CONSTANTES CINETICAS EN LAGUNAS DE ESTABILIZACION (CASO DE UNA REGION CON CLIMA SECO-SEMIARIDO)

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1 CONSTANTES CINETICAS EN LAGUNAS DE ESTABILIZACION (CASO DE UNA REGION CON CLIMA SECO-SEMIARIDO) Escalante Estrada Violeta E, Mendiola Rodríguez Claudia J, Balderas C Juventino Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, Paseo Cuauhnáhuac No. 8532, Col. Progreso Jiutepec, Mor. México. Tel Fax RESUMEN Un problema que se presenta al diseñar lagunas de estabilización, es la determinación del valor correcto de las constantes cinéticas a utilizar, ya que este valor es afectado por parámetros ambientales y de carga orgánica. Por lo que no es posible recomendar un valor general, la tendencia es determinar estos valores en forma regional y generar ecuaciones de diseño en función de los parámetros que más le afecten. En este trabajo se determinaron las constantes cinéticas de carga orgánica(k) y decaimiento bacteriano(kb), en un sistema lagunar ubicado en la región norte de México. El sistema esta integrado por 3 lagunas en serie: anaerobia, facultativa y maduración con tiempos de retención hidráulica(trh) de 8.71, 5.44 y 5.44 días respectivamente. El agua residual a tratar es de tipo municipal con descargas de una empacadora de carnes, una fábrica de productos lácteos y un rastro municipal. En el sistema lagunar la eficiencia de remoción de carga orgánica(dbo) fue de %, y de coliformes fecales 99.24%. Con respecto a las constantes cinéticas en la laguna anaerobia se determinó una K de 1.8 días-1 bajo el modelo de Vincent. Los coeficientes de correlación más altos se obtuvieron al aplicar el modelo de flujo disperso resultando una K de días-1 y una Kb de días-1 en la laguna facultativa y una K de días-1 y Kb de días-1 para la laguna de maduración. Palabras clave: constante cinética, carga orgánica, carga bacteriana, laguna de estabilización INTRODUCCION. La mayoría de las plantas de tratamiento presentan problemas en su funcionamiento como resultado de concepciones defectuosas a nivel de diseño, una aplicación inadecuada de ingeniería a nivel de construcción y una falta de mantenimiento oportuno. Para la utilización de las ecuaciones de diseño, la mayor dificultad se presenta al utilizar el valor correcto de las constantes de decaimiento de carga orgánica y decaimiento bacteriano, K y Kb respectivamente. Sabiendo que el valor de las constantes cinéticas para el diseño de lagunas es afectado por factores ambientales (temperatura, clima, radiación solar) y carga orgánica aplicada, no es posible recomendar un valor general de K y Kb, la tendencia es encontrar estos valores de forma regional. Los sistemas lagunares se han diseñado con base al comportamiento del fluido dentro del reactor suponiendo un modelo de flujo disperso (Thirimurthi,1969) o el modelo de mezcla completa (Marais), el primer modelo representa un flujo intermedio entre tipo pistón y mezcla completa, este concepto de modelo ha sido usado tanto para describir la reducción de compuestos orgánicos como de bacterias. La ecuación que representa el flujo disperso es:

2 N No = 4a e2d 2 a (1+a ) e2d -(1-a ) e a 2d 1 Donde: N = Número de coliformes en el efluente (NMP/100 ml). No= Número de coliformes en el influente (NMP/100 ml). a = Constante (adimensional). e = Base de los logaritmos naturales. d = Número de dispersión (adimensional). La constante "a" queda definida por: Donde: a = Constante (adimensional). Kb= Constante cinética de remoción de coliformes fecales (días -1 ). t = Tiempo de retención hidráulico(trh, días). a = 1+4Kbtd 2 Para el caso de obtener la constante cinética de remoción de carga orgánica se sustituye N, No y Kb por S, So y K respectivamente. donde: S = DBO en el efluente (mg/l). So= DBO en el influente (mg/l). K = Constante cinética de remoción de materia orgánica (día -1 ). La constante de dispersión(d) del sistema a evaluar, se puede determinar en campo mediante una prueba de trazadores(escalante et al. 1994) o aplicando la ecuación propuesta por Yañez(1983): d = Donde: X = Relación largo/ancho (adimensional). X X X 2 3 En el modelo de mezcla completa, teóricamente el contenido del estanque tendrá una composición uniforme. Este modelo ha sido aplicado tanto para describir la biodegradación orgánica, como la reducción de bacterias en un sistema lagunar; la ecuación que lo define es: N No = Kb t 4 o en el caso de remoción de materia orgánica.

