Lagunas para remoción de orgánicos
Leandro Herrera, Ph.D.
Introducción
Dentro del curriculum de contenidos del curso se incluyen los tópicos más necesarios para aportar al diseño de soluciones actuales, entre ellos, el Tratamiento Bioquímico Clásico de aguas que contienen Orgánicos, usualmente asociado a tratamiento de aguas servidas pero también para RILES orgánicos
A nivel introductorio, conviene destacar que, en general, las aplicaciones bioquímicas a problemas ambientales consisten en utilizar recursos típicos de la biosfera para aumentar la capacidad de vertedero del ecosistema que se desea proteger. Son escasas las aplicaciones ambientales de bacterias (u hongos o algas) genéticamente modificadas que se han intentado hasta la fecha. Como excepción a este comentario, vale mencionar el uso de paredes celulares de algas para la biosorción de metales pesados.
La mayor parte de los problemas industriales asociados a orgánicos, sin embargo, presentan concentraciones uno o dos ordenes de magnitud superior, de modo que las tecnologías a utilizar cambian. Para orgánicos diluidos (p.e. 500 mg/L de DBO5) se utilizan tecnologías de lagunaje o de lodos activos, en muy diversas variantes. Para concentraciones más altas se recurre a tecnologías agrupadas bajo el descriptor de "filtros biológicos", si bien su funcionamiento no guarda relación ninguna con un filtro (que corresponde a una operación de separación),
Se presentan las metodologías de diseño, en términos prácticos, seguidas de ejemplos que permitan contrastar unas y otras soluciones tecnológicas.
Las Lagunas de Tratamiento de Aguas Servidas, algunas veces llamadas de estabilización, tienen como propósito explícito conseguir que las aguas acumuladas en ellas lleguen a cumplir un conjunto de parámetros cuantitativos, fijados por ley, que permitan su descarga al ambiente receptor sin ocasionar problemas ambientales ulteriores. Los parámetros suelen estar relacionados con el potencial de riesgo a la salud pública, la cantidad de orgánicos disueltos, los sólidos suspendidos, las materias grasas, el contenido de nitrógeno orgánico, el contenido de fosfatos, la ausencia de olor y la ausencia de color. Cada nación del mundo regula, soberanamente, los parámetros aplicables, usualmente por sistema receptor y/o por región de aplicación de la regulación (por ejemplo en la regulación por ríos y en la regulación por cuencas).
La ciudades chilenas que conformen parte del territorio operacional de una empresa sanitaria concesionaria se deben regir por las normas de descarga a cauces superficiales, orientados a reuso de las aguas en regadío. La norma aplicable, en muchos casos, es la norma chilena de reuso de aguas para diversos usos, NCh1333, editada por el Instituto Nacional de Normalización. Las normas chilenas están en pleno cambio y se espera que a fines de 1999 existan nuevas regulaciones, más afinadas y explícitas.
Los parámetros exigibles hoy en día para el efluente de las lagunas de tratamiento de aguas servidas serán solamente que los coliformes fecales estén por debajo de 1000 UFC/100 mL, que los sólidos estén por debajo de 100 mg/L, que no se aporte olor evidente y que no se aporte color observable al sistema receptor, de acuerdo a la citada norma chilena. Las nuevas normas debieran regular la descarga de sólidos suspendidos y de DBO5 en 35 mg/L.
Las posibles variaciones en lagunas de tratamiento de aguas servidas se pueden clasificar de distintas maneras, pero una de las más habituales las clasifica según la participación del oxígeno disuelto en el sistema:
Lagunas Anaerobias: si el oxígeno está ausente en toda la laguna se clasifica como laguna anaerobia;
Lagunas Facultativas: si el oxígeno disuelto participa sólo en algunas partes de la laguna (por ejemplo en el sector superior) pero existen regiones sin oxígeno (por ejemplo en el fondo) se le clasifica como facultativa.
Las lagunas pueden también clasificarse según el mecanismo que aporta oxígeno, si es que el oxígeno es necesario. Se encuentran así:
las de agitación superficial (la agitación promueve el contacto del agua con la atmósfera y transfiere así el oxígeno del aire) y
las no aireadas o estáticas (que usualmente se basan en el aporte diurno de oxígeno desde fotosintetizadores, como algas por ejemplo).
de mezcla parcial en que se admite una cierta estratificación de sólidos pero se busca asegurar que la potencia consumida consiga aportar estrictamente en oxígeno necesario para la reacción aerobia en todo el volumen de reacción
además, existen las lagunas estáticas. suelen llamarse de estabilización, en que no se promueve el mezclado).
Las lagunas aerobias estáticas se basan en el aporte de oxígeno a partir del crecimiento de fotosintetizadores y permiten obtener efluentes de baja DBO soluble pero de alto contenido de algas, las que debieran ser cosechadas a fin de controlar los cuerpos receptores. La profundidad debe ser tal que no se alcancen a producir regiones sin oxígeno, sobre todo teniendo presente que la turbiedad impide el paso de la luz solar; se suelen encontrar profundidades de 30 a 45 centímetros y tiempos de retención hidráulicos teóricos (es decir, volumen de la laguna dividido por caudal medio tratado) de 10 a 40 días de modo que el terreno requerido para esta tecnología puede ser intolerablemente grande. La tasa de carga de este tipo de lagunas cae en el rango de 85 a 170 Kg. de DBO5 por hectárea y por día.
