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TRATAMIENTO DE AGUAS

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TRATAMIENTO DE AGUASTRATAMIENTO DE AGUAS

CAPITULO VI:CAPITULO VI:

TRATAMIENTO SECUNDARIOTRATAMIENTO SECUNDARIO

UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS

FACULTAD DE INGENIERIA AMBIENTAL

Profesor:Ing. Omar Eduardo Olivos Lara

Lima Lima –– PerúPerú20102010

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SESIÓN 6.1:

OBJETIVOS DEL TRATAMIENTO SECUNDARIO

Ing. Omar E. Olivos Lara

CAPITULO VI:CAPITULO VI:TRATAMIENTO SECUNDARIOTRATAMIENTO SECUNDARIO




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6.1 Objetivo del Tratamiento Secundario

El fundamento del tratamiento secundario es la inclusión de procesos biológicosen los que predominan las reacciones bioquímicas, generadas pormicroorganismos que logran eficientes resultados en la remoción de entre el 50% yel 95% de la DBO. Los sistemas más empleados son:

• Biofiltros o filtración biológica, filtrospercoladores, filtros rotatorios obiodiscos.

• Lodos activados, entre los que seencuentran los convencionales y losde aireación extendida.

• Lagunas de estabilización de los tiposfacultativas y aireadas

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SESIÓN 6.2:

LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN

Ing. Omar E. Olivos Lara

CAPITULO VI:CAPITULO VI:TRATAMIENTO SECUNDARIOTRATAMIENTO SECUNDARIO




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6.2 Lagunas de Estabilización

Una laguna de estabilización es una estructurasimple para embalsar aguas residuales con elobjeto de mejorar sus características sanitarias.Las lagunas de estabilización se construyen depoca profundidad (2 a 4 m) y con períodos deretención relativamente grandes (por lo general devarios días).

Cuando las aguas residuales son descargadas enlagunas de estabilización se realizarán en lasmismas, en forma espontánea, un procesoconocido como autodepuración o estabilizaciónnatural, en el que ocurren fenómenos de tipofísico, químico, bioquímico y biológico. Esteproceso se lleva a cabo en casi todas las aguasestancadas con alto contenido de materiaorgánica putrescible o biodegradable.

Parámetros de evaluación

• DBO: caracteriza la carga orgánica

• CF (mg/l): caracteriza la contaminación micorbiológica

• SST, SS y SD

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Las lagunas que reciben agua residual cruda son lagunas primarias. Las lagunas quereciben el efluente de una primaria se llaman secundarias; y así sucesivamente laslagunas de estabilización se pueden llamar terciarias, cuaternarias, quintenarias, etc. Alas lagunas de grado más allá del segundo también se les suele llamar lagunas deacabado, maduración o pulimento. Siempre se deben construir por lo menos dos lagunasprimarias (en paralelo) con el objeto de que una se mantenga en operación mientras sehace la limpieza de los lodos de la otra.

El proceso que se lleva a cabo en las lagunas facultativas es diferente del que ocurre enlas lagunas anaerobias. Sin embargo, ambos son útiles y efectivos en la estabilización dela materia orgánica y en la reducción de los organismos patógenos originalmentepresentes en las aguas residuales. La estabilización de la materia orgánica se llevará acabo a través de la acción de organismos aerobios cuando hay oxígeno disuelto; éstosúltimos aprovechan el oxígeno originalmente presente en las moléculas de la materiaorgánica que están degradando. Existen algunos organismos con capacidad deadaptación a ambos ambientes, los cuales reciben el nombre de facultativos.


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La estabilización de la materia orgánica presente en las aguas residuales se puederealizar en forma aeróbica o anaeróbica según haya o no la presencia de oxígenodisuelto en el agua.

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El tratamiento de las aguas residuales en las lagunasde estabilización deben ser precedidas por un procesode pretratamiento..

