Resumen
En muchas plantas convencionales de tratamiento de aguas residuales se puede alcanzar los requerimientos de calidad del efluente a través de una operación eficiente y una buena desinfección del efluente. En las lagunas de estabilización, la operación eficiente es importante, pero la calidad del efluente está determinada por las condiciones climáticas y, principalmente, por la temperatura y la luz solar. Cuando los ingenieros diseñan lagunas de estabilización saben que la calidad del efluente cambiará de un mes a otro, de una semana a otra, de un día a otro, en incluso de una hora a otra. Sin embargo, las autoridades de salud pública demandan que los proyectistas indiquen cuál será la calidad del efluente.
Para el riego indiscriminado con aguas residuales tratadas, se requiere que la calidad bacteriológica sea buena. Esto significa que la concentración de Coliformes fecales sea menor de 1000/100 mL (NMP CF < 1000/100 mL) según las directivas sanitarias de la OMS
ver referencia 10. La literatura indica que ésto se puede lograr con 3 o 4 lagunas de estabilización en serie. Pero el problema es saber como dimensionar estas lagunas y como operarlas.La OPS ha estado utilizando con buen éxito un modelo matemático para la predicción de la calidad del efluente en lagunas de estabilización. Este modelo ha sido calibrado a través de pruebas bajo flujo discontinuo (batch), realizadas en el campo (in situ). En Lima, Perú, sólo existen dos estaciones: una estación de días nublados y otra de días soleados. Durante cada estación, se realizó una prueba de calibración. Se supone en el modelo, que la Ley de Chick rige la remoción de bacterias en lagunas de estabili zación bajo flujo discontinuo. En consecuencia, la determinación de la constante de remoción bacteriana se debe realizar bajo estas condiciones. Durante la calibración, se determinó la siguiente relación para la constante de remoción bacteriana:
Kb = Kb20 * (THETA)(T-20)
Después de realizar la calibración se conoce el valor de Kb y se puede conocer la calidad del efluente de lagunas bajo flujo discontinuo, mediante la ecuación:
N = No * e (-Kb*t)............(Ley de Chick)
Donde:
- No = calidad bacteriológica original del agua
- N = calidad bacteriológica después de un tiempo, t.
En San Juan de Miraflores, Lima, Perú, este modelo se ha calibrado sometiendo una de las lagunas de la batería existente a flujo discontinuo. Posteriormente se ha verificado la confiabilidad del modelo mediante lagunas operando bajo flujo continuo. Se ha obtenido el mismo orden de magnitud para la concentración de coliformes fecales en muestras reales y calculadas mediante este modelo. La aplicación del modelo para la DBO requirió de correcciones especiales para tomar en cuenta el efecto de la mortalidad de las algas a través de un factor de DBO intrínseca de las algas (IAF). (Ver Cuadro1)
Modelos como el presentado en este documento están transformando el arte del diseño y operación de lagunas de estabilización en la ciencia e ingeniería de las lagunas de estabilización.
Las lagunas de estabilización de aguas residuales permiten la reducción de agentes patógenos sin la necesidad de la cloración y la previa clarificación en plantas convencionales de tratamiento, lo cual es muy importante en el caso de los paises en desarrollo donde no existen ni los recursos ni el personal necesarios para utilizar las tecnologías de los países desarrollados.
Las condiciones ambientales que se presentan en las lagunas de estabilización son hostiles para los agentes patógenos, los cuales disminuyen de acuerdo a la ley de chick cuando el flujo es discontinuo:
Donde
La mayoría de las lagunas de estabilización funcionan bajo condiciones de flujo continuo en las cuales la dispersión rrodifica el mecanismo de remoción, y la ecuación (1) se torna en:
dN = D d2N - U dN -Kb N -- --- -- ........ (2) dt dx2 dx Donde
La ecuación (2) ha sido integrada por Wehner & Wilhelm ver referencia 1 y simplificada por Thirimurthi ver referencia 2 para los valores de dispersión (d = D/U x L) menores de uno (como es el caso de la mayoría de las lagunas de estabilización):
N = 4*a*eˆ((1-a)/2*d) -- --------------------- ..... (3) No (1+a)2 Donde:
No = concentración de agentes patógenos cuando, t=0
Se pueden obtener resultados en la predicción de la calidad de efluentes de lagunas de estabilización con las ecuaciones (3) y (4) si se conocen los valores de las constantes Kb, R y d. El valor de Kb puede ser determinado a través de pruebas bajo flujo discontinuo en áreas geográficas consideradas. Las determinaciones de Kb deben ser hechas para kas diferentes estaciones, por ser su valor dependiente de la temperatura y la luz solar. R Puede ser determinado si se conocen la razón de flujo (Q), el factor de corrección hidráulica HCF (ver 3.2), y las tres dimenciones de las lagunas (L,W y Z). El factor de dispersión d es discontinuo en 2.