Las lagunas anaerobias se utilizan para tratar caudales con alta carga de orgánicos, usualmente de origen industrial. Esta tecnología no se aplica a tratamiento de aguas servidas de alcantarillado porque los olores producidos resultarían ambientalmente más inaceptables que la propia descarga cruda. Sin embargo, las lagunas de tratamiento malamente diseñadas para ser facultativas (bajo tiempo de residencia; descuido en el patrón de flujo; exceso de profundidad; etc.) se convierten en anaerobias por la sedimentación de la carga entrante. En todo caso, las lagunas anaerobias suelen recibir cargas de 160 a 800 Kg. de DBO5 por cada 1.000 m3 por día, y operan a un tiempo de residencia hidráulico teórico de 20 a 50 días. La profundidad puede ser entre 2,5 y 7 metros.
A pesar de las malas experiencias, las lagunas facultativas han sido la alternativa más común para tratar aguas servidas de alcantarillado urbano y, si el diseño es correcto, operan adecuadamente para el abatimiento de orgánicos, con una DBO5 de salida de 30 a 40 mg/L e, incluso en algunos casos, el decaimiento de coliformes fecales por debajo del valor de la norma de EEUU de 200 UFC/100 mL. La carga aceptable para estas lagunas cae entre 20 y 60 Kg. DBO5 por hectárea y por día; el tiempo de residencia hidráulico teórico cae en el rango de 25 a 180 días (para abatir coliformes fecales se diseña para, al menos, 180 días) y la profundidad de operación debe estar entre 1,2 a 2,5 metros (de otro modo se transforma en laguna anaeroba; por otra parte, se debe garantizar que el fluido utiliza todo el volumen de la laguna, evitando corto circuitos y regiones muertas).
Las lagunas aireadas, con diversos esquemas de aporte de aire, se fueron implementando a medida que la carga a las lagunas facultativas crecía a más de 60 Kg. DBO5/hectárea/día. Como la operación anaerobia de lagunas no resulta aceptable, si la carga aumenta se debe disponer de más terreno. Si tal inversión no es factible, resulta oportuno no descansar sobre la generación de oxígeno disuelto por algas sino que utilizar equipos de aireación que aporten específicamente el oxígeno necesario para la carga admitida. Esta variante de diseño se puede utilizar con tasas de carga en un amplio rango: desde 8 hasta 320 Kg. DBO5 por cada 1.000 m3 por día, operando entre 7 a 20 días de tiempos de retención hidráulico teórico y desde 2 hasta 6 metros de profundidad. Naturalmente, la reducción del TRHT implica que los coliformes fecales no decaerán a los valores especificados por las normas, sino que se deberá agregar sistemas de desinfección explícitos. El aumento de profundidad permite reducir los requerimientos de terreno hasta por debajo de la mitad del necesario para lagunas facultativas; los breves tiempos de retención, a su vez, permiten reducir los requerimientos de volumen a un décimo del anterior (particularidad relacionada con la mezcla forzada más que con el aporte de oxígeno propiamente).
Los sistemas de remoción de orgánicos por lagunas aireadas, con algún grado de mezcla (es decir, de mezcla completa o de mezcla parcial) se suelen operar en sistemas en serie (varias sub-lagunas componen el sistema completo) porque aumenta así la eficiencia. Diversos estudios han logrado establecer fehacientemente que un sólo sistema (una sola laguna) produce niveles de tratamiento por unidad de volumen menores que varias lagunas en serie y se ha verificado, empíricamente, que 4 lagunas en serie producen un óptimo balance de operación e inversión versus costos de Tratamiento global.
A fin de seleccionar lagunas de mezcla completa o de mezcla parcial, es necesario diseñar y evaluar ambas alternativas. Naturalmente, se sabe que la decisión descansa sobre los distintos requerimientos de terreno y movimiento de tierras de cada alternativa (mezcla completa requiere menos terreno) comparado con los distintos costos de equipos y de operación de cada alternativa (mezcla completa tiene mayores costos de equipos y de operación). El objetivo explícito de este diseño conceptual será estimar, con una imprecisión de un 20%, cuanto terreno y que costos de equipos y de operación tiene cada alternativa.
El diseño conceptual básico del Tratamiento de cargas orgánicas entrantes en una operación determinada debe permitir discriminar elementos de diseño entre los que se contempla:
tratamiento primario, típicamente, mediante una reja de retención de materiales gruesos o eventual necesidad de sedimentación
necesidad de un sistema monitor de caudal
un Sistema de Tratamiento Biológico en base a lagunas aireadas de algún tipo a definir (es decir, régimen de mezcla parcial o completo)
necesidad de un Sedimentador, sea para remoción o para recirculación de biosólidos
si se trata de aguas servidas, se debe evaluar la necesidad de un sistema de desinfección a determinar (cloro, UV, Ozono, etc.)
elementos eventuales de bombeo, a definir posteriormente.
un filtro prensa para desaguado de biosólidos, previo a disposición final
El sistema primario (rejas y/o sedimentador) es necesario particularmente en el caso de aguas servidas, porque los sistemas de alcantarillado suelen recibir materiales desechados, de gran tamaño y que, de no ser detenidos oportunamente, podrían impedir la correcta operación de los sistemas aguas abajo. Las rejas se diseñan de acuerdo a parámetros que definen su área según el caudal recibido, mediante parámetros y correlaciones eminentemente empíricos. Naturalmente, en el caso de cargas industriales el rpoblema será similar si las conducciones son a canal abierto y serán menores si la carga llega a tubo cerrado.
Medición del Caudal de Carga
El monitoreo de caudal se suele basar en una canaleta de flujo crítico, donde la altura del resalto hidráulico permite obtener el caudal de aguas servidas (Parshall, Pálmer Bowlus, descarga en V u otros artefactos simples), asociado a un sistema de medición de altura del agua en la canaleta (probablemente ultrasonido o visual por operador). Se debe notar que no suele ser necesario instalar sistemas de sedimentación de las aguas de entrada a la Planta.
Tratamiento Biológico
Posterior a las rejas y el monitoreo de caudal, la carga orgánica (por ejemplo, aguas servidas) se conduciría a la Laguna de Tratamiento, objeto de esta discusión, donde permanecerán (en flujo) durante el tiempo de residencia que resulte de cada diseño a evaluar.