Normalmente se utilizan dos o tres lagunas en serie.Para el diseño de las lagunas facultativas se tendrá encuenta la temperatura del agua del mes más frío delaño, lo que permitirá calcular la carga superficial demateria orgánica, en kg. de DBO/ha/día (Demandabioquímica de oxígeno por hectárea al día). Laremoción de bacterias representadas por los coliformesfecales se estimará utilizando los coeficientes demortalidad bacteriana establecidos para cada unidad enel modelo hidráulico de flujo disperso. No es aceptableutilizar información deducida del modelo de mezclacompleta.

Para una adecuada remoción de parásitos,representados por nemátodos intestinales, se requiereun periodo de retención nominal mínimo de 10 días enuna de las lagunas. Los parásitos protozoos se retienenimpidiendo la salida del agua por rebose.


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Por otro lado, cuando se proponen combinaciones de lagunas que se inician con unaanaeróbica, a las siguientes lagunas (a partir de la secundaria) se les puede llamartambién lagunas de acabado, maduración o pulimento, tal como se aprecia en las figura

Anaerobia Facultativa

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6.2.1 Proceso aerobio

El proceso aerobio se caracteriza porque la descomposición de la materia orgánica sellevará a cabo en una masa de agua que contiene oxígeno disuelto. En este proceso,en el que participan bacterias aerobias o facultativas, se originan compuestosinorgánicos que sirven de nutrientes a las algas, las cuales a su vez producen másoxígeno que facilita la actividad de las bacterias aerobias. Existe pues una simbiosisentre bacteria y algas que facilita la estabilización aerobia de la materia orgánica. Eldesdoblamiento de la materia orgánica se lleva a cabo con intervención de enzimasproducidas por las bacterias en sus procesos vitales.

A través de estos procesos bioquímicos en presencia de oxígeno disuelto las bacteriaslogran el desdoblamiento aerobio de la materia orgánica. El oxígeno consumido esparte de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO).

Las algas logran, a través de procesos inversos a los anteriores, en presencia de la luzsolar, utilizar los compuestos inorgánicos para sintetizar materia orgánica queincorporan a su protoplasma. A través de este proceso, conocido como fotosíntesis, lasalgas generan gran cantidad de oxígeno disuelto.


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Como resultado final, en el estrado aerobio de una laguna facultativa se lleva a cabo laestabilización de la materia orgánica putrescible (muerta) originalmente presente en lasaguas residuales, la cual se transforma en materia orgánica (viva) incorporadaprotoplasma de las algas. En las lagunas de estabilización el agua residual no seclarifica como en las plantas de tratamiento convencional pero se estabiliza, pues lasalgas son materia orgánica viva que no ejerce DBO.

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Interacción de bacterias y algas en las zonas aeróbi cas y anaeróbicas, en una laguna facultativa de estabiliza ción


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6.2.2 Proceso anaerobio

Las reacciones anaerobias son más lentas y los productos pueden originar malosolores. Las condiciones anaerobias se establecen cuando el consumo de oxígenodisuelto es mayor que la incorporación del mismo a la masa de agua por la fotosíntesisde las algas y el oxígeno disuelto y que la laguna se torne de color gris oscuro. Eldesdoblamiento de la materia orgánica sucede en un forma más lenta y se generanmalos olores por la producción de sulfuro de hidrógeno. En la etapa final del procesoanaerobio se presentan las cinéticas conocidas como acetogénica y metanogénica.

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6.2.3 Procesos en las lagunas facultativas

Las capas de la laguna facultativa (aerobia y anaerobia) no son constantes, estasinteractúan entre si, dependen de la radiación solar. Durante el día la capa aerobia es laque predomina en la laguna y durante la noche la capa anaerobia.

Las algas tienen un rol sumamente importante en el proceso biológico de las lagunasde estabilización, pues son los organismos responsable de la producción de oxígenomolecular, elemento vital para las bacterias que participan en la oxidación bioquímicade la materia orgánica.

La presencia de las algas en niveles adecuados, asegura el funcionamiento de la faseaerobia de las lagunas, cuando se pierde el equilibrio ecológico se corre con el riesgode producir el predominio de la fase anaerobia, que trae como consecuencia unareducción de la eficiencia del sistema.


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6.2.4 Microbiología en las lagunas facultativas

Las capas de la laguna facultativa (aerobia y anaerobia) no son constantes, estasinteractúan entre si, dependen de la radiación solar. Durante el día la capa aerobia es laque predomina en la laguna y durante la noche la capa anaerobia.

Las algas tienen un rol sumamente importante en el proceso biológico de las lagunasde estabilización, pues son los organismos responsable de la producción de oxígenomolecular, elemento vital para las bacterias que participan en la oxidación bioquímicade la materia orgánica.

La presencia de las algas en niveles adecuados, asegura el funcionamiento de la faseaerobia de las lagunas, cuando se pierde el equilibrio ecológico se corre con el riesgode producir el predominio de la fase anaerobia, que trae como consecuencia unareducción de la eficiencia del sistema.

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Algas

En las lagunas primarias facultativas predominan las algas flageladas, (Euglena,Pyrobotrys, Chlamydomonas), en lagunas secundarias se incrementa el número degéneros y la densidad de algas, predominan las algas verdes (Chlorella,Scenedesmmus). En lagunas terciarias se presenta un mayor número de géneros dealgas, entre las cuales predominan las algas verdes (Chlorella, Scenedesmus,Ankistrodesmus, Microactiniums). En muchos casos, se ha observado la predominanciade algas verdes-azules (Rao, 1980, Uhlman 1971). La predominancia de géneros varíasegún la temperatura estacional


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Zooplackton

El zooplackton de las lagunas de estabilización está conformado por cuatro Grupos

Mayores; ciliados, rotíferos, copédodos, y cladoceros. Ocasionalmente se presentanamebas de vida libre, ostracodos, ácaros, turbelarios, larvas y pupas de dípteros. Lamayoría de individuos de estos grupos sólo están en las lagunas de estabilizacióndurante algún estadio evolutivo, raramente tienen importancia cualitativa.

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Rotíferos

Los rotíferos predominan durante los meses de verano, dentro de este grupo, el géneroBrachionus se presenta con mayor frecuencia, siendo el más resistente aún encondiciones extremas. Cuando el número de rotíferos se incrementa a nivelessuperiores a los normales se observa un efecto negativo en la calidad del agua,ocasionando un aumento de los niveles de amonio, ortofosfato soluble, nitratos, ynitritos. Asimismo, la presencia de un gran número de estos organismos, queconsumen algas, disminuye la cantidad de oxígeno disuelto en el agua a niveles deriesgo. Los géneros predominantes de cladoceros son Moína y Daphnia y en losciliados son Pleuronema y Vorticella.


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6.2.5 Factores de influencia

� Temperatura : A mayor temperatura, mayor será el crecimiento de microorganismosy viceversa.

� PH: A pH en un rango bajo, es decir ácido, va traer como consecuencia que losmicroorganismos no sobrevivan.

� Coordinación microorganismos-materia orgánica : Se tiene que cuidar el excesode carga (DBO), porque originaría un mal funcionamiento de la laguna.

� Inhibidores: Presencia de metales pesados, sulfatos, pesticidas, etc, ocasionan undecrecimiento de bacterias.

� Nutrientes : Principales nutrientes son el nitrógeno y el fósforo. Cuidar que no esténen exceso porque puede producir la eutroficación.

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6.2.6 Ventajas

� Pueden recibir y retener grandes cantidades de agua residual, soportandosobrecargas hidráulicas y orgánicas con mayor flexibilidad, comparativamente conotros tratamientos.

� Formación de biomasa más efectiva y variada que en los procesos de tratamientocon tanque séptico y tanque imhoff.

� No requieren de instalaciones complementarias para la producción de oxígeno. Elmismo se produce en forma natural dentro del sistema.

� Debido a los tiempos de retención prolongados y a los mecanismos del proceso, sonsistemas altamente eficaces para la remoción de bacterias, virus y parásitos,comparativamente con otros tratamientos.

� En las lagunas no hay necesidad de desinfección con cloro. Aquí la desinfección esnatural.

� Mínimo mantenimiento.

� No requiere de personal calificado.


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6.2.6 Desventajas

� Requieren de grandes áreas de terreno para su implantación.

� Es un sistema sensible a las condiciones climáticas.

� Puede producir vectores.

� No permite modificaciones en las condiciones de proceso..

Conocido las ventajas y desventajas de las lagunas de estabilización, quedará a criteriodel ingeniero encargado del proyecto si es conveniente emplear esta unidad en lalocalidad donde se desea tratar las aguas residuales de uso doméstico.

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6.2.7 Diseño laguna facultativa

Para el dimensionamiento de lagunas facultativas se tomarán en consideración loscriterios de la Norma S090 “Planta de Tratamiento de Aguas Residuales” delReglamento Nacional de Construcción.

ónContribuciDotaciónPoblación

Qp %1000

××=

1) Caudal de diseño (Qp, m3/día)

Dotación, en litro/hab/día.

2) Carga orgánica (C, kg DBO/día)

Qp, en litros/segundo


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3) Condición de temperatura vs temperatura del agua

4) Carga superficial (CS, kg DBO/ Ha . día)

Si T°<25°C

Si T°>25°C

La carga de diseño para las lagunas facultativas se determinará con cualquiera de lassiguientes expresiones:

Donde,

Cs es la carga superficial de diseño en Kg DBO/(haxdía)

T es la temperatura del agua promedio del mes mas frío en °C

� Norma S.090

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4) Carga superficial (CS, kg DBO/ Ha . día)

� CEPIS - Yañez

A criterio del proyectista quedará qué expresión emplear para el diseño de la laguna.

5) Área de la laguna (A, en Ha)

6) Área de cada laguna (Alag, en Ha)

Donde,

n: Número de lagunas.


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7) Relación largo/ancho de la laguna

8) Profundidad de la laguna (Z, en m)

9) Talud (Zp)

Z = 1.5 a 2.5 m

Zp = 1.5 a 3

Como mínimo 0.50 m

10) Borde libre (BL, en m)

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11) Volumen de lodos (Vlodos, en m3)

Donde,

Pob: Población.

Ta: Tasa de acumularon de lodos, de 100 a 120 litros/habxaño.

N: Periodo de limpieza, de 5 a 10 años.

Con el volumen se calcula la profundidad de los lodos.

12) Altura de lodos (Zlodos, en m)

Donde,

Af: área del fondo de la laguna, en m.


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13) Periodo de retención (PR, en día)

Donde,

Fch: factor de corrección hidráulica

Donde,

Qe: Caudal promedio menos el caudal de evaporación e infiltración que se pierde durante el proceso

El periodo de retención debe ser mayor a 10 días para garantizar una remoción del99.99% de parásitos.

Esta metodología permite diseñar las dimensiones y saber el tiempo de retención queva a tener la laguna proyectada, pero para saber si se necesita dimensionar otralaguna para tratar el efluente, la primera se tendrá que calcular un valor estimado dela remoción de la DBO y de los coliformes fecales que se da en la laguna ycompararlo con los valores que están estipulados en las normas de la ley general deaguas, acerca de la calidad del agua del efluente la salida de la planta de tratamientode aguas residuales.

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14) Cálculo del factor de dispersión (d)

Donde,

W,L,Z: dimensiones de la laguna.

R: periodo de retención de la laguna.

T: temperatura del agua, en °C.

El valor de “d “ debe ser menor de 2.

Para tener una predicción acerca de la remoción de los coliformes fecales en lalaguna se empleará las siguientes ecuaciones que provienen de la Ley de Chick

Las lagunas de estabilización trabajan a mezcla completa y no a flujo a pistón, si éstefuera el caso el valor de d sería cero; ellas trabajan bajo flujo disperso y a través de laecuación de Saenz podemos calcularlo.


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14) Cálculo de la constante “a”

Donde,

Kb: coeficiente de mortalidad neto a latemperatura del agua T promedio del mesmas frio, en °C.

K20:coeficiente de mortalidad neta a 20°C.

Para el cálculo de esta constante se utiliza la fórmula de Wehner & Wilhelm ysimplificada por Thirimurthi.

La constante de la razón de remoción Kb se calculará a través de las siguientesexpresiones:

� Norma S.090

Coeficiente de mortalidad bacteriano (neto) será adoptado entre el intervalo de 0,6 a1,0 l/d para 20°C.





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Donde,

Kb: coeficiente de mortalidad neto a latemperatura del agua T promedio del mesmas frio, en °C.

K20:coeficiente de mortalidad neta a 20°C.

� CEPIS – Saenz y Yañez

El encargo del proyecto decidirá cual de las expresiones emplear de acuerdo a sucriterio.

15) Coliformes en el efluente, N

Una vez calculado las constantes anteriores, se reemplazan en la ecuación deWehner & Wilhelm y simplificada por Thirimurthi12. Todo esto parte de la Ley de Chick

Donde,

No: concentración de coliformes fecales con que ingresa a la laguna el agua residual.

15) Coliformes en el efluente, N


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15) Remoción de la DBO

Se sigue la misma metodología que se empleó para los colimes fecales, el valor de laconstante de razón de remoción Kb para 20°C se encuentra de 0, 2 – 0,3 dìa-1.

Además se deben conocer los factores de ajustes para una laguna de estabilizaciónque son:

• Factor de corrección hidráulica (Fch).

• Debido al efecto de la posición relativa de las estructuras de entrada y salida, yal diseño de las mismas, el "factor de corrección hidráulica" (Fch) tiene en lapráctica un valor entre 0,3 y 0,8.

• Factor de características de sedimentación (Fcs).

• El valor de este factor varía entre 0,5 y 0,8 en lagunas primarias; y está muycerca de 1,00 en las lagunas secundarias y de acabado.

• Factor intrínsico de las algas (Fia).

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• Las algas que mueren en las lagunas ejercen una DBO que debe ser tomada encuenta agregando el valor Fia al lado derecho de la ecuación que se utilizará paracalcular la DBO en efluente. El valor de Fia varía entre 0 y 1,2 correspondiendolos valores bajos a lagunas primarias y los altos a lagunas de maduración.

• Se tendrá que conocer la DBO con que ingresa el agua residual a la laguna, encaso no se conozca se puede calcular una de DBO teórica de la siguiente forma:

La DBOsoluble se obtendrá multiplicándole el factor de caracteristicas desedimentación (Fcs) a la DBOteòrica obtenida.


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Una vez obtenido, se reemplazará en la siguiente ecuación:

Donde,

Lo: DBO a la entrada

Con los valores de N y L, se puede comparar con los de la norma de la ley general deaguas para saber si el efluente se encuentra por debajo de los límites máximospermisibles.

En caso fuese necesario dimensionar otra laguna, es decir que los valores no cumplencon las normas estipuladas en la ley general de aguas, se tendría que seguir lametodología siguiente para el dimensionamiento de otra laguna en serie, a la cualgeneralmente se le conoce como laguna secundaria o de maduración.

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� Asumir la profundidad de la laguna, generalmente es 1 m.

� Las incógnitas L y W (largo y ancho de la laguna).

� El periodo de retención, la constante de dispersion “d” y la constante “a” se ponen enfunción de L y W.

� La relación L/W se encuentra de 2 a 6 para una laguna de maduración.

� Todo se deja en función de una variable, ya sea el L o el W.

� Una vez que se tiene d, a y el periodo de retención en función de una variable, seempezará a darle valores a la variable, se obtendrán valores de R, d y a, estos sereemplazarán en la ecuación que se utilizará para predecir el número de coliformes ala salida de la laguna para saber si cumple con la norma o no, en caso no sea así, sele sigue dando valores hasta encontrar el valor que permita cumplir con las normas.

