron unos seguimientos de las características físico químicas y microbiológicas de las lagunas de estabilización situadas en Nevada, California y Arizona (EU) y la experiencia pasó a Europa a través de las lagunas situadas en Lund (Suecia). Estos primeros estudios permitieron establecer las características básicas de funcionamiento de las lagunas de estabilización y la influencia de varios factores (temperatura, insolación, forma y orientación de los estanques, composición de las aguas residuales, etc.) sobre el funcionamiento de estas plantas depuradoras. Desde entonces, el empleo de las lagunas de estabilización como sistemas de tratamiento de las aguas residuales se generalizaron por todo el mundo, otros países que impulsaron ese desarrollo fueron Alemania, Francia, Israel, Brasil, etc. Como resultado de la experiencia adquirida en la utilización de las lagunas de estabilización se fueron incorporando mejoras en el diseño que permitieron obtener calidades crecientes en el efluente de estas plantas. Entre las mejoras introducidas se puede destacar el empleo de plantas superiores (normalmente helófitas) que son las que poseen una parte aérea y otra parte sumergida, también se emplearon los peces (normalmente carpas chinas) que se pudiesen adaptar a las fluctuaciones del oxigeno disuelto, con la finalidad de obtener efluentes clarificados y subproductos valiosos desde el punto de vista económico. También se potenció el uso de un tratamiento final del efluente por medio de filtros de turba o arena o las irrigaciones controladas de filtros verdes a fin de mejorar la calidad del agua vertida sin que provocase problemas con el medio ambiente. En cuanto al tamaño de aplicación de este tipo de plantas de tratamiento, se limitan a poblaciones de pequeño o mediano tamaño oscilando entre 500 a 20.000 personas. Debido a los requerimientos en la calidad del vertido que dictaminó la Directiva Europea 91/271/CEE, en la que se limitaba la calidad a unos valores determinados




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en función de la población servida, obligó a introducir una serie de nuevas tecnologías para poder adaptarse a esta. 4.- CLASIFICACION DE LAS LAGUNAS Como veíamos anteriormente, se utilizan distintos criterios para la clasificación de los lagunajes, como puede observarse la presencia de oxigeno disuelto es uno de los criterios fundamentales en la tipología utilizada ya que determina la reacción biológica dominante en su interior A continuación se hace una pequeña descripción de los diferentes tipos de lagunas y más adelante se estudiará con detalle las transformaciones que sufre la materia orgánica en cada uno de los tipos existentes de lagunas.

4.1.- Lagunas aerobias. En estas lagunas se mantiene un ambiente aeróbico en toda la profundidad, lo que se consigue con la aplicación de menores cargas de forma que la fotosíntesis y la reaireación superficial (intercambio atmosférico) sean suficientes para proporcional oxigeno disuelto a toda la columna de agua. También se las llama “lagunas de oxidación”, generalmente son poco profundas por lo que el oxigeno se distribuye por toda la masa de agua. En este tipo de lagunas se consigue una elevada capacidad de desinfección del agua tratada, en cuanto a la eliminación de patógenos debido a los altos periodos de retención del agua, así como una correcta mineralización de los nutrientes orgánicos. Se utilizan principalmente en tratamientos adicionales de efluentes que procedan en una primera fase de otro tipo de tratamiento más enérgico, normalmente este tipo de lagunaje se adapta bien en climas cálidos y soleados. Dentro de esta tipología de lagunaje aerobio, existen unas subclases como pueden ser las “altamente aerobias” (High Rate Aerobic Ponds) y las “lagunas de maduración”, que son de muy baja carga y su empleo es para la eliminación de los patógenos con lo que se consigue un tratamiento de afino en la calidad del efluente final. Dentro de este tipo existen unos sistemas de lagunaje aerobio llamados “lagunajes aireados” cuya particularidad es que la aportación de oxigeno al tratamiento es por medio de sistemas mecánicos. La cantidad de oxigeno producida por los sistemas




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naturales es insuficiente para atender los procesos de oxidación, por lo que es necesario instalar unos sistemas de aireación mecánica (turbinas, eyectores, difusores, etc.) como suplemento, muchas de ellas se han desarrollado a partir de una facultativa sobrecargada.

4.2.- Lagunas anaerobias. La depuración en estas lagunas ocurre por la acción de bacterias del tipo anaerobio. En estas lagunas como consecuencia de la elevada carga orgánica y el corto tiempo de retención del agua residual, el contenido de oxigeno disuelto es muy bajo o nulo durante todo el año. El objetivo perseguido es retener la mayor parte de los sólidos en suspensión que pasan a incorporarse a la capa de fangos acumulados en el fondo y a su vez eliminar parte de la carga orgánica. La materia orgánica se degrada por vía anaerobia (sin oxigeno disuelto) y las principales reacciones biológicas que se producen son la formación de ácidos y la fermentación metánica. En el caso de disponerse un tratamiento combinado de lagunas, este tipo correspondería al primero en la cadena del tratamiento, este tipo de instalaciones se empleo en una época para tratamiento de aguas industriales debido a su idoneidad para tratar altas cargas, aun así la materia orgánica en el tratamiento esta estabilizada sólo en parte, por lo que se requieren a continuación otros tipos de tratamiento complementarios. En la actualidad y para tratamientos de choque en algunos tipos de vertidos industriales con altas cargas se emplean tratamientos anaerobios, pero no en forma de lagunaje debido a las malas olores que se producen, en cambio en reactores cerrados anaerobios se siguen construyendo instalaciones con un rendimiento bastante aceptable para algunos tipos específicos de aguas.

4.3.- Lagunas facultativas. Estas lagunas se caracterizan por poseer una zona aerobia, próxima a la superficie y una zona anaerobia próxima al fondo de la laguna. La extensión relativa de estas dos zonas varía durante el año en función de la carga aplicada y de la eficacia de los dos mecanismos de adicción de oxigeno disuelto al medio: la fotosíntesis llevada a cabo por las algas y la reaireación a través de la superficie.




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La finalidad de estas lagunas es la estabilización de la materia orgánica en un medio mas o menos oxigenado proporcionado principalmente por las algas presentes. Dado que estos tres tipos de lagunas requieren niveles decrecientes de carga orgánica para poder funcionar correctamente, las plantas de tratamiento suelen estar constituidas por lagunas en serie abarcando los tres tipos, alcanzando de ese modo eficiencias mayores de tratamiento. 5.- REACCIONES Y TRANSFORMACIONES EN LAS LAGUNAS La materia orgánica contenida en las aguas residuales, tanto en forma disuelta como en forma suspendida, se estabiliza químicamente a través de un proceso de degradación aerobio, anaerobio o ambos a la vez, dependiendo de la tipología empleada en la laguna. La degradación es llevada a cabo por los microorganismos presentes en el agua y como consecuencia de esta degradación, se liberan al medio compuestos inorgánicos con una estructura molecular mucho más sencilla que posteriormente sufrirán modificaciones junto con la materia inorgánica del influente. Los procesos de transformación de la materia orgánica en cada una de las tipologías existentes son completamente diferentes entre ellas e incluso a tipologías idénticas los resultados también pueden ser diferentes.

5.1.- Lagunas aerobias Las reacciones que se producen en el interior de estas lagunas son de tipo aerobio. Para que éstas tengan lugar, es necesario, por tanto la presencia de oxígeno disuelto en el medio. Las dos fuentes naturales de oxígeno en una laguna son la reaireación superficial y la oxigenación fotosintética, de donde se deduce que la fotosíntesis es una de las reacciones principales que tiene lugar en las lagunas aerobias. De una manera esquemática, el proceso general que tiene lugar es el que se muestra en la figura siguiente.




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Estabilización de la materia orgánica

Como puede apreciarse en la figura, existe una estrecha relación entre algas y bacterias que es fundamental para el desarrollo del proceso. Las bacterias degradan los compuestos orgánicos produciendo anhídrido carbónico y otros productos que son utilizados por las algas, mientras éstas producen por medio de la fotosíntesis el oxígeno necesario para que las bacterias lleven a cabo la oxidación. 5.1.1 – Respiración y fotosíntesis La respiración es un proceso fisiológico a través del cual los compuestos orgánicos son oxidados, principalmente a CO2 y HO2. Sin embargo, la respiración no sólo se traduce en la producción de estos dos compuestos; la principal consecuencia biosintética es la síntesis de material celular. La mayoría de los procesos respiratorios se caracterizan por la presencia en la célula de un equipo especial de enzimas transportadoras (ejemplo: citrocromos) que constituyen la cadena respiratoria de transporte de electrones, y que catolizan el proceso. Se pueden distinguir varios tipos de respiración, pero la fundamental en las lagunas aerobias es la respiración aeróbica, común a bacterias, protozoos y otros micro - macroorganismos. Se pueden expresar por la siguiente ecuación: C6H12O6 + 6 O2 enzimas 6 CO2 + 6 H2O + células nuevas




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En la respiración aeróbica los donadores de electrones son compuestos orgánicos o compuestos inorgánicos reducidos y el aceptor final es el oxígeno, que es reducido a agua. Las bacterias envueltas en este tipo de respiración son las principales responsables de la degradación de la materia orgánica, aunque los otros organismos también intervienen de alguna manera. Otro tipo de respiración es la endógena. Cuando la materia orgánica escasea en el medio, los organismos oxidan su propio protoplasma celular y los materiales de reserva que han acumulado, para obtener así la energía necesaria para vivir. En estudios de laboratorio, se observó que muchas bacterias “eliminan “ la materia orgánica soluble, acumulándola en forma de glucógeno, almidón y lípidos en orgánulos internos. En la última fase del proceso, cuando la DBO ha disminuido bastante, un 50% de estas bacterias han desaparecido debido a la respiración endógena. La fotosíntesis es la otra reacción fundamental que tiene lugar en este medio. La principal consecuencia biosintética es la conversión – mediada por la luz- del CO2 en material celular: nuevas células

CO2 + H2O luz (CH2O) + O2 En primer lugar, el sistema fotosintético de pigmentos de los organismos responsables de la fotosíntesis absorbe luz. Luego, parte de la energía lumínica absorbida se transforma en energía química (ATP) directamente utilizable para la biosíntesis, y el CO2 es convertido en material celular. Por otro lado, hay una oxidación del agua cuyo producto final es el oxígeno: H2O luz ½ O2 + 2 H + + 2 e - El oxígeno así liberado permite que las bacterias aerobias puedan llevar a cabo la degradación de la materia orgánica.




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Aunque la fotosíntesis se asocia generalmente a las plantas verdes, también la realizan las algas y algunas bacterias. Los principales organismos fotosintéticos presentes en las lagunas son las algas. En presencia de la luz, la respiración y la fotosíntesis ocurren simultáneamente en las algas, pero la tasa de respiración es baja en comparación con la de las fotosíntesis. El resultado neto es la producción de O2 y el consumo del CO2. En ausencia de luz, la respiración de las algas continúa, mientras que la fotosíntesis se detiene, por lo que hay un consumo de O2. Esto explica las variaciones de oxígeno disuelto en el agua a lo largo del día. Dentro del proceso de estabilización que ocurre en una laguna y en relación con el tiempo de retención, se pueden distinguir dos fases. La fase I es fundamentalmente bacteriana, en ella tiene lugar la mayor proporción de la degradación de la materia orgánica. Esta fase tiene lugar durante las primeras semanas del tratamiento y la oxigenación es atmosférica. En la fase II predominan las algas, y la oxigenación es fotosintética. Esta fase se extiende a lo largo del a tiempo restante. En realidad, no existe una clara separación entre ambas fases, sino que se solapan, existiendo una relación simbiótica entre algas y bacterias que coexisten en el mismo medio. Cuando una laguna aerobia se pone en funcionamiento por primera vez, el llenado suele realizarse en dos fases. En primer lugar, se llena la laguna lo más rápidamente posible hasta alcanzar una profundidad de 0,9 metros aproximadamente. Después se deja reposar durante un período de tiempo de 10-20 días, en el transcurso del cual se desarrollan las algas y bacterias (fase I y II) que intervendrán en el proceso. A continuación se abre la toma de aguas residuales y la salida del efluente y se controlan las lagunas por medio del caudal y el tiempo de retención. 5.1.2 – Transformaciones del nitrógeno El nitrógeno se encuentra en las aguas residuales formando parte de compuestos orgánicos (ácidos nucleicos, aminoácidos, proteínas…) o bien en forma inorgánica, principalmente como ion amonio, aunque también pueden aparecer en forma de nitratos. Las principales transformaciones que sufre el nitrógeno bajo condiciones aerobias vienen representadas en la figura siguiente y puede resumirse de la manera siguiente:




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Transformación del nitrógeno en una laguna bajo condiciones aerobias.

En primer lugar, el N-orgánico es transformado a ión amonio por la acción de determinados grupos de bacterias. Así, la degradación de las proteínas para formar aminoácidos es producida por microorganismos proteolíticos, mientras que la degradación de los aminoácidos para formar amonio la realizan microorganismos amonificantes. El ión amonio liberado es utilizado en parte por las algas para la síntesis de material celular, o bien, continúa transformándose a través de un proceso de nitrificación que producirá finalmente nitratos. Esta reacción de oxigenación tiene dos fases. En la primera de ellas se produce nitrito, que se transformará en nitrato en la segunda fase. Ambas transformaciones son realizadas por microorganismos quimioautótrofos. El nitrato producido es asimilado pro las algas y transformado, al igual que el amonio, en N-orgánico. NH4

+ nitrosomonas NO2- nitrobacter NO3

-




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El ion amonio también puede desplazarse hacia la forma amoniacal libre (gaseoso), que escapa a la atmósfera. Esto sólo ocurre bajo determinadas condiciones. Es necesario un ambiente muy oxidado y elevado pH; ambas cosas son posibles en las lagunas aerobias gracias a la acción fotosintética, la temperatura del agua y el tiempo de retención son los principales factores que controlan dicho escape Porcentaje de escape de amoníaco a la atmósfera en función de la temperatura del agua y del tiempo de retención Temperatura Tiempo de retención del agua 7 días 14 días

25º-30ºC 70% 95% 10º-20ºC 55-60 % 70-75%

Por último, en las lagunas existen algas capaces de fijar el N2 atmosférico, que es transformado a nitrógeno orgánico. Así se compensan las pérdidas del ecosistema. 5.1.3 – Transformaciones del fósforo El fósforo es a menudo uno de los nutrientes limitantes en el crecimiento en los sistemas acuáticos, aquí es normalmente deficitario. Esto se debe, en primer lugar, a que los compuestos del fósforo son muy insolubles. Además, no existe fuente atmosférica que pueda suplir las deficiencias. Pese a las restricciones en la utilización de compuestos fosforados en los detergentes, las aguas residuales urbanas tienen un gran contenido en fósforo, con lo que se superan las necesidades de los distintos organismos. En el medio acuático el fósforo puede aparecer de las siguientes formas: a) Como fósforo orgánico soluble. b) Como fósforo inorgánico soluble. c) En forma de partículas (fósforo orgánico e inorgánico).




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El fósforo orgánico pasa a fósforo inorgánico soluble (ortofosfatos) por un proceso de mineralización, y es utilizado por los organismos acuáticos. Muchos de ellos almacenan en su interior el fósforo en exceso en forma de polifosfatos, a modo de reserva. Al mismo tiempo, parte de los fosfatos se precipitan y quedan en los sedimentos en forma de fósforo inorgánico insoluble. Ciclo del fósforo

El ambiente de las lagunas aerobias favorece la sedimentación de los fosfatos, ya que a pH alcalino, precipitan. Además, si en el medio existen iones ferrosos, éstos se oxidan a férricos formándose fosfatos férricos. También precipitan en presencia de Ca 2+ y Mg 2+. Puede ocurrir que durante el día se dé una precipitación de los fosfatos mientras que por la noche, debido a la reducción del pH, se produzca una redisolución de parte de los mismos. El fósforo en forma particular también sedimenta, esta vez por procesos de adsorción y coagulación.




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5.1.4 – Transformaciones del azufre Las transformaciones que sufre el azufre en las lagunas aerobias no son de gran importancia en relación con el proceso general. El azufre es asequible para los seres vivos en forma de sulfatos (SO4

=) soluble, que es utilizado por las plantas y microorganismos presentes en el agua. Pasa a formar parte de los compuestos orgánicos en forma reducida (grupo –SH) y sólo se asimila la cantidad suficiente para el crecimiento de los microorganismos, sin que se elimine al medio ningún producto reducido. Los compuestos orgánicos del azufre se mineralizan por la acción de diversos microorganismos, liberándose SH2, que es oxidado rápidamente a sulfato. Únicamente una pequeña parte queda inmovilizada en forma de sulfuros insolubles o de azufre. La oxidación biológica del SH2 a sulfato es llevada a cabo por bacterias quimioautótrofas (bacterias incoloras del azufre). En la figura siguiente se muestra un esquema del ciclo del azufre.




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5.1.5 – pH y alcalinidad En las lagunas aerobias, el pH se mantiene alcalino durante todo el proceso, como consecuencia de la fotosíntesis. La consecuencia de los iones H+ está controlada por el siguiente sistema: CO2 + H2O H2CO3 HCO3

- + H+ (1) Durante la fotosíntesis, el CO2 es utilizado por las algas, por lo que el equilibrio se desplaza hacia la izquierda, y como consecuencia tiende a haber una disminución de la concentración de los iones H+ y de los HCO3

-. En consecuencia, la alcalinidad debida al bicarbonato disminuye. Por otro lado, la disminución de la concentración del ion bicarbonato (HCO3

-), hace que las ecuaciones (2) y (3) se desplacen hacia la izquierda y derecha respectivamente, con lo que se produce un descenso de la alcalinidad total.

HCO3- CO3

= + H+ (2)

CO3

= + H2O HCO3

- H+ (3) Simultáneamente a este descenso de la alcalinidad, se puede producir también una reducción de la dureza debida al carbono. El CO3

= puede reaccionar con el Ca2+ o el Mg2 presente en el agua y precipitar. De todo lo anterior, se deduce que existe una estrecha relación entre pH y alcalinidad. Por otro lado, hay una relación pH / actividad fotosintética responsable de las fluctuaciones cíclicas del pH. 5.1.6 – Oxígeno disuelto La principal fuente de oxígeno de las lagunas aerobias es la fotosíntesis, se ha comprobado que existe una relación directa entre el oxígeno disuelto en el agua y la actividad fotosintética, siendo el contenido de éste menor durante las horas de poca luz, a lo largo del día se produce una fluctuación.




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Por otro lado, hay un gradiente vertical en la concentración del oxígeno disuelto. Según aumenta la profundidad, los efectos de la reaireación superficial y de la oxigenación fotosintética disminuye. Durante los primeros momentos del funcionamiento una laguna (fase I), el O2

necesario para el metabolismo procede de la atmósfera, ya que las primeras algas tardan unos días en aparecer. Puede haber incluso un déficit de oxígeno y una disminución del número de colonias. Durante la fase II, la producción es mucho mayor debido a la fotosíntesis. Existe el O2 suficiente como para continuar con el proceso metabólico. A lo largo del proceso hay una demanda de oxígeno que corresponde a las reacciones de oxidación, tanto de la materia como de los compuestos inorgánicos reducidos. Se dice que hay déficit de oxígeno cuando el oxígeno producido es menor que su demanda. La laguna puede transformarse en anaerobia cuando este déficit es muy elevado.

5.2 – Lagunas anaerobias. En ellas, la ausencia de oxígeno disuelto es total, por lo que el proceso de degradación de la materia será anaerobio. Esta degradación tiene lugar en la fase acuosa como en los lodos que e forman en el fondo de la laguna. Parte de los sólidos presentes en las aguas residuales, más las células muertas, sedimentan y forman una capa biológicamente activa, susceptible de ser degradada por los microorganismos que allí se desarrollan. El proceso de degradación consta de dos fases: una deformación de ácidos a partir de la materia orgánica y otra de formación de metano a expensas de los productos obtenidos en la primera fase. Además de estas reacciones, algunos elementos como el nitrógeno o el azufre se transformarán en el interior de la laguna. Como consecuencia de todo el proceso se forma una serie de compuestos que no están oxidados completamente y que son el origen de los malos olores a este tipo de lagunas.




