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Lagunas de estabilización

1. INTRODUCCIÓN

La contaminación y el progresivo deterioro de las aguas, es un problema

suficientemente conocido como para que sea necesario incidir aquí sobre su importancia

y gravedad. La preocupación creciente por este tema, se refleja claramente en una

legislación cada vez más estricta en los países desarrollados, en lo que ha vertidos a

cauces públicos se refiere.

El tratamiento de aguas residuales puede rebasar las disponibilidades

económicas de pequeñas colectividades. La inversión inicial de cualquier estación

depuradora es importante, pero son los costes de explotación los que han propiciado que

la mayor parte de ellas, sobre todo en las zonas rurales y núcleos de población

medianos, estén sin funcionar.

Es necesario por tanto encontrar un procedimiento económico para la depuración

de aguas residuales. Como alternativa a las técnicas convencionales de depuración se

han desarrollado una serie de sistemas denominados “naturales”, que aprovechan y

potencian los procesos de purificación físicos, químicos y biológicos que ocurren de

forma espontánea en la naturaleza. Estos sistemas, necesitan grandes superficies de

terreno, presentan unos bajos costes de inversión (siempre y cuando haya disponibilidad

de terrenos y su precio no sea muy elevado) y mantenimiento, y proporcionan un

efluente de calidad muchas veces incluso superior al obtenido en una depuradora

convencional, sobre todo cuando existen condiciones favorables de clima e

iluminación.. Entre estos sistemas naturales se encuentra el lagunaje.

La depuración de aguas residuales por lagunaje no requiere prácticamente

energía externa, excepto la radiación solar, ya que debido a la gran disponibilidad de

nutrientes y materia orgánica, se origina un intenso crecimiento algal con una gran

producción de oxígeno fotosintético que es empleado para la degradación de la materia

orgánica.

Esta tecnología para el tratamiento de aguas residuales está adquiriendo gran

desarrollo en nuestro país, sobre todo en la zona mediterránea donde la escasez de agua

es mayor, ya que el efluente de estos sistemas puede ser utilizado directamente para

riego.

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2. ANTECEDENTES

2.1. INTRODUCCIÓN.

El tratamiento de aguas residuales por lagunaje consiste en el almacenamiento de

estas durante un tiempo variable en función de la carga aplicada y las condiciones

climáticas, de forma que la materia orgánica resulta degradada mediante la actividad de las

bacterias heterótrofas presentes en el medio. Es un método biológico natural de

tratamiento, basado en los mismos principios por los que tiene lugar la autodepuración en

ríos y lagos.

Las aguas residuales susceptibles de ser tratadas razonablemente por lagunaje,

tienen orígenes muy diversos:

- Aguas residuales urbanas.

- Aguas residuales industriales (es necesario un tratamiento previo, distinto según la

actividad de la que procedan):

-Industria de madera y papel.

-Industria alimentaria.

-Industria del petróleo.

-Industria química.

-Industria minera.

-Industria textil.

-Industria de curtidos.

- Aguas residuales mixtas (urbanas e industriales).

2.2. TIPOS DE LAGUNAS.

Las lagunas de estabilización pueden clasificarse según diversos criterios. Los más

utilizados son los siguientes:

1. Según las reacciones biológicas.

2. Según el grado de tratamiento previo.

3. Según el método de aireación.

4. Según las condiciones de descarga.

3


2.2.1.- S egún las reacciones biológicas.

Las reacciones biológicas más importantes que tienen lugar en una laguna son:

a) Oxidación de la materia orgánica por bacterias aerobias:

La respiración bacteriana provoca la degradación de la materia orgánica del agua

residual hasta CO2 y H2O:

C6H14O2N + 3.35 O2

0.12 NH4

+ + 0.12 OH- + 1.6 CO2 + 0.88 C5H7O2N + 3.62 H2O

produciendo energía y nuevas células.

b) Producción fotosintética de oxígeno:

La fotosíntesis algal produce, a partir del CO2, nuevas algas y oxígeno que es

utilizado en la respiración bacteriana:

106 CO2 + 16 NH4+ + HPO4

2- + 100 H2O

C106H263O110N16P + 103 O2 +2 H+

4


Todo esto, se resume en la Figura 1.

Figura 1.- Simbiosis algas bacterias.

c) Digestión anaerobia de la materia orgánica con producción de metano (Figura

2).

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Figura 2.- Degradación anaerobia de la materia orgánica.

Según que reacciones sean las dominantes en el funcionamiento, las lagunas se

pueden clasificar en tres grandes grupos: anaerobias, facultativas y aerobias.

2.2.1.1.- Lagunas anaerobias.

Reciben aguas residuales brutas, sin tratamiento previo, con alta carga orgánica,

DBO5 > 300 mg/l, y elevado contenido en sólidos en suspensión, S.S. > 300 mg/l,

produciendo una estabilización parcial de la materia orgánica por medio de su digestión

anaerobia. Las principales reacciones que se producen son la formación de ácidos grasos y

producción de CH4 a partir de ellos.

Estas lagunas suelen tener una profundidad entre 2 y 5 m. Una profundidad

aproximada de 4 m se considera óptima desde el punto de vista de la eficacia del

tratamiento.

La eficacia de estas lagunas en la eliminación de materia orgánica es elevada,

pudiendo alcanzar valores del 85 % en eliminación de DBO5, aunque son más habituales

eficacias del 60-80 %. Incluso con tiempos de retención cortos, 2 días, la eliminación de

DBO5 es elevada, 45-70 %, por lo que se usan como primer paso en el tratamiento de

aguas de elevada carga orgánica.

Este tipo de lagunas se utiliza fundamentalmente en climas templados, pues la

actividad de las bacterias metanogénicas se inhibe prácticamente a temperaturas inferiores

a 10-12 ºC.

2.2.1.2.- Lagunas facultativas.

Reciben el agua residual bruta, o bien el efluente de una laguna anaerobia, fosa

séptica o tanque de sedimentación convencional .

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En la zona superficial, se produce la oxidación de la materia orgánica por procesos

aerobios. En estas lagunas el oxígeno se obtiene por reaireación superficial y por la

actividad fotosintética de las algas. Bajo esta zona aerobia se encuentra una anaerobia

donde tiene lugar la degradación anaerobia de la materia orgánica.

Finalmente, la materia sedimentable se acumula en el fondo, donde es digerida,

también por digestión anaerobia.

La profundidad de las lagunas facultativas suele estar comprendida entre 1 y 2 m

pudiendo ser más profundas, sobre todo si tratan agua residual bruta.

El tiempo de retención y la eficacia en la eliminación de DBO5, igual que la carga

superficial aplicable, dependen de la temperatura. A temperaturas superiores a 15ºC, el

tiempo de retención mínimo es de 5 días si la laguna recibe el efluente de una laguna

anaerobia y superior a 10 días si trata agua residual bruta, siendo habituales tiempos de

retención de 15-30 días y 7-15 días.

2.2.1.2.1- Lagunas facultativas profundas.

Un tipo particular de lagunas facultativas son aquellas con profundidad superior a

2 m, lo que implica unas menores necesidades de terreno como ventaja adicional sobre el

lagunaje convencional. Estas lagunas profundas, cuyo estudio y desarrollo es

relativamente, suelen ser construidas con una doble finalidad, la de servir como sistema de

depuración y de regulación para riegos. Conceptualmente pueden ser descritas como un

sistema de lagunas de estabilización en el que se combina laguna anaerobia, facultativa y

de maduración en una sola unidad. La zona anaerobia en una laguna profunda es

considerablemente mayor que en la laguna facultativa tradicional, presentando junto a esta

característica dos fenómenos distintos respecto al lagunaje convencional, una amplia zona

no fótica y la presencia de estratificación térmica. La estratificación térmica se desarrolla

durante los meses de primavera y verano, consecuencia del aumento de temperatura en las

capas superficiales. Durante el período de estratificación se pueden distinguir dos zonas en

la laguna, una superficial (epilimnio) y otra en el fondo (hipolimnio) separadas por la

termoclina, donde se produce una variación brusca de la temperatura. A mediados de

otoño, el enfriamiento de las capas superficiales provoca la desaparición de la

estratificación térmica, produciéndose la homogeneización de la columna de agua.

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Por otra parte, en climas áridos y secos, la mayor profundidad de estas lagunas

provoca una disminución de la tasa de evaporación, beneficiosa tanto en el

almacenamiento para riego como para evitar aumentos de salinidad en el efluente.

En cuanto a la eficacia depuradora de las lagunas profundas, la eliminación de

materia orgánica es alta, con reducciones del 83%-97% para la DBO5 y del 71%-92% para

la DQO, mientras que los nutrientes son reducidos durante el tratamiento en un 40%-90%

(ortofosfato) y 39%-99.9% (nitrógeno amoniacal).

La información respecto del comportamiento de estas unidades describe los

distintos fenómenos que se desarrollan en la masa de agua entre los cuales destacan la

estratificación térmica, nitrificación, desnitrificación, crecimiento y destrucción

bacteriana y de algas, generación y utilización de oxígeno, etc., concentrándose la

mayoría de los estudios en los aspectos que inciden en la mortandad de coliformes

fecales. Estos embalses han sido utilizados por más de una década en Israel; en la

actualidad están siendo utilizados en España y otros países mediterráneos, como

también se han sugerido como sistema de tratamiento en algunos países de

Latinoamérica.

No existe en la actualidad una metodología concreta para el dimensionamiento

de estas unidades, lo que no permite establecer con certeza el comportamiento de las

mismas. Algunos autores han desarrollado modelos multifactores que incluyen

intensidad de la luz, temperatura, pH, DBO, profundidad, concentración de algas,

turbiedad y número de dispersión; todos estos modelos consideran que los patrones de

mezcla en el interior del embalse corresponden a condiciones de mezcla completa, lo

cual, no es claramente aplicable durante todo el año.

En los embalses profundos se desarrollan diversos fenómenos que condicionan

la mezcla del agua y por lo tanto las características del efluente. Estos fenómenos, que

denominaremos hidrodinámicos, tiene su origen en las características geométricas de las

unidades y en parámetros ambientales como el viento, la temperatura y la radiación

solar. De estos cuatro factores, se ha comprobado que el que tiene mayor relevancia en

el comportamiento de un embalse es la temperatura, seguido de la radiación solar,

teniendo la geometría y el viento poca relevancia.

La temperatura define los patrones de flujo dentro de los embalses, pues el

fluido que llega al embalse posee ciertas características como su temperatura (o

densidad) y su velocidad, lo que define el flujo que se desarrollará una vez que éste se

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integre al volumen de agua de la unidad. Así vemos que en épocas de bajas

temperaturas no existe gran gradiente térmico y se desarrolla mezcla completa en las

unidades En estos periodos la temperatura es similar en toda la laguna y las reacciones

biológicas en estas lagunas son más lentas, hay una menor radiación solar que solo se da

en la capa superficial de la laguna y la transferencia del oxígeno del aire solo puede ser

superficial pues no llega a capas más profundas, hacen que en este periodo de tiempo la

laguna se comporte como laguna anaerobia o facultativa, según la profundidad de esta

laguna y de la carga orgánica que recibe. En este periodo de tiempo la laguna puede

padecer problemas de olores pues si tiene una gran superficie y la funcionar como

anaerobia o facultativa el sulfhídrico formado puede pasar a la atmósfera.

