CURSO PRACTICO SOBRE LAGUNAS DE ESTABILIZACION. Lagunas Anaerobias. Expositor: Ing. José E. Vásconez G., M. Sc.

Transcripción

1 CURSO PRACTICO SOBRE LAGUNAS DE ESTABILIZACION Lagunas Anaerobias Expositor: Ing. José E. Vásconez G., M. Sc.

2 LAGUNAS ANAEROBIAS INTRODUCCION Las lagunas anaerobias constituyen un proceso de tratamiento que opera bajo una condición de ausencia de oxígeno. Las lagunas anaerobias se utilizan normalmente como primera fase en el tratamiento de aguas residuales urbanas o industriales con alto contenido en materia orgánica biodegradable. El objetivo primordial de estas lagunas es la reducción de contenido en sólidos y materia orgánica del agua residual, y no la obtención de un efluente de alta calidad.

3 ... INTRODUCCION... (2) Las lagunas anaerobias operan en serie con lagunas facultativas y de maduración. Generalmente se utiliza un sistema compuesto por al menos una laguna de cada tipo en serie, para asegurar que el efluente final de la planta depuradora va a poseer una calidad adecuada durante todo el año. Las lagunas anaerobias se diseñan para aguas residuales con altas cargas y se caracterizan por su corto tiempo de retención hidráulica.

4 FUNDAMENTOS DEL PROCESO La estabilización tiene lugar mediante tres etapas: Hidrólisis Fermentación Acida Fermentación del Metano

5 FUNDAMENTOS DEL PROCESO COMPUESTOS ORGANICOS COMPLEