CURSO PRACTICO SOBRELAGUNAS DE ESTABILIZACION:

TEORIA, PRACTICA, OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO

ORGANIZADO POR:ASOCIACION ECUATORIANA DE INGENIERIA

SANITARIA Y AMBIENTAL, AEISA Y LAUNIVERSIDAD LAICA VICENTE ROCAFUERTE DE

GUAYAQUIL

12 al 24 de Mayo 2003Guayaquil, Ecuador

CURSO INTERNACIONALSOBRE LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN

LAGUNAS DE ESTABILIZACIONFACULTATIVAS

Fabian Yanez, Ph.D.CONSULTOR

LAGUNAS FACULTATIVASEstanques construídos en diques de tierra

compactada de profundidad reducida (< 4m.). Diseñados para el tratamiento de

desechos orgánicos, con la interacción dela biomasa, (algas, bacterias,

protozoarios, etc.), la materia orgánica deldesecho y otros factores naturales

(químicos, meteorológicos, hidráulicos,etc.), con el propósito de entregar unefluente de características múltiplesdeseadas (DBO, DQO, OD, SS, algas,nutrientes, bacterias, parásitos, etc.)

EXISTEN CINCO METODOS DEDIMENSIONAMIENTO (1)

1) El método de la cinética de primerorden desarrollado por Hermann yGloyna

2) El método de mezcla completa elequilibrio continuo y cinética deprimer orden descrito por Marais

3) El modelo de flujo disperso

EXISTEN CINCO METODOS DEDIMENSIONAMIENTO (2)

4) Los resultados de investigaciones en países endesarrollo, que pueden agruparse en:

• La correlación de carga facultativa límite de McGarry y Pescod, basado en temperatura del aire

• Los resultados de investigaciones del CEPIS enPeru, como:– la correlación de carga facultativa límite basado en

temperatura del agua– las correlaciones de carga para lagunas– los factores de dispersión y tasas netas de mortalidad,

para uso en el modelo de flujo disperso

EXISTEN CINCO METODOS DEDIMENSIONAMIENTO (3)

- Los resultados de investigaciones de Brazil,como:coeficientes de reacción globalescarga facultativa límite en funeción de la

concentración de chlorofilaotras correlaciones de carga

5)El modelo dinámico reportado por Fritz, quetiene la interrrelación más completa entrevariables y puede ser resuelto en equlibrioestable o inestable

1. MODELO DE CINETICA DE PRIMERORDEN (1)

PRt /PRo = exp [C (To -T)] = θθ (To - T)

PRt = período de retención a la temperatura T

PRo = período de retención original evaluadoa la temperatura To

1. MODELO DE CINETICA DEPRIMER ORDEN (2)

Investigaciones a escala de laboratoriodeterminaron:

PRo = 3.5 días para 85-95% de remoción yTo = 35 °C

C = 0.0693 y θθ = 1.072

RRt = 3.5 x 1.072 (35 -T)

1. MODELO DE CINETICA DE PRIMERORDEN (3)

Se introdujeron las siguientes definiciones:PR = V/Qa y Sa/200V = volumen, (m3)Qa = caudal afluente, m3/daPR = período de retención nominal, díasSa = DBO última del desecho, mg/l

V = 3.5 x Qa x (Sa/200) x 1.072(35-T)

1. MODELO DE CINETICA DE PRIMERORDEN (4)

Se determinó: θθ = l.085 para PRo = 7 días y To = 35 °CV = 0.035 x Qa x Sa x 1.085(35-T)

La carga orgánica aplicada y volumen son:

CSa = 0.001 x Qa . Sa/A V = 10,000 d . Ad es la profundidad, m. y A es el área de la laguna, Ha.

CSa = 285.7 x d x 1.085 (T-35)

DBO 5 para desecho doméstico diluído y DBO última paradesecho concentrado

V = 0.035 x Sa x 1.085 (35-T)

1. MODELO DE CINETICA DE PRIMERORDEN (5)

SUPOSICIONES Y RESTRICCIONES DEL MODELO(1) Una remoción de DBO de alrededor del 90%(2) Durante los experimentos existieron condiciones de

mezcla para evitar sedimentación de sólidos(3) La temperatura se mantuvo constante y el diseño es

para el mes más frío(4) La relatión es válida para profundidades menores

que 2 m.(5) El uso de este modelo resulta en una unidad con

gran área ( no es aplicable para lagunas en serie)(6) El modelo no puede ser usado para otras eficiencias

de remoción de DBO(7) Las constantes de desoxigenación son variables

CARGA SUPERFICIAL EN LAGUNAS FACULTATIVASMODELO DE GLOYNA

%

%

,

,

+

+

∀

∀

!