En períodos calurosos, el fluido que entra a un embalse tiene una mayor

temperatura, por lo que el líquido que entra a esta laguna tiende a ir a las capas

superficiales siguiendo una trayectoria de acuerdo a fenómenos como las corrientes de

densidad. En este sentido la estratificación térmica juega un papel relevante, pues es

este fenómeno el cual, mediante la modificación de la densidad del agua, produce

diferencias de peso de las distintas capas de agua y las ubica dentro de la columna

líquida. De esta forma, las capas de mayor temperatura tendrán menos densidad, es

decir, menor peso y se ubicarán cerca de la superficie y los estratos más fríos tienen

mayor peso y se ubicarán en el fondo. El agua tiende a subir y arrastra capas frías de la

parte más profunda y se rompe la estratificación térmica formada. La transferencia de

oxígeno que se produce en la superficie de la laguna, debido a estas corrientes, pasa a

capas profundas y con la mayor radiación solar que hay en estos periodos como son

primavera y verano, que aunque disminuye con la profundidad de la laguna tiende a una

mejor depuración debido al oxígeno disuelto en ella. En este periodo de temperatura

más alta, la laguna puede comportarse como laguna facultativa o de maduración, según

profundidad y carga orgánica. Si funciona como facultativa el fondo de la laguna

soportaría toda la carga orgánica, con altos valores de DBO y con valores altos de

coliformes fecales en superficie y bajos en el fondo, y en la superficie tendrá menor

carga orgánica y baja concentración de coliformes fecales que, ayudado por la

estratificación térmica impedirá que asciendan rápidamente hacia los estratos

superiores. De esta forma al captar desde la superficie del segundo tramo se obtendría

un efluente de mejor calidad tanto físico-química como bacteriológica, con

posibilidades de alcanzar los estándares para riego.

La concentración de microorganismos es menor en los periodos de altas

temperaturas y es posible obtener en el efluente una gran eliminación de este parámetro

debido a las corrientes de densidad y a la eliminación por el oxígeno existente. La

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concentración de sulfuros disminuye, oxidándose a sulfatos, al igual que el amonio que

se oxida a nitratos y a nitritos, aumentando la conductividad.

Los tabiques flotantes no evitan los cortocircuitos superficiales en épocas

cálidas, ya que poseen ventana abierta en toda la sección, desde superficie hasta el

fondo. Hay una similitud de las concentraciones de los parámetros medidos en la masa

de agua. Un efecto similar en que la remoción bacteriológica no aumentó en eficiencia

aun cuando hasta 4 tabiques separadores fueron instalados.

2.2.1.3.- Lagunas aerobias.

Son lagunas poco profundas, entre 1 y 1.5 m de profundidad. No reciben

demasiada carga orgánica (67-224 kg DBO/hadía) (Rojo, 1988), por lo que se mantienen

las condiciones aerobias.

En estas lagunas se produce la degradación de la materia orgánica por la actividad

de las bacterias aerobias, que consumen el oxígeno producido fotosintéticamente por las

algas.

Reciben agua procedente de otros tratamientos, por lo que contiene relativamente

pocos sólidos en suspensión.

2.2.2.- S egún el grado de tratamiento previo .

Dependiendo del tratamiento previo del influente, las lagunas se pueden clasificar

en los siguientes tipos:

2.2.2.1.- Lagunas primarias.

Reciben agua residual bruta, sin tratamiento previo. Pueden ser anaerobias o

facultativas.

2.2.2.2.- Lagunas secundarias.

Reciben agua residual que ha sido sometida a un tratamiento primario, en ellas se

realiza el tratamiento secundario. Pueden ser facultativas o aerobias.

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2.2.2.3.- Lagunas terciarias o de maduración.

El influente que reciben ha sido sometido previamente a un tratamiento secundario.

La función principal de estas lagunas es la eliminación de organismos patógenos y

de nutrientes (N y P), hasta los niveles deseados. Son poco efectivas en la reducción de

DBO5, ya que reciben un influente con poca DBO5 soluble.

Son lagunas poco profundas, 1-1.5 m. Son diseñadas para trabajar con tiempos de

retención elevados > 20 días, de 3 a 10 días cuando hay dos o más en serie, con un mínimo

de 5 días cuando sólo se dispone de una laguna de maduración.

Las lagunas de maduración suelen constituir la ultima etapa del tratamiento por

lagunaje.

2.2.3.- S egún el método de aireación.

La aireación de las lagunas puede ser natural o mecánica. En función de ello las

lagunas se clasifican en:

2.2.3.1.- Lagunas aerobias.

La aireación es natural, el oxígeno se suministra por la reaireación superficial y

fundamentalmente por la actividad fotosintética de las algas. En este grupo se pueden

incluir las lagunas aerobias, facultativas y de maduración.

2.2.3.2.- Lagunas aireadas.

En estas lagunas el oxígeno disponible no es suficiente para llevar a cabo la

oxidación de la materia orgánica, por lo que se precisa un aporte adicional de oxígeno

por medios mecánicos. Presentan la ventaja que el agua a tratar necesita un menor

tiempo de retención, siendo los requerimientos de terreno muy inferiores.

Las aguas residuales antes de ser vertidas a las masas receptoras, deben recibir

un tratamiento adecuado, capaz de modificar sus condiciones físicas, químicas y

microbiológicas al límite de evitar que su disposición provoque problemas graves de

contaminación en el cuerpo de agua receptor.

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El sistema de lagunas aireadas es un método de tratamiento de líquidos

residuales, que se adaptan a nuestras condiciones climáticas. Es una alternativa de

tratamiento frente a los problemas de malos olores, baja eficiencia y la necesidad de

grandes extensiones de terreno.

Con las ventajas considerables que ya tiene el proceso tradicional de lagunas de

estabilización, principalmente por su bajo costo, simplicidad y flexibilidad operacional,

además tiene otra ventaja que es el hecho de que el área de terreno que ocupan no

superan el 10 % de las utilizadas en las mismas.

El desarrollo del proceso de lagunas aireadas ha marcado un avance importante

en el tratamiento secundario de aguas residuales, ya que es un proceso biológico en que

los organismos vivos aeróbicos y los sólidos orgánicos, presentes en las aguas

residuales, se mezclan íntimamente en un medio favorable para la descomposición

aeróbica de los sólidos. La eficiencia del proceso depende de que se mantenga

continuamente el oxígeno disuelto durante todo el tratamiento. La idea de este proceso

es de reducir la carga orgánica del agua residual a valores tolerables antes de

descargarla a la masa receptora.

La eficiencia del proceso depende de que se mantenga continuamente el oxígeno

disuelto durante todo el tratamiento. Con esto se consiguen varias ventajas como son,

una mejor mezcla entre los sólidos orgánicos y los microorganismos aerobios en un

medio favorable para la descomposición aeróbica de los sólidos y reducir la carga

orgánica del agua residual a valores tolerables antes de descargarla a la masa receptora,

se reduce el tiempo de residencia en las lagunas facultativas y de maduración con una

remoción de DBO aceptable en períodos de retención más cortos que en lagunas sin

aireación, impide el crecimiento excesivo de algas y otras condiciones producidas por

sobrecarga orgánica y variaciones estaciónales de temperatura.

La aireación de las lagunas se produce por medios mecánicos en aparatos

llamados aireadores, que se instalan en las lagunas donde se quiere que el aporte de

oxígeno sea mayor debido a las causas antes mencionadas. La instalación es imposible

en las lagunas anaerobias debido a que estas lagunas operan en condiciones de ausencia

de oxígeno con un potencial redox muy negativo. En las lagunas facultativas al existir

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dos partes, una aerobia superficial y otra más profunda anaerobia, los aireadores en

estas lagunas distribuyen el oxigeno en la parte superficial sin que afecte a la parte más

profunda y cree problemas en la parte más profunda, además de evitar la deposición de

materia sedimentable en el fondo, que es otro factor importante de estas lagunas. En las

lagunas de maduración, estos aireadores pueden aportar aire a mayor profundidad

debido a que en estas lagunas la concentración de oxígeno es importante en toda la

laguna. En los dos tipos de lagunas se pueden colocar varios aireadores según el tamaño

de las lagunas y el aporte de oxígeno requerido, distribuyéndose para que se cree un

flujo de oxígeno en un mismo sentido y no haya cortocircuitos y partes muertas en las

lagunas.

Los aireadores que se instalan en las lagunas son del tipo Aireador/mezclador de

aspiración horizontal.

El aireador/mezclador es de aspiración con hélice. El aire atmosférico es

descargado debajo del agua y mezclado por medio de una hélice giratoria. El eje motriz

de la hélice está hueco y se extiende desde el eje del motor a través de un cojinete

interior donde están unidos a la hélice y el difusor. Este eje motriz tiene aberturas por

encima de la superficie del agua para permitir la entrada de aire atmosférico en el tubo

hueco.

La hélice giratoria hace que el fluido circule por la abertura anular del difusor

creando una caída de presión que aspira el aire por debajo de la superficie del agua. El

aire se difunde formando burbujas finas producidas por el flujo horizontal creado por la

hélice. El tamaño medio de las burbujas producidas es de 2,0 mm que es el establecido

por la agencia para la protección del medio ambiente (EPA) de EE.UU para difusores de

poros finos. Estas burbujas se dispersan por una gran zona de influencia

proporcionando un amplio tiempo de contacto con el agua. Las zonas de influencia del

aireador AIRE-O2 para la mezcla y la dispersión del oxígeno varían con el tamaño de la

unidad. Se pueden instalar unidades aireadoras múltiples AIRE-O2 para mezclar y

dispersar completamente el oxígeno por todo el estanque.

Comparando con el tratamiento convencional de lagunas de estabilización, con

lagunas que posean estos aireadores, las concentraciones de DBO5 y DQO, disminuyen

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considerablemente, al igual que el nitrógeno total Kjeldahl (NTK), nitrógeno amoniacal,

y una desaparición de los nitritos, en cambio hay un aumento en la concentración y

nitratos, debido a la estabilización del nitrógeno presente en las lagunas, ya que existe

un efectivo proceso de nitrificación. La concentración de los sólidos en suspensión es

igual o un poco superior debido a la agitación que producen los aireadores en las

lagunas. La conductividad del agua es mayor por la formación de nitratos en los

procesos de nitrificación.

2.2.4.- S egún las condiciones de descarga.

Según se descargue el efluente, las lagunas se pueden clasificar de la siguiente

manera:

2.2.4.1.- Lagunas sin descarga.

En ellas los aportes de agua, influente y precipitaciones, son iguales a las perdidas

por evaporación e infiltración.

2.2.4.2.- Lagunas con régimen discontinuo o por lotes.

Una vez llenas mantienen el agua a depurar retenida hasta que se alcanza el nivel

de depuración deseado, momento en que se descargan.

2.2.4.3.- Lagunas con régimen semicontinuo.

Son aquellas con entrada de agua a depurar y salida de agua depurada

intermitentes.

2.2.4.4.- Lagunas con régimen continuo.

Son aquellas con entrada continua de agua a tratar y salida continua de agua

depurada. Son las más utilizadas.

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Figura 4. Tres lagunas de estabilización iguales y con ubicación igual

de las estructuras de entrada y salida de diseño diferente.

A pesar de que las tres lagunas a), b) y c) son iguales y de que la ubicación de

las estructuras de entrada y salida son similares, las calidades de los efluentes son

diferentes debido al diferente tipo de estructura.

Conforme las lagunas se alargan (L/W > 4) el tipo de estructura de entrada y

salida pierde importancia, y el flujo pasa a ser regido principalmente por las leyes del

flujo laminar en canales abiertos.

2.3.- SISTEMAS DE LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN (WSPS).

Son combinaciones de los distintos tipos de lagunas. La unidad básica suele ser la

laguna facultativa.

En la Figura 3.3 se presenta una disposición típica de un WSPS.

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LAGUNAS ANAEROBIAS

LAGUNAS FACULTATIVAS

LAGUNAS DE MADURACIÓN


Figura 3.3.- Disposición típica de WSPS.

En la figura 3.4, se pueden observar otras disposiciones posibles.

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FF

F

A F

A

A

F

A

MFA

A

MFA

M

M

F

FMF

F

F

A

A

A

A FM

A F

M

M

F

F

MM


Figura 3.4.- Combinaciones de distintos tipos de lagunas.

El número de lagunas debe ser el mayor posible y como mínimo deben ser tres.

Las lagunas pueden conectarse en serie y en paralelo.

La forma habitual de trabajo en lagunas anaerobias suele ser en paralelo, al trabajar

de esta forma se reduce la carga orgánica de la primera laguna y se evita su sobrecarga.