3 S So = K t 5 METODOLOGIA. El trabajo se realizó en un sistema lagunar ubicado en una región del Norte de México(altitud 2027 m.s.n.m, con una temperatura media en el mes más frío de 9.2 C); representativa de un clima seco estepario semicálido. El sistema esta formado por un desarenador, una laguna anaerobia de 160 m. de largo, 80 m. de ancho y 3.50 m. de profundidad, laguna facultativa y de maduración con las siguientes dimensiones: 205 m. de largo, 105 m. de ancho y 1.30 m. de profundidad. La planta de tratamiento fue diseñada para un gasto de 63 l/seg., una remoción de DBO del 99%, con TRH de 4 días para la laguna anaerobia y facultativa y 5 días para la de maduración; dentro de las consideraciones de diseño se estableció una carga volumétrica para la anaerobia de 64.3 g DBO/m 3.día y una carga máxima de 400 Kg DBO/Ha.día para la facultativa y de maduración. En la determinación del comportamiento cinético y las condiciones operativas del sistema de tratamiento, se consideraron los criterios de evaluación que marca el Manual de Diseño y de Optimización de Sistemas Lagunares elaborado por el IMTA en Durante el trabajo de campo se tomaron muestras simples y muestras únicas en siete puntos, cubriendo un muestreo por 24 hrs, las muestras fueron tomadas a intervalos de una hora, desde las 8 a.m. y hasta las 4 p.m., y a intervalos de dos horas a partir de las 16 hrs. Se determinaron los siguientes parámetros: Flujo, ph, temperatura ambiente y del agua, insolación, nubosidad, oxígeno disuelto, conductividad eléctrica y profundidad de lodos, alcalinidad total, DBO total, DQO total, coliformes fecales, coliformes totales, clorofila "a" y huevos de helmintos. Las muestras tomadas para el análisis de los distintos parámetros fueron colectados en envases adecuados, preservados y analizados según lo recomienda el Standard Methods. Para el cálculo de las constantes cinéticas por el método de flujo disperso, se utilizó un programa en QBasic(Pozo Román 1994) que se alimenta con los datos obtenidos de DBO o coliformes fecales del efluente e influente, el valor de la constante de dispersión, el volumen de la laguna y el gasto. Se seleccionaron valores de las constantes obtenidas, utilizando un nivel de confianza del 80%. Con los datos recopilados también se calcularon las constantes K y Kb utilizando la ecuación que define el flujo con mezcla completa. En el cálculo de la constante de diseño en la laguna anaerobia se utilizó el modelo de Vincent (1963) (Gloyna, 1971); donde la reducción de la DBO está relacionada principalmente con el tiempo de retención, la temperatura y la cantidad de lodos. El modelo es principalmente empírico basado en la