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Los microorganismos que se desarrollan en este ambiente son anaerobios estrictos (para los cuales el O2 es tóxico) y anaerobios facultativos (que pueden vivir tanto en presencia, como en ausencia del O2 ). 5.2.1 – Respiración y fotosíntesis. En condiciones anaerobias, hay microorganismos capaces de utilizar la respiración como fuente de energía. Este tipo de respiración es anaeróbica, utilizándose compuestos distintos del oxígeno molecular (tales como sulfatos, nitratos o carbonatos) como aceptores finales de electrones. Los microorganismos anaerobios estrictos respiran anaeróbicamente, utilizando como aceptor el SO4

= o el CO3= .También pueden obtener la energía por medio de

la fermentación. Los anaerobios facultativos respiran, en condiciones anaerobias, utilizando el NO3

- como aceptor. También pueden realizar un metabolismo fermentativo e incluso fotosintético. En condiciones aerobias el proceso es de respiración aeróbica. La fotosíntesis también puede darse en condiciones estrictamente anaerobias, ya que el oxígeno no desempeña ningún papel durante el proceso (es un producto de la fotosíntesis). En este caso no tiene lugar la oxidación del agua, y sí la de un compuesto reducido, como puede ser el SH4, de acuerdo con la reacción siguiente: CO2 + 2 SH2 luz 2 S + H2O + (CH20) 3 CO2 + 2 S + 5 H2O l uz 3 (CH20) + 4 H+ + 2 SO4

= La mayoría de los microorganismos que la realizan son anaerobios estrictos (por ejemplo bacterias fotosintéticas). En los anaerobios facultativos, el metabolismo fotosintético se interrumpe en presencia de O2, utilizándose en este caso la respiración como fuente de energía. El oxígeno aquí generado sirve para oxidar los gases producidos durante la fermentación, con lo que se evita parte de los malos olores. Los organismos facultativos se encargan de consumir este oxígeno durante su metabolismo y mantener así una zona anaerobia más profunda, donde tiene lugar la metanogénesis.




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5.2.2 – Fermentación ácida. Es la primera etapa de la degradación de la materia orgánica. En ella, y debido a la acción de microorganismos anaerobios facultativos (bacterias formadoras de ácidos), se produce la hidrólisis de los diferentes compuestos orgánicos presentes en el agua, de la cual se obtienen principalmente pequeñas cadenas de ácidos orgánicos volátiles. Estos organismos facultativos son activos en un rango de pH bastante amplio que va desde 5,5 a 8,4. De igual forma, toleran un amplio rango de temperaturas (5º- 60º C) Durante la fermentación ácida, no se produce una reducción neta de la DBO. Los hidratos de carbono, como la celulosa o el almidón, son convertidos en azúcares que serán transformados posteriormente en ácidos orgánicos, aldehídos y alcoholes. Los lípidos, grasas y aceites, son convertidas en glicerol y ácidos grasos que serán transformados igualmente en ácidos orgánicos, aldehídos y alcoholes. Las proteínas son degradadas a aminoácidos, que a su vez son convertidos en ácidos orgánicos, mercaptanos y aminas. Durante esta conversión pueden liberarse al medio pequeñas cantidades de CO2, N H3 y SH2. Como puede observarse, los principales productos liberados al medio son los ácidos volátiles tales como el acético, propiónico y butírico, aunque también es frecuente que aparezcan pequeñas cantidades de fórmico, valérico, isovalérico y caproico. 5.2.3. – Fermentación metánica. Los ácidos volátiles producidos en la etapa anterior son convertidos por las bacterias metanogénicas (formadoras de metano) en CH4 y CO2 . De estas últimas se han aislado numerosas especies (Metanococcus, Metanosarcina, Metanobacterium), observándose, además, que cada especie puede fermentar únicamente un determinado grupo de ácidos. Estos organismos son estrictamente anaerobios, y muy sensibles a los cambios de pH y temperatura.




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Para que la fermentación metánica se produzca, es necesario que el medio sea alcalino y tenga un pH comprendido entre 6,8 y 7,2. Si en el medio existe una concentración elevada de sulfatos, es necesario que primero éstos sean reducidos a SH2, ya que el proceso de reducción impide la metanogénesis. La temperatura es un factor importante, ya que afecta al tiempo de generación de las bacterias. En condiciones óptimas, las bacterias metanogénicas tienen un tiempo de generación relativamente alto (2 –20 días) que aumenta al disminuir la temperatura. En este sentido, la profundidad de las lagunas es importante. Es necesario que sean profundas para garantizar la anaerobiosis de la zona, pero no demasiado, pues si la temperatura del fondo es inferior al 15ºC, se afecta la producción de gas. Igualmente, las lagunas tienen que diseñarse de forma que el tiempo de retención sea el suficiente para permitir el desarrollo de estas bacterias. A continuación se expone una tabla con las condiciones ambientales necesarias para la fermentación en relación con la tolerancia de las bacterias. Condiciones ambientales para la fermentación metánica ____________________________________________________________________ Variable Valor óptimo Valores extremos ____________________________________________________________________ Temperatura 30 - 35 15 - 40 PH 6,8 - 7,4 6,2 - 7,8 Potencial Redox (mV) -520 / -530 -490 / -550 Ácidos volátiles (mg/l ác. acético) 50 - 500 2000 Alcalinidad (mg/l CO3Ca) 2000 - 3000 1000 - 5000 ____________________________________________________________________




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Se ha observado que la presencia de lodos en el fondo de las lagunas influye en la actividad biológica de los microorganismos. Estos son más activos y se multiplican con más velocidad cuando están asociados a superficies sólidas. Se ha comprobado además que, en dos lagunas idénticas trabajando en igualdad de condiciones, la adición de lodos al fondo de una de ellas producía una mayor reducción de la DBO, el grado de purificación obtenido era igual al de una laguna similar con únicamente el 20% de la profundidad total ocupada por lodos. El diseño de estas lagunas tiene que prever una profundidad suficiente para el almacenamiento de los lodos. Este es mayor durante el invierno, debido a la poca actividad de los microorganismos. Una profundidad de 2,7 a 3,6 metros es suficiente para el buen funcionamiento de éstas. La consecuencia principal de la fermentación metánica es una gran reducción de la DBO, DQO. La cantidad de materia orgánica estabilizada es directamente proporcional a la cantidad de metano producida la reducción de la DBO en las lagunas anaerobias puede llegar a ser del orden del 70 %. Degradación anaerobia de la materia orgánica




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Inicialmente, se observa un descenso del pH que coincide con la producción de ácidos volátiles, sin cambio aparente en la DQO. A continuación, siempre que haya habido tiempo suficiente para la generación de bacterias metanogénicas, disminuyen rápidamente la concentración de ácidos volátiles y la DQO, mientras aumenta la producción de metano (CH4) El efluente de estas lagunas tiene que sufrir normalmente un tratamiento adicional en lagunas aerobias o facultativas. 5.2.4. – Transformación del azufre. Son importantes, ya que algunas de ellas originan SH2, tóxico para las bacterias a concentraciones elevadas (?200 mg/l), y responsable, en gran parte del mal olor de las lagunas. Existen dos fuentes de aporte de SH2:

a) la degradación de la materia orgánica y b) la reducción de los sulfatos.

En la primera, los organismos proteolíticos descomponen las proteínas y aminoácidos en amoníaco, liberándose el azufre orgánico en forma de SH2. La segunda fuente se debe a la actividad de las bacterias reductoras del sulfato (Desulfovibrio desulfuricans). Estos organismos reducen el sulfato utilizando los ácidos orgánicos del medio (acético, láctico, butírico), como aceptores de hidrógeno. Para que se produzca la reducción del sulfato es necesario que la concentración de oxígeno disuelto en el agua sea inferior a 0,16 mg/l, la temperatura mayor e 15ºC y el potencial Redox comprendido entre –100 y –300 mv a pH 7. La producción de SH2 viene limitada por el contenido de sulfatos del medio. El SH2 así liberado se difunde a las capas superiores, creando problemas de olor al entrar en contacto con la atmósfera. si existe algo de oxígeno en la zona superficial, puede oxidarse espontáneamente. Si en el medio abunda el SH2, se desarrollan poblaciones masivas (“blooms”) de bacterias fotosintéticas (bacterias purpúreas de azufre), capaces de oxidar este




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compuesto a sulfatos con formaciones intermedias de azufre elemental que puede ser almacenado en el interior de la célula Por otro lado, la presencia de SH2 en el medio favorece la precipitación de los metales pesados. 5.2.5. – Transformación del nitrógeno. El nitrógeno es transformado por los organismos proteolíticos hasta formar amoníaco (NH3). El amoníaco interviene en los procesos de alcalinización del medio, o es utilizado como substrato por los organismos. Al analizar la composición del gas de las lagunas anaerobias se comprobó la presencia de nitrógeno libre, que sólo se podía explicar por un proceso de desnitrificación de los nitratos existentes en el medio. A menos que los nitratos formen parte de la composición de las aguas residuales, es difícil explicar su formación en condiciones anaerobias. Es posible que una pequeña proporción del amoníaco producido pueda ser oxidado por las bacterias facultativas en presencia de oxígeno. En ese caso, el nitrato se reduciría inmediatamente a N2 que pasaría a la atmósfera. Composición del gas de una laguna anaerobia Metano 75-85% Dióxido de carbono 15-20% Hidrógeno 2-5 % Nitrógeno 5-10% __________________________________________________________ 5.2.6. – pH y alcalinidad. La metanogénesis requiere un pH básico. Durante la fermentación ácida, y debido a los ácidos generados, el pH disminuye, pudiendo afectar al desarrollo de las bacterias metánicas.




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Es necesario compensar de alguna manera este camino. En las lagunas anaerobias se consigue gracias a la alcalinidad del medio, con lo que se logra un pH óptimo para el desarrollo del proceso. La alcalinidad del medio se debe fundamentalmente a la presencia de bicarbonatos derivados de la degradación de compuestos orgánicos. CO2 + H2 O CO3 H2 H- + HCO3

-

El amoníaco también tiene relación con la alcalinidad. Cuando éste reacciona con el CO2 y el H2 O, se forma carbonato amónico, capaz de reaccionar con los ácidos volátiles dando sales, según las reacciones siguientes: NH3 + CO2 + H2O NH4HCO3 NH4HCO3 + RCOOH RCOONH4 + H+ + HCO3

- Una porción e la alcalinidad total aparece como “alcalinidad de las sales de ácidos volátiles”. Cuando la producción de ácidos es pequeña, la alcalinidad bicarbonácea representa aproximadamente la alcalinidad total, mientras que cuando los ácidos aumentan, la alcalinidad bicarbonácea es menor que la total. Como puede observarse en la tabla anterior de las condiciones ambientales para la fermentación metánica, una alcalinidad del orden de 3.000 mg/l es bastante adecuada para que se produzca la fermentación.

5.3. – Lagunas facultativas. El proceso que en ellas tiene lugar es una mezcla de los apartados anteriores. Básicamente, en una laguna de este tipo se pueden distinguir dos zonas:

? Una superior aerobia, en la que la degradación es producida por bacterias aerobias, y el suministro básico de oxígeno es la fotosíntesis y la reaireación superficial.

? La otra zona, más profunda y anaerobia, funciona igual que una laguna anaerobia. Aquí tiene lugar una hidrólisis y fermentación de la materia




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orgánica, con productos de gases que se difunden y son oxidados en la zona aerobia.

Entre ambas zonas existe una fase intermedia ocupada por bacterias anaerobias facultativas cuyo metabolismo puede ser tanto aerobio como anaerobio, y que contribuye a la degradar la materia. La profundidad de estas lagunas es intermedia entre las aerobias y las anaerobias. Por sobrecarga se transforman en lagunas anaerobias. Para describir la respuesta dinámica del carbono, nitrógeno y fósforo en lagunas facultativas, se han desarrollado modelos biogeoquímicos que sirven para predecir las demandas de oxígeno y las reacciones bioquímicas de bacterias y algas. Fundamento de una laguna facultativa




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6.- FACTORES QUE INFLUYEN EN EL PROCESO BIOLÓGICO DE LOS SISTEMAS DE LAGUNAJE.

Por ser los lagunajes sistemas de tratamiento biológico, los factores más influyentes en el proceso son los que afectan directamente al desarrollo de los microorganismos, aunque hay otros factores que no inciden tan directamente en los organismos pero que también afectan al proceso biológico.

6.1.- Luz. Es indispensable para el funcionamiento correcto de las lagunas, sobre todo las que no son aireadas. La actividad fotosintética aumenta proporcionalmente a la intensidad de la luz y por tanto la producción de oxigeno, hasta que el sistema fotosintético se satura. Estos niveles de saturación dependen de cada tipo de organismo, puesto que la intensidad de la luz varia a lo largo del día, se presentan los mínimos al final de la noche, aumentando los valores hasta alcanzar el máximo a media tarde. La actividad fotosintética depende también del espectro de luz disponible, la longitud de onda que un microorganismo es capaz de absorber depende de los pigmentos que tiene, de modo que diferentes microorganismos absorben distintas longitudes de onda del espectro, por lo tanto la intensidad de la luz es variable con la profundidad, lo cual trae como consecuencia una distribución vertical de los microorganismos, esta profundidad de penetración de la luz determina el volumen de la laguna que participa en la producción del oxigeno. Los propios organismos y las partículas en suspensión limitan el paso de la luz, existiendo una parte importante de las perdidas por el llamado fenómeno de reflexión que llegan hasta un 30%. El porcentaje anual de radiación solar disponible es un factor básico a la hora del diseño de una laguna, ese factor es función de la latitud geográfica, de la altitud sobre el nivel del mar, cobertura de las nubes, etc. En el caso de los lagunajes aireados este fenómeno no existe puesto que el soporte del oxigeno necesario para la actividad bacteriana depende exclusivamente de elementos mecánicos externos y no de la acción de las microalgas existentes en el agua y por tanto es indiferente de los periodos de insolación existentes.




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6.2.- Temperatura. Este fenómeno influye directamente en la actividad biológica ya que aumenta o disminuye la velocidad de las reacciones de metabolismo. Cuando aumenta la temperatura también lo hacen las velocidades de reacción hasta un punto en que desciende bruscamente, este punto fatídico indica la muerte de los microorganismos por desnaturalización de las proteínas del protoplasma celular, lo reflejamos en la tabla siguiente. Por lo que respecta a las algas, se han detectado retardaciones en la actividad fotosintética a temperaturas elevadas (superiores a 28 – 30º C) relacionadas con la estimulación del crecimiento de las algas. Según Eckenfelder, la ecuación que relaciona la temperatura con la velocidad de reacción metabólica es del tipo: KT = K 20 . ? (T - 20) Donde: KT = Velocidad de reacción a Tº C K 20 = Velocidad de reacción a 20º C ? = Coeficiente de actividad, función de la T T = Temperatura La temperatura también influye en la solubilidad del oxigeno disuelto, aumentando esta cuando disminuye la temperatura. La temperatura es un factor que determina la sucesión de especies dominantes de bacterias, de algas y de otros organismos acuáticos, el rango optimo de temperatura varia de unos organismos a otros, por ejemplo y según la EPA Algas en general 5 - 40º C Algas clorofíceas 30 - 35º C Algas cianofíceas 35 - 40º C Bacterias aerobias 10 - 40º C Bacterias anaerobias 15 - 60º C Dado que en las lagunas la principal fuente de calor es el sol, existe un gradiente térmico en relación con la profundidad que estratifica el agua en determinadas




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épocas del año, este fenómeno se agrava en lagunas profundas ya que en las de poca profundidad la temperatura se equilibra por la acción del viento. En el caso de los lagunajes de tipo aireado, este fenómeno no es tan trascendental como en el caso de los lagunajes naturales, ya que por el propio sistema de aireación se homogeneizan las temperaturas de todo el sistema y no se producen estratificaciones debido a las diferentes temperaturas, el fenómeno de solubilidad del oxigeno en el agua en este tipo de lagunas también es menos importante ya que la aportación del oxigeno al ser mecánica se puede forzar de modo que se alcancen los puntos de oxigeno disuelto necesarios para la actividad micro bacteriana.

6.3.- pH. Este factor también influye de forma directa en la velocidad de las reacciones de oxidación y en la supervivencia de los propios microorganismos. La mayoría de ellos se desarrolla bien entre valores de pH de 6,5 a 8,5. a valores de pH superiores a 9,5 – 10 o inferiores a 4 las bacterias no pueden vivir. Tanto los sistemas aerobios o anaerobios necesitan condiciones alcalinas para operar correctamente, esas condiciones se mantienen gracias a la actividad fotosintética que ayuda a mantener elevado el valor de pH de la laguna. Las variaciones de pH también determinan los tipos de especies dominantes, debido a la relación entre pH y fotosíntesis, existe también un gradiente vertical de pH (disminuye con la profundidad), esto trae consigo una distribución vertical de los organismos.

6.4.- Oxigeno disuelto. El oxigeno es un gas parcialmente soluble en el agua y cuya solubilidad en proporción directa a la presión atmosférica e inversamente a la temperatura, eso tiene vital importancia en los dimensionamientos ya que en zonas costeras la solubilidad del oxigeno es mayor que en lo alto de un monte y del mismo modo en una zona fría es mejor que en zonas cálidas. En el caso de los lagunajes naturales el intercambio del oxigeno con la atmósfera se realiza por diferencia de presiones parciales entre ambas fases, en un laguna sobresaturada el exceso de oxigeno disuelto pasa a la atmósfera.




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En condiciones ambientales normales, la concentración del oxigeno disuelto en el agua es de unos 8 mg/l, considerándose ese valor como el máximo disponible (EPA) Su presencia es necesaria para la vida de los organismos y para la oxidación de la materia orgánica y de aquellos compuestos inorgánicos presentes en el agua y que sean susceptibles de ser oxidados. El contenido de oxigeno disuelto en una laguna natural esta relacionado directamente con la actividad fotosintética, siendo mayor en la zona superficial y disminuyendo según aumente la profundidad. Este hecho también determina una distribución vertical de los organismos según el contenido de O2 disuelto. En el caso de los lagunajes aireados este fenómeno no reviste importancia ya que la cantidad de oxigeno disuelto es proporcional a la cantidad de aire introducido para ello y una vez dentro del agua en forma de burbujas, estas ascienden a la superficie y por tanto agitan el agua de la laguna evitando las zonas sin oxigeno, por lo tanto permite que los microorganismos se distribuyan de forma homogénea en el volumen de la laguna, con lo que se consigue unos microorganismos mucho más activos que en el caso de las lagunas naturales, en que la actividad de los mismos puede verse influida en momentos diferentes del día.

6.5.- Nutrientes. Son necesarios para la síntesis celular y para la obtención de energía. Tanto el desarrollo como la actividad de los microorganismos esta controlado principalmente por la disponibilidad de los nutrientes. Las necesidades de nutrientes son diferentes para los distintos tipos de microorganismos. Básicamente estos necesitan carbono, oxigeno, hidrógeno, fósforo y azufre que son los principales constituyentes del protoplasma celular. Además de estos elementos necesitan pequeñas cantidades de K, Mg, Ca, Fe, Ni, Cu, Zn, Na, etc. Composición típica de las aguas residuales sin tratar Concentración en mg/l Compuesto Fuerte Media Débil




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Sólidos Totales 1200 700 350 Disueltos Totales 850 500 250 Fijos

525 300 145

Volátiles

325 200 105

Suspendidos Totales

350 200 100

Fijos

75 50 30

Volátiles

275 150 70

Sólidos sedimentables 20 10 5 DBO 5 a 20 º C 300 200 100 Carbono Orgánico Total (TOC)

300 200 100

DQO 1.000 500 250 Nitrógeno Total (N) 85 40 20 Orgánico 35 15 8 Amoniaco Libre 50 25 12 Nitritos 0 0 0 Nitratos 0 0 0 Fósforo Total (P) 20 10 6 Orgánico 5 3 2 Inorgánico 15 7 4 Cloruros (*) 100 50 30 Alcalinidad (como Ca CO3) 200 100 50 Grasas 150 100 50 (*) Los valores de los cloruros se deben aumentar con la cantidad presente en el agua de suministro.




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Por lo general las lagunas de aguas residuales contienen todos estos elementos en forma de materia orgánica o inorgánica, disuelta o en suspensión. La materia orgánica se encuentra generalmente en forma de proteínas (40 – 60%), carbohidratos (25 - 50%) y grasas y aceites un 10 %. Aparte de estas sustancias orgánicas aparecen otros compuestos como la urea (procedente de la orina) y fenoles, tensoactivos, etc. No todos estos compuestos son igualmente biodegradables y algunos no pueden descomponerse o lo hacen con extrema lentitud, por lo que la biodegradabilidad de los compuestos orgánicos es fundamental a la hora de establecer rendimientos de los procesos biológicos, a continuación se refleja en forma de tabla la composición típica de las aguas residuales domésticas sin tratar. Este punto es indiferente si se trata de un sistema de lagunaje natural o de un sistema aireado, con la diferencia de que como las bacterias de un lagunaje aireado son mucho más enérgicas y voraces que las del lagunaje natural, su actividad es mas frenética y por tanto si es muy importante disponer de un correcto balance de nutrientes en el medio.

6.6.- Tóxicos Existen ciertas sustancias orgánicas e inorgánicas que a determinadas concentraciones resultan tóxicas para los microorganismos, inhibiendo con ello su actividad y llegando incluso a ser letales, la presencia de estos elementos en el agua puede afectar por tanto a los tratamientos de tipo biológico. Entre los elementos tóxicos que con más frecuencia aparecen en las aguas residuales cabe destacar los metales pesados, aunque son necesarios para la vida de los microorganismos, únicamente son tolerados en concentraciones muy bajas (mg/l). A concentraciones mayores actúan sobre las enzimas catalizadoras de los procesos de síntesis inhibiendo su actividad. Como consecuencia de lo anterior se ha fijado unos valores límites de permisibilidad de las sustancias tóxicas en las aguas residuales susceptibles de ser tratadas en procesos biológicos, estos valores se reflejan en la tabla siguiente. Valores permisibles de sustancias tóxicas en aguas residuales, a tratar en procesos biológicos.




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Sustancia Valor límite

Cromo Trivalente (Cr 3+) 2,0 Cromo hexavalente (Cr 6+) 0,5 Hierro (Fe) 20,0 Plomo (Pb) 1 Cobre (Cu) 1 Zinc (Zn) 1 Mercurio (Hg) 0,01 Níquel (Ni) 2,0 Cianuros (CN-) 0,5 Fenoles 5,0 Hidrocarburos 20,0 Otro problema de los metales pesados es que se concentran en los tejidos de los animales y de las plantas (bioacumulación), llegando a producir la muerte de los mismos cuando se alcanzan concentraciones elevadas, además no solo se acumulan sino que se ha demostrado que pasan de un elemento al siguiente dentro de la cadena trófica, es por tanto fundamental eliminar esos elementos durante el proceso de tratamiento de las aguas residuales.

6.7.- Salinidad Este factor afecta al proceso biológico de forma directa ya que conviene recordar que el metabolismo celular esta basado en el principio del intercambio osmótico entre las paredes de la célula y la concentración de iones hace variar ese valor, hasta tal punto que muchos microorganismos no son capaces de resistir. La actividad celular de los microorganismos no se ven prácticamente afectadas por exceso de salinidad en las aguas residuales urbanas, aunque si juega un papel importante en los tratamientos de las aguas residuales industriales, en cuya primera fase puede emplearse un tratamiento físico químico y por la adicción de reactivos aumente la salinidad del agua, o por vertidos a la línea de tratamiento de aguas de los concentrados de la regeneración de intercambiadores iónicos para las calderas.




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6.8.- Otros factores Aunque de menor importancia existen una serie de factores que también influyen en el desarrollo del proceso biológico, tales como el viento, que favorece el proceso en los sistemas de lagunaje natural, en los lagunajes aireados no afecta este proceso. Otro factor es el de las lluvias que hacen que el volumen que reciben las lagunas aumente y por tanto pueda provocar la dilución de las aguas residuales y por tanto afecta en el cambio de la temperatura del medio y en el tiempo de retención de las lagunas.

7.- VENTAJAS E INCONVENIENTES ASOCIADOS A LOS SISTEMAS DE LAGUNAJE NATURAL.

La utilización de los sistemas de tratamiento denominados de “bajo coste” ha estado muy extendida en el mundo, en especial en las zonas de clima cálido y soleado, en donde se han dado históricamente las condiciones óptimas de funcionamiento. Podemos enumerar una serie de ventajas asociadas a esta tipología de tratamiento, las principales aplicaciones han sido siempre para pequeños núcleos de poblaciones o núcleos rurales. Las ventajas más significativas se pueden sintetizar en:

? Bajo coste de construcción (sino se tiene en cuenta el coste del terreno empleado)

? Labores de mantenimiento periódico sencillas ? Poca mano de obra y no excesivamente especializada ? Funcionamiento sencillo en la práctica ? Escaso o nulo consumo de energía eléctrica ? Capacidad de acomodación a los cambios de caudal gracias a los

elevados tiempos de retención del sistema. ? Buenos valores de eliminación de patógenos debido a los largos tiempos

de retención




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? Posibilidad de reutilización de las aguas tratadas en riego (si el sistema funciona correctamente)

Por otro lado y sin embargo, presentan como contrapartida una serie de inconvenientes ya en la teoría, entre los que se pueden destacar:

? Se requieren grandes superficies de terreno (>1 Ha cada 1.000 habitantes), como consecuencia de los elevados tiempos de retención y volúmenes de agua que se manejan.

? Son sistemas bastante rígidos en los que es imposible intervenir para manejar los procesos biológicos

? Presencia masiva de plantas acuáticas en la superficie de las lagunas, que condiciona la calidad del agua tratada.

? Presencia masiva de algas y fitoplancton en el agua tratada, que le da el color característico verde y aporta contaminación al agua tratada.

? Producción de malos olores y plagas de insectos ? Es un proceso muy sensible a los cambios climáticos

Una vez analizada la teoría, en la práctica a estos sistemas de lagunajes naturales hay que añadirle una serie de desventajas extras, atendiendo a la experiencia desarrollada en multitud de instalaciones a lo largo de diversos países del mundo.

? El campo de aplicación inicial se desvirtúa y no se limita a poblaciones pequeñas

? Nunca llegan las cargas contaminantes proyectadas ? Este tipo de instalaciones exige un pretratamiento de las aguas muy

riguroso, que no se cumple nunca. ? Mas que estaciones de tratamiento de agua, actúan generalmente como

instalaciones de decantación de sólidos y fermentación de los lodos decantados.

? El mantenimiento del proceso biológico en teoría fácil, pasa a ser prácticamente inexistente.

? Se dedica más atención al cuidado de la zona ajardinada que al funcionamiento de la instalación.

? Debido a las grandes superficies ocupadas, las instalaciones pasan a ser habitualmente criaderos de malas hierbas y alimañas.

? Debido a los olores existentes producidos por la instalación es un lugar que nadie quiere visitar

? La eficiencia del tratamiento en la teoría ya es escasa (+/- 50 – 60 %), pero en la práctica aún es menor, debido a la enorme cantidad de factores que afectan negativamente el funcionamiento.




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? Actualmente no están adecuados los sistemas de lagunaje natural a los requerimientos legales de calidad de vertido.

8.- SISTEMAS DE LAGUNAJE AIREADO. A principios de los años 1970, se empezaron a hacer instalaciones de lagunajes aireados, con la finalidad de encontrar un sistema más fiable y efectivo que los sistemas de lagunaje naturales para el tratamiento de las aguas residuales urbanas. Uno de los problemas que motivó esa búsqueda incesante de nuevas tecnologías fue el componente de los vertidos industriales de las aguas residuales aumentaba sin cesar, coincidiendo con los ciclos económicos de expansión la industria crecía y los municipios cercanos también, eso motivó que los vertidos a las depuradoras cada vez estaban acompañados de nuevos compuestos menos tolerantes con el medio ambiente y por tanto mas contaminados. La Ley ambiental obligaba a las industrias a tratar sus aguas residuales, pero la Ley no estaba muy desarrollada y las exigencias de calidad eran constantemente modificadas, no había mucha experiencia en los sistemas de control y eso obligaba a frecuentes adaptaciones.

8.1.- Turbinas flotantes Las primeras experiencias en aireación de lagunajes estaban basadas en unas turbinas flotantes de eje vertical y que se anclaban a unos puntales de apoyo en tierra y se posicionaban por medio de unos cables de acero o cadenas, por uno de ellos se alimentaba eléctricamente el motor de la turbina. Básicamente eran iguales a las que se empleaban en aquella época para la aireación de recintos biológicos, pero en vez de fijarlas al suelo, se las dotó de una estructura metálica en sus extremos estaban situados unos flotadores que tenían la capacidad de hacerla flotar Estos sistemas están diseñados de modo que se genere un flujo ascendente o descendente mediante un efecto de bombeo por convección. Consisten en un impulsor sumergido o semisumergido que se encuentra conectado a un motoreductor externo por medio de un eje de considerables dimensiones.