Las lagunas facultativas, trabajan tanto en serie como en paralelo. Cuando se

trabaja en serie, lo habitual, es que los rendimientos aumenten ya que se minimiza el

contenido en algas de la última laguna (si la concentración de nutrientes ha descendido) y

se obtiene un efluente de mayor calidad. Puede ocurrir que las concentraciones de

nutrientes (fósforo, nitrógeno) sean elevadas, lo que originaría un incremento del contenido

en algas, aumentado el pH y O2 disuelto. Todo ello no es negativo si se utiliza el agua para

regar, ya que el efluente estaría más oxigenado y la eliminación de microorganismos

patógenos sería mayor (debido fundamentalmente al aumento del pH). Asimismo, aunque

las microalgas del efluente aumentan la DBO5, no suelen producir obstrucciones en los

equipos de riego por goteo.

Las lagunas en serie funcionan peor en invierno por la sobrecarga de la primera

laguna, obteniéndose mejores rendimientos en verano. Por último las lagunas de

maduración se disponen en serie por los motivos ya mencionados para lagunas

facultativas.

Para mejorar los rendimientos depuradores se pueden utilizar distintos

procedimientos:

Recirculación del efluente:

Se aplica fundamentalmente para cargas muy grandes y pobres en

microorganismos.

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Baffles en las lagunas:

La adición de tabiques deflectores en las lagunas, tiene como misión dirigir el flujo

del líquido a través de la laguna, para mejorar la eficacia de la instalación. Se han

realizado pocas investigaciones sobre el tema.

Aireación:

La aireación mecánica permite tratar cargas mayores, disminuir tiempos de

retención y utilizar lagunas de menor superficie.

2.4.- VENTAJAS E INCONVENIENTES DEL LAGUNAJE.

1.- Es la forma más barata de tratamiento, tanto en construcción y operación, como

en mantenimiento, y no requieren energía externa, excepto la solar.

2.- Reduce la concentración de patógenos a niveles muy bajos.

3.- Puede tratar cargas hidráulicas y orgánicas muy variables.

4.- Tolera grandes concentraciones de metales pesados.

5.- La operación y el mantenimiento son muy sencillos. Las espumas y flotantes

deben ser retiradas, también los aceites y grasas, y los fangos deben evacuarse cada 3 o 4

años.

6.- En el proceso de lagunaje se genera biomasa potencialmente aprovechable una

vez separada del efluente. Este posible subproducto está constituido por el fitoplancton,

zooplancton, vegetación superior en lagunas con macrofitas y peces.

7.- Si el efluente es utilizado para riego, éste posee un potencial fertilizante muy

elevado.

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Por todo esto son muy utilizados en todo el mundo, siempre que haya terreno

disponible a un precio razonable.

Los principales inconvenientes que presentan las lagunas de estabilización son la

presencia de materia en suspensión en el efluente, debida a altas concentraciones de

fitoplancton, y una gran ocupación de terreno, que es superior a la de otros métodos de

tratamiento (Moreno, 1991). Además de estos inconvenientes, en caso de mal

funcionamiento se pueden presentar otros como malos olores y presencia de mosquitos,

por lo que deben situarse en lugares alejados como mínimo 400 metros de una zona

habitada para no molestar a la población.

Otro aspecto importante relacionado con las pérdidas de agua es la posible

polución de las aguas subterráneas. Es poco probable el paso de patógenos u otros

organismos al subsuelo. Los nitratos pueden llegar a causar problemas. Conviene

investigar hasta qué grado el aumento de la profundidad de las lagunas haga que el

lixiviado proceda de una soma completamente anaeróbica en la cual haya ocurrido

desnitrificación.

Siendo las lagunas de estabilización estructuras construidas para mejorar la

salud, deberá procurarse que las mismas no sean criaderos de vectores (mosquitos,

caracoles, etc.) que vayan a propagar enfermedades como la malaria, la fiebre amarilla o

la esquistosomiasis.

La mejor forma de controlar los mosquitos la constituye un buen mantenimiento

de las lagunas y de los diques. Además, se pueden realizar variaciones del nivel del

agua mediante las cuales se logra eliminar las larvas. En casos extremos se pueden

aplicar insecticidas. Si se llegan a observar caracoles deberá procurarse su

identificación, y según el caso, su control.

El uso de peces larvicidas puede constituir un buen método de control de

mosquitos, pero estos peces no siempre logran sobrevivir en lagunas de estabilización.

Las lagunas facultativas sobrecargadas y las anaeróbicas pueden producir malos

olores (ocasionados por sulfuros).

En áreas tropicales 350 kg DBO5 /ha x día parece ser el límite de carga para

lagunas facultativas primarias a 20°C. El límite para secundarias está cerca de 250 kg

DBO5 /ha x día.

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Las lagunas facultativas sobrecargadas suelen producir más malos olores (las

algas desaparecen cuando la concentración de S= es mayor de 6.5 mg/1). Según Gloyna

y Espino, la corrección posible consiste en disminuir la carga orgánica o aumentar el

tiempo de retención según la ecuación (Journal ASCE, June 1969).

S = (mg/1) = (0.000105 8 Lo - 0.001655 t + 0.0553) x SO4=

estando: Lo en kg DBO5 / ha = día, t en días; SO4= en mg/l.

Las lagunas anaerobias sometidas a cargas entre 50 y 300 gramos de DBO5 por

metro cúbico y por día suelen ser aptas para remociones de DBO de hasta un 50%. Su

alta carga (pequeño tamaño) hace que permitan economizar terreno. Sin embargo, en

algunas partes no se aconseja su uso por el peligro que produzcan malos olores.

El uso de reactores anaeróbicos de manto de lodos y flujo ascendente (UASB =

Upflow Anaerobic Sludge Blanket) puede llegar a consistir un tratamiento previo a las

algunas de estabilización que permita reducir el área con menos riesgo de producción de

malos olores que en las lagunas anaeróbicas. Actualmente (mayo 1986) el CEPIS está

construyendo un UASB en San Juan de Miraflores, Lima, a escala piloto (1 1/seg).

Debido a su bajo período de retención, la eficiencia de los UASB en remoción

de patógenos es muy baja, pero esto se puede compensar haciendo más profundas las

lagunas facultativas y de acabado para lograr una eficiencia bacteriológica aceptable.

2.5.- EXTENSIÓN DEL LAGUNAJE

La utilización de las lagunas como almacenes de aguas residuales, se viene

realizando desde hace siglos. Fueron utilizadas por los romanos, luego por poblaciones de

Europa Central, Asia y durante el siglo XX se han extendido por numerosos países.

El primer estudio práctico sobre depuración por lagunaje, se realizó en 1901 en San

Antonio (Texas). Actualmente sigue en servicio y es conocido con el nombre de Mitchell

Lake. A raíz de los éxitos obtenidos con este experimento, el lagunaje se extendió

rápidamente en Estados Unidos.

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En un principio los estanques se construyeron con poca experiencia y algunos

fracasaron, fue después de un período de estudios en los años 1940-50, cuando se

empezaron a establecer criterios racionales para la construcción de los estanques.

2.5.1.- E xtensión del lagunaje en el mundo.

Actualmente el lagunaje se encuentra extendido por todo el mundo, y en climas

muy diversos, desde las regiones polares al ecuador. Existe constancia de su uso en al

menos 40 países, entre los que se podría destacar Estados Unidos, que en 1962 ya contaba

con alrededor de 3250 instalaciones, duplicando esta cifra en tan sólo 10 años.

2.5.2.- E xtensión del lagunaje en Europa.

Se pueden encontrar lagunas de estabilización en 16 países de Europa, en

diferentes campos de aplicación: pequeñas comunidades, áreas turísticas, tratamiento

terciario, etc.

Las primeras experiencias en lagunas de depuración se desarrollaron en Europa

Central en la Edad Media, y fueron lagunas de granjas y lagunas de peces enriquecidas con

residuos orgánicos.

La laguna de estabilización más antigua de Europa se encuentra en Munich

(Alemania). Fue construida en 1920 para el tratamiento terciario de las aguas de dicha

ciudad y sigue aún en funcionamiento. La planta cubre un área de 233 ha, dividida en

lagunas de 7 ha.

En 1986 el número de países en los que existían lagunas de estabilización era ya de

16. Se dispone de información técnica de 10 de estos 16 países, existiendo distintos estados

de desarrollo. Se pueden distinguir los siguientes casos:

- Países donde la técnica está generalizada, como Alemania y Francia.

- Países que han empezado a recoger datos de WSP y en los que comienza a

implantarse esta tecnología, como Portugal, España, Bélgica y Suiza.

- Países en los que WSP ha sido implantado, pero su desarrollo va a menos por

distintas razones (situación geográfica, regulaciones, etc.), como Dinamarca, Hungría y

Reino Unido.

21


Los WSP son principalmente empleados en Europa para el tratamiento de aguas

residuales domésticas (< 2000 habitantes). Es el caso de la mayoría de las plantas que

operan en Alemania y Francia.

Plantas de mayor tamaño (>10000 habitantes), fueron construidas para el

tratamiento de aguas residuales en comunidades que presentan un gran incremento de

población en verano (áreas turísticas). Es el caso de países como Portugal, España y

Francia.

La depuración anaerobia se emplea en algunos países para el tratamiento de

residuos industriales y agrícolas (Alemania y Portugal). Las lagunas facultativas han

adquirido menos desarrollo en este campo.

En ciertos países se emplean también WSP para el tratamiento terciario (5 % de las

plantas en Francia, buenos resultados en Reino Unido, una planta en Portugal y en Suiza).

Este procedimiento se emplea cuando se requiere una reducción en el contenido de

nutrientes y una alta desinfección microbiana.

2.5.3.- L agunaje en España .

La planta de depuración mediante lagunas de estabilización en La Solana (Ciudad

Real), es la primera planta de este tipo de cierta entidad construida en España, aún cuando

EMASESA de Sevilla tiene una laguna experimental (Ranilla), de la que se hace un

seguimiento desde 1980. Además de éstas también existen depuradoras por lagunaje en:

Menorca San Cristobal y Mercadal-Fornells.

Mallorca Sineu.

Alicante La Algueña, Guardamar del Segura y Santa Pola.

Castellón Rosell, Canet lo Roig y Vall d'Alba.

Valladolid Rueda y Medina del Campo.

Segovia Cantimpalos.

Cádiz Alcalá del Valle.

Huelva Bonares y Bollullos del Condado.

Málaga Fuente de Piedra, Humilladero.

Almería Retamar.

Sevilla La Lantejuela.

Albacete Hellín.

Guadalajara Azuqueca de Henares, Yunquera de Henares, y Alovera.

22


Ciudad Real Ciudad Real, Argamasilla de Alba y Moral de Calatrava.Toledo Corral de Almaguer, Miguel Esteban, Orgaz, Urda y

Manzaneque.

Murcia.

2.5.4.- L agunaje en Murcia.

El uso de esta tecnología para la depuración de aguas residuales ha adquirido gran

importancia en la región de Murcia, donde ya existen una cantidad importante de sistemas

de lagunaje. Esto es debido fundamentalmente a los menores costes de mantenimiento de

éstas en comparación con las depuradoras convencionales, a las características

climatológicas de la región (alto grado de insolación, temperaturas moderadas) y al interés

en la reutilización del agua especialmente escasa.

Las estaciones depuradoras por lagunaje de la región de Murcia son:

Los Alcázares, San Javier, Jumilla, Mula, Cieza, Alcantarilla, Alhama, Cartagena,

Ceutí-Lorquí, Molina de Segura, Las Torres de Cotillas, El Algar-Los Urrutias, Fortuna y

Mazarrón.

2.6. DISEÑO DE LAGUNAS DE ESTABILIZACION.

El diseño de lagunas de estabilización se suele llevar a cabo por procedimientos

sencillos, basados normalmente en la reducción de una sola variable (generalmente

materia orgánica como DBO5). Existe una gran variedad de métodos de diseño, los

parámetros en los que se basan los cálculos suelen ser uno o varios de los siguientes

(Moreno, 1991):

- Carga volumétrica (g DBO5/ ha·día).

