TRATAMIENTO DE AGUAS

UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS FACULTAD DE INGENIERIA AMBIENTAL

TRATAMIENTO DE AGUAS CAPITULO VI:

TRATAMIENTO SECUNDARIO Profesor: Ing. Omar Eduardo Olivos Lara Lima – Perú 2010

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UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS FACULTAD DE INGENIERIA AMBIENTAL

CAPITULO VI: TRATAMIENTO SECUNDARIO

SESIÓN 6.1:

OBJETIVOS DEL TRATAMIENTO SECUNDARIO Ing. Omar E. Olivos Lara

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6.1 Objetivo del Tratamiento Secundario El fundamento del tratamiento secundario es la inclusión de procesos biológicos en los que predominan las reacciones bioquímicas, generadas por microorganismos que logran eficientes resultados en la remoción de entre el 50% y el 95% de la DBO. Los sistemas más empleados son:

• Biofiltros o filtración biológica, filtros percoladores, filtros rotatorios o biodiscos. • Lodos activados, entre los que se encuentran los convencionales y los de aireación extendida. • Lagunas de estabilización de los tipos facultativas y aireadas

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UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS FACULTAD DE INGENIERIA AMBIENTAL

CAPITULO VI: TRATAMIENTO SECUNDARIO

SESIÓN 6.2:

LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN

Ing. Omar E. Olivos Lara

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6.2 Lagunas de Estabilización Una laguna de estabilización es una estructura simple para embalsar aguas residuales con el objeto de mejorar sus características sanitarias. Las lagunas de estabilización se construyen de poca profundidad (2 a 4 m) y con períodos de retención relativamente grandes (por lo general de varios días). Cuando las aguas residuales son descargadas en lagunas de estabilización se realizarán en las mismas, en forma espontánea, un proceso conocido como autodepuración o estabilización natural, en el que ocurren fenómenos de tipo físico, químico, bioquímico y biológico. Este proceso se lleva a cabo en casi todas las aguas estancadas con alto contenido de materia orgánica putrescible o biodegradable.

Parámetros de evaluación • DBO: caracteriza la carga orgánica • CF (mg/l): caracteriza la contaminación micorbiológica • SST, SS y SD 5

6.2 Lagunas de Estabilización Las lagunas que reciben agua residual cruda son lagunas primarias. Las lagunas que reciben el efluente de una primaria se llaman secundarias; y así sucesivamente las lagunas de estabilización se pueden llamar terciarias, cuaternarias, quintenarias, etc. A las lagunas de grado más allá del segundo también se les suele llamar lagunas de acabado, maduración o pulimento. Siempre se deben construir por lo menos dos lagunas primarias (en paralelo) con el objeto de que una se mantenga en operación mientras se hace la limpieza de los lodos de la otra. El proceso que se lleva a cabo en las lagunas facultativas es diferente del que ocurre en las lagunas anaerobias. Sin embargo, ambos son útiles y efectivos en la estabilización de la materia orgánica y en la reducción de los organismos patógenos originalmente presentes en las aguas residuales. La estabilización de la materia orgánica se llevará a cabo a través de la acción de organismos aerobios cuando hay oxígeno disuelto; éstos últimos aprovechan el oxígeno originalmente presente en las moléculas de la materia orgánica que están degradando. Existen algunos organismos con capacidad de adaptación a ambos ambientes, los cuales reciben el nombre de facultativos. 6

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6.2 Lagunas de Estabilización La estabilización de la materia orgánica presente en las aguas residuales se puede realizar en forma aeróbica o anaeróbica según haya o no la presencia de oxígeno disuelto en el agua.

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6.2 Lagunas de Estabilización El tratamiento de las aguas residuales en las lagunas de estabilización deben ser precedidas por un proceso de pretratamiento.. Normalmente se utilizan dos o tres lagunas en serie. Para el diseño de las lagunas facultativas se tendrá en cuenta la temperatura del agua del mes más frío del año, lo que permitirá calcular la carga superficial de materia orgánica, en kg. de DBO/ha/día (Demanda bioquímica de oxígeno por hectárea al día). La remoción de bacterias representadas por los coliformes fecales se estimará utilizando los coeficientes de mortalidad bacteriana establecidos para cada unidad en el modelo hidráulico de flujo disperso. No es aceptable utilizar información deducida del modelo de mezcla completa. Para una adecuada remoción de parásitos, representados por nemátodos intestinales, se requiere un periodo de retención nominal mínimo de 10 días en una de las lagunas. Los parásitos protozoos se retienen impidiendo la salida del agua por rebose.