Remoción de Biosólidos
Las aguas tratadas saldrán de la laguna con un bajo contenido de orgánicos disueltos pero arrastrarán las células que se han desarrollado a partir de los orgánicos de la carga. Estras células se manejan en forma de sólidos suspendidos, de allí se adecuada definición de biosólidos, y que deben ser retiradas mediante un sistema de separación adecuado, que suele ser efectuado por sedimentación (simple o asistida). El sedimentador se diseña con metodologías físico químicas que no forman parte de esta discusión. Cabe, sin embargo, destacar que el material sólido separado (compuesto por el material celular, o biosólidos, que creció en la laguna más los sólidos no orgánicos que pudiesen haber entrado a la laguna desde la entrada) conformará los lodos producidos por el tratamiento, los que deberán ser dispuestos mediante algún mecanismo y reciclados total o parcialmente. El efluente liquido de la etapa de separación de lodos, en cambio, cumplirá con las normas de contenido de orgánicos (DBO5) y de sólidos suspendidos.
Desinfección
En el caso del tratamiento de aguas servidas, las normas sobre coliformes fecales no se cumpliran sin una operación de desinficacción adecuada. El liquido efluente del separador de lodos, entonces, debe ser conducido a un sistema de desinfección que permita descargar agua tratada con menos de 1.000 UFC de coliformes fecales/100 mL (o cualquiera que sea la norma aplicable).
Disposición Final de Sólidos
Si se deben eliminar lodos, suele ser útil desaguarlos previo al tratamiento subsecuente o despacho a disposición final. El despacho a disposición está sujeto, en todo caso, a reglamentos que deben ser tenidos en cuenta pues el sitio receptor podría estar a una distancia tal que desajuste la factibilidad económica.
Las etapas de esta secuencia de operaciones se resumen en el diagrama de flujos de la figura 2.
Figura 1: Diagrama de flujos conceptual de Lagunas Aireadas en una Planta de Tratamiento de Aguas Servidas (iconos de SuperPro Design©)
En la discusión anterior se ha enfatizado que el diseño de unidades de proceso es eminentemente empírico, debido a que la complejidad físico química de ellas impide su diseño analítico. Lo anterior no implica que no exista un razonamiento sólido, formal, para el diseño sistemático y de baja incertidumbre del proceso. Se rinden a continuación los fundamentos de diseño asociados a los distintos tipos de lagunas.
Fundamentos: Requerimientos de Oxígeno de un Sistema de Tratamiento
El oxígeno resulta necesario porque la materia orgánica aportada por las aguas a tratar (industriales o aguas servidas) es utilizada como alimento (fuente de carbono) por las células que se desarrollan en el sistema. Dada la naturaleza aeróbica del sistema, el consumo de orgánicos se realiza mediante una oxidación bioquímica que consume oxígeno en fase líquida, es decir, oxígeno disuelto a partir de su contactación como gas. La masa de oxígeno que deberán consumir las bacterias desde la fase líquida es fácilmente cuantificada por la cantidad total de orgánicos aportados al sistema. Si los orgánicos se miden como DBO5 entonces la carga total es evaluada mediante:
Ecuación 1
donde Na es el oxígeno requerido en la peor situación previsible, obtenido como el producto de la DBO5 de entrada y el caudal (Q), además de un factor de aporte de DBO por la presencia de las propias células que necesitan respirar (s ) que se suele ajustar en 1,5 (es decir, la respiración de las células y su aporte a los orgánicos del sistema agrega un 50% de requerimientos de oxígeno).
Na cuantifica la masa de oxígeno que debe aportarse al líquido del sistema de reacción. La transferencia de oxígeno gaseoso (presente en el gas que se aporte, por ejemplo como aire atmosférico comprimido) a un líquido de características desconocidas (las A.S. a tratar o un caudal de aguas industriales con orgánicos) se modela mediante factores de correlación empíricos que expresan el cambio de la concentración de saturación del oxígeno en agua potable versus la saturación de oxígeno en las aguas de la carga; parámetro conocido como a y que típicamente adquiere valores en torno de 0,9 (es decir, la concentración de saturación de oxígeno en las aguas a tratar será un 90% del valor en A.P.). Para mayor claridad, el equipo de aporte de oxígeno que debe aportar Na unidades de masa de O2 por unidad de tiempo será un equipo capaz de aportar Na/a unidades de masa de O2 por unidad de tiempo en agua potable.
También es necesario corregir el impacto que tienen las aguas servidas sobre el coeficiente de transferencia de masa, KLa, que permite estimar las propiedades de transferencia en las aguas a tratar a partir de datos de equipos cuyos KLa se reportan para A.P.; este coeficiente es conocido como b y suele tomar valores, también, en torno a 0,9. Es decir, la capacidad de transferencia a las aguas de proceso considerará una capacidad de KLa/ b en agua potable.
La temperatura incide directamente sobre la solubilidad del oxígeno en un líquido, en una ley proporcional inversa (a mayor temperatura, menor solubilidad) y para modelar adecuadamente la transferencia es necesario definir la transferencia a una temperatura patrón (en particular 20º centígrados) y una funcionalidad que exprese el cambio de la solubilidad. La funcionalidad empírica resulta en una ley exponencial que depende de un valor base (habiltualmente en torno de 1,025) elevado al exponente (TP-20), donde TP es la temperatura del agua en proceso, en grados centígrados. Es decir, para especificar equipos es necesario definir la temperatura de operación del proceso. Para estimar las necesidades de transferencia de oxígeno se utilizará la temperatura más alta de las aguas de proceso en el año, pues este es el caso más desfavorable para transferir oxígeno de gas a líquido.