� Siempre deberá procurarse que los valores de coliformes y DBO se encuentren lomas cercanos a los límites máximos permisibles, debido a que cuanto más alejado seencuentre el valor, mayor será el tamaño de la laguna, lo cual encarecerá más elcosto de la obra, por los costos de movimientos de tierra.


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Ejemplo Diseño Laguna facultativa

Se desea tratar las aguas residuales a través de una laguna de estabilización facultativa,en una comunidad de 40000 hab.

Tenemos:

Dotación de 200 l/hab/día.

% contribución al desagüe del 80%.

Contribución percápita de D.B.O. de 43 gr.D.B.O./hab/día.

T°Cpromedio mes + frío = 18°C

T°Cpromedio mes + caliente = 27°C

día/m64008.01000

20040000Qp 3=××=

1) Caudal de diseño (Qp, m3/día) Q diseño =Q promedio

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2) Carga orgánica

día/kgDBO17201000

4340000

1000

percápita.ContPobC =×=×=

3) Temperatura de diseño: se toma la temp. del mes más frío

C19118diseñoTo °=+=

4) Carga superficial

díaHa/KgDBO23805.1250CS )2019(diseño ×=×= −

5) Área requerida

Ha23.7238

1720

aVolumétricC

OrgánicaaargCrequeridaA ===


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Ha615.32

23.7lagula/cArea ==

2W

L =

6) Dimensiones Largo y ancho

Para 2 lagunas en paralelo, tenemos

m5.134443.1342

36150

2

lag/AcW ====

Asumiendo una relación largo/ancho igual a 2

m5.134W = m269L =Asumiendo una relación largo/ancho igual a 2

Asumimos un talud Zp=2 m y un borde libre de 0.50 m

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6) Dimensiones Largo y ancho

Asumiendo una relación largo/ancho igual a 2


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7) Volumen de lodos

3m19200laguna/cVlodos =

8) Área de lodos

2m5.345825.130265Alodos =×=

9) Altura de lodos (Zl)

.m60.055.05.582,34

19200

A

VZ

lodos

lodosL ====

3m384001000

512040000

1000

NTaPobVlodos =××=××=

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10) Periodo de retención

FchPRPR teóricoreal ×=

díasxx

Qe

VolumenPRteórico 64.25

895.821,2

)25.134269( ===

díasPRreal 38.156.064.25 =×=

Fch: Factor de corrección hidráulica 0.3 – 0.8

Asumiendo Fch=0.6

Como resultó mayor que 10 días, existirá una remoción del100% de parásitos

Asumimos que: Qevap + Qinf = -1 cm/día

díamxQevapQQpQe /3895.28215.3781001.03200)inf( =−=+−=Asuperf = 273 x 138.5 = 37810.5 m2


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11) Factor de dispersión


571.005.16.005.1 )2019()20(20 =×=×= −−T

b KK

996.6)365.138.15571.041(41( =×××+=×××+= dRKa b

[ ]( ) 489.1734.0

511.1489.0

ZL)5.42T(

W)Z2W(R158.1d

××+×+××=

[ ]( ) 365.1

2269)5.4219(

5.134)225.134(38.15158.1489.1734.0

511.1489.0

=××+

×+××= xd

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12) Remoción biológica

13) Remoción de la DBO (DBO del efluente)

114.005.112.005.1KK )2019()20T(20b =×=×= −−

252.3)365.138.15114.041(dRK41(a b =×××+=×××+=

( )4

2

365.12996.61

8

2

)2/)1((

1072.8996.61

996.6410

)1(

4 ×=+

×××=+

×××=

×−

− e

a

eaNoN

da

l/mg83.1282.0250)252.31(

e252.34250FiaLo

)a1(

ea4LoL

2

))365.12/()252.31((

2

)d2/)a1((

=×++

×××=×++×××=

×−−

NMP CF/100 ml

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