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Los impulsores se fabrican en acero, poliéster, etc., se emplean para agitar vigorosamente la superficie del agua introduciendo el aire en el agua residual provocando rápidos cambios en la interfase aire agua que facilitan la disolución del aire. Una ventaja del montaje sobre estructura flotante es que se adaptan al nivel del agua en caso de que este sea fluctuante, son máquinas robustas de mantenimiento fácil ya que se trata de un motor eléctrico de potencias hasta 100 kW (sin demasiadas complicaciones mecánicas), un reductor de considerable tamaño que transmite el movimiento por medio de un acoplamiento mecánico y de un plato giratorio o turbina de dimensiones considerables de hasta 2,5 m de diámetro, lo que exige que los dimensionamientos mecánicos de las piezas estén bien calculados ya que los esfuerzos axiales son impresionantes, sobre todo el motoreductor donde es importante las labores de mantenimiento periódico del mismo. La eficiencia de transferencia de las turbinas se establece entre 1,2 y 3 Kg. O2/ kW, en agua limpia y dentro de la zona de influencia de la turbina. El problema de este sistema es que si bien la aireación es bastante buena en la zona de la instalación de la turbina, el radio de acción es bastante limitado tanto en su superficie como en la profundidad de aireación y de agitación, siendo frecuente encontrase con sedimentaciones importantes en las zonas alejadas de la turbina, para evitar este problema se complementaron con unos tubos verticales que forzaban las corrientes verticales de actuación de la máquina, tienen capacidad de airear hasta unos 5 m de profundidad. Este tipo de sistemas de aireación se encuentran bastante limitados en su función cuando se trata de procesos biológicos con eliminación de nutrientes ya que cuando se entra en la fase de desnitrificación por medio de interrupción de la aireación, se deben complementar sistemas sumergidos de agitación para evitar la sedimentación de los fangos en el fondo de la balsa, además es muy complicado ajustar los niveles actuación de los mismos en función del oxigeno disuelto en las balsas por medio de sondas de oxigeno. Los sistemas de aireadores superficiales debido a las nuevas reglamentaciones no están en sus mejores momentos y están en franco desuso prácticamente desde finales de los 80.




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Esquema de una turbina vertical flotante




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8.2.- Aireadores horizontales Este tipo de aireadores mecánicos, está formado por dos partes claramente diferenciadas, una el sistema motor, generalmente un motoreductor de grandes dimensiones y de un cilindro horizontal de entre 0,7 m y 1,2 m de diámetro, situado justo por encima del agua y que esta equipado por una especie de paletas axiales que se encargan de remover el agua en su superficie y por tanto de airearla, un aventaja con respecto a las turbinas verticales es que ejercen un movimiento de circulación del agua debido a la propia impulsión. Un punto negativo es que como se agita y airea la superficie la penetración del aire en el agua esta bastante limitada ya que las paletas penetran escasamente unos 30 cm en el agua y el efecto del oxigeno disuelto en el agua se limita su penetración a unos 2,5 m de profundidad. El rendimiento es algo mas bajo que en las turbinas superficiales, estando establecido normalmente entre 0,9 y 1,8 Kg. O2/ kW en agua limpia. Esquema de un rotor horizontal flotante




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8.3.- Aireadores sumergidos Este tipo de maquinas son bastante más modernos que los anteriormente enumerados, básicamente constan de una especie de bomba sumergida que aspira el agua por la parte inferior pero que en la salida de impulsión lleva un difusor dotado de una toma vertical por la que aspira el aire por un efecto ventury y mezclándolo con el chorro radial del agua de salida de la bomba que se proyecta como una corona circular centrado con el cuerpo de la bomba. Este tipo de bomba sumergida tiene una construcción un poco especial ya que trabaja a cavitación y por eso deben ser empleados unos materiales de mucha calidad, sobre todos los correspondientes a la parte de la hidráulica de la máquina (rodete y tubos radiales difusores). Este tipo de aireadores aporta una gran ventaja comparado con los anteriores y es que incorpora él oxigeno donde hace falta, es decir en el fondo de la laguna y al distribuirse radialmente los chorros ascendentes de burbujas de pequeño tamaño y estas se disuelven en el agua mientras van ascendiendo hacia la superficie, lo que hace que tengan un rendimiento mayor que los aireadores superficiales. Esquema de un aireador sumergido




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Como desventaja de estos elementos se puede citar que su radio de acción es bastante escaso y muy limitado a la zona de instalación de los mismos. Para las lagunas se instalaban unos sistemas de cables que hacían que la barcaza que sostenía estos aireadores se desplazaba por la laguna guiado por los cables a fin de no dejar zonas muertas de la misma, donde sedimentaban los lodos y entraban en fase anaerobia. Aireador sumergido montado con flotadores

8.4.- Aireación con sistemas de difusores fijos Conforme fueron avanzando las técnicas de tratamiento de aguas, se fueron incorporando nuevos elementos más eficaces en su función y aparecieron los difusores, que básicamente se les puede dividir en dos tipos de acuerdo al material empleado en su fabricación tanto sea materiales cerámicos o membranas de neopreno. (existen muchos otros tipos de materiales especializados en la aplicación a que se destinen, EPDM, Teflón, silicona, etc.)




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Estos elementos tienen la gran ventaja de que aportan el oxigeno también donde hace falta, es decir en el fondo del agua y de nuevo se aprovecha la capacidad ascensional de las burbujas para agitar el agua y por tanto aumentar el rendimiento. Si se pudiese repartir el fondo de las lagunas con difusores sumergidos, se obtendría el sistema más eficaz de transferencia de oxigeno al tratamiento de las aguas, pero eso muchas veces no es fácilmente realizable sobre todo si la instalación no es nueva. Parrilla de difusores sumergidos

El aire se introduce en los difusores por medio de unos sistemas de máquinas soplantes de muy alto rendimiento mecánico, generalmente soplantes de tipo “Roots” que están accionadas por medio de un motor y unas correas de transmisión. Se conduce el aire a través de unas tuberías generalmente realizadas en acero protegido y dimensionadas de modo que no se generen frecuencias armónicas que causen vibraciones y puedan romper las uniones de la misma y




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posteriormente se hacen unos ramales que distribuyen el aire a los diversos puntos de captación de la parrilla y de ahí se distribuye a través de los difusores por el fondo del recinto.

8.5.- Aireación con el sistema de difusores pendulares Este sistema es básicamente una variación mejorada del anterior, incorporando las ventajas del mismo en cuanto al empleo de los elementos de mayor capacidad de transferencia que son los difusores y además están dotados de una serie de elementos que permiten el movimiento de las cadenas de difusores por la balsa ya que estos en vez de estar suje tos al fondo de la misma se encuentran suspendidos de unas cadenas flotantes formadas por manguera y flotadores por los que pasa el aire y se distribuye a los difusores que se encuentran suspendidos de unos bajantes metálicos hasta la profundidad requerida de aireación. Por el simple hecho de fluir el aire a través de los flotadores y descender a los difusores que están suspendidos del mismo, se genera una serie de fuerzas en las que una corresponde al propio peso del conjunto y la otra a la acción del empuje vertical del sistema, como se trata de un sistema en equilibrio inestable, hace que los difusores empiecen a querer flotar ya que en posición vertical no se pueden aguantar y por tanto se desplazan lateralmente hacia el lado opuesto por donde quieren flotar. Eso hace que se desplace el flotador hacia un lado arrastrando consigo a la cadena flotante y a todo el conjunto de flotadores que componen la misma. Justo hasta donde les deja la cadena de fijación y cuando ésta alcanza el límite se tensa el sistema y el movimiento se invierte hacia el otro lado. Si se reproduce en toda su magnitud una instalación de este tipo nos encontramos que todos los elementos flotantes de aireación están constantemente en movimiento por lo que es imposible que sedimenten los fangos de la laguna, con lo que se consigue el fenómeno esperado que es airear en el punto idóneo, evitar sedimentaciones y optimizar la energía ya que únicamente se emplea energía en introducir aire y para la agitación se emplea la propia energía de flotación de las burbujas en su camino a la superficie. Sistema de fuerzas en los sistemas de flotadores y difusores




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Burbujas ascendiendo

Detalle del movimiento pendular de las cadenas de aireación

Entrada

Salida

Cadenas de aireación




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La disposición típica de una instalación de depuración por lagunaje aireado corresponde a un esquema similar al representado a continuación. Diagrama de una instalación por lagunaje aireado

Equipos soplantes

Entrada agua

Micro tamizado

Desarenado Medición de caudal

Primera laguna de aireación

Segunda laguna de aireación

Decantación

Recirculación

Laguna de decantación

Salida agua




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El corte en sección de un elemento flotador difusor es el representado en la figura.

Este sistema de lagunaje conjuga prácticamente todas las ventajas de los sistemas clásicos de lagunaje natural, además se complementa con dos lagunas a continuación de las de aireación de tipo facultativo en serie, con la finalidad de decantar los fangos en la tercera laguna y de desinfectar los elementos patógenos en la cuarta. El diseño de estas instalaciones exige tener en cuenta una serie de elementos que condicionan la vida futura de la instalación, como son mantener un especial cuidado en una serie de partes del tratamiento que se enumeran a continuación:

? Desbaste muy riguroso (del orden de 1.5 mm)

Difusor

Bajante

Té de unión

Flotador

Fondo de la laguna

Superficie




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? Desarenado ? Desengrasado ? Medición del caudal de entrada a la planta ? Primera laguna de aireación (donde se elimina del 70 al 90 % de la

carga contaminante) ? Decantación rápida de lodos y recirculación (si se requiere por el diseño) ? Segunda laguna de aireación (donde se elimina del 50 al 80 % de la

carga restante) ? Laguna de decantación ? Laguna de embellecimiento

A continuación se muestra a modo de ejemplo el dimensionamiento de una instalación de este tipo.




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EJEMPLO DE CALCULO DE UNA INSTALACIÓN DE LAGUNAJE AIREADO.