Todos estos "coeficientes" (a, b y Ep) deben ser específicamente medidos para cada aplicación y los valores más arriba especificados sólo sirven de (buena) referencia.
Los cálculos que permiten obtener la transferencia de oxígeno necesaria para el sistema diseñado, en condiciones de operación, equivalente a la transferencia a agua potable (es decir, en términos del fabricante de equipos) se obtienen de la sintética fórmula:
Ecuación 2
donde
CSS es la saturación de las aguas de proceso a la temperatura (TP) de operación;
P es la presión barométrica; y
DO es la concentración de oxígeno disuelto de operación por diseño (que suele seleccionarse en unos 2 mg/L).
Ecuación 3
Es decir, se debe determinar el área de la unidad de proceso (la laguna) antes de definir los requerimientos de oxígeno.
El diseño de una laguna (cualquiera de las modalidades) consiste en definir adecuadamente su volumen, su forma, su profundidad y la forma en que se entregan los requerimientos de aireación y mezclado.
Según se estableció en la introducción, resulta óptimo operar en sistemas de lagunas en series y, en concreto, operar 4 lagunas en serie, sea ello en mezcla completa o parcial. Similarmente, los mecanismos de aporte de oxígeno (aireación) pueden ser mediante agitadores aireadores en profundidad, montados sobre soporte flotante o mediante agitación de la superficie y ambos tipos de equipos ofrecen diversas tasa de consumo de potencia para mezcla y aireación. De esta manera, los equipos a utilizar deberán contemplar ambas alternativas.
La noción de mezcla completa significa que
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las características del fluido serán las mismas |
esta hipótesis se suele simplificar a requerir que los sólidos del sistema de tratamiento no sedimentan en ningún sector del sistema.
A fin de aproximarse adecuadamente a la característica
de mezcla completa se utilizan criterios eminentemente empíricos.
Para movilizar el fluido de modo que se suspendan todos los sólidos,
se requiere una potencia que, empíricamente, resulta del orden de
los 15 W/m3. La forma de entregar esta potencia
suele ser mediante hélices que imprimen una velocidad adecuada al
fluido y que, a menudo, se utilizan para entregar aire mediante eyectores
(La figura 3 describe un eyector impulsado por hélice). Naturalmente,
es también posible movilizar el fluido con un mecanismo y entregar
el aire por otro (por ejemplo, entregar burbujas en el fondo, mediante
un compresor de aire).
Al utilizar el mismo mecanismo para agitar y airear (p.e. un eyector) se reduce el consumo total de potencia del sistema de tratamiento, de modo que suele ser la opción favorita.
El diseño de las lagunas aireadas, en una serie de 4 lagunas, operando en mezcla completa debe definir:
los requerimientos de oxígeno para la respiración celular (es decir para abatir la DBO de carga);
los requerimientos de potencia del diseño definitivo (es decir, para oxigenar, para mantener el líquido mezclado y para suspender sólidos en mezcla completa);
la forma de clarear el efluente (sedimentación, filtración, etc) ;
los detalles de operación del sistema ;
los materiales de construcción, sus dimensiones y sus costos estimados,
Los equipos necesarios y sus costos estimados.
La concentración de reactantes a la entrada y la salida, por diseño, será la DBO5 de entrada (de unos 200 mg/L para aguas servidas) y el requisito de salida que se imponga (por ejemplo de 30 mg/L). Es claro que el sistema de tratamiento biológico se diseña sólo para el abatimiento bioquímico de DBO5 ya que los sólidos suspendidos se controlan en un sedimentador y los Coliformes fecales en una unidad de desinfección.
Entonces, para diseñar el volumen del sistema, se debe elicitar la cinética del proceso.
Los cálculos cinéticos se pueden reducir a expresiones empíricas extremadamente simples, mediante los factores o relaciones de carga volumétrica; tal como se definió en la introducción, se ha constatado que las lagunas aireadas funcionan para cargas por unidad de volumen desde 8 hasta 320 Kg. DBO5 por cada 1000 m3 por día. Este razonamiento podría utilizarse para calcular el volumen de reactor pero adolece de graves deficiencias pues no contempla, explícitamente, la relación existente entre concentración y cinética de reacción (o, en otros términos, supone demasiadas idealizaciones).
Las expresiones cinéticas más utilizadas en reactores bioquímicos siguen la forma matemática sugerida por Monod:
Ecuación 4
donde
[DBO5]Entra es la concentración de entrada al sistema;
Q es el flujo líquido a través del sistema;
V es el volumen del sistema;
X es la concentración de microorganismos (usualmente expresado por los sólidos suspendidos volátiles en el sistema) y
m MAX y KS son, precisamente, coeficientes intrínsecos del sistema que expresan la cinética de reacción.
Es también posible (y usual) utilizar una simple ley de primer orden. Tal hipótesis cinética resulta adecuada, sobre todo, al considerar que los sistemas de lagunas tienen (siempre) tiempos de residencia más bien extensos, de modo que las modificaciones de carga (flujo y DBO5) que se producen en el ciclo diario, no impactan significativamente. El balance de masa para un sistema cuya cinética sea de primer orden tiene la forma:
Ecuación 5
donde se observa que el balance de DBO5 del sistema sólo depende de un parámetro cinético (que hemos llamado KC) el que deberá ser medido para cada a`plicación pero que, en diseños iniciales puede tomar valores de la literatura.
En el estado estacionario del sistema de reacción, se obtiene por simple despeje algebraico:
Ecuación 6
donde el término Q/V suele recibir el nombre de tiempo de residencia hidráulico (o tiempo de retención) y se representa por la letra griega tau, t .