4 teoría de mezcla completa(ver ecuación 6). So S = ( S ) Kt +1 So n 6 Donde: S = DBO del efluente en mg/l. So= DBO del influente en mg/l. t = Tiempo de retención días. K = Constante de remoción de DBO día -1. n = Exponente que se determina experimentalmente, adimensional. El exponente "n" es igual a 4 cuando la temperatura media es de 22 C y para alturas mayores a 2000 m.s.n.m.( CNA-IMTA, 1992). El valor de "n" varia de acuerdo a la altitud del lugar donde se encuentra la laguna. RESULTADOS La laguna anaerobia tratando un caudal promedio de l/seg., una carga volumétrica de g DBO/m 3.día y a un TRH de 8.71 días, presentó una eficiencia de remoción de DBO de 31.61%, nematodos del 89%, las especies de nematodos encontradas en el influente fueron: Ascaris lumbricoides (53 en etapa fecunda, 19 en etapa infecunda), Trichuris trichiura(8); en el efluente a esta laguna se detectaron Ascaris lumbricoides (6 en etapa fecunda, 2 en etapa infecunda). En la laguna anaerobia, se determinó una constante cinética de remoción de carga orgánica (K) igual a 1.80 días -1, bajo las condiciones de operación descritas en la tabla 1. La variación horaria de K se grafica en la figura No. 1. En la laguna facultativa para una carga orgánica aplicada de kg DBO/Ha.día, a TRH de 5.44 días y con un oxígeno disuelto de 8.39 mg/l; se determinó una eficiencia de remoción de DBO del 73.22%, de coliformes fecales del 88.89%(reduciendo solo un ciclo logarítmico), una remoción de nematodos del 100%. Por otro lado, se evaluaron los resultados de dos años de operación de una laguna facultativa, en la cual se determinó el 100% de remoción de nematodos y la reducción de dos ciclos logarítmicos en coliformes fecales(escalante et al. 1995). Con respecto a las constantes cinéticas en la laguna facultativa, se encontró que la K promedio es de días -1 (C.corr ) y Kb promedio de días -1 (C.corr ) bajo el modelo de flujo disperso. Utilizando el modelo de mezcla completa los datos fueron los siguientes: K promedio de días -1 (C.corr ) y Kb de días -1 (C.corr ). La variación de K durante el día; se encuentran graficados en la figura No. 2. Para la laguna de maduración se obtuvo una remoción de coliformes fecales del 85.80%, a un tiempo de retención hidráulico de 5.44 días -1 y con un oxígeno disuelto en el efluente de 7 mg/l, en esta laguna no se presentó remoción de carga orgánica. Por otro lado, en esta laguna las constantes cinéticas encontradas bajo el modelo de flujo disperso son K= días -1 (C.corr. 1.0) y Kb= días -1 (C.corr. 0.67), bajo el modelo de mezcla completa K= días -1 (C.corr ) y Kb=3.84 días -1 (C.corr ), bajo las condiciones de operación especificadas en la tabla no. 1. Para el caso de la laguna de maduración se presenta la variación horaria de la constante cinética de decaimiento bacteriano en la figura No. 4.

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6 Tabla No. 1 Datos del Sistema Lagunar Tipo de Laguna Valor Temperatura C ph Clorofila a (mg/l) Conductividad (umhos/cm) Agua Amb. Máximo Anaerobia Mínimo Promedio Facultativa Máximo Mínimo Promedio Maduración Máximo Mínimo Promedio De acuerdo a las mediciones de temperatura, se observa que entre los valores promedios de la temperatura del agua y del ambiente existe una pequeña variación. Para el caso de la laguna facultativa y de maduración la ecuación que se propone esta en función de 4 parámetros : temperatura del agua (Ta), concentración de algas (Cs), carga orgánica aplicada (OL) e índice de radiación ultravioleta (UVI). La ecuación propuesta para la laguna facultativa utilizando el modelo de Polprasert es: e K = (0.9575) Ta ( ) Cs ( ) OL (1.7751) UVI para la laguna de Maduración la ecuación es: e Kb = (0.8506) Ta ( ) Cs ( ) OL ( ) UVI También se realizaron los cálculos para la generación de las ecuaciones basados en el modelo de mezcla completa, las ecuaciones obtenidas presentan coeficientes de correlación muy bajos, por lo anterior se considera que las constantes cinéticas en lagunas de estabilización no deben determinarse sólo en función de la temperatura. CONCLUSIONES.

7 La laguna anaerobia recibe menor carga que la que puede tratar, por lo anterior tiene un TRH mayor al recomendado para el diseño. En la laguna facultativa se recibe una carga mayor a la permitida en este tipo de lagunas (350 Kg/Ha.día), a pesar de esto presentó una eficiencia de remoción de DBO adecuada(78%), concentración de clorofila "a" ( mg/l) y ph ( ), dentro de las condiciones normales de operación. En esta laguna se alcanzó una remoción del 100% de nematodos. Los resultados indican que las lagunas facultativas que tienen TRH de 5 a 7 días, alcanzan a remover el 100% de nematodos. Para el diseño de la laguna anaerobia, es conveniente utilizar el modelo basado en la carga volumétrica aplicada hasta que se establezca un criterio suficientemente sustentado para determinar la constante "n" en el modelo de Vincent. En la laguna facultativa el método mas adecuado para diseñar es con base a remoción de carga orgánica utilizando el modelo de flujo disperso. Las lagunas de maduración deberán diseñarse para la remoción de coliformes fecales, utilizando el modelo de flujo disperso, ya que de acuerdo a los resultados obtenidos, es el modelo con el cual se obtuvieron los mejores coeficientes de correlación. Las ecuaciones propuestas en este trabajo representan únicamente las condiciones particulares del sistema lagunar evaluado. Se recomienda realizar este estudio en la estación de invierno y obtener datos bajo condiciones críticas de operación. Para complementar el trabajo se recomienda realizar pruebas de trazadores para determinar el valor de la constante de dispersión real y aplicarlo a la ecuación de Thirimurthi. REFERENCIAS. APHA(1989). Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 17th edition. New York: American Public Health Association. CNA-IMTA(1992). Manual simplificado para el diseño, operación y evaluación de lagunas de estabilización de aguas residuales. Coordinación de Tecnología Hidráulica Urbano Industrial, Subcoordinación de Potabilización y Aprovechamiento de Aguas Residuales. CNA-IMTA(1993). Manual de Diseño de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento, libro II. Proyecto, 3a. sección, Potabilización y Tratamiento, Tema: Tratamiento, Subtema: Lagunas de estabilización,. D.D. Mara, et al.(1994). The Development of a New Approach to Waste Stabilization Pond Design. EXTRABES, ODA, Final Report. Escalante, et al.(1994). Determinación de Constantes de Dispersión en Lagunas de estabilización; Coordinación de Tecnología de tratamiento y calidad del agua, Subcoordinación de de tratamiento de Aguas Residuales IMTA-CNA, Informe Proyecto UI Escalante, et al.(1994). Operación y mantenimiento de la planta de tratamiento del Instituto Mexicano de Tecnología del agua; Coordinación de Tecnología de tratamiento y calidad del agua, Subcoordinación de tratamiento de Aguas Residuales, Informe final. Escalante, et al.(1995). Operación de la planta de tratamiento del IMTA y evaluación de su funcionamiento; Coordinación de Tecnología de tratamiento y calidad del agua, Subcoordinación de de tratamiento de Aguas Residuales, Informe final.

8 Gloyna Earnest(1971). Waste Stabilization Ponds. World Health Organization, Génova. Polpraset, et al.(1983). Bacterial die-off Kinetics in Waste stabilization ponds. Journal of the Water Pollution Control Federation, Vol 55, No. 3 pp Pozo Román Fernando(1994). Elaboración de dos programas de computadora, en lenguaje Quick Basic 4.5 para la Determinación de constantes cinéticas, Coordinación de Tecnología Hidráulica Urbano Industrial, Subcoordinación de Potabilización y Aprovechamiento de Aguas Residuales IMTA-CNA, Pozo Román, et al.(1994). Determinación de Constantes Cinéticas Regionales para el Diseño de Lagunas de Estabilización, Coordinación de Tecnología Hidráulica Urbano Industrial, Subcoordinación de Potabilización y Aprovechamiento de Aguas Residuales IMTA-CNA, Informe Final. Thirimurthi(1969). Principios de diseño de lagunas de estabilización de aguas residuales, Revista de la División de Ingeniería Sanitaria. Yáñez Cossio Fabián(1983). Manual de Métodos Experimentales "Evaluación de Lagunas de Estabilización", Lima, Perú; CEPIS, Serie técnica(24). Yáñez Cossio Fabián(Mayo 1992). Lagunas de Estabilización. Teoría, diseño, Evaluación y Mantenimiento, Consultor IEOS.