Muchos investigadores han supuesto que las lagunas de estabilización trabajan bajo condiciones de flujo a pistón. Si esto fuera cierto, d = 0; y la calidad de los efluentes de las lagunas se determinaría con la ecuación:
N = No*eˆ(-Kb*t) .............. (3A)
La ecuación (3A) ha sido obtenida mediante la integración de la ecuación (1). Otros investigadores han supuesto que en las lagunas de estabilización ocurre mezcla completa. Si esto fuera cierto, d = infinito, y:
Q*No + CANBIO = Q*N
CAMBIO = (dN/dt)*V = -kb*N*V
Q*No + (-Kb*N*V) = Q*N
No = Kb*N*R + N
N = No/(1+Kb*R)............. (3B)
(3B) es conocida como la ecuación de mezcla completa.
En la práctica el uso de las ecuaciones (3A) Y (3B) lleva a resultados errados por que las lagunas de estabilización no trabajan ni bajo flujo a pistón ni bajo mezcla completa; ELLAS TRABAJAN BAJO FLUJO DISPERSO, y solamente la ecuación (3) permitirá obtener resultados acertados.
2.1 El factor de dispersión d.
La principal dificultad que se encuentra para usar la ecuación (3) está en que se debe conocer el factor de dispersión d.
En lagunas bajo operación d puede determinarse usando trazadores.
Para proyectar lagunas se puede utilizar el modelo desarrollado paralelepipedos rectángulos por Polprasert & Battarai
ver referencia 3 :| d = | 0.l84*((R*NU*(w+2*Z))0.489)*(w)1.511 |
| --------------------------------------- | ............(5) |
| (L*Z)ˆ1.489 |
Donde NU es la viscosidad cinemática del agua.
Sáenz ver referencia 4 ha transformado esta ecuación para expresar la viscosidad cinemática NU en función de la temperatura del agua (T) en gr. C.
| d = | 1.158*((R*(W+2*Z))0.489) * (w)1.511 |
| ------------------------------ | ........... (5A) |
| ((T+42.5)ˆ0.734)*(L*Z)ˆ1 .489 |
Las ecuaciones (1), (2), (3), (4), y (5A) constituyen el modelo propuesto en este documento.
3.2
Factor de corrección hidráulica. HCF 3.3
Factor de características de sedimentación. SCF 3.4
Factor de DBO intrínsica de las algas. IAF. 3.1 Calibración para las características climáticas
En San Juan de Miraflores, Lima, Perú, existen 21 lagunas de estabilización que trabajan como primarias, secundarias, terciarias y cuaternarias. El flujo del agua fue interrumpido en una de las lagunas primarias para someterla a flujo discontinuo (batch). En los cuadros siguientes se presenta la información recogida y el procesamiento de la misma para obtener el valor de Kb (calibración del modelo).
Cuadro
2. Calibración del Modelo: Remoción de DBO5 Cuadro
3. Calibración del Modelo: Remoción de Coliforme Fecal Se observará que también se han obtenido datos sobre la DBO los cuales han sido procesados siguiendo la misma metodología. Esto es posible porque el modelo presentado para la remoción bacteriana sigue la misma reacción de primer orden que rige la remoción de DBO:
Donde:
L = valor instantáneo de DBO; K = constante de remoción de DBO (1/t) Obsérvese la similitud entre las ecuaciones(1) y (6). Sin embargo, en el caso de la DBO debe tomarse en cuenta la DBO debe tomarse en cuenta la DBO intrínseca de las algas. Ver 3.4.
En la mayoría de las lagunas de estabilización el comportamiento hidráulico es regido por las leyes del flujo laminar. Bajo este régimen de flujo las capas superiores del agua de la laguna (hacia las cuales son atraídas las algas durante el día) se mueven a una velocidad igual a 3/2 la velocidad promedio. Por consiguiente, el tiempo de retención de la biomasa que está en esta zona de la laguna tiende a ser (2/3)*(V/Q).
Debido al efecto de la posición relativa de las estructuras de entrada y salida, y al diseño de las mismas, el "factor de corrección hidráulia" (HCF) tiene en la práctica un valor entre 0.3 y 0.8. Tomando en consideración este factor, el tiempo de retención actual será: R*HCF. Ver mas detalles sobre este tema en las
referencias 7 y 8.Debido a que los modelos anteriormente presentados se refieren a la carga suspendida, debe de tomarse en cuenta un "factor de características de sedimentación" (SCF). El valor de este factor varia entre 0.5 y 0.8 en lagunas primarias; y está muy cerca de 1.00 en las lagunas secundarias y de acabado.