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6.2 Lagunas de Estabilización Por otro lado, cuando se proponen combinaciones de lagunas que se inician con una anaeróbica, a las siguientes lagunas (a partir de la secundaria) se les puede llamar también 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 se llevará a cabo en una masa de agua que contiene oxígeno disuelto. En este proceso, en el que participan bacterias aerobias o facultativas, se originan compuestos inorgánicos que sirven de nutrientes a las algas, las cuales a su vez producen más oxígeno que facilita la actividad de las bacterias aerobias. Existe pues una simbiosis entre bacteria y algas que facilita la estabilización aerobia de la materia orgánica. El desdoblamiento de la materia orgánica se lleva a cabo con intervención de enzimas producidas por las bacterias en sus procesos vitales. A través de estos procesos bioquímicos en presencia de oxígeno disuelto las bacterias logran el desdoblamiento aerobio de la materia orgánica. El oxígeno consumido es parte de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO). Las algas logran, a través de procesos inversos a los anteriores, en presencia de la luz solar, utilizar los compuestos inorgánicos para sintetizar materia orgánica que incorporan a su protoplasma. A través de este proceso, conocido como fotosíntesis, las algas generan gran cantidad de oxígeno disuelto. 10

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

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Interacción de bacterias y algas en las zonas aeróbicas y anaeróbicas, en una laguna facultativa de estabilización

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6.2.2 Proceso anaerobio Las reacciones anaerobias son más lentas y los productos pueden originar malos olores. Las condiciones anaerobias se establecen cuando el consumo de oxígeno disuelto es mayor que la incorporación del mismo a la masa de agua por la fotosíntesis de las algas y el oxígeno disuelto y que la laguna se torne de color gris oscuro. El desdoblamiento de la materia orgánica sucede en un forma más lenta y se generan malos olores por la producción de sulfuro de hidrógeno. En la etapa final del proceso anaerobio 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, estas interactúan entre si, dependen de la radiación solar. Durante el día la capa aerobia es la que predomina en la laguna y durante la noche la capa anaerobia. Las algas tienen un rol sumamente importante en el proceso biológico de las lagunas de estabilización, pues son los organismos responsable de la producción de oxígeno molecular, elemento vital para las bacterias que participan en la oxidación bioquímica de la materia orgánica. La presencia de las algas en niveles adecuados, asegura el funcionamiento de la fase aerobia de las lagunas, cuando se pierde el equilibrio ecológico se corre con el riesgo de producir el predominio de la fase anaerobia, que trae como consecuencia una reducción 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, estas interactúan entre si, dependen de la radiación solar. Durante el día la capa aerobia es la que predomina en la laguna y durante la noche la capa anaerobia. Las algas tienen un rol sumamente importante en el proceso biológico de las lagunas de estabilización, pues son los organismos responsable de la producción de oxígeno molecular, elemento vital para las bacterias que participan en la oxidación bioquímica de la materia orgánica. La presencia de las algas en niveles adecuados, asegura el funcionamiento de la fase aerobia de las lagunas, cuando se pierde el equilibrio ecológico se corre con el riesgo de producir el predominio de la fase anaerobia, que trae como consecuencia una reducción de la eficiencia del sistema.

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

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6.2.4 Microbiología en las lagunas facultativas Zooplackton El zooplackton de las lagunas de estabilización está conformado por cuatro Grupos Mayores; ciliados, rotíferos, copédodos, y cladoceros. Ocasionalmente se presentan amebas de vida libre, ostracodos, ácaros, turbelarios, larvas y pupas de dípteros. La mayoría de individuos de estos grupos sólo están en las lagunas de estabilización durante algún estadio evolutivo, raramente tienen importancia cualitativa.

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6.2.4 Microbiología en las lagunas facultativas Rotíferos Los rotíferos predominan durante los meses de verano, dentro de este grupo, el género Brachionus se presenta con mayor frecuencia, siendo el más resistente aún en condiciones extremas. Cuando el número de rotíferos se incrementa a niveles superiores a los normales se observa un efecto negativo en la calidad del agua, ocasionando un aumento de los niveles de amonio, ortofosfato soluble, nitratos, y nitritos. Asimismo, la presencia de un gran número de estos organismos, que consumen algas, disminuye la cantidad de oxígeno disuelto en el agua a niveles de riesgo. Los géneros predominantes de cladoceros son Moína y Daphnia y en los ciliados son Pleuronema y Vorticella.

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6.2.5 Factores de influencia


Temperatura: A mayor temperatura, mayor será el crecimiento de microorganismos y viceversa.




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




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




Inhibidores: Presencia de metales pesados, sulfatos, pesticidas, etc, ocasionan un decrecimiento de bacterias.




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

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6.2.6 Ventajas


Pueden recibir y retener grandes cantidades de agua residual, soportando sobrecargas hidráulicas y orgánicas con mayor flexibilidad, comparativamente con otros tratamientos.