- Carga superficial (kg DBO5/ ha·día).

- Tiempo de retención hidráulico (días).

- Profundidad de la laguna.

23


A continuación se va a exponer los procedimientos más generalizados para el

diseño de lagunas anaerobias, facultativas y de maduración.

2.6.1. Diseño de lagunas anaerobias.

El diseño de lagunas anaerobias se lleva a cabo mediante procedimientos

empíricos. Los parámetros de diseño más empleados son la carga volumétrica y el tiempo

de retención hidráulico, ya que los procesos que tienen lugar en ellas son independientes

de los fenómenos superficiales.

Aun así, existen distintos métodos basados en la carga superficial necesaria para

mantener una laguna en condiciones anaerobias, aunque los datos aportados por los

distintos autores varían mucho. Por ejemplo, Eckenfelder presenta datos relativos a

lagunas anaerobias con cargas superficiales entre 280-4500 kg DBO5/ha·día y

profundidades entre 2.5 y 5 m, en las que se alcanzan reducciones de DBO5 entre 50-

80 %. Otros estudios (Yañez, 1980) sugieren un límite inferior de 1000 kg DBO5/ha·día

para mantener las condiciones anaerobias. La Agencia de Protección del Medio Ambiente

de Estados Unidos sugiere un intervalo de 220-1100 kg DBO5/ha·día.

En cuanto a procedimientos basados en la carga volumétrica se ha propuesto

distintos intervalos y límites. A continuación se expone algunos de ellos expresados en

g DBO5/m3·día:

40-250 Bradley y Senra, 1976.

125 Gloyna, 1981.

< 400 Mara, 1976.

90-500 Parker, 1970.

90-350 Oswald, 1968.

200-500 Cooper, 1968.

42-283 Fisher et al., 1968.

190-240 White, 1970.

100-400 Arthur, 1986.

El tiempo de retención hidráulico es bastante utilizado para el diseño de este tipo

de lagunas. Al igual que en los casos anteriores, los datos presentados por los distintos

autores varían mucho unos de otros. A continuación se expone algunos de ellos

expresados en días:

5-50 Eckenfelder, 1970.

24


5 Mara, 1976.

2-5 Parker y col., 1959.

30-50 Eckenfelder, 1961.

2-5 Malina y Ríos, 1976.

2 Arthur, 1986.

En cuanto a la eliminación de materia orgánica como DBO5, los valores oscilan

entre 50 % en invierno y 80 % en verano, con temperaturas superiores a 25 ºC. Basándose

en los resultados obtenidos en el estudio de fosas sépticas en Estados Unidos y Zambia, se

propone la siguiente formula empírica para la reducción de materia orgánica en lagunas

anaerobias en función del tiempo de residencia:

donde:

Li = DBO5 del influente, mg/l;

Le = DBO5 del efluente, mg/l;

R = tiempo de retención hidráulico, días;

n = exponente empírico, adimensional, 4.8 para T > 20 ºC;

kn = coeficiente de diseño adimensional, 6.0 para T > 20 ºC.

Esta ecuación se considera válida en climas tropicales y subtropicales.

La Organización Mundial de la Salud propone los siguientes criterios para

temperaturas superiores a 22 ºC:

- Carga volumétrica inferior a 300 g DBO5/ ha·día;

- Tiempo de retención del orden de 5 días;

- Eliminación de DBO5 del orden del 50 %;

- Profundidad entre 2.5 y 5 m.

El informe elaborado para el Departamento de Desarrollo del Banco Mundial,

propone los siguientes parametros de diseño:

25

(1)


- Carga volumétrica entre 0.1-0.4 kg DBO5/ ha·día;

- Tiempo de retención del orden de 2 días;

- Carga superficial entre 4000-16000 kg DBO5/ha·día

- Profundidad entre 2.5 y 5 m.

Además, la O.M.S. recomienda que se cuente al menos con dos lagunas

anaerobias en paralelo para asegurar la continuidad del proceso en caso de limpieza y

retirada de fangos en una de las unidades.

El intervalo en años en que debe limpiarse una laguna anaerobia es el siguiente:

donde:

Va = Velocidad de acumulación de fango.

2.6.2. Diseño de lagunas facultativas.

Los métodos de diseño de lagunas facultativas se pueden clasificar de la siguiente

forma:

1. Métodos empíricos:

Son relaciones matemáticas sencillas deducidas de la observación experimental en

una laguna de estabilización, o en un grupo de ellas que trabajan en condiciones similares.

Se utilizan como variables de diseño un grupo reducido de estas, fundamentalmente

caudal, tiempo de residencia y carga aplicada. El principal parámetro de diseño es

demanda bioquímica de oxígeno a los 5 días (DBO5), que es una medida de la carga

orgánica.

2. Métodos racionales:

26

(2)


En ellos se intenta ofrecer una explicación en términos cinéticos de lo que ocurre

en las lagunas de estabilización. Normalmente se basan en la reducción de una sola

variable indicativa de la carga orgánica y se fundamentan en hipótesis restrictivas. Entre

estas hipótesis se encuentran las siguientes:

- La composición de la alimentación se considera constante durante todo el año.

- El régimen hidráulico corresponde a un modelo ideal de flujo.

- No se define el sistema detrítico, es decir, no se consideran las sedimentaciones

orgánicas en el fango.

- Las lagunas funcionan en régimen estacionario.

- La cinética de la depuración es de primer orden, con una constante de

velocidad, que se suele definir como exponencial de la temperatura.

3. Métodos matemáticos:

En realidad son una subcategoría de los anteriores, pero presentan características

muy diferentes en cuanto a las hipótesis utilizadas. Se considera que las lagunas son

sistemas dinámicos, con cinéticas complejas y regímenes no ideales de flujo.

Se basan en la modelización matemática de las interacciones físico-químicas y

biológicas responsables de la depuración en lagunas. Su complejidad es mucho mayor, ya

que describen en forma dinámica la relación simbiótica existente entre bacterias y

fitoplancton, para lo que es necesario llevar a cabo un balance de materia de las distintas

especies químicas y biológicas presentes en el sistema.

A continuación se describen los métodos empíricos y racionales más utilizados:

2.6.2.1. Métodos empíricos.

La utilización de un intervalo admisible de carga superficial es el parámetro de

diseño más utilizado. Como consecuencia de la gran variedad de situaciones en que han

sido deducidos, existe una gran diversidad de intervalos sugeridos por los distintos

autores. La O.M.S., recomienda para climas templados un intervalo de 200-400 kg

DBO5/ha·día.

Otros métodos empíricos consisten en ecuaciones deducidas a partir de datos

recogidos en varias lagunas que trabajan en condiciones similares. Los más conocidos son

los siguientes:

27


2.6.2.1.a. Ecuación de Arceivala.

Relaciona la carga superficial admisible con la latitud. Se dedujo a partir de datos

obtenidos en India, es aplicable para el diseño en este país y en un intervalo de latitud

entre 8o N-36o N:

L (kg DBO / ha dia) = 375 - 6.25 (latitud)5

En esta ecuación la latitud viene a representar las variaciones en temperatura de

las distintas zonas.

2.6.2.1.b. Método de McGarry y Pescod.

El análisis de datos operativos de lagunas facultativas situadas en diversas zonas

geográficas, indica que la carga superficial máxima aplicable a una laguna facultativa, se

relaciona con la temperatura mensual media del aire en la forma siguiente:

max .L = 60.3 x T10993

La carga admisible máxima aumenta con la temperatura, por lo que para el diseño

se utiliza la aproximación más conservadora, para la que se toma la temperatura media

ambiente del mes más frío. Con esto se obtendría una laguna que trabajaría en el límite de

lo tolerado, al menos un mes al año. Para evitar la anaerobiosis se utiliza un factor de

seguridad, con lo que la ecuación queda:

en ambas ecuaciones Lmax viene expresado en kg DBO5/ha·día.

En estudios posteriores se ha puesto de manifiesto que esta ecuación no resulta

adecuada para lagunas con cargas superficiales pequeñas (14.1-27.2 kg DBO5/ ha·día).

Para cargas superficiales unas diez veces superiores, en climas cálidos, se obtienen

buenos resultados.

2.6.2.1.c. Ecuación de Arthur.

Arthur, propone una forma modificada de la ecuación de McGarry y Pescod:

28

(3)

(6)

(4)

(5)


Esta relación proporciona una factor de seguridad alrededor de 1.5, para evitar que

la laguna facultativa se convierta en anaerobia.

2.6.2.1.d. Método de Larsen.

El area necesaria para conseguir una reducción prefijada en materia orgánica en

una laguna de estabilización facultativa se calcula en función de cinco factores

adimensionales, del modo siguiente:

MOT = ( + 23.9 / TEMPR + 150 / DRY) 10RED TTC 62 468 2 468. .

estos factores adimensionales se definen como:

MOT = 1.0783x S I

Q Li1/ 3

e

10 71 3

/

RED = L - L

Li e

i

TEMPR = T

TW

a

siendo:

S = superficie de la laguna, ft2;

I = radiación solar, Btu/ft2 día;

W = velocidad del viento, millas/hr;

29

(11)

(7)

(12)

(8)

(9)

(10)


TW = temperatura del agua de la laguna, 0F;

Ta = temperatura del aire, 0F;

Qi = caudal del influente, gal/día.


Le = DBO5 del efluente, mg/l.

Esta ecuación se aplica en las condiciones más desfavorables: intensidad de

radiación solar y temperatura media en invierno, carga orgánica máxima, etc.

2.6.2.1.e. Método de Gloyna.

Después de estudiar los resultados obtenidos en numerosos estanques a escala de

laboratorio, planta piloto, y más de 200 estanques en explotación, Gloyna y colaboradores

desarrollaron varias fórmulas que permiten establecer una relación entre el volumen del

estanque, la temperatura, la DBO5, el caudal del influente, y la toxicidad. La primera de

estas ecuaciones para la que la eficacia en la reducción de la DBO5 estaba entre un 85-

95% fue la publicada por Hermann y Gloyna:

donde:

V = volumen de la laguna, m3;

N = población contribuyente;

q = producción de agua residual por persona, l/día;


= coeficiente de temperatura, 1.09 adimensional;

Tm = temperatura media del agua correspondiente al mes más frío, º C.

La ecuación 13 fue actualizada por Gloyna en 1976 con el objeto de incorporar

unos factores de corrección referidos a la concentración de iones sulfato presentes en el

medio, y a la toxicidad algal, obteniendo finalmente la ecuación 14:

V

Q= R x Q Li f f(35-Tm) 3 5 10 5. /

donde:

V, Li, , Tm, tienen el mismo significado que en la ecuación 14;

30

(14)

(13)


Q = caudal del influente, l/día;


f = factor de toxicidad algal = 1.0 para aguas residuales de origen domestico;

f' = factor de corrección para la DBO5 producido por la presencia en el medio de

iones sulfato = 1.0 para concentraciones de iones sulfato < 500 mg/l.

Una vez calculado el volumen de la laguna mediante la ecuación 14, debe

adoptarse un valor para la profundidad que dependerá del tipo de agua residual, contenido

en sólidos sedimentables, temperatura y condiciones climáticas.

La O.M.S. recomienda el uso de los métodos de Gloyna o de McGarry y Pescod,

en función de la carga orgánica a depurar y de la localización geográfica de las lagunas,

cuando no se dispone de datos específicos fiables.

2.6.2.1.f. Método de la radiación solar.

Este método, se basa en el supuesto de que todo el oxígeno necesario para el

proceso de estabilización aerobia se produce a expensas de la acción fotosintética de las

algas, bajo la influencia de la radiación solar.

La ecuación propuesta es:

donde:

C = 2.8×10-5;

D = profundidad del estanque, cm;

R = tiempo de retención, días;

= factor de eficacia para la conversión de la luz. Representa la relación

entre la cantidad de oxígeno producido y la DBO5 que hay que reducir en la

laguna. Se expresa en %;

I = intensidad de la luz, cal/cm2 día;

DBO5 = carga orgánica, mg/l.

Conocido el tiempo de residencia, el caudal y la profundidad, se puede calcular la

superficie.

2.6.2.1.g. Relaciones de Mara y Marecos.

31

(15)


Recomiendan las siguientes consideraciones de diseño:

Ls = 100 T< 10ºC

Ls = 10×T 10< T< 20ºC

Ls = 50(1.072)T-2 T > 20ºC

Ls = 350(1.107-0.002×T)T-2 T > 10ºC

Una vez seleccionada la carga de diseño, se elige la profundidad (normalmente

entre 1.5 y 2 m) y se determina el area de la laguna mediante la siguiente ecuación:

A = 10 L Q

Li

s

donde:

A = area de la laguna, m2;


Q = caudal del influente, m3/día;

Ls = carga orgánica superficial de diseño, kg DBO5/ ha·día).

2.6.2.2. Metodos racionales.

2.6.2.2.a. Método de la cinética de primer orden.

Fue desarrollado por Marais y Shaw, también es conocido como aproximación de

mezcla completa. Este método se basa en las siguientes hipótesis:

- La reducción de la materia orgánica manifiesta una cinética de primer orden.

- En la laguna se dan condiciones de mezcla completa.

- No se producen pérdidas por filtración y/o evaporación.

La ecuación propuesta es:

32

(16)


e

i

L

L =

1

1 + k R

donde:



k = constante de velocidad, días-1;

R = tiempo de retención, días.

sustituyendo R por V/Q, se puede calcular la superficie de la laguna:

A = Q

D kL

Li

e

donde:

D = profundidad de la laguna, m;

Q = caudal del influente, m3/día;

A = superficie, m2.

a) Modificación de Middlebrooks.

Middlebrooks modifica la ecuación de Marais, proponiéndola de la siguiente

forma:

e

i

n

n

L

L =

1

1 + k R

donde:



k = constante de velocidad, días-1;

Rn = tiempo de retención hidráulico en cada laguna, días;

n = número de lagunas en serie.

33

(17)

(18)

(19)


Esta ecuación está referida a n lagunas conectadas en serie, para las que la eficacia

máxima se obtendrá cuando el tiempo de retención en cada laguna sea idéntico.

b) Modificación de Mara.

Basándose en el hecho experimental de que la DBO5 de los estanques facultativos

no debe ser nunca inferior a 55 mg/l, Mara propone una modificación al método de

Marais y Shaw, que proporciona una expresión del área en función del caudal del

influente, la DBO5 del influente, la constante cinética y la profundidad del estanque:

A = Q L - 55

55 k Di

donde:

A = área de la laguna, m2;

Q = caudal, m3/día;


k = constante cinética de degradación, día-1;

D = profundidad del estanque, m.

2.6.2.2.b. Método de Uhlmann.

Uhlmann y col. adoptan para el diseño de lagunas de estabilización, el modelo de

n reactores de mezcla completa operando en serie. Obtienen una expresión de la constante

cinética de degradación, k, en función de la carga orgánica, el tiempo de retención y la

temperatura:

k = RG

J

donde:

G = (0.327 + (10.277/T) + 1/ (L(0.25 + 0.476/T)))

J = -1/(1.391 + 1.304/T + (0.061 + 0.05T)/L)


T = temperatura, ºC;

L = carga orgánica volumétrica, g DBO5/m3 ·día;

34

(20)

(21)


k = constante cinética de primer orden, (días)-1.

2.6.2.2.c. Ecuación de Wehner-Wilhelm. Aplicación de Thirumurthi para flujo

pistón.

Las bases de la aproximación de Thirumurthi, son distintas a las de los modelos

estudiados anteriormente, ya que tiene en cuenta el estado de dispersión hidráulico de la

laguna. Su modelo fue desarrollado para unas condiciones intermedias entre las de flujo

pistón y sistemas de mezcla completa. El grado de mezcla se representa mediante un

parámetro adimensional, d, cuyo valor va desde cero para condiciones de flujo pistón, a

infinito para sistemas de mezcla completa.

Wehner y Wilhelm, basándose en la segunda ley de Fick de la difusión molecular,

obtuvieron la ecuación 22 para reactores químicos cuya cinética no es de primer orden y

en los que no se dan unas condiciones de flujo ideal.

donde:



a = (1 + 4kRd)1/2

k = constante cinética de primer orden, días-1;


d = módulo adimensional de dispersión de flujo

d = H

U L =

H R

X 2

H = coeficiente de dispersión axial, ft2/h;

U = velocidad del fluido, ft/h;

X = longitud que recorre una partícula típica, desde que entra hasta que

sale de la laguna, ft.

Para simplificar los cálculos y como aproximación, Thirumurthi desestima el

segundo término del denominador de la ecuación de Wehner-Wilhelm por tener un valor

muy pequeño, quedando la ecuación:

35

(23)

(22)


e

i

a d

2

L

L =

4 a e

(1 + a )

1 2 /

Con los datos procentes de varias lagunas e investigaciones de laboratorio,

Thirumurthi propone una ecuación simplificada, que se obtiene al considerar en la

ecuación de Wehner-Wilhelm, las condiciones hidráulicas para flujo pistón (d = 0). Esta

ecuación es:

L

Lee

i

kR

Thirumurthi indica que el principal parámetro de diseño es la constante de

velocidad para la reducción de la DBO5, normalmente ésta se considera únicamente

función de la temperatura. Para pequeños intervalos de temperatura se puede expresar

como:

k0 = valor de la constante a la temperatura de referencia.

En otras ocasiones el efecto de factores como toxicidad, intensidad luminosa o

características hidráulicas se engloba dentro de la constante de velocidad. Se definen unos

estándar ambientales:

- Temperatura en la laguna de 20ºC.

- Carga orgánica de 672 kg DBO5/ha·día

- Ausencia de agentes químicos tóxicos.

- Radiación solar mínima de 100 langleys/ día.

- Ausencia de carga orgánica originada por los sólidos sedimentables.

La constante de velocidad se define en este caso como:

donde:

CTe = factor de corrección de temperatura.

36

(27)

(24)

(25)

(26)


C0 = factor de corrección para la carga orgánica.

CTox = factor de corrección para los compuestos tóxicos procedentes de

industrias químicas.

Además de los métodos de diseño aquí expuestos, existen otros de uso menos

frecuente, como son:

- Método de Polprasert y Bhattarai.

- Método de la alimentación intermitente.

- Método de Ferrara y Harleman.

2.6.3. Diseño de lagunas de maduracion.

El objetivo fundamental de las lagunas de maduración es la reducción de agentes

patógenos, por tanto los métodos de diseño se basan en los modelos cinéticos para la

eliminación de éstos, normalmente representados por los coliformes fecales.

Los modelos de simulación de calidad de aguas superficiales, generalmente

utilizan una cinética de primer orden para representar la desaparición de coliformes del

medio acuático. La ecuación que se recomienda con más frecuencia para el diseño de

lagunas de maduración, se basa en suponer una cinética de primer orden para la

eliminación de patógenos, así como un régimen de flujo en mezcla completa. La ecuación

de diseño es la siguiente:

ei

bN = N

1+ k R

donde:

Ne = número de coliformes fecales/100 ml en el efluente;

Ni = número de coliformes fecales/100 ml en el influente;

kb = constante de velocidad para la eliminación de coliformes, día-1;

R = tiempo de retención, días.

Para la construcción de varias lagunas de maduración en serie, la ecuación de

diseño sería:

37

(28)


ei

b b b nN = N

(1+ k R ) (1+ k R )...(1+ k R )1 2

donde Rn es el tiempo de retención en la laguna n.

La constante de velocidad se suele expresar de la forma siguiente:

b 20T 20

k = k ( )

donde:

k20 = constante de velocidad a 20 ºC, día-1;

= coeficiente de temperatura, 1.19 adimensional;

T = temperatura, ºC.

Habitualmente se toma un valor constante para kb, que depende únicamente del

microorganismo que se considere. Los valores habituales para kb son 2 d-1 para

Escherichia coli y 0.8 d-1 para Salmonella typhi.

La presencia de coliformes fecales se ve afectada por la intensidad luminosa. Para

incluir este factor, Chamberlin y Mitchell propusieron la siguiente definición de velocidad

específica de desaparición de coliformes:

k = k l el 0- z

donde:

kl = constante de proporcionalidad específica de cada microorganismo, cm2/cal;

l0 = energía luminosa a nivel de la superficie de la laguna, cal/cm2 hr;

= coeficiente de extinción, m-1;

z = profundidad, m.

Según esta ecuación la velocidad específica se anularía en la oscuridad, debido a

esto se ha desarrollado una ecuación alternativa, que incluye componentes dependientes e

independientes de la intensidad luminosa. Expresa la velocidad específica en función de

la temperatura, salinidad e intensidad luminosa:

38

(29)

(30)

(31)


k = 0.8 + 0.006 (% AM)

24 + k lT

l107 20. ( )

donde:

% AM = salinidad, expresada como tanto por ciento de agua de mar;

T = temperatura, ºC.

La O.M.S. recomienda un tiempo de retención mínimo de 5 días si se cuenta con

una sola laguna de maduración, y 3 días por laguna cuando hay dos o más trabajando en

serie.

También se puede hacer el diseño de las lagunas de maduración sabiendo la carga

superficial que reciben. Para ello al calcular la carga superficial, ésta no debe de superar

los 15-50 kg DBO5/ha·día, que es el intervalo de reducción del número de

microorganismos indicadores de la contaminación fecal.

2.7. CONSTRUCCIÓN Y PROBLEMAS DE LAS LAGUNAS DE

ESTABILIZACIÓN.

2.7.1.- Antecedentes

El diseño de lagunas no consiste solamente en determinar la superficie y

profundidad sino, particularmente en resolver un sin número de detalles de construcción

y especificaciones que asegurarán un funcionamiento y estabilidad adecuado de la

unidad a lo largo de su vida útil.

Muchos informes acerca de lagunas existentes demuestran una serie de defectos

en su funcionamiento, averías en las estructuras y molestias de una pobre ingeniería. Un

buen diseño minimiza malos funcionamientos tales como manchas anaeróbicas en una

laguna facultativa, carencia de efluente por infiltración excesiva hacia el fondo, diques

erosionados, crecimiento excesivo de maleza, proliferación resultantes de mosquitos,

débil efecto de mezcla inducido por el viento, acumulación de sedimentos alrededor de

la entrada y otras penosas circunstancias.

39

(32)


Además, una buena ingeniería trae como consecuencia, casi siempre, la

reducción en los costos por la minimización en el revestimiento y la optimización de la

excavación y el relleno.

Hay muchas buenas razones para no descuidar la ingeniería y detalles de

construcción.

2.7.2.- Movimiento de Tierra

2.7.2.1.- Volumen mínimo de movimiento de tierra

En un terreno llano es suficiente realizar una excavación poco profunda para

conseguir el material requerido para la construcción de los diques. Dos condiciones son

obligatorias:

1.- El nivel de agua en la laguna debe quedar situado debajo del nivel de la

solera del último tramo de la alcantarilla de llegada si es por gravedad.

2.- El suelo removido debe ser adecuado para la compactación y mantener una

cohesión cuando es humedecido.

La tierra orgánica y la arena no son adecuadas para la construcción de diques.

normalmente, un buen material se encuentra debajo de la superficie del suelo. Este

terreno más adecuado puede ser utilizado para formar el núcleo impermeable y estable

del dique y el sobrante utilizarse para completar el dique y para formar el talud.

De no haber tierra disponible en el lugar de la obra, la misma deberá ser

transportada de otro lugar. En este caso, pueden surgir problemas económicos. los

suelos compresibles o plásticos pueden afectar considerablemente el costo de la

construcción, lo que haría que la alternativa de lagunas de estabilización como medio de

tratamiento no sea económica.