Ver referencia 7.Las algas que mueren en las lagunas ejercen una DBO que debe ser tomada en cuenta agregando el valor IAF al lado derecho de la ecuación (3). El valor de IAF varia entre 0 y 1.2 correspondiendo los valores bajos a lagunas primarias y los altos a lagunas de maduración.
Después de calibrar el modelo con los valores correspondientes de K, Kb y la terrperatura, se puede obtener la estimación de la DBO y de las concentraciones de Coliformes fecales en los efluentes de las lagunas. Si se dispone de los datos sobre la temperatura promedio del agua para los doce meses del año, se puede realizar predicciones de la calidad del efluente para cada mes del año.
Evaluación de la calidad del efluente de un sistema de lagunas de estabilización
Información Requerida y Simbología
Parámetros de diseño:
- Mes considerado: indique el mes considerado y su importancia
Datos característicos de las lagunas de estabilización
Datos de las lagunas relacionados con el caudal
Datos característicos del agua
Cuadro
5. Evaluación de la calidad del agua en el Mes de Febrero de 1986 Este modelo ha sido verificado con datos actuales de campo. Los datos mostrados en las tablas del
cuadro 1 indican que se ha obtenido el mismo Orden de magnitud para las concentraciones de Coliformes fecales reales y las predichas por el modelo. Los valores de DBO5 del modelo tuvieron que ser corregidos con el factor de DBO intrínseca de las algas (IAF), fenómno que es muy importante en las lagunas terciarias y en las de maduración.El modelo presentado en este documento constituye una buena herramienta para los ingenieros y otros profesionales relacionados con el diseño, operación y control de las lagunas de estabilización.
Debido a que la sensibilidad de este modelo con respecto a los valores Kb y K es muy elevada, se debe calibrar el mismo para diferentes áreas geográficas durante los periodos que representan a las diferentes estaciones.
Se recomienda leer las referencias con el fin de entender mejor los fundamentos teóricos de este modelo.
Los buenos resultados obtenidos en Lima, Perú, con este modelo no constituyen una razón para pensar que éste funcionará en cualquier otro lugar y tiempo.
Probablemente se necesitará corregir algunas constantes de este modelo para su adaptación a situaciones diferentes.
Se debe realizar una mayor investigación con el objeto de establecer un método estándar para la determinación de las constantes K y Kb (calibración del modelo) en las pruebas bajo flujo discontinuo.
Se puede econtrar en
referencias 5, 6, y 7 conceptos adicionales sobre diseño, operación y construcción de lagunas de estabilización.Después de calibrar el modelo con los valores correspondientes de K, Kb y la temperatura, se puede obtener la estimación de la DBO y de las concentraciones de coliformes fecales en los efluentes de las lagunas. Si se dispone de los datos sobre la temperatura promedio del agua para los doce meses del año, se puede realizar predicciones de la calidad del efluente para cada mes del año.
Evaluación de la calidad del efluente de un sistema de lagunas de estabilización
Información Requerida y Simbología
Parámetros de diseño:
- Mes considerado: indique el mes considerado y su importancia
Datos caracteristicos de las lagunas de estabilización
Otros datos de las lagunas y el afluente
Datos Característicos del agua
Módulo 10,000 habitantes
Cuadro
6. Evaluación de la calidad del agua en las lagunas de estabilización a 10.00 °C Cuadro
7. Evaluación de la calidad del agua en las lagunas de estabilización a 15.00 °C Cuadro
8. Evaluación de la calidad del agua en las lagunas de estabilización a 20.00 °C Cuadro
9. Evaluación de la calidad del agua en las lagunas de estabilización a 25.00 °C Cuadro
10. Evaluación de la calidad del agua en las lagunas de estabilización a 30.00 °C Módulo 50,000 habitantes
Cuadro
11. Evaluación de la calidad del agua en las lagunas de estabilización a 10.00 °C Cuadro
12. Evaluación de la calidad del agua en las lagunas de estabilización a 15.00 °C Cuadro
13. Evaluación de la calidad del agua en las lagunas de estabilización a 20.00 °C Cuadro
14. Evaluación de la calidad del agua en las lagunas de estabilización a 25.00 °C Cuadro
15. Evaluación de la calidad del agua en las lagunas de estabilización a 30.00 °C Resumen de los Resultados
Cuadro
16. Población de 10,000 habitantes Cuadro
17. Población de 50,000 habitantes Comentarios al Webmaster |
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