Formación de biomasa más efectiva y variada que en los procesos de tratamiento con tanque séptico y tanque imhoff.




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




Debido a los tiempos de retención prolongados y a los mecanismos del proceso, son sistemas 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 es natural.




Mínimo mantenimiento.




No requiere de personal calificado. 20

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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 criterio del ingeniero encargado del proyecto si es conveniente emplear esta unidad en la localidad 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 los criterios de la Norma S090 “Planta de Tratamiento de Aguas Residuales” del Reglamento Nacional de Construcción.

1) Caudal de diseño (Qp, m3/día)

Qp =

Población × Dotación × % Contribuci ón 1000

Dotación, en litro/hab/día.

2) Carga orgánica (C, kg DBO/día)

Qp, en litros/segundo 22

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6.2.7 Diseño laguna facultativa 3) Condición de temperatura vs temperatura del agua

Si T°25°C 4) Carga superficial (CS, kg DBO/ Ha . día) La carga de diseño para las lagunas facultativas se determinará con cualquiera de las siguientes expresiones:

 Norma S.090

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

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6.2.7 Diseño laguna facultativa 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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6.2.7 Diseño laguna facultativa 7) Relación largo/ancho de la laguna

8) Profundidad de la laguna (Z, en m) Z = 1.5 a 2.5 m 9) Talud (Zp) Zp = 1.5 a 3 10) Borde libre (BL, en m) Como mínimo 0.50 m 25

6.2.7 Diseño laguna facultativa

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. 26

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6.2.7 Diseño laguna facultativa 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 del 99.99% de parásitos. Esta metodología permite diseñar las dimensiones y saber el tiempo de retención que va a tener la laguna proyectada, pero para saber si se necesita dimensionar otra laguna para tratar el efluente, la primera se tendrá que calcular un valor estimado de la remoción de la DBO y de los coliformes fecales que se da en la laguna y compararlo con los valores que están estipulados en las normas de la ley general de aguas, acerca de la calidad del agua del efluente la salida de la planta de tratamiento 27 de aguas residuales.

6.2.7 Diseño laguna facultativa 14) Cálculo del factor de dispersión (d) Para tener una predicción acerca de la remoción de los coliformes fecales en la laguna 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 éste fuera el caso el valor de d sería cero; ellas trabajan bajo flujo disperso y a través de la ecuación de Saenz podemos calcularlo. 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.

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6.2.7 Diseño laguna facultativa 14) Cálculo de la constante “a” Para el cálculo de esta constante se utiliza la fórmula de Wehner & Wilhelm y simplificada por Thirimurthi.

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

 Norma S.090

Donde, Kb: coeficiente de mortalidad neto a la temperatura del agua T promedio del mes mas frio, en °C. K20:coeficiente de mortalidad neta a 20°C.

Coeficiente de mortalidad bacteriano (neto) será adoptado entre el intervalo de 0,6 a 1,0 l/d para 20°C. 29

6.2.7 Diseño laguna facultativa  CEPIS – Saenz y Yañez

Donde, Kb: coeficiente de mortalidad neto a la temperatura del agua T promedio del mes mas frio, en °C. K20:coeficiente de mortalidad neta a 20°C.

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

15) Coliformes en el efluente, N Una vez calculado las constantes anteriores, se reemplazan en la ecuación de Wehner & 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.

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6.2.7 Diseño laguna facultativa 15) Remoción de la DBO Se sigue la misma metodología que se empleó para los colimes fecales, el valor de la constante 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 estabilización que son: • Factor de corrección hidráulica (Fch). • Debido al efecto de la posición relativa de las estructuras de entrada y salida, y al diseño de las mismas, el "factor de corrección hidráulica" (Fch) tiene en la práctica 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 muy cerca de 1,00 en las lagunas secundarias y de acabado. • Factor intrínsico de las algas (Fia).

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6.2.7 Diseño laguna facultativa 15) Remoción de la DBO • Las algas que mueren en las lagunas ejercen una DBO que debe ser tomada en cuenta agregando el valor Fia al lado derecho de la ecuación que se utilizará para calcular la DBO en efluente. El valor de Fia varía entre 0 y 1,2 correspondiendo los 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, en caso no se conozca se puede calcular una de DBO teórica de la siguiente forma:

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

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6.2.7 Diseño laguna facultativa 15) Remoción de la DBO 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 de aguas para saber si el efluente se encuentra por debajo de los límites máximos permisibles. En caso fuese necesario dimensionar otra laguna, es decir que los valores no cumplen con las normas estipuladas en la ley general de aguas, se tendría que seguir la metodología siguiente para el dimensionamiento de otra laguna en serie, a la cual generalmente se le conoce como laguna secundaria o de maduración. 33