Por otra parte, al utilizar una serie de reactores, cada uno de ellos en mezcla completa y del mismo volumen, se aplica la misma expresión cinética para estado estacionario a cada uno de los reactores. Se obtiene de allí una suma simple que despejada arroja una ley exponencial para el tiempo de residencia del sistema total, compuesto por "n" reactores idénticos en serie:
Ecuación 7
Los estudios experimentales muestran que la constante de primer orden (KC) depende de la temperatura, la que puede variar significativamente a largo del año. Una buena descripción de la dependencia de la cinética con la temperatura se ha podido obtener de una ley exponencial tradicional:
Ecuación 8
donde T es la temperatura de operación del sistema en grados centígrados y el parámetro q se obtiene empíricamente para el sistema de reacción particular (mediante la medición de la cinética a distintas temperaturas y ajuste de curvas logarítmicas). Dado que al diseñar no existe el sistema final en operación, se utilizan valores de consenso, con criterios profesionales nacidos de la experiencia. Para esta discusión se utilizará el valor típico de q de 1.085 y un KC(20) de 2,5 días-1
Es necesario, para el buen diseño de la constante cinética de primer orden, definir (estimar) la temperatura de diseño del agua en el sistema. Dado que la temperatura cambia a lo largo del año, se puede utilizar la temperatura más baja posible de observar a lo largo del año. La temperatura del agua en tratamiento (en las lagunas) depende de la temperatura de las aguas que salen del emisario de alcantarillado a tratamiento y de la temperatura del aire circundante, todo esto, en el peor caso del año. La relación que permite relacionar las diversas temperaturas es la ya expuesta (ecuación 3) para el caso de la transferencia de oxígeno, debida a Mancini.
Al evaluar el tiempo de residencia del sistema compuesto por 4 lagunas idénticas en serie, cada una de ellas en mezcla completa, se obtiene el tiempo de residencia t asociado al volumen total del sistema de tratamiento. A partir del tiempo de residencia total, es simple deducir que, dada la identidad volumétrica de cada sub laguna, que el tiempo de residencia en cada una de "n" lagunas será ti=t /n.
Con el tiempo de residencia se obtiene el volumen del sistema y el de cada sub laguna en la serie de "n", a través del caudal de diseño y el tiempo de residencia del caso:
Ecuación 9
La dimensión (área, largo, ancho, profundidad, taludes, etc.) se obtiene de considerar la profundidad a la que se puede operar sin impedir la mezcla completa ni la correcta aireación del sistema. Si se eligieran Agitadores Aireadores por inyección o agitadores superficiales, y dadas las potencias esperadas, es razonable operar a 2,5 m de profundidad.
Para obtener las dimensiones del sistema será necesario definir si las paredes serán rectas (que conformaría un simple paralelepídedo recto) o si se construirán mediante materiales geotextiles impermeabilizantes, en cuyo caso el estudio de la mecánica de suelos dictará el talud tolerable en el suelo particular.
Un estudio de estabilidad de talud típico, basado en informes de mecánica de suelos, suele arrojar ángulos de fricción entre 30 y 50 grados y se adoptará aquí un ángulo de 35º.
Si se considera en el cálculo del ángulo del talud, un factor de seguridad de 2, se debiera usar en diseño un ángulo de fricción de unos 20º.
Para la Planta de Tratamiento de este ejemplo se utilizará un talud de pendiente 1:1,5 que corresponde a un ángulo de 33,7 grados de arco, medidos desde la horizontal hasta la pared, por fuera del sistema de reacción.
Conocido el volumen total del sistema de tratamiento y el ángulo de talud en sus bordes principales y considerando que las divisiones entre las cuatro lagunas se podrían construir en plástico que no ocupa volumen significativo, es posible calcular todas sus dimensiones. De hecho, el volumen de una estructura cuyo fondo sea de lf por lf, con una altura de operación z, y un talud uniforme, aplicado a los cuatro costados, de ángulo a =33,7º será bien evaluado por:
Ecuación 10
de donde se obtiene lf, que especifica la dimensión del fondo del sistema. La dimensión superior del sistema (en el tope del talud) se obtiene considerando el ascenso con el talud ya definido. El ascenso se calcula considerando que se ocuparán z metros de agua más 0,6 metros de altura libre de aguas (para evitar salpicaduras, rebalses, etc; conocido como la altura de "free board"). La dimensión (el lado del cuadrado, lA) de la laguna completa, en el borde superior del talud por el lado interior será:
Ecuación 11
Si se adopta un requisito de operación del sistema de tratamiento por carga gravitacional se deberá considerar que el tope de aguas de la laguna debe ser más bajo que el punto de entrega de aguas. Luego, es posible que los volúmenes de excavación y movimiento de tierras consideren que el mismo talud se continuará hasta el borde superior del terreno. En forma equivalente, se puede considerar que se tuviese un free board sobre el espejo de aguas de la laguna más alto que el necesario para la simple hidráulica, es decir será mayor más que el especificado más arriba (0,6 metros). Sin embargo, el free board de lámina de PVC podrá seguir siendo de 0,6 metros.
El consumo de potencia de un sistema de tratamiento biológico proviene sea de la potencia necesaria para proveer el oxígeno; de la potencia necesaria para mantener el fluido en movimiento; o de la potencia necesaria para mantener los sólidos en suspensión. Aquella potencia que resulte mayor (de estas tres) será la necesaria para la operación del sistema. Las potencia se obtienen de simples parámetros de eficiencia, expresados en Watts de potencia eléctrica por unidad del parámetro atingente (por ejemplo m3 o Kg. de O2) y que son provistos por el fabricante de los equipos operando en agua potable. Si bien se dispone de valores medios de estas eficiencias, su valor en definitiva depende de cada fabricante en particular.
Fundamentos: Diseño de lagunas en mezcla parcial
Las ecuaciones de diseño de lagunas aireadas en mezcla parcial son las mismas que para una laguna aireada en mezcla completa, pero la cinética y las hipótesis de diseño cambian y, en consecuencia, cambia la lógica de diseño. Para lagunas en mezcla parcial no es necesario (el diseño no lo requiere) que los sólidos del sistema estén completamente suspendidos; se requiere tan sólo entregar (transferir) el oxígeno necesario para el abatimiento de la DBO5 entrante al sistema (o a cada subsistema si son lagunas en serie).
Los requerimientos de potencia para mantener los sólidos de un sistema en suspensión exceden la potencia necesaria para sólo transferir el oxígeno requerido por la biomasa (es decir, por los mismos sólidos). De allí que la potencia requerida por un sistema en mezcla parcial sea significativamente menor que la potencia requerida por un sistema en mezcla completa. En contraposición, la cinética del proceso cambia al reducirse la potencia de mezclado. Su cambio es en el sentido de reducción de la cinética con la reducción de la potencia. De allí que sea necesario diseñar ambas alternativas en algún detalle: los sistema en mezcla parcial requieren menor potencia pero funcionan a cinéticas más bajas y, por ende, requieren de un mayor volumen de tratamiento (es decir, el costo en terrenos y en construcción son mayores).
La metodología de diseño aplicada consiste en conocer el volumen del sistema total (4 lagunas en serie) mediante la estimación de la cinética a la temperatura de operación (ecuación 8) pero utilizando un valor apropiado para la constante cinética en mezcla parcial (nota: a 20 grados centígrados, la constante cinética, KC, en mezcla completa según la literatura internacional tiene un valor en torno a 2,5 1/día mientras que en mezcla parcial, KP, tiene un valor en torno de 0,276 1/día).
La cinética obtenida permite calcular el tiempo de residencia hidráulica del sistema total (ecuación 7) y de allí se obtiene el volumen total del sistema de tratamiento. Naturalmente, al utilizar cuatro lagunas idénticas en serie, cada una de ellas en mezcla parcial o completa, se obtiene que tanto el tiempo de residencia como el volumen de cada sub laguna es un cuarto del valor total.
Para la estimación del área del sistema se utilizará la misma profundidad que para mezcla completa (z=2,5 m) por las mismas razones establecidas, pues se usa el mismo tipo de aireadores/agitadores. El factor de forma de las sub lagunas, sin embargo, se cambiarán a una razón ancho = largo/4 a fin de favorecer el flujo de características de pistón.
En cuanto a la fórmula del volumen (ecuaciones 10 y 11), taludes y altura libre de aguas, regirán los mismos valores anteriores porque las divisiones entre una y otra sub laguna serán tabiques plásticos sin volumen, constituyendo 3 tabiques divisorios sobre un sistema cuadrado) si bien esta laguna total resultará de mayores dimensiones que la de mezcla completa (por la reducción de la cinética).
Los cálculos de consumo de potencia de lagunas de mezcla completa se realizan para el sistema total, ya que se deben mantener mezclados sólidos cuya densidad y naturaleza no cambia mayormente de una a otra sub laguna en la serie de cuatro. Al diseñar para satisfacer los requerimientos de oxígeno, en cambio, la primera sub laguna tendrá requisitos de potencia superiores a la segunda, la segunda superiores a la tercera y la tercera superiores a la cuarta (porque el consumo se relaciona con el oxígeno necesario para la carga de cada sub laguna, y la carga disminuye progresivamente).
Dado entonces el volumen y tiempo de residencia del sistema (y por lo tanto de cada sub laguna en la serie) es posible estimar el grado de abatimiento de DBO5 en la sub laguna número "i", evaluando la ecuación de balance:
Ecuación 12
cuya solución permite evaluar la carga (es decir, flujo por concentración de DBO5) a la siguiente laguna (la número "i+1"). Con este valor de carga, se obtendrá el requerimiento de oxígeno y el grado de abatimiento en cada una de las lagunas en forma sucesiva.
Al aplicar la eficiencia de potencia para la transferencia de oxígeno a cada sub laguna, se obtendrá el valor del consumo total de potencia, el que será substancialmente menor que la potencia requerida para mezcla completa.
Ejemplo de Diseño de Lagunas Aireadas
A fin de demostrar la metodología de diseño utilizada para plantas de tratamiento de orgánicos en base a lagunas aireadas de tratamiento, tanto por mezcla parcial como por mezcla completa, se desarrolla a continuación una aplicación hipotética pero característica. El diseño de ambas alternativas (mezcla parcial y mezcla completa) suele ser imperativo pues es difícil establecer a priori que alternativa será más factible para una u otra localidad.
Bases de diseño: Características
de las Aguas Servidas a Tratar
Por estudio en la localidad se debe obtener un conjunto de datos, suficientemente precisos, para cada uno de los parámetros y variables del problema de diseño. Algunos valores provienen de aspectos empíricos previos (por ejemplo la razón de la concentración de saturación de oxígeno en las aguas a procesar respecto del agua potable), otros provienen de las características conocidas de los equipos a utilizar (por ejemplo, consumo específico de potencia); otros provienen de las características de la localización de la Planta (por ejemplo los ángulos de talud) y otros provienen de la caracterización de las aguas a tratar (por ejemplo, su DBO5 de entrada a la Planta; el caudal proyectado; la población atendida y sus tasas de consumo de agua potable y de producción de aguas servidas; etc.).
