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Feliz día...

22 de abril

XXI CONGRESO INTERAMERICANO DE INGENIERÍA QUÍMICA

Lima. Abril 24 a 27 del 2005

Ing. Teófilo Donaires Flores

Facultad de Ingeniería Química

Universidad Nacional del Altiplano Puno. Perú

UN NUEVO ENFOQUE EN EL ESTADO DEL ARTE EN EL DISEÑO DE LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN PARA TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

DOMÉSTICAS

Decenio Internacional para la Acción

“El agua, fuente de vida” 2005–2015

DIAGNÓSTICO SITUACIONAL DE LAS LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN

ÁRBOL DE PROBLEMAS

Vista panorámica de la Laguna de Espinar-Puno- Perú

EFECTOS

PROBLEMA

CAUSAS

DIAGNÓSTICO SITUACIONAL DE LAS LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN

Vista panorámica de la Laguna de Espinar-Puno- Perú

DIAGNÓSTICO SITUACIONAL DE LAS LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN

Vista Panorámica de la Laguna de Caracoto –Puno-Perú

DIAGNÓSTICO SITUACIONAL

DIAGNÓSTICO SITUACIONAL

Laguna de estabilización de Huancané

DIAGNÓSTICO SITUACIONAL

Vista panorámica de la descarga de aguas residuales de Huancané

DIAGNÓSTICO SITUACIONAL

Vista panorámica de agua residuales mineras de la Rinconada

DIAGNÓSTICO SITUACIONAL

Vista panorámica de agua residuales mineras de la Rinconada

DIAGNÓSTICO SITUACIONAL

Vista panorámica de agua residuales mineras de la Rinconada

DIAGNÓSTICO SITUACIONAL

Fotos cortesía. Montana Tech,2003

DIAGNÓSTICO SITUACIONAL

Presencia de Metales pesados en peces (Fotos cortesía Montana Tech.2003)

Presencia de Metales pesados en peces (Fotos cortesía Montana Tech.2002)

Table 1. Selected water quality data and Hg concentrations for raw-acidified surfacewater samples collected from the Río Ramis watershed in July of 2002.

<.038.002<34----Trip blank

164.005<347428.60--Río Ramis at YanaocoM

162.005367378.2412008.5Río Ramis at SamanL

225.005<346808.272159.4Río Azangaro near M. ChicoK

79.3.011<343547.884411.7Río Crucero near San AntonJ

77.6.017<343248.10-16Río Crucero near TotoraniI

93.7.033<344288.00479.1Río Crucero near C. GutierrezH

86.74.06602546.72-8.2Río Crucero below CeciliaG

816101.137513305.09211.1Río Cecilia at mouthF

27.8.004-1316.63--Río Grande at SaycotochaE

100.177452476.173.57.1Outlet to L. RinconadaD

290.204816593.530.513.3Adit discharge C

261.9182596113.551.21.4Outlet to L. Lunar de OroB

265.3421185553.80-10.2Inlet to L. Lunar de OroA

SO42-

mg/LZn mg/L

Hgng/L

SC µS/cm

pHFlow cfs

TempºC

DescriptionSite

Introducción

El tratamiento de residuales domésticas e industriales mediante lagunas de estabilización constituye una alternativa viable donde existan terrenos disponibles de bajo costo y este método de tratamiento sea más económico que otros métodos alternos, tales como:

• Lodos activados• Digestión anaerobia• Biodiscos• Filtros biológicos• Digestión anaerobia• Reactor anaerobia de flujo ascendente –

RAFA• Sistemas Wetlands

Factores que influyen la sostenibilidad

AMBIENTE(RECURSOS HIDRICOS) CIENCIA Y TECNOLOGÍA

(SERVICIOS)

COMUNIDAD(INSTITUCIONES LOCALES)

•Cultura y comportamientos•Capacidad de Gestión, O & M• Capacidad y deseo de pago

REDUCCIONDE RIESGOS

RIESGO APROPIACION

•cantidad•Continuidad•Calidad•Vulnerabilidad

•Complejidad de Soluciones•Niveles de servicio•Costos

SOLUCIONESSOSTENIBLES

CONTEXTOPOLITICO, LEGAL E INSTITUCIONAL

•Recuperación de costos/subsidios•Información/comunicación•Asistencia técnica

UNIVALLE-CINARA

Decenio Internacional para la Acción“El agua, fuente de vida” 2005–2015

En muchas partes del mundo, como Europa o Norteamérica, la gente da por sentado que basta con abrir un grifo para tener agua limpia y segura para beber, cocinar o lavar. Sin embargo, más demil millones de seres humanos se ven obligados a recurrir a fuentes de abastecimiento de agua potencialmente nocivas.

Todos los años, el 22 de marzo (Día Mundial del Agua)

Marco Conceptual1. Modelos de Lagunas de estabilización• Laguna aireada. Es aquella en la cual hay oxígeno

disuelto en toda la masa de agua, tienen poca profundidad, hasta donde penetra la luz solar, profundidad máxima de 0,50 m.

• Laguna anaerobia. Es profunda, de 2,50 a 5,00 m. Recibe una carga orgánica de 100 a 400 g DBO/m3.d. No hay oxígeno disuelto, se forma una capa de material flotante que la aísla de aire y bien operada no debe producir malos olores, generalmente, recibe efluentes concentrados.

• Laguna facultativa. Tiene una profundidad de 1,50 a 2,20 m, la capa profunda es anaerobia y la capa superficial es aerobia, en zona cálidas acepta cargas superficiales entre 250 y 600 kg/DBOha.d. es el tipo de laguna de estabilización más comúnmente usado.

• Laguna de maduración. Recibe el efluente de otros sistemas de tratamiento o de lagunas facultativas, se utiliza para destruir organismos patógenos, su profundidad máxima es de 1,50 m.

Laguna Anaerobia Laguna Facultativa Laguna de Maduración

Representación Esquemática de las lagunas Facultativas

2. Modelos para el Diseño

En la actualidad se presentan y se discuten diferentes modelos de acuerdo a las condiciones meteorológicas, aquí se presentan los modelos más importantes para el diseño de lagunas de estabilización en función de la remoción de materia orgánica, medida como DBO y la extinción decoliformes medidos como NMP/100 ml.

• Físicas:– Temperatura– Color– Olor– Sabor– Sólidos suspendidos

• Químicas– DBO– DQO– pH

• BIOQUÍMICAS– Remoción de Patógenos– Bacterias. – Virus– Patógenos

Características de las aguas Residuales

3. Requerimientos de la calidad del efluente

Los requerimientos se definen de acuerdo a las normas ambientales de cada país, para descarga a cuerpos de receptores y para reuso, generalmente se expresan en términos de:

• Materia orgánica (DBO ó DQO)• Sólidos suspendidos• Nitrógeno (total, amoniacal, óxidos de nitrógeno)• Número de bacterias coliformes fecales • Número de huevos de nemátodos intestinales humanos• Número de huevos de tremátodos intestinales humanos.

4. Ecuaciones de diseño

a. Correlación sudafricana (Vicent, 1963).Asume mezcla completa para el cálculo de la

constante de degradación (K).

El tiempo de residencia es:

4.1. Laguna Anaerobia

1+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

θn

i

ean

ie

LLK

LL

⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−= n

i

ean

e

i

LL

KLL 11θ

b. Correlación de Hawai (1981).

Se reportan altos coeficientes de correlación (0,98), para eficiencias del 60 a 70%, éstas no se obtiene en la práctica.

ssr λλ 6876,04555,14 +−=

θλλ 3985,36543,00971,86 ++−= ssr

θλλ 5258,237491,00576,265 ++−= ssr

c. Correlación de Saidam y Al Salem (1988).