6.2.7 Diseño laguna facultativa


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 en función 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, se empezará a darle valores a la variable, se obtendrán valores de R, d y a, estos se reemplazarán en la ecuación que se utilizará para predecir el número de coliformes a la salida de la laguna para saber si cumple con la norma o no, en caso no sea así, se le 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 lo mas cercanos a los límites máximos permisibles, debido a que cuanto más alejado se encuentre el valor, mayor será el tamaño de la laguna, lo cual encarecerá más el 34 costo 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

1) Caudal de diseño (Qp, m3/día)

Qp =

Q diseño =Q promedio

40000 × 200 × 0.8 = 6400 m 3 / día 1000 35

Ejemplo Diseño Laguna facultativa 2) Carga orgánica

C=

Pob × Cont.percápita 40000× 43 = = 1720 kgDBO / día 1000 1000

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

T o diseño = 18 + 1 = 19°C 4) Carga superficial

CSdiseño = 250 ×1.05(19−20) = 238 KgDBO / Ha × día 5) Área requerida

A requerida =

C arg a Orgánica 1720 = = 7.23 Ha C Volumétrica 238

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Ejemplo Diseño Laguna facultativa Para 2 lagunas en paralelo, tenemos

Area c / lagula =

7.23 = 3.615 Ha 2

6) Dimensiones Largo y ancho Asumiendo una relación largo/ancho igual a 2

L =2 W

W=

Ac / lag 36150 = = 134.443 = 134.5m 2 2

W = 134.5 m

L = 269 m

Asumiendo una relación largo/ancho igual a 2 Asumimos un talud Zp=2 m y un borde libre de 0.50 m 37

Ejemplo Diseño Laguna facultativa

6) Dimensiones Largo y ancho Asumiendo una relación largo/ancho igual a 2

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Ejemplo Diseño Laguna facultativa 7) Volumen de lodos

Vlodos =

Pob × Ta × N 40000×120 × 5 = = 38400 m3 1000 1000 Vlodos c / laguna = 19200 m 3

8) Área de lodos

Alodos = 265 × 130 .5 = 34582 .5 m 2 9) Altura de lodos (Zl)

ZL =

Vlodos 19200 = = 0.55 = 0.60 m. A lodos 34,582.5 39

Ejemplo Diseño Laguna facultativa 10) Periodo de retención

PR real = PR teórico × Fch Fch: Factor de corrección hidráulica 0.3 – 0.8 Asumimos que: Qevap + Qinf = -1 cm/día Asuperf = 273 x 138.5 = 37810.5 m2

Qe = Qp − (Q inf + Qevap) = 3200 − 0.01x37810.5 = 2821.895m3 / día

PRteórico =

Volumen (269x134.5 x 2) = = 25.64 días Qe 2,821.895

Asumiendo Fch=0.6

PRreal = 25.64 × 0.6 = 15.38 días

Como resultó mayor que 10 días, existirá una remoción del 100% de parásitos

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Ejemplo Diseño Laguna facultativa 11) Factor de dispersión

d= d =

[

]

1 . 158 × R × ( W + 2 Z ) 0 .489 × W 1 .511 1 . 489 ( T + 42 . 5 ) 0 .734 × (L × Z )

[

]

1 . 158 × 15 . 38 × (134 . 5 + 2 x 2 ) 0 .489 × 134 . 5 1 .511 = 1 . 365 1 . 489 (19 + 42 . 5 ) 0 .734 × (269 × 2 )

12) Cálculo de la constante “a”

K b = K 20 × 1 . 05 ( T − 20 ) = 0 . 6 × 1 . 05 (19 − 20 ) = 0 . 571 a=

(1 + 4 × K b × R × d =

(1 + 4 × 0 . 571 × 15 . 38 × 1 . 365 ) = 6 . 996

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Ejemplo Diseño Laguna facultativa 12) Remoción biológica  1 − 6 . 996   

No × 4 × a × e ((1− a ) / 2 d ) 10 8 × 4 × 6 . 996 × e  2 ×1 .365  N = = = 8 . 72 × 10 4 2 2 (1 + a ) (1 + 6 .996 ) NMP CF/100 ml

13) Remoción de la DBO (DBO del efluente)

K b = K 20 × 1 . 05 ( T − 20 ) = 0 . 12 × 1 . 05 (19 − 20 ) = 0 . 114 a= L=

(1 + 4 × K b × R × d =

(1 + 4 × 0 . 114 × 15 . 38 × 1 . 365 ) = 3 . 252

Lo × 4 × a × e ((1−a ) / 2 d ) 250 × 4 × 3.252 × e ((1−3.252) /( 2×1.365)) + Lo × Fia = + 250 × 0.2 = 128.83 mg / l (1 + a ) 2 (1 + 3.252) 2 42

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