Ante la presencia de un terreno adecuado, el material excavado es apilado en

capas y compactado sucesivamente. La condición más económica surge cuando toda la

tierra requerida para construir las represas proviene de la excavación del fondo de la

laguna. Partiendo de un punto de vista puramente geométrico, el volumen excavado

debe igualar al apilado. Debe hacerse una compensación adicional por la expansión

durante la excavación y la reducción durante la compactación. Dependiendo de la

40


compresibilidad de la tierra, contenido de humedad y otros factores, por lo general el

volumen de suelo que entra en la conformación del dique es menor al excavado.

En condiciones ideales, una laguna cuadrada con una superficie de cuatro

hectáreas, una profundidad en el agua de 2 m, parte libre de 0.5 m, 2 m de ancho en la

coronación y pendientes de 1:3 en el lado húmedo y 1:1.5 en el otro lado, requeriría una

excavación de 0.4 m de profundidad.

El sondeo del suelo con un horadador manual puede ayudar a identificar el

material disponible para estimar los costos de construcción.

Si el terreno no es parejo, el propósito debe ser el mismo: tener el relleno igual a

la excavación más la compensación.

Construcción de lagunas en terrenos agrícolas con alto contenido orgánico como

raíces y ramas deben ser removidas, porque una vez que el material orgánico se

descompone puede dar lugar a la formación de roturas o grietas, que expondrían a la

estructura a un alto riesgo.

2.7.2.2- Geometría del dique

Con la finalidad de mantener al mínimo la erosión causada por olas provocadas

por el viento, la pendiente del dique en el lado húmedo debe ser suave, más menos 1 en

la parte vertical a 3 en la parte horizontal. Los taludes más empinados pueden ser

adoptados en el caso de suelos muy duros y si se utiliza un revestimiento protector.

En el lado seco el declive es usualmente 1:1.5 o más empinado.

El talud en el lado seco y la faja sobre el nivel del agua en el lado húmedo

deberán, protegerse con césped contra la erosión. El tipo de césped utilizado para este

propósito tiene una marcada influencia en los costos de mantenimiento.

Si el césped llega por debajo de la superficie del agua, esto creará un hábitat para

larvas, caracoles y otros tipos de animales. Una angosta faja desnuda, de alrededor de

0.2 m, deberá mantenerse entre el césped y el nivel del agua.

41


La coronación del dique debe ser hecha lo suficientemente ancha como para

permitir el fácil tráfico de camionetas o camiones en grandes instalaciones,

considerando que en instalaciones pequeñas todo lo que se necesita es un sendero de 1

m de ancho y de por lo menos 3.0 m en instalaciones mayores para el acceso de

vehículos. La parte de la coronación debe consolidarse adecuadamente para evitar su

deterioro como consecuencia del tránsito y tener una geométrica curva que evite la

acumulación del agua de lluvia.

Después de terminar el movimiento inicial de la tierra, los taludes son afinados a

mano o mecánicamente por medio de niveladora. Luego se siembra el, césped siempre

que se disponga de personal suficiente, y del equipo para su manutención.

El mantenimiento de los diques consiste en cortar las malezas que crezcan en

ellos, y procurar que haya un césped bien cuidado que evite la erosión eólica y les dé un

aspecto agradable a las lagunas. La parte superior de los diques puede mantenerse

acondicionada para la circulación de vehículos. Los descensos de nivel del dique por

asentamiento deben repararse rápidamente agregando material adicional, previo

despalme y escarificación.

2.7.3. Revestimiento

El revestimiento es más una excepción que una regla. Su aplicación aumenta

considerablemente el costo y, por esta razón, sólo se debe utilizar en circunstancias en

que no pueda evitarse.

2.7.3.1.- Impermeabilización del fondo

Si la tierra es muy permeable teóricamente puede suceder que la laguna nunca

complete su llenado debido a la infiltración a través del fondo. En este caso, el nivel del

agua se mantiene en un punto donde la carga estática, encima del fondo, es suficiente

para lograr la entrada del fluido en la tierra porosa subyacente. En la práctica, esta

situación se supera con facilidad durante la puesta en marcha de las lagunas anaeróbicas

o primarias. La retención se torna más difícil en el caso de lagunas secundarias o de

maduración por la naturaleza de los sólidos suspendidos presentes en las aguas

residuales tratadas.

42


En muchos casos pueden evitarse sorpresas desagradables por medio de un

análisis granulométrico del suelo y pruebas de infiltración, pero a pesar de ello, los

resultados obtenidos son frecuentemente engañosos y las fallas pueden ser detectadas

algunas veces sólo después de que los trabajos se han completado.

De cualquier modo, si se decide construir una laguna en tierra relativamente

porosa, la superficie de la unidad debe ser hecha impermeable por medio de una capa

compacta de 0.10 m de tierra arcillosa transportada de un sitio cercano. A primera vista

no parece mucho, pero una hectárea requiere 1,000 m de revestimiento de arcilla.

Algunos diseñadores recomiendan capas más delgadas, por debajo de 0.05 m,

pero se entiende que un revestimiento tan reducido difícilmente puede ser uniforme y es

propenso a presentar fallas tales como grietas, derrumbes por lavado, subpresión,

adhesión pobre al suelo original, etc.

Los revestimientos de polietileno y de vinilo han sido utilizados en algunas

ocasiones pero el costo es relativamente alto en países en desarrollo. SI esta clase de

impermeabilización es utilizada, usualmente debe revestirse tanto el fondo como los

taludes. Los bordes del forro avanzan hacia la cima del dique donde deben ser fijados

por los medios más adecuados. Los recubrimientos de plástico se utilizan por lo general

en unidades relativamente pequeñas y más que nada en lagunas aireadas

mecánicamente.

Aparentemente, ésta constituye una alternativa factible en lugar del

revestimiento con arcilla, particularmente si ésta debe ser transportada desde una gran

distancia. el caso de suelos con más de 70% de material granular por peso (grava o

arena), el uso de suelo-cemento es una solución económica.

El suelo, cemento es preparado manualmente con el material extraído en el

lugar, mezclándolo con 8-11% de cemento Portland, basado en sólidos secos. El suelo

es aflojado manualmente con un rastrillo a una profundidad de cerca de 50 mm y se deja

secar. La cantidad exacta de cemento es colocada sobre la arena en pequeñas cantidades

iguales (8 a 10 kg/m ), y distribuidos uniformemente. A continuación se mezcla bien

con el suelo sin moverlo del lugar a fin de asegurar una capa uniforme. Finalmente se

compacta. Si la tierra se ha dejado secar mucho como para presentar una cohesión

pobre, una cantidad mínima de agua se añade cuidadosamente por medio de un envase

para regar. El cuidado de curado es similar al utilizado para el concreto.

43


Parece ser que una cantidad de 8 Kg de cemento Portland por m2 de fondo de

laguna es competitiva, en costo, con cualquier otro medio de revestimiento, aún a un

costo de mano de obra mucho mayor.

2.7.3.2.- Revestimiento de taludes

En términos generales, el revestimiento de un talud suave es innecesario. Para

este propósito se recomienda pendientes de 1 en la vertical y 3 6 4 en la horizontal. En

este caso las olas que resultan de la fricción del viento reventarán en el talud

aligerándose, pero ello no significa que no dañe el talud.

En caso de pendientes más pronunciadas el revestimiento puede hacerse

obligatorio.

Aparentemente, el revestimiento de piedra es lo más recomendable para el talud,

siempre y cuando el material rocoso se pueda adquirir a bajo costo, colocándose una

parte por encima y otra por debajo del nivel del agua las piedras de diferentes tamaños y

formas se acomodan manualmente sin unirlas con argamasa. El empedrado es un medio

efectivo contra la erosión y la maleza.

El área empedrada deberá tener 0.15 m de espesor y su altura ser mayor a la

prevista para las olas. El ancho mínimo recomendable es de 1 m, siendo 0.5 m por

encima y 0.5 m por debajo del nivel de las aguas cuando están tranquilas.

Es probable que el empedrado acumule grasa y otros materiales flotantes. Por

este motivo algunas personas se inclinan a usar losas de concreto o un revestimiento de

ladrillo, a pesar de ser más costosos, a fin de lograr una superficie más plana.

Es importante recalcar que el plantar árboles de gran envergadura en las

cercanías de la laguna puede, hasta cierto punto, reducir la fricción causada por el

viento. El efecto de mezcla y de difusión del oxigeno fotosintético en las capas

subterráneas depende en su mayor parte de las corrientes inducidas por el viento. Por lo

tanto, el viento resulta, más que un perjuicio, un beneficio.

2.7.3.3- Revestimiento y polución

Parece existir un interés general en el tema de la polución del agua subterránea

por causa de las infiltraciones. Gran parte del temor se debe a la carencia de

44


información acerca de la propiedad de autopurificación del agua subterránea durante su

migración a través de los constituyentes del suelo. la escasa literatura existente sobre el

tema conduce a las siguientes conclusiones:

- La contaminación bacteria desaparece completamente, en la mayoría de los

casos, a un par de metros del punto de infiltración de las aguas residuales.

- La salinidad se reduce en gran parte mediante su dilución y difusión en las

grandes masas de agua subterránea.

- La materia coloidal orgánica mineral se elimina completamente.

- La materia orgánica soluble se conserva prácticamente intacta por períodos

prolongados.

- El nitrógeno orgánico cuando varia a nitrato no sufre un cambio marcado y

puede usarse como indicador del movimiento de las aguas subterráneas.

En cualquier caso, la naturaleza de la polución es química y puede no existir

problemas de salud excepto en circunstancias muy especiales, tales como cuando se

presentan suelos cavernosos, tuberías de suministro de agua potable ubicadas junto a las

instalaciones de la laguna u otros.

2.7.4.- Otros Detalles de Construcción

2.7.4.1.- Estructuras de ingresos

Existe bastante controversia en cuanto si la tubería de entrada a una laguna debe

ir sumergida o sobre el nivel del agua. Los argumentos a favor de las tuberías

sumergidas son su bajo costo y sencillos métodos de construcción. Los argumentos en

su contra son: el asentamiento de lodo en caudales bajos con la consecuente obstrucción

de la tubería y la aparición de material asentado alrededor de la desembocadura.

Los argumentos a favor de las tuberías elevadas son la ausencia de obstrucciones

con caudales bajos porque se aseguran velocidades mínimas mediante secciones de flujo

parcial, mientras que los canales sumergidos están siempre llenos. El efecto de mezcla y

las condiciones de dispersión del afluente en el cuerpo de agua se aseguran debido a la

turbulencia originada por la caída del afluente. El control visual de los caudales

aproximados es posible desde cualquier punto de la coronación del dique. Los

argumentos en contra son: costos más altos debido a los soportes para las tuberías (por

ejemplo pilares de albañilería) y exposición al vandalismo.

45


Las tuberías de entrada, tanto sumergidas como elevadas, deberán distar de los

bordes. En lagunas cuadradas la tubería de entrada generalmente termina en el centro,

En lagunas rectangulares termina en un punto de la línea central más larga, equidistante

de tres de los lados. Esto evita que las aguas crudas lleguen hasta los bordes.

Algunos autores recomiendan tuberías de entrada sumergidas terminando en una

pequeña pieza vertical apuntada hacia arriba a fin de que la boca no tome contacto con

el material sedimentado. Esta práctica ofrece mayor riesgo de obstrucción.

Otros indican que es preferible colocar la tubería al nivel del suelo,

prolongándola unos 2 m o más por encima de una depresión circular, de 0.5 m de

profundidad y 10 m o más de diámetro, donde se acumulará la arena por muchos años

sin interferir con la boca del canal.

Con frecuencia las tuberías de entrada descargan sobre una losa de concreto de

aproximadamente 1 m de diámetro cuando van sumergidas y en el caso ingresos sobre

el nivel del agua descarga sobre un revestimiento de piedra de aproximadamente 1 x 2

m justo debajo de la boca de la tubería para evitar la socavación del fondo de la laguna

durante la fase de llenado.