θλ 6839614,71326 −++−= ve TL

θλ 32349435,0138 −++−= ve TL

Para lagunas anaerobias primarias

Para lagunas anaerobias secundarias

d. McGarry y Pescod

20)099,1.(6,400 −= TSλ

El límite de carga facultativa es de 357 kg DBO/ha.d y para asegurar condiciones anaerobias la carga debe ser >1000 kg DBO/ha.d. Se basa en la carga superficial

e. Yañez, Fabián (1981)

20)085,1.(4,357 −= TSλ

e. Meiring (1968); Mara, Duncan y Pearson (1986).

a

iV V

QL .=λ

Válido para mantener condiciones anaerobias y evitar malos olores, se sugiere una carga volumétrica entre 100 y 300 g DBO5/m3.d para aguas con menos de 500 mg/l de y temperaturas mayores de 20ºC. Se sugiereun límite máximo de 1000 g DBO5/m3d para aguas con menores a 100 mg/l de .

4.2. Lagunas Facultativas

Modelo basado en la cinética de primer orden y mezcla completa. Supone una remoción de DBO alrededor del 90%.

• Dimensionamiento para temperatura del mes más frío. Válido para profundidades < 2 m. Adecuado para lagunas de celda única.

a. Hermann y Gloyna (1958).

TuiL −= 5)0853,1.(035,0θT

s Z −= 5)0853,1.(7,285λ

b. Gloyna (1976).

Considera correcciones por toxicidad por algas y sulfuros para carga superficial. Profundidad siempre deberá ser 1 m. La profundidad adicional de 0,5 m está prevista para el almacenamiento de lodos

15)0853,1.(7,285 ffZ TS

−=λ15)0853,1.(035,0 ffL T

ui−=θ

c. Modelo en equilibrio continuo y mezcla completa.

• Se asume mezcla completa. No existe sedimentación de sólidos y por consiguiente, tampoco la eliminación de la DBO asociada con los sólidos sedimentados

( )θKLL i

e +=

120

201 085,1 −= TxKK

( )ηηθ

−=

1001K

d. Marais (1966, 1970).

• Incorpora la influencia del lodo anaerobio al modelo de mezcla completa con cinética de primer orden. Los valores aproximados para is, ip y Sp son 0,5, 0,4 y 0,6.

( ) ( )isSpipK

LL ui

u .1 1 ++

=θ

e. McGarry y Pescod (1970).

• Aplicable a climas tropicales y templados. Tiene un error de estimación de ±16,4 kgDBO/ha.d y aplicable a un intervalo de carga superficial entre 50 y 500.

ssr λλ 725,035,10 +=

f. Yañez, Fabián (1979, 1980, 1988).

• Utiliza correlaciones de carga a base de datos de DQO soluble.

20)085,1.(4,357 −= TSmáxλ

g. Modelo de flujo disperso (Thirimurthy, 1969).

• Se desarrolla a partir de un balance de masa, alrededor de un reactor con flujo laminar tipo pistón.

( )

( )[ ] ( )[ ] dada

d

i

e

eaeaea

NN

2/22/2

2/1

11.4

−−−+=

4.3. Lagunas de maduración

θT

ie K

NN

+=

1

( )( )( )nmTfTaT

ie KKK

NN

θθθ +++=

111

20)19,1.(6,2 −= TTK

a.Modelo de mezcla completa.Se supone mezcla completa para el submodelo hidráulico o cual produce distorsiones cuando se diseña lagunas en

serie.1. Una sola laguna

2.Lagunas en serie

3. Constante de decaimiento bacteriano (Marais, 1974)

( )

( )[ ] ( )[ ] dada

d

i

e

eaeaea

NN

2/22/2

2/1

11.4

−−−+=

dKa bθ41 +=

b. Modelo de flujo disperso.El modelo de dispersión considera un reactor con flujolaminar tipo pistón, en el cual el mecanismo de transporte está afectado por la dispersión convectiva en la direccióndel flujo y en el otro sentido por la difusión molecular axial.