Las temperaturas ambientes, por ejemplo, se suelen
obtener de informes meteorológicos, pero la temperatura de las aguas
debe ser medida en la localidad, tanto en invierno como en verano, si bien
habitualmente es necesario establecer hipótesis extremas.
|
Localización de la Planta de Tratamiento |
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| Q | Caudal de Diseño | 36 | m3/Hr |
| Q | Caudal de Diseño | 864 | m3/dia |
| C0 | DBO5 diseño | 150 | mg/L |
| Ta1 | Temperatura mínima Aire | 7.46 | centígrados |
| Ta2 | Temperatura máxima Aire | 30 | centígrados |
| Tin1 | Temperatura A.S. entrada Invierno | 8.4 | centígrados |
| Tin2 | Temperatura A.S. entrada Verano | 15 | centígrados |
| H | Altura sobre el nivel del mar | 0 | m.s.n.m. |
Bases de diseño: Parámetros de diseño para el Efluente Tratado
Dado el conjunto de valores paramétricos y de caracterización, se debe establecer cuantitativamente los requisitos de diseño.
De la discusión en la introducción
se desprende que se aplicará la norma NCh 1333 para las aguas efluentes
de la Planta de Tratamiento. Sin embargo, es prudente acoger el cambio
de las normas que se aprobarían en 1998. En síntesis:
| Tabla II: Requisitos de Salida, Planta de Tratamiento de Aguas Servidas | |||
| Cn | DBO5 salida | 30 | mg/L |
| Icf | Índice de Coliformes fecales | 1000 | UFC/100 mL |
| SS | Sólidos Suspendidos | 30 | mg/L |
Bases de diseño: Parámetros de los
modelos y ecuaciones utilizados
Según se observa en Fundamentos, se deben
definir una cantidad importante de parámetros cuantitativos que
permitan el diseño técnico ajustado de cada opción
de proceso. En la Tabla III se presenta el conjunto de parámetros
utilizados en diseños posteriores, si bien algunos parámetros
(en particular, los parámetros cinéticos) cambiarán
de caso en caso.
| Tabla III: Parámetros de Diseño de la Planta de Tratamiento | |||
| n | Numero de Lagunas en serie | 4 | Lagunas |
| q | Factor térmico | 1,085 | adimensional |
| Kc20 | Cinética del proceso biológico a 20C en Mezcla Completa | 1,6 | 1/día |
| KP20 | Cinética del proceso biológico a 20C en Mezcla Parcial | 0,276 | 1/día |
| f | Proporcionalidad de equilibrio térmico | 0,5 | m/día |
| DO | Oxígeno mínimo en el Sistema en Operación | 2 | mg/L |
| z | Profundidad Operación | 2,5 | m |
| s | Incremento de la DBO por los sólidos del sistema | 1,5 | veces |
| F | Factor Forma | 1 | (Largo/Ancho) |
| Pe | Pendiente Talud | 0,588 | radianes |
| Ho | Altura libre de aguas (Freeboard) | 0,6 | m |
| S | Sobre carga en máxima | 1,5 | veces |
| Css | Saturación OD Agua Potable, 20º C, 1 atm. | 9,17 | mg/L |
| a | Relación de Transferencia de O2 A.S./O2 A.P. | 0,9 | |
| b | Relación de Saturación de Oxígeno Disuelto en AS/AP | 0,9 | |
| Ep | Base de corrección térmica Kla | 1,025 | |
| Ef1 | Eficiencia equipo para transferencia de Oxígeno | 1,9 | Kg. O2/kWhr |
| Ef2 | Eficiencia de equipo para mezclado | 1,5 | kW/1000 m3 |
| Ef3 | Eficiencia de equipo para suspensión de sólidos | 10 | kW/1000 m3 |
Los parámetros de la Tabla III corresponden a los necesarios para realizar los cálculos de diseño mediante las ecuaciones expuestas en la sección de fundamentos y su evaluación práctica arroja los valores de diseño de las alternativas expuestos en la siguiente sección. Las excepciones a estos valores se reiterarán en cada evaluación concreta.
En particular, en la tabla se indican dos cinéticas biológicas, ambas en base a 20º C, que para lagunas en mezcla completa es de 1,6 por día, mientras que en mezcla parcial se reduce a 0,276 por día. Tal como se estableció más arriba, la cinética en mezcla completa reportada internacionalmente suele citar 2,5 por día pero a fin de resguardar la buena operación bajo condiciones extremas de invierno, además de asignar un factor de seguridad debido a la falencia de datos nacionales y regionales, es preferible usar una cinética más lenta.
Lagunas en Mezcla Completa
Para obtener la temperatura de proceso (la temperatura del agua en las lagunas) se utilizó la ecuación 3 que requiere del conocimiento del área de contacto entre la laguna y la atmósfera. Se operó iterativamente utilizando un valor inicial de temperatura (se tomó el valor medio entre las aguas servidas entrante del emisario y la atmosférica más baja del año) para determinar la cinética del proceso (ecuación 8) que permitió obtener el tiempo de residencia de la ecuación 7 y de allí el volumen del sistema. El área que se obtendría a esa temperatura se obtuvo de la relación del volumen a la profundidad de operación. Este valor de área se utilizó para estimar un nuevo valor de la temperatura de operación hasta que la convergencia fuese a la tercera cifra decimal (milésima de grado centígrado).
Conocida la temperatura de operación, el tiempo de residencia y el volumen de operación, se obtuvo la dimensión del fondo (con el factor de forma seleccionado), la dimensión en el espejo de aguas y la dimensión en el tope de la laguna, mediante las ecuaciones 10 y 11.
El requerimiento de oxígeno del sistema se obtuvo a partir de la DBO5 aportada al sistema y el caudal de entrada para 10 L/seg. y el factor de consumo de oxígeno por la propia biomasa, s de 1,5 veces la carga media, según la ecuación 1.
Mediante la ecuación 2 se llegó al requerimiento de oxígeno a transferir al sistema de 4 lagunas en serie en mezcla completa, calculado en función de la caracterización de los equipos en agua potable y en condiciones estándar de temperatura y presión. La temperatura del agua en proceso para este caso fue la más alta del año.