!

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

Temperatura del Agua, °C

10

100

1000

Carga

de DBO

, Kg

/(Ha.día)

d=1.5

d=1.6

d=1.7

d=1.8

d=2.0

d=2.2

!∀+,%

PERIODO DE RETENCION EN LAGUNAS FACULTATIVASMODELO DE GLOYNA

&

&

%

%

,

,

+

+

∀

∀

!

!

5 10 15 20 25 30 35

Temperatura del Agua, °C

1

10

100

Pe

rí

od

o

de

R

et

en

ci

ón

,

dí

as

DBO=100

DBO=150

DBO=200

DBO=250

DBO=300

DBO=350

!∀+,%&

2. MODELO DE MEZCLA COMPLETAEN ESTADO ESTABLE (1)

Con balance de DBO 5 días alrededor de lalaguna:

V.dS/dt = Qa.Sa - Q.S - K1.Xb.S.V

En estado estable d/dt = 0; PR = V/Qa y K' = K1.Xb

S = Sa/(1+K'. PR)

2. MODELO DE MEZCLA COMPLETAEN ESTADO ESTABLE (2)

Sa = DBO total 5 días en el afluente, mg/lS = DBO soluble 5 días en el efluente, mg/lK1 = constante de degradación específica de primer

orden a la temperatura T, l/(mg.día)Xb = concentración de biomasa activa, mg/lK' = constante de degradación global de primer

orden a la temperatura T, (1/día)Ko = constante de degradación global de primer

orden a la temperatura To, (1/día)PR = período de retención nominal, días, días.

2. MODELO DE MEZCLA COMPLETAEN ESTADO ESTABLE (3)

De la Ley modificada de Arrhenius :

K' = Ko x θθ T-To = Ko x 1.085 T-20

ESI: E = 100 (Sa - S)/Sa Entonces PR = ---------------

K' (100-E)E = eficiencia de remoción de DBO, %Incorporando la carga superficial aplicada CSa:

CSa = 10 x Ko x Sa x d x θθ T-35 x (100-E)/E

2. MODELO DE MEZCLA COMPLETAEN ESTADO ESTABLE (4)

SUPOSICIONES Y RESTRICCIONES DEL MODELO(1) Se asume mezcla completa, lo cual no es apropiado(2) No hay sedimentación de sólidos(3) Reacción de primer orden para la constante de

degradación y dependiente de la temperatura(4) No hay pérdidas por evaporación y percolación(5) La biomasa y el líquido tienen el mismo submodelo

hidráulico(6) Las constantes de degradación global han sido

determinadas con el modelo de mezcla completa

2. MODELO DE MEZCLA COMPLETAEN ESTADO ESTABLE (5)

DESARROLLO DE LAS CONSTANTES

Marais y Shaw: K = 0.17 (1/día) para 20 °C

Considado aceptable para un coeficiente específico,pero muy pequeño para un coeficiente global

Gloyna: K = 0.35 (1/día) para 20 °C; K = 1.2 (1/día)para 35 °C

3. INVESTIGACION DE PAISES ENDESARROLLO (1)

INVESTIGACIÓN EN PERUEvaluaciones de lagunas durante 55 semanas

resultaron en:K' = PR/(-14.77 + 4.64 PR)

Coeficiente de correlación R2 = 0.916Recomendado para PR = 8 días o más; K' = 0.35 (1/día)

3. INVESTIGACION DE PAISES ENDESARROLLO (2)

INVESTIGACIONES EN BRASIL

Mara y Silva: K' = 0.527/(1 + 0.052 PR)Aceptable para PR = 10 días o más

Para PR = 10, K' = 0.347 (1/día) >>muy similar al valor desarrollado enel Perú

4. CORRELACIONES EMPIRICAS DE CARGA (1)

Mc Garry y Pescod, para lagunas 143 lagunasfacultativas primarias, con remociones de DBOentre 70 y 90% y observaciones visualesqualitativas

CSr = 10.35 + 0.725 CSa

CSa = carga aplicada, calculada con la DBO totaldel afluente, Kg/(Ha.día)

CSr = carga de DBO removida = total - soluble,Kg/(Ha.día)

4. CORRELACIONES EMPIRICAS DE CARGA (2)Evaluación de las lagunas de San Juan en Perú

SLr = A + B . SLa

COEFFICIENTES ---------------------- No. Intervalo

TIPOS DE LAGUNAS A B corr. obs. Kg/(Ha.d)------------------------------ -------- -------- ------- ----- --------------Cuatro primarias (a) 7.67 0.806 0.996 71 200-1158Una primaria (b) -23.46 0.998 0.989 26 113- 364Cinco primarias (c) 20.51 0.777 0.992 97 113-1158Cuatro primarias (c) 1.46 0.801 0.979 46 467-1158Tres primarias (c) 0.75 0.906 0.857 15 251- 335Cuatro prim. & sec. (a) -7.81 0.819 0.998 139 42-1158Una secundaria (a) -0.80 0.765 0.986 63 42- 248Una secundaria (b) -7.14 0.923 0.947 33 31- 114Una terciaria (b) -7.16 0.941 0.970 26 18- 90Pri.+Sec.+terc. (b) -8.53 0.942 0.996 85 18- 466

(a) 1a. fase (b) 2a. fase (c) 1a. y 2a. fases

4. CORRELACIONES DE CARGA (3)DISCUSSION

(1) El hecho de que todos los coeficientes de correlaciónsean altos no puede explicarse científicamente, peropuesto que son estadísticamente significantes son unavaliosa herramienta de diseño. La mejor explicación puedeser que las cargas incorporan tantos parámetros que setorman de uso práctico

(2) Su uso es recomendado en ausencia de mejores datos(3) Se recomienda la selección de coeficientes en función del

tipo de laguna y el intervalo de carga aplicada(4) El uso de las correlaciones es posible para lagunas en

serie, con la corrección de DBO soluble a la DBO total

4. CORRELACIONES DE CARGA (4)CARGA MAXIMA FACULTATIVA

Mc Garry y Pescod con observacionesvisuales:

CSm = 60.29 x l.0993 Tai = 400.6 x 1.0993 Tai-20

CSm = carga máxima facultativa aplicada, KgBOD/(Ha.día)

Tai= temperatura ambiente del mes más frío,°C

4. CORRELACIONES DE CARGA (5)Investigaciones del Perú con

determinaciones del NH3-N Y = CSa/(57.188 + 0.84 CSa)

Y = fracción del NH3-N que sale de la lagunaCSm = 357.4 x 1.085 T-20

T = temperatura del agua del mes más frío, °C.Se recomienda menores cargas considerando:- La presencia de cambios bruscos de temperatura- La forma de las lagunas (lagunas con altos valores de

la relación largo/ancho son sensibles y deben tenercargas más bajas)

- La presencia de desechos industriales- El tipo de sistema de alcantarillado, etc.

5. MODELO DE FLUJO DISPERSOPARA LA MATERIA ORGANICA (1)

Balance de material en reactor de flujo tubular con:- Dispersión convectiva en la dirección del flujo, y- Dispersión axial molecular

Solución de Wehner y Wilhem:

S 4.a.exp(1/2d)---- = --------------------------------------------------- Sa (1+a)2 . exp(a/2d) - (1-a)2 . exp(-a/2d)

4. MODELO DE FLUJO DISPERSO PARA LAMATERIA ORGANICA (2)

Sa = DBO 5 total 5 del afluente, mg/lS = DBO 5 soluble del efluente, mg/la = constant expresada como:

a = (1 + K . PR . d)1/2

K = constante neta de reacción, 1/díad = factor de dispersión de la laguna, adimensionalPR = período de retención nominal = V/Q, en díasLa solución para d = 0 resulta in el modelo tubularLa solución para d = ∞∞ resulta en el modelo de

mezcla completa

4. MODELO DE FLUJO DISPERSO PARA LAMATERIA ORGANICA (3) Restricciones

(1) Asume que la biomasa y el líquido tienen el mismosubmodelo hidráulico, lo cual se conoce que es incorrecto

(2) El modelo requiere el uso de la constante neta dereacción. De acuaerdo con Chiang y Gloyna, los valores delas constantes son:

- 0.17 - 0.20 para lagunas facultarivas y- 0.13 - 0.16 para lagunas de maduracón

(3) Para lagunas en serie se recomienda la reducción delcoeficiente después de la primera laguna (en ausencia demejores datos)

(4) El valor real de esta modelo es para simulación de lareducción bacteriana

FIN DE LA PRESENTACION

Gracias por su atención

Preguntas por favor