5. EL ESTADO DEL ARTE EN EL DISEÑO DE LAS LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN

Período de diseño, nTasa de crecimiento, i promedioPoblación actual, Po Población futura, Pf Caudal medio, Qm Dotación de agua potable, QAportación de aguas residuales, Qar Temperatura del mes más frío, TTemperatura del agua, T agua

1. DATOS BÁSICOS

evaporación neta del mes más cálido, eDBO5 afluenteDBO5 efluenteColiformes fecales afluenteConiformes fecales efluenteHuevos de Helmintos afluente, Haf Huevos de Helmintos efluentes, Hef Profundidad para lagunas anaerobias, facultativas y de maduración.

LAGUNAS ANAEROBIAS

• Carga volumétrica, λV • Volumen, Va • Tiempo de residencia hidráulica, θ• Área superficial, Aan • Ancho, W• Largo, L• Dimensiones corregidas por pendiente de talud,• Eficiencia de remoción de DBO5 • Carga superficial, λs • Coliformes fecales en el efluente

LAGUNAS FACULTATIVAS• Carga superficial, λs• Área superficial, Af • Tiempo de residencia hidráulica, θf • Ancho, W• Largo, L

Procedimiento para flujo disperso• Carga superficial máxima, λmáx • Carga superficial aplicada, λsa • Tiempo de residencia hidráulica, θf • Eficiencia remanente de coliformes fecales en el efluente, η• Factor de dispersión hidráulica, d• Coliformes fecales en el efluente• Carga superficial removida, λsr • DBO5 soluble en el efluente

LAGUNAS DE MADURACIÓNProcedimiento para mezcla completa• Constante de decaimiento de coliformes, KT• Coliformes fecales en el efluente, Ne • Carga superficial, λsm1 • Área superficial, Am1

Procedimiento para flujo disperso• Eficiencia remanente de coliformes fecales en el efluente, η• Factor de dispersión hidráulica, d• Constante de decaimiento de coliformes fecales a 20ºC, Kb • Coliformes fecales en el efluente• Tiempo de residencia hidráulica• Área superficial, Am • Ancho, W• Largo, L

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6. El arte del diseño

Diseñar un sistema de lagunas de estabilización para tratar los efluentes de una ciudad con una población de 48 000 habitantes, con una tasa de crecimiento de 2,6748%, con una dotación de agua potable de 200 l/hab.d. La temperatura de diseño es de 18ºC, la tasa de evaporación es de 6 mm/d. coliformes fecales es de No=108

NMP/100 ml. El efluente debe contener Ne < 103 coliformes fecales por 100 ml.

DATOS DE CÁLCULO

• Po : 48 000 habitantes (población inicial; año cero)

• i : 2,6748%• t : 10 años• Qagua : 200 l/hab.d• T : 18ºC• e : 6 mm/d• No : 108 NMP/100 ml• Ne : 103 NMP/100 ml

RESUMEN

1,3511,109,904,304,30

3 36272 64161 89724 32023 933

13 462Laguna anaerobiaLaguna facultativaPrimera laguna de maduraciónSegunda laguna de maduraciónTercera laguna de maduración

TIEMPO(d)ÁREA (m2)VOLUMEN (m3)LAGUNA

1,0.108

2,9107

1,4106

7,2104

8,5103

9,9102

350154

35262015

Agua residual crudaEfluente laguna anaerobiaEfluente laguna facultativaEfluente primera laguna de maduraciónEfluente segunda laguna de maduraciónEfluente tercera laguna de maduración

Coliformes fecales /100mlDBO (mg/l)SITIO

Que buscamos…un ambiente sostenible

Ginebra, Cali Colombia

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Conclusiones

• Caracterizar el agua residual de la zona de estudio• Utilizar las ecuaciones adecuadas de acuerdo a las

condiciones ambientales• Cada etapa de tratamiento debe cumplir las

funciones para que ha sido diseñado• Implementar plantas piloto• Factor fundamental es la temperatura

Gracias por la atención ….Gracias…