Los resultados de cálculo
figuran en la Tabla IV a continuación.
| Tabla IV: Diseño Lagunas en Serie en Mezcla Completa | |||
| Diseño Geométrico | |||
| t | Residencia Hidráulica |
|
días |
| t i | Residencia cada sub Laguna |
|
días |
| Vi | Volumen cada sub Laguna |
|
m3 |
| V | Volumen Total Reacción |
|
m3 |
| Lf | Largo en el fondo |
|
m |
| Af | Ancho en el fondo |
|
m |
| La | Largo en espejo de agua |
|
m |
| Aa | Ancho en espejo de agua |
|
m |
| Lz | Largo Arriba |
|
m |
| Az | Ancho Arriba |
|
m |
| H | Altura Real PVC |
|
m (z más freeboard) |
| Hz | Profundidad de Excavación |
|
m (con Prof. Emisario) |
| Diseño de Consumo de Potencia | |||
| BOD | Carga al Sistema |
|
Kg. O2/Hr DBO5 |
| Na | O2 a inyectar |
|
Kg. O2/Hr transfer |
| Tw | Temperatura del agua en Verano |
|
centígrados |
| CSS | Saturación de O2 en A.S. |
|
mg/L O2 en operac |
| N | Transferencia Necesaria relativa a A.P. |
|
Kg. O2/Hr equipo A.P. |
| W1 | Potencia para Transferencia de O2 |
|
kW sistema |
| W2 | Potencia para mezclado líquido |
|
kW sistema |
|
|
HP | ||
| W3 | Potencia para Suspensión de Sólidos |
|
kW sistema |
|
|
HP | ||
| W | POTENCIA SISTEMA |
|
HP Sistema Total |
| POTENCIA SISTEMA |
|
kW sistema Total | |
Los cálculos permiten el desarrollo de los diagramas de dimensionamiento de una laguna con 4 sub lagunas para operación en mezcla completa y el desarrollo del estudio de costos de operación. Similarmente, se obtienen los cálculos de obras civiles y de materiales de impermeabilización.
Los
diagramas de la laguna con 4 sub lagunas se encuentran en el diagrama.
El volumen del sistema total se obtiene a partir del tiempo de residencia a la temperatura más fría del año y se obtiene el diseño geométrico utilizando el ángulo de talud ya definido.
Conocida la geometría del sistema, se obtiene el grado de abatimiento de la DBO5 en cada sub laguna, mediante la ecuación 12. El grado de abatimiento de DBO5 indica el requerimiento de oxígeno de esa sub laguna y de allí, mediante la eficiencia del equipo de transferencia a utilizar, se obtiene la potencia consumida en cada sub laguna.
Según se especificó
antes, la forma del sistema total es cuadrada pero las sub lagunas se construirán
en razón largo a ancho de 4 es a 1. Esta estructura de pasillos
permite explotar mejor las características de flujo pistón
que ha caracterizado a las lagunas de mezcla parcial reportadas en la literatura.
Los resultados de los cálculos se incluyen en la Tabla V a continuación.
| Tabla V: Diseño Lagunas en Mezcla Parcial | |||||
| DISEÑO GEOMETRICO FINAL | |||||
| t | Residencia Hidráulica | 18,25 | días | ||
| t i | Residencia cada sub Laguna | 4,56 | días | ||
| V | Volumen del Sistema | 15772 | m3 | ||
| A | Area del Sistema | 6791 | m2 | ||
| F | Factor Forma L/a | 1 | (Largo/Ancho) | ||
| Pe | Pendiente Talud | 0.698 | radianes (40 grados) | ||
| Ho | Freeboard | 0.6 | m | ||
| La | Largo en el espejo de agua | 83,34 | m | ||
| La | Ancho en el Espejo de agua | 83,34 | m | ||
| Lf | Largo en el Fondo | 77,38 | m | ||
| Af | Ancho en el Fondo | 77,38 | m | ||
| Ls | Largo arriba | 84,87 | m | ||
| As | Ancho arriba | 84,87 | m | ||
| H | Altura Real | 3.1 | m (z más freeboard) | ||
| Hz | Profundidad de Excavación | 4,5 | m (con Prof. carga) | ||
| Diseño del requerimiento de Oxígeno por sub laguna | |||||
| Tv | Temper Verano Agua | 26,96 | centígrados | ||
| SOR | Carga al Sistema | 5,4 | Kg. O2/Hr como DBO5 | ||
| C0 | DBO5 Entrada Inicial | 150 | mg/L | ||
| c1 | DBO5 Salida Laguna 1 | 100,3 | mg/L | ||
| c2 | DBO5 Salida Laguna 2 | 67,08 | mg/L | ||
| c3 | DBO5 Salida Laguna 3 | 44,86 | mg/L | ||
| c4 | DBO5 Salida Laguna 4 | 30 | mg/L | ||
| Cálculo de potencia y requerimiento de oxígeno por sub laguna | |||||
| N | Carga a cada sub laguna | Kg. O2/Hr | Potencia (KW) | ||
| 1 | Caudal * Delta DBO5 | 1,79 | 2,15 | ||
| 2 | Caudal * Delta DBO5 | 1,2 | 1,43 | ||
| 3 | Caudal * Delta DBO5 | 0,8 | 0,96 | ||
| 4 | Caudal * Delta DBO5 | 0,53 | 0,64 | ||
La potencia total consumida por la Planta en Mezcla Parcial considerando unidades comerciales, será de 3HP (1ra sub-laguna), más 2HP (2a sub-laguna), más 2HP (3a sub-laguna) y más 1HP (4a sub-laguna), es decir, un total de 8HP.
Se observa que las potencias asociadas a cada sub laguna decrementa conforme decrementa la carga aún por tratar en cada una.
Las dimensiones y corte de este diseño se encuentran en el diagrama.