Uno de los aspectos que debe ser mejor investigado al proyectar lagunas de

estabilización es el del balance hídrico, hemos tomado lo siguiente:

Tan importante es procurar una carga orgánica adecuada como lograr un balance

hídrico apropiado.

La mayoría de las lagunas de estabilización que no han logrado cumplir su

objetivo ha sido por causa de un balance hídrico inadecuado. Son pocas la lagunas que

han fallado por aplicarles una carga orgánica mal calculada, pues el diseño por carga

orgánica es más flexible que por balance hídrico.

Entre más grande hagamos una laguna, más nos vamos del lado de la seguridad

desde el punto de vista de carga orgánica, pero más la comprometemos desde el punto

de vista del balance hídrico. El balance hídrico suele ser dado por la ecuación:

Qe = Qa + (Pr + Pc ) - (E + Pe) (33)

46


donde:

Qe = caudal efluente

Qa = caudal afluente de aguas residuales

Pr = precipitación que cae sobre la laguna

Pc = infiltración de agua subterránea hacía la laguna (sucede cuando el nivel

freático está sobre el de la laguna)

E = evaporación

Pe = pérdidas por percolaci6n (sucede cuando el nivel freático está por debajo

del de las lagunas y éstas no se han sellado).

Las cantidades anteriores se pueden trabajar en metros cúbicos por día o litros

por día.

Analizando el mes crítico (de menos lluvia, el nivel freático más bajo, de mayor

evaporación) el valor de Q, tiene que ser positivo. Es aquí donde algunas veces se hace

necesario reducir el área de las lagunas, y el diseño del lado de la seguridad consiste en

hacer lagunas más pequeñas (en área total) y no más grandes como supondría quien

haga un análisis superficial del problema.

Si en un primer tanteo durante un diseño obtenemos un valor de Q, negativo,

quedan varias alternativas; entre ellas, impermeabilizar la laguna con material arcilloso

o membranas sintéticas. Pero hay un recurso que puede ser más económico, y éste

consiste en usar lagunas anaerobias. Un sistema de lagunas con anaeróbicas primarias

puede tener un 60% del área de uno equivalente que use sólo lagunas facultativas; lo

cual es muy importante desde el punto de vista de balance hídrico. En casos extremos se

pueden usar lagunas anaerobias primarias y secundarias, con lo cual el área puede llegar

a ser hasta un 40% de la de un sistema equivalente que no use lagunas anaeróbicas. En

zonas muy céntricas donde no sea aconsejable el uso de lagunas anaerobias, éstas

podrían ser sustituidas por lagunas aireadas mecánicamente.

Recuérdese que un buen diseño no consiste en hacer muchas lagunas en serie o

lagunas muy grandes sino lograr la adecuada remoción de carga orgánica y patógenos

con un balance hídrico positivo aún en la época crítica desde el punto de vista hídrico.

Estas lagunas cuentan con aliviadero. Las lagunas se diseñan con un borde libre

que da margen para el aumento de carga sobre el vertedero de salida cuando sucede este

caudal máximo.

47


Otro aspecto importante relacionado con las pérdidas de agua es la posible

polución de las aguas subterráneas. Es poco probable el paso de patógenos u otros

organismos al subsuelo. Los nitratos pueden llegar a causar problemas. Conviene

investigar hasta qué grado el aumento de la profundidad de las lagunas haga que el

lixiviado proceda de una soma completamente anaeróbica en la cual haya ocurrido

desnitrificación.

2.7.4.2.- Estructuras de salida

La estructura de salida de una laguna determina el nivel del agua dentro de ella y

podrá colocarse en cualquier punto del borde, ordinariamente al pie del dique y opuesto

a la tubería de entrada.

Hay muchos tipos de salidas. La mayoría contempla el tendido de una tubería en

el fondo de la laguna que atraviesa el dique. Esto permite vaciar completamente la

laguna en caso necesario.

El dispositivo de salida más sencillo consta de una tubería vertical cuyo extremo

superior alcanza el punto del nivel de agua deseado. El extremo inferior se conecta a la

tubería de descarga.

Las tuberías de descarga que atraviesan los diques deberán instalarse con

anterioridad a la construcción de los mismos a fin de evitar cortes y rellenos en una obra

recién construida, corriéndose el peligro de debilitar algún punto.

Las estructuras salida más convenientes son con dispositivos para variar el nivel

del agua con fines operativos. Por ejemplo, disminuyendo el nivel en 0.50 m se

facilitará enormemente la eliminación de maleza y reparación de los taludes erosionados

por el choque de las olas.

Tal dispositivo de salida puede consistir simplemente de una caja cuadrada

vertical cuya base repose sobre el fondo, al pie del dique, y su extremo superior

sobresalga sobre el nivel del agua. Uno de los lados de esta caja se construye

parcialmente y se colocan planchas de contención, que pueden ponerse o quitarse a

voluntad, a manera de un vertedero de altura variable.

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Actualmente se recomienda la instalación de una pantalla alrededor del

dispositivo de salida para impedir que penetre materia flotante y espuma en el efluente y

la consiguiente salida de huevos y quistes de parásitos.

2.7.4.3.- Medidores de caudal

Deberán instalarse dos medidores de caudal en cada laguna: uno en la entrada y

otro en la salida.

Es mejor instalar el medidor de caudal de entrada al ingreso del sistema de

tratamiento. En este caso los medidores adecuados son el canal de Parshall o el medidor

Bowlus y Palmer.

El medidor de caudal de salida puede ser la misma estructura de salida, si tiene

la forma de un vertedero rectangular. De otro modo, se puede instalar en la tubería de

descarga, por el lado exterior del dique.

La comparación entre los flujos de entrada y salida da una idea de la magnitud

de la evaporación e infiltración, así como del efecto de dilución de la precipitación

pluvial. Además, es un medio correcto de evaluar el desempeño de una laguna.

Estas lagunas cuentan con aliviadero. Las lagunas se diseñan con un borde libre

que da margen para el aumento de carga sobre el vertedero de salida cuando sucede este

caudal máximo.

2.7.4.- Tuberías de interconexión

Las tuberías de interconexión se utilizan para transferir el efluente de una laguna

a otra en casos donde se operan dos o más unidades en serie, tal como de una laguna

anaeróbica conectada a una facultativa o una facultativa conectada a una de maduración.

En muchos casos una tubería que atraviesa el dique, bajo el nivel del espejo de

agua, es suficiente para establecer una interconexión adecuada. En esta circunstancia el

nivel del agua en ambas lagunas mostrará una diferencial igual a la pérdida de carga

causada por la tubería de interconexión.

49


Suponiendo que ambas lagunas deban mantener niveles de agua distintos, la

estructura de salida de la primera laguna debe empezar con algún dispositivo que le

asegure un nivel constante a ella.

Si la tubería interconectada está un tanto por debajo del nivel del agua en ambos

extremos, digamos a 0.30 m o más, no es necesaria ninguna protección especial para

evitar que el material flotante penetre en la segunda laguna.

Algunas personas agregan a la boca de entrada una curva acodada vuelta hacia

abajo, a fin de que llegue hasta una capa más profunda. Este dispositivo puede utilizarse

para corregir fácilmente cualquier error relacionado con la altura en que la composición

del contenido de la primera laguna es adecuada para su transferencia a la segunda.

Con frecuencia la tubería de entrada a la segunda laguna se prolonga hacia abajo

a lo largo de la pendiente hasta que alcanza el pie del terraplén.

Algunas veces el de caudal se instala en la tubería de transferencia. La mejor

ubicación es en el lado de ingreso, colocado en una caja que penetre ligeramente en el

dique.

Las tuberías de interconexión de una laguna anaeróbica y una facultativa deberá

estar protegida en todo momento contra la penetración de materia flotante.

2.7.5.- Acumulación, Manejo y Remoción de Lodos

Se ha visto al comienzo de este documento la importancia que tiene la geometría

de las lagunas. Por consiguiente es de interés para el investigador y el operador tomar en

cuenta la acumulación de lodos, la frecuencia de su remoción y el efecto de los mismos

en el comportamiento de los reactores.

Las lagunas de estabilización son sedimentadores sobredimensionados. Por

consiguiente, en las lagunas primarias es retenido casi el 100% de los sólidos

sedimentables. En las lagunas de estabilización no se lleva a cabo un proceso de

floculación biológica como el que ocurre con los lodos activados y los biofiltros. Por

consiguiente no ocurre una sedimentación secundaria. Esto hace que la acumulación de

lodos en lagunas con grado superior al primario sea despreciable para fines prácticos.

50


Deberá investigarse para cada área geográfica el volumen de lodo acumulado en

las lagunas primarias. Como referencia se indica que este volumen está entre 150 y 200

1/hab x año de acumulación de lodo húmedo.

Según Hanish, referencia 8, la acumulación de lodos procedentes de los sólidos

sedimentables es del orden de 800 1/hab x año. Pero el proceso de digestión anaeróbica

que se lleva a cabo en el fondo de las lagunas reduce este volumen al valor antes

mencionado de 150-200 1/hab x año.

Cuando llega el momento de remover los lodos (de acuerdo con lo previsto en el

diseño, y tomando en cuenta que debe haber más de una laguna primaria) se procede a

drenar y secar la laguna que se va a limpiar, con lo cual el volumen seco del lodo llega a

ser menor (del orden de 50 1/hab x año). Para esta última operación debe aprovecharse

la estación seca o estiaje.

2.7.5.- Revisión del Diseño de la Alcantarilla Afluente

Al tratar sobre la remoción de suelos se mostró que es más económico utilizar la

tierra excavada. De esta manera se obtiene una marcada elevación del fondo y, por

tanto, del nivel del agua el cual la mayor parte de las veces afecta el diseño del emisor

en el tramo final. Tal situación puede corregirse rediseñando la alcantarilla afluente, la

que probablemente fue diseñada por otro grupo de profesionales cuya preocupación era

enterrar las tuberías, mientras que seria interesante sacarlas gradualmente del suelo

mediante la reducción de pendiente e instalarlas sobre un terraplén conducente a la parte

superior del dique de la laguna.

Si éste no fuera el caso, se deberá efectuar una comparación de costos

incluyendo una estación de bombeo, previa decisión de ahondar la laguna.

2.7.6.- Instalaciones y Equipos de las Lagunas

2.7.6.1.- Preliminares

El tratamiento de aguas residuales por medio de lagunas de estabilización es un

proceso natural de tratamiento biológico. Se las ha desarrollado con el propósito de

suministrar efluentes adecuados para la mayoría de las aguas receptoras a bajo costo y

utilizando mano de obra no calificada. Por otro lado, después que el diseñador ha

dimensionado el sistema de tratamiento los procesos de estabilización, prácticamente

51


quedarán a merced de las fuerzas naturales y, por lo tanto, es muy poco lo que se puede

hacer además de mantener la laguna en buenas condiciones. Consecuentemente, la

denominación "operación de lagunas" es un tanto inadecuada puesto que darle

mantenimiento es casi todo lo que se puede hacer.

Por esta razón, las instalaciones, servicios y equipos de la laguna deberán ser

mínimos a fin de no interferir con su simplicidad. Si se considera absolutamente

indispensable una planta de bombeo, el caso cambia y la operación se hace obligatoria.

En estas ocasiones existe la ventaja de realizar algún tipo de pretratamiento ya que, de

cualquier forma, habrá un operador permanente.

El pretratamiento abarcar tan solo la remoción de arena, material grueso y

flotantes. En el caso de desechos industriales, un ajuste adicional del pH y la adición de

nutrientes podrían ser necesarios.

2.7.6.2.- Estaciones de bombeo

Si es imposible conducir el agua servida hasta la laguna por gravedad, habrá que

instalar una estación de bombeo. Esto deberá evitarse cada vez que sea posible

rediseñado, la alcantarilla de entrada con una pendiente más pequeña o trasladando la

ubicación de las lagunas a un lugar más favorable.