1.- Objeto del estudio. .......................................................................................................46 2.- Datos de partida. ..........................................................................................................47 2.- Pretratamiento: .............................................................................................................47

2.1.- Desbaste de gruesos: ..........................................................................................47 2.2.- Desbaste de finos: ................................................................................................48 2.3.- Desarenado-desengrasado:................................................................................48 2.4.- Medida de Caudal:................................................................................................49

3.- Cálculos de dimensionamiento:.................................................................................49 3.1- Lagunas de aireación ............................................................................................50 3.2- Lagunas facultativas..............................................................................................51 3.3- Cálculo de la aireación..........................................................................................52 3.4- Lagunas de sedimentación: .................................................................................57 3.5- Laguna de afino......................................................................................................58

1.- Objeto del estudio. Se estudia a continuación la planta depuradora para tratar la aguas residuales producidas por el núcleo urbano de XXXXX (Colombia) con tipología de laguna aireada. El sistema está constituido por cuatro lagunas de aireación, cuatro facultativas aireadas, cuatro de sedimentación y una laguna de afino. La Planta de tratamiento, tal como se expresa en el estudio que sigue tiene estos recintos de agua con las siguientes dimensiones: Recinto Largo (m) Ancho (m) Lagunas de aireación 90,0 225,1 Lagunas facultativas 56,3 235,0 Lagunas sedimentación 100,0 282,8 Laguna de afino 300,0 356,5 Superficie ocupada por las lagunas: 354.038 m2 Total superficie ocupada: 35,40 Hectáreas




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2.- Datos de partida. En la presente solución se admite una carga contaminante por habitante de 60 gr. habitante y día, y por ello los datos de contaminación son los que siguen:

Población equivalente: 583.200 habitantes

Datos sobre el caudal:

Caudal medio diario (Q24h) * (l/s): 1.800,0 * (m3/h): 6.480,0 * (m3/día): 155.519,0 * Dotación: litros habitante y día: 267

Datos sobre la contaminación de origen orgánico: * Demanda bioquímica de oxígeno, (DBO5)

* Concentración, (mg/l): 225,0 * Carga contaminante, (Kg/día): 34.992,0 * Dotación media(gr. / habitante y día): 60,0

Sólidos en suspensión, (SST)

* Concentración, (mg/l): 220,0 * Carga contaminante, (Kg/día): 34.214,2

Nitrógeno total, (NTK) * Concentración, (mg/l): 28,0 * Carga contaminante, (Kg/día): 4.354,5

2.- Pretratamiento:

2.1.- Desbaste de gruesos: Caudal admisible en desbaste: 6.480 m3/h * Líneas funcionales: Tipo: Limpieza automática.




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Nº de unidades: 3 Luz de paso: 80 mm. Ancho canal: 1 m Producción de sólidos: 4.666 l/d * Línea de by-pass: Tipo: Limpieza manual. Nº de unidades: 1 Luz de paso: 80 mm. Ancho canal: 1 m.

2.2.- Desbaste de finos: Se diseñan 3 líneas de tamices que admitan el total del caudal admisible en planta. * Tamizado: * Líneas funcionales: Tipo Tamiz autolimpiante Luz de paso: 3 mm Ancho de canal: 1 m * Línea de by-pass: Tipo: Limpieza manual. Nº de unidades: 1 Ancho canal: 1 m.

2.3.- Desarenado-desengrasado: Tipo: puente móvil aireado. nº de unidades: 3 Carga hidráulica máxima a Q med.: 10 m/h Superficie mínima necesaria: 648,00 m2




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Tiempo de retención mínimo: 0,33 h Volumen mínimo: 2.138 m3 Dimensiones unitarias adoptadas: Superficie útil: 216 m2 Ancho útil: 6 m Longitud útil: 36 m Profundidad útil: 3,3 m Necesidades de aireación: Caudal a suministrar: 8 m3 / h / m2 Caudal de aireación: 5.184 m3/h 86,40 m3 / min. Nº de grupos soplantes: 3 + 1 R Caudal de aire unitario necesario: 28,80 m3/min.

1.727,99 m3/h Caudal real de aire: 86,4 m3 / min.

5.184 m3/h Caudal de aire difusores: 10 m3/h / Ud. Nº de difusores: 519 Ud. Nº de difusores por tanque: 173 Ud. Bomba de extracción de arenas:

Nº de unidades: 3 Ud. Caudal unitario: 108 m3/h

2.4.- Medida de Caudal: Tipo de medidor: Ultrasonidos por tubería.

3.- Cálculos de dimensionamientos:




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3.1- Lagunas de aireación Criterios de diseño: Dimensionamos las primeras lagunas con la carga volúmica, que en el caso de lagunas aireadas, y teniendo en cuenta que se pretende una eliminación del 75% de la DBO, se pueden adoptar valores entre 0.6 y 0.1 kg DBO5 diarios por metro cúbico de reactor, por lo que adoptaremos el valor de Cv = 0,100 Kg. DBO5/m3 y día Carga volúmica, (Cv) 0,100 Kg. DBO5/m3 y día

Volumen total lagunas, (V = DBO / Cv) 349.920 m3 (Tiempo residencia: 2,3 días) Se adoptan 4 módulos, capaz de tratar cada uno de ellos un caudal de 450,00 l / s. Nº de lagunas de aireación: 4 El volumen de cada laguna será de: 87.480 m3 DBO5 en el efluente de salida: en carga contaminante, kg DBO5 /día: 8.748,0

en concentración, mg/l: 56,3 Características unitarias de las lagunas: Altura de agua: 5,00 m. Altura entre nivel de agua y coronación laguna (resguardo): 0,50 m. Pendiente taludes: 1 : 1,80 Angulo talud: 29,1 º Longitud total: 90,0 m. Longitud al nivel de agua: 88,2 m. Longitud en el fondo: 70,2 m. Ancho total: 225,1 m. Ancho al nivel de agua: 223,2 m. Ancho en el fondo: 205,2 m.




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Superficie de fondo plano: 14.401,8 m2. Superficie espejo de agua: 19.682,1 m2. Superficie total: 20.262,0 m2.

3.2- Lagunas facultativas Criterios de diseño: Dimensionamos el segundo tipo de lagunas con la carga volúmica, que para esta segunda laguna teniendo en cuenta que se pretende una eliminación del 75% de la DBO, se puede adoptar valores entre 0.020 y 0.060 kg. DBO5 diarios por metro cúbico de reactor. Adoptaremos el siguiente valor: Carga volúmica, (Cv) 0,050 kg. DBO5/m3 y día Volumen total lagunas, (V = DBO5/Cv) 174.960 m3 (Tiempo residencia: 1,1 días) Nº de lagunas facultativas: 4 El volumen de cada laguna será de: 43.740 m3 DBO5 en el efluente de salida: en carga contaminante, kg DBO5/día: 2.187,0 en concentración, mg/l: 14,1 Características unitarias de las lagunas: Altura de agua: 4,00 m. Altura entre nivel de agua y coronación laguna (resguardo): 0,50 m. Pendiente taludes: 1 : 1,80 Angulo talud: 29,1 º Longitud total: 56,3 m. Longitud al nivel de agua: 54,5 m. Longitud en el fondo: 40,1 m. Ancho total: 235,0 m.




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Ancho al nivel de agua: 233,0 m. Ancho en el fondo: 218,6 m. Superficie de fondo plano: 8.763,9 m2. Superficie espejo de agua: 12.696,9 m2. Superficie total: 13.227,8 m2. Carga volúmica conjunta: 0,067 Kg. DBO5/m3 Es un valor excelente para esta tipología de estación.

3.3- Cálculo de la aireación El consumo total de oxígeno se compone del oxígeno necesario para el crecimiento microbiano oxigenado por la transformación de la materia orgánica y el necesario para la respiración endógena del fango existente. Se toma una Oc.-load de 1.8 kg. O2/kg. DBO5 eliminado La cantidad de oxígeno necesario 62.985,6 kgO2/día Este oxígeno se suministrará por medio de la insuflación de aire introducido en el recinto de aireación a través de difusores cerámicos o especiales que suministren el aire en burbuja fina de aire. Las características técnicas de esta insuflación de aire son las que se detallan a continuación: Lagunas de aireación Necesidades de oxígeno, 75% 47.239 kgO2/día Rendimiento de introducción: 8,0 gO2/m3/ml Profundidad de aireación: 4,4 m. Caudal de aire necesario: 55.917,6 m3/h. Suministro de aire por difusor: 40,0 m3/h. Nº de difusores necesarios: 1.398 Ud. (Difusores cilíndricos de cerámicos de 1.500 mm. de longitud)




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Lagunas facultativas Necesidades de oxígeno, 25% 15.746 kgO2/día Rendimiento de introducción: 8,0 gO2/m3/ml Profundidad de aireación: 3,5 m. Caudal de aire necesario: 23.432,1 m3/h. Suministro de aire por difusor: 40,0 m3/h. Nº de difusores necesarios: 586 Ud. (Difusores cilíndricos de cerámicos de 1.500 mm. de longitud) Distribución de aire: Caudal en las lagunas aerobias: 55.917,6 m3/h. aire Caudal unitario en cada laguna: 13.979,4 m3/h. aire Caudal en las lagunas facultativas: 23.432,1 m3/h. aire Caudal unitario en cada laguna: 5.858,04 m3/h. aire

Lagunas de aireación Difusores totales: 1.398 Ud. Nº de difusores por laguna: 350 Ud. - Por laguna: Nº cadenas de aireación: 20 Ud. Difusores por cadena: 17 Ud. Tomamos 20 cadenas con un total de 17 difusores Longitud lado anclajes: 225,13 m. Distancia a comienzo fondo: 9,9 m. Longitud fondo: 205,33 Distancia //fondo a 1er. anclaje 4,90 Número de anclajes 20 *2 Distancia entre anclajes 10,29 Distancia anclaje a 1er. difusor 12,84 Longitud lado difusores 90,00 Distancia entre difusores 3,68 * Lagunas facultativas Difusores totales: 586 Ud.




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Nº de difusores por laguna: 147 Ud. - Por laguna: Nº cadenas de aireación: 11 Ud. Difusores por cadena: 14 Ud. Tomamos 11 cadenas con un total 14 difusores Longitud lado anclajes: 235,02 m. Distancia a comienzo fondo: 9,9 m. Longitud fondo: 215,22 Distancia //fondo a 1er. anclaje 5,39 Número de anclajes 11 *2 Distancia entre anclajes 20,44 Distancia anclaje a 1er. difusor 13,134 Longitud lado difusores 56,28 Distancia entre difusores 2,10 Por lo tanto, el número de difusores de aire de burbuja fina a colocar es de: 2.028 , y la longitud de tubería flexible de DN90 es de: Primera laguna: 1.980,00 ml. Segunda laguna: 681,03 ml. * Selección del sistema de aireación en lagunas aerobias: Caudal total a suministrar: 55.918 m3/h Caudal por laguna: 13.979 m3/h Cada caseta servirá a 2 lagunas: 27.959 m3/h Instalaremos 5+1; caudal por soplante: 5.592 m3/h Selección de la soplante Caudal unitario por soplante 5.591,8 m3/h Caudal unitario por soplante 93,2 m3/min. 1 Soplante 26,20 Corrección

a 4,40 m.c.a.




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m3/min 75,70 92,50 93,20 kW 63,40 77,80 78,40 86,24 r.p.m. 985 1.200 1.209 Numero de unidades: 1 Caudal aspirado: 93,20 m3/min. Presión soplado, m.c.d.a 4,40 m.c.a. Potencia absorbida: 86,24 kW Potencia instalada: 110,00 kW Ratio de uso de motor: 78,40% Velocidad de giro del motor: 1.200 r.p.m Velocidad de giro de la soplante: 1.209 r.p.m Caudal total suministrado 93,20 m3/min. 5.591,76 m3/h * Selección del sistema de aireación en lagunas facultativas: Caudal total a suministrar: 23.432 m3/h Caudal unitario por laguna: 5.858 m3/h Cada caseta servirá a 2 lagunas: 11.716 m3/h Instalaremos 2+1; caudal por soplante: 5.858 m3/h Selección de la soplante Caudal unitario por soplante 5.858,0 m3/h Caudal unitario por soplante 97,6 m3/min. 1 Soplante 26,20 Corrección

a 3,50 m.c.a.

m3/min 75,70 92,50 97,63 kW 63,40 92,50 101,39 88,72 r.p.m. 985 1.200 1.266 Numero de unidades: 1 Caudal aspirado: 97,63 m3/min. Presión soplado, m.c.a 3,50 m.c.a. Potencia absorbida: 88,72 kW




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Potencia instalada: 110,00 kW Ratio de uso de motor: 80,65% Velocidad de giro del motor: 1.200 r.p.m Velocidad de giro de la soplante: 1.266 r.p.m Caudal total suministrado 97,63 m3/min. 5.858,04 m3/h Distribución de aire. La distribución de aire se realiza a través de tubos de fundición dúctil de acero. La velocidad máxima a la que proyectamos es de 8 m/s. Calculamos el diámetro necesario en salida colector de soplantes y para cada uno de los dos ramales de conducción de aire hacia cada laguna. Velocidad de diseño: 12 m/s Por dos lagunas aerobias: Tramo Caudal m3/h l/s D min, mm D proy., mm Vd, m/s Por 2 lagunas 27.958,8 7.766,3 907,8 1000 9,89 I 13.979,4 3.883,2 641,9 700 10,09 II 6.989,7 1.941,6 453,9 500 9,89 III 6.989,7 1.941,6 453,9 500 9,89 IV 3.494,9 970,8 320,9 350 10,09 Cadenas 699,0 194,2 143,5 150 10,99 Longitudes previstas: Tramo Caudal, m3/h D proy,mm long. prevista, m Por 2 lagunas 27.958,8 1000 20 I 13.979,4 700 150 II 6.989,7 500 110 III 6.989,7 500 450 IV 3.494,9 350 220




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Por dos lagunas facultativas: Tramo Caudal m3/h l/s D min., mm D proy, mm Vd, m/s Por 2 lagunas

11.716,1 3.254,5 587,6 600 11,51

I 5.858,0 1.627,2 415,5 400 12,95 II 2.929,0 813,6 293,8 300 11,51 III 2.929,0 813,6 293,8 300 11,51 IV 1.464,5 406,8 207,8 200 12,95 Cadenas 532,5 147,9 125,3 150 8,37 Longitudes previstas: Tramo Caudal, m3/h D proy., mm long. prevista, m Por 2 lagunas

11.716,1 600 10

I 5.858,0 400 160 II 2.929,0 300 120 III 2.929,0 300 400 IV 1.464,5 200 250

3.4- Lagunas de sedimentación: Las lagunas se dimensionan para atender tres condiciones: -Velocidad ascensional: 0,1 m/h -Tiempo de permanencia mínimo: 1,50 días -Capacidad almacenamiento de fango > 3 años * Superficie necesaria: 64.799,6 m2 * Volumen necesario (tpo. perman.) 233.279 m3 * Volumen adoptado 311.038 m3 Nº de lagunas de sedimentación: 4 El volumen de cada laguna será de: 77.759,51 m3 Características unitarias de las lagunas:




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Altura de agua: 3,00 m. Altura entre nivel de agua y coronación laguna (resguardo): 0,50 m. Pendiente taludes: 1: 1,80 29,1 º Longitud total: 100,0 m. Longitud al nivel de agua: 98,2 m. Longitud en el fondo: 87,4 m. Ancho total: 282,8 m. Ancho a nivel de agua: 280,8 m. Ancho en el fondo: 270,0 m. Superficie de fondo plano: 23.600,6 m2. Superficie espejo de agua: 27.577,5 m2. Superficie total: 28.281,0 m2. Velocidad ascensional: 0,23 m/h Acumulación de fango: El fango en exceso anual que se recoge por cada 100 kg de DBO 5 eliminado es de 0.350 metros cúbicos. (Es, aproximadamente 70 litros habitante equivalente y año). Por tanto el fango en exceso anual será de: * Volumen anual fango: 44.702 m3/año Por laguna: * Volumen anual fango: 11.176 m3/año * Altura media acumulada por año 0,44 m. al año * Altura máxima de fango permisible 2,30 m. * Periodo máximo entre vaciados 5,27 años

3.5- Laguna de afino. Su capacidad se calcula en función de su tiempo de permanencia, que se establece en un día, y consiste en un zona de aguas someras (profundidad del orden de un metro o menos) en la que la acción de las radiaciones ultravioletas solares y su escasa velocidad ascensional eliminan la turbiedad del agua.




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* Volumen adoptado 155.519 m3 Altura de agua: 1,50 m. Altura entre nivel de agua y coronación laguna (resguardo): 0,50 m. Pendiente taludes: 1: 1,80 29,1 º Longitud total: 300,0 m. Longitud al nivel de agua: 298,2 m. Longitud en el fondo: 292,8 m. Ancho total: 356,5 m. Ancho al nivel de agua: 354,5 m. Ancho en el fondo: 349,1 m. Superficie de fondo plano: 102.227,0 m2. Superficie espejo de agua: 105.722,7 m2. Superficie total: 106.954,8 m2. Velocidad ascensional: 0,061 m/h

9.- DIFERENCIAS DE LOS SISTEMAS DE LAGUNAJE AIREADO CON LOS SISTEMAS DE LAGUNAJE NATURAL.

Una vez analizados los pros y los contras de los sistemas de lagunaje natural, podemos establecer una relación de las que aporta la inclusión de sistemas de aireación a las lagunas naturales.

? Mayor capacidad de tratamiento ya que los microorganismos son mucho más enérgicos y activos, lo que permite el tratamiento de cargas más elevadas

? Menor superficie ocupada unas 15 veces menos (de 12.000 a 15.000 habitantes por Ha)

? No hay dependencia de los fenómenos naturales como el sol, el viento, ni de elementos vivos como las microalgas para generar el oxigeno necesario este es introducido por sistemas externos.

? Se puede actuar sobre el proceso biológico, ajustando los niveles de oxigeno disuelto ante las necesidades del tratamiento, recirculando lodos para aumentar la carga de sólidos en la planta y por tanto el rendimiento de la misma.

? La eficiencia del tratamiento es superior al 90 - 95 %




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? Los diseños de las instalaciones se hacen con una carga volúmica muy baja y son por tanto conservadores

? Los tiempos de retención globales son de unos 6 – 8 días ? Es un sistema mucho mas resistente ante vertidos puntuales

“potencialmente raros” ? El mantenimiento periódico de la instalación es la purga de los lodos en

exceso cada 3 – 5 años, pero esto también se debería hacer en el caso de las lagunas naturales.

? No existen olores. ? El pretratamiento es igual de critico que en los sistemas de lagunaje

natural. ? No tienen plantas en la superficie de las lagunas ? Se obtiene un subproducto de gran riqueza con los lodos de la planta

para aplicación en agricultura ? Es el sistema de tratamiento biológico por fangos activados que menos

generación de lodos produce y el que posee mejor edad de fangos. ? Dentro de los sistemas de tratamiento biológico por fangos activados es

el que menos consumo eléctrico genera. ? Este tipo de instalaciones puede adaptarse a las exigencias más

rigurosas en cuanto a eliminación de nutrientes, es un sistema fácilmente implementable.

? Para una planta de hasta 20.000 – 30.000 personas se precisa un único mantenedor en jornada de 8 h al día.

? Son plantas fácilmente regulables y de funcionamiento automático en función de un sencillo programador

Como contrapartida cabe señalar que entre las desventajas se pueden señalar:

? El coste de construcción es algo mas caro que los sistemas de lagunaje natural, se ahorra trabajo de Obra Civil pero se incrementa el coste por los equipos electromecánicos.

? Hay un consumo eléctrico para que la instalación funcione correctamente, aunque es el mas bajo de todos los sistemas de tratamiento por fangos activados

? En esta tipología de tratamiento, el mantenimiento de la instalación hay que distinguirlo del trabajo del jardinero y dependiendo del tamaño de la instalación debe haber personal que tenga conocimientos de tratamientos biológicos o la posibilidad de encontrar una asistencia eventual.

? A nivel electromecánico hay que contar con la posible ayuda de un técnico que entienda de automatismos eléctricos.




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