El inconveniente de las estaciones de bombeo es que requieren una línea de

transmisión eléctrica, constante asistencia y un operador capacitado. Las bombas sufren

obstrucciones, desgaste, fugas. Inclusive cuando funcionan normalmente son blanco de

sospechas por posibles desperfectos. Es más, las bombas centrifugas baten los flóculos

ya formados en el afluente hasta transformarlos en turbiedad, obstaculizando así su

asentamiento en el fondo de la laguna. Además se requiere de mano de obra calificada

para su mantenimiento. Las bombas de tornillo de Arquímedes presentan menos

desventajas y son unidades de flujo variable con ajuste automático. El caudal aguas

arriba es igual al caudal aguas abajo. Las bombas de tornillo cuestan más que las

bombas centrifugas pero menos que las bombas centrifugas de velocidad variable. No

necesitan de una cámara de succión y frecuentemente prescinden de la rejilla para

materiales gruesos.

De cualquier modo, una estación de bombeo es fuente de innumerables

problemas y por lo tanto vale la pena intentar eliminarla.

52


2.7.6.3.- Rejas

Si se incluye una estación de bombeo, deberá instalarse una rejilla de barras

delante de las bombas a fin de evitar su obstrucción.

En ausencia de una estación de bombeo, las opiniones en cuanto a la

conveniencia de instalar una rejilla se dividen: hay quienes están a favor de equipar la

entrada con este dispositivo a fin de eliminar el aspecto antiestético que ofrece el

desecho flotante. Otros, por el contrario, están en contra de las rejillas porque requieren

atención constantemente. Es más, el material retenido se compone de material grueso,

sin importar que flote o se asiente y, en este último caso, es conveniente dejar el

material más pesado en el afluente.

Figura 10. Apantallamiento en un canal Parshall para la remoción de flotantes.

En todo caso, siempre es necesario evitar que las materias flotantes se integren al

efluente de la laguna mediante la provisión de pantallas, siendo la salida, sea sumergida.

De cualquier forma, el material flotante se puede remover fácilmente mediante

una desnatadora de mango largo tan pronto como éste se acerque al borde de la laguna

impulsado por el viento.

El material cribado o flotante que se retira de las lagunas deberá quemarse o

enterrarse.

Las rejillas se construyen de barras paralelas rectas o curvas y pueden limpiarse,

ya sea en forma manual o mecánica, por medio de rastrillos. Para instalaciones más

53


pequeñas, de hasta 50 l/s por ejemplo, son adecuadas las rejillas de limpieza manual.

Por encima de los 150 l/s generalmente se prefieren las rejillas de limpieza mecánica.

Entre los 50 y 150 ls habrá que elegir tomando en cuenta los argumentos en pro y en

contra.

Para que las rejas no se saturen con los sólidos que pueda poseer el agua residual, suelen

ponerse dos tipos de rejas, una de gruesos y otra de finos

2.7.6.4.- Desarenadores

Algunas autoridades en el tema recomiendan desarenadores como medio para

minimizar la acumulación de sedimentos en la laguna. Se han reportado casos de

acumulación de arena hasta tal punto severos que surgió una isla en medio de una

laguna de relativamente poca profundidad. Tales casos son excepcionales y la

acumulación de materiales asentados no se debe únicamente a la arena puesto que

intervienen todo tipo de sedimentos (lodos).

Si el sistema de alcantarillado es del tipo separativo, se puede esperar muy poca

arena, aproximadamente 1 a 3 L percápita anualmente. En lagunas cuyo lecho tiene un

área de 2 m por persona servida esto significaría una capa de 1 mm anual si se esparce

uniformemente. Aún centuplicando este valor, tomarían 20 años llenar completamente

una laguna de 2 m de profundidad.

Bajo condiciones normales es un hecho que el material granular constituye

aproximadamente el 5% del peso del material asentado y, en estos casos, remover la

arena ofrece muy pocas ventajas.

La figura cambia si el sistema de alcantarillado es del tipo combinado en el cual

las aguas pluviales pueden contener considerable cantidad de materia arenosa. En estas

circunstancias el uso de un desarenador puede resultar ventajoso.Algunos desechos

industriales contienen arena en cantidades apreciables, como son los que provienen del

lavado de raíces y tubérculos, del pulimento de vidrio y mármol, etc. Estas aguas

residuales pueden ocasionar depósitos perjudiciales en las lagunas. En estas ocasiones

los desarenadores pueden ser útiles para la remoción de los desperdicios.

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Excepto en los casos mencionados, se debe evitar el uso de desarenadores

porque aumentan innecesariamente el número horas-hombre requeridas para la

operación y mantenimiento de las instalaciones de la laguna.

Hay varios tipos de desarenadores. Los de uso más frecuente son del tipo de

limpieza manual. La más simple consiste en un canal largo y recto dotado de un

vertedero adecuado y con sección transversal de tal forma que el agua residual fluya a

una velocidad constante de aproximadamente 0.3 m/s, independientemente del caudal.

Una buena combinación es un canal trapezoidal con canal Parshall.

La arena removida podrá contener materia putrescible en alta proporción que,

por lo tanto, debe ser enterrada.

Los desarenadores se pueden reemplazar por una depresión en el lecho de la

laguna, justo debajo del extremo de la tubería de entrada. Esta excavación deberá

tenerse suficiente volumen para almacenar materia asentada durante un par de años.

2.7.6.5.- Vivienda del operador

Se recomienda que el operador habite junto a la laguna a fin de que tome interés

en la buena marcha de las instalaciones y vele porque no se produzcan inmundicias. En

este caso un sólo hombre será suficiente para realizar el trabajo relacionado con la

operación y el mantenimiento de una laguna de mediano tamaño. No hay mucho que

hacer y con frecuencia habrá tiempo de sobra para otras tareas fuera del sitio de la

laguna tales como desobstruir alcantarillas y ayudar al personal de mantenimiento del

sistema de alcantarillado.

2.7.6.6.- Suministro de agua

Se deberá instalar algún medio de abastecimiento de agua en el sitio de la

laguna, especialmente si hay una vivienda para el operador. De cualquier modo, el

operador necesita, por lo menos, lavar sus manos y las herramientas con agua

inobjetablemente limpia. La mejor solución es conectar la instalación de agua al

servicio público, pero si esto no es posible por razones económicas o técnicas, se podrá

proveer un suministro local similar a los que se utilizan en granjas alejadas, obteniendo

agua subterránea mediante un molino de viento, por ejemplo. Si el operador no reside

junto a la laguna, un pozo con torno será suficiente en instalaciones pequeñas.

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No debe olvidarse que el tratamiento por lagunas de estabilización es una

solución de índole económica. Por lo tanto, incluir aparatos costosos en sus

instalaciones equivale a desperdiciar dinero valioso.

2.7.6.7.- Instalación eléctrica

Si se va a instalar una estación de bombeo o una vivienda para el operador,

deberá suministrarse energía eléctrica. Generalmente no es difícil traer un cable

eléctrico pero, en caso contrario, se puede instalar un generador diesel.

La energía eléctrica se usa, entonces, para hacer funcionar las bombas y los

artefactos domésticos. En este caso es aconsejable iluminar lugares tales como

construcciones, veredas, puntos de muestreo y medición de caudal, entradas y salidas,

cercas, rejas, etc. Esto contribuye a la seguridad.

Si no se cuenta con una estación bombeo o vivienda para el operador, la energía

eléctrica es de poca utilidad, aún si se instala un pequeño laboratorio, ya que las

instalaciones de la laguna deben ser baratas.

2.7.6.8.- Laboratorio

En países en vías de desarrollo lo no se puede esperar mucho del operador, quien

se encarga generalmente de la operación y el mantenimiento de la laguna. Un

laboratorio razonable requiere de un profesional del grado medio por lo menos. A no ser

que exista efectuar trabajos de investigación, no vale la pena contratar personal

altamente remunerado.

Sin embargo, hay pruebas simples que un obrero no calificado puede realizar

después de un breve entrenamiento, determinaciones sencillas tales como leer un

termómetro, un medidor de caudal, un cono Imhoff, un papel indicador del pH o

identificar olores y colores. Este trabajo ayuda a mantener al operador contento y a que

se sienta importante y que no se aburra o fastidie con la monotonía de su trabajo.

El laboratorio de la laguna debe limitarse a cumplir pruebas rudimentarias. Más

aún, las instalaciones para la recolección y preservación de muestras pueden incluirse si

las pruebas se van a hacer en el laboratorio principal. En este caso el operador estará a

cargo de recolectar y etiquetar las muestras y se le deberá entrenar para desempeñar

estas funciones correctamente.

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2.7.6.9.- Estación meteorológica

Una vez más, en caso de existir interés por trabajos de investigación, se pueden

instalar instrumentos meteorológicos a fin de mejorar los conocimientos sobre la

influencia de las condiciones climáticas locales. La estación puede contar con un

anenómetro, termómetro, evaporimetro, higrómetro, pluviómetro, actinómetro, etc.

Normalmente no lo maneja el operador de la laguna, salvo casos muy especiales.

2.7.6.10.- Acciones de emergencia: teléfono, alarmas, primeros auxilios

Pueden suscitarse accidentes en el lugar de la laguna. Los operadores, visitas y

extraños están sujetos a contingencias, pudiendo resultar heridos, caerse a la laguna y

hasta ahogarse. A fin de reducir al mínimo las consecuencias de estos infortunados

hechos, habrá de tenerse a la mano ciertos artefactos de emergencia, ya que

generalmente las lagunas están distantes de las áreas urbanas de las cuales se puede

obtener ayuda.

El teléfono es un medio relativamente barato y sumamente efectivo para lograr

el tipo adecuado de ayuda.

Una alarma, como por ejemplo una sirena, puede utilizarse para atraer la

atención de personas que se encuentran cerca cuando el operador se halla solo, mal

herido y sus movimientos están obstaculizados, laboratorio o si está socorriendo a un

herido o ahogado y no puede dejarlo solo.

Tanto los chalecos salvavidas como los botiquines de primeros auxilios deben

hallarse accesibles para casos menos severos.

2.7.6.11.- Otras facilidades

Otras facilidades podrían ser: veredas, caminos, estacionamientos, servicios

higiénicos, armario para implementos y herramientas, sala del operador, etc. Las áreas

desocupadas deberán cubrirse con césped y flores. Deberá seleccionarse árboles, plantas

ornamentales y arbustos que no pierdan demasiadas hojas.

Algunas especies de pasto reducen al mínimo la conservación y poda del césped.

Se deberá preferir estas y existen estudios realizados por operadores de lagunas en el

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sentido que se pueden reducir considerablemente los costos de mantenimiento

seleccionando sensatamente la especie de pasto a sembrar.

2.7.6.12.- Implementos y herramientas de mantenimiento

La mayoría de las instalaciones se mantienen mediante simple operaciones.

Lo adecuado es contar, por ejemplo, con desnatadoras, implementos de

jardinería tales como rastrillo, azada, zapapico, pala, grúa de tijeras guadaña, y

herramientas tales como llave de manguera, llave para tubos serrucho, desarmador,

martillo, cortadora, taladro, alicates, tijeras, prenda: protectoras, cascos, botas y guantes

de jebe, etc.

Un bote pequeño o bote salvavidas serán de utilidad para recolectar muestras.

Con estas ayudas el operador puede efectuar pequeñas reparaciones de

compuertas de madera, tuberías, accesorios y otros dispositivos así como mantener las

instalaciones en buen estado.

2.7.7.- Resumen

En muchas plantas convencionales de tratamiento de aguas residuales, se pueden

alcanzar los requerimientos de calidad del efluente a través de una operación eficiente.

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 al otro, de una semana a otra, e

incluso de un día a otro. Sin embargo, las autoridades de salud pública demandan que

los proyectistas indiquen cuál será la calidad del efluente.

Para el riesgo indiscriminado con aguas residuales tratadas, se requiere que la

calidad bacteriológica sea buena. Estos significa que a concentración de Coliformes

fecales sea menor de 1,000/100 ml (NMP CF < 1,000/100 mL). La literatura indica que

esto se puede lograr con 3 ó 4 lagunas de estabilización en serie. Pero el problema es

cuándo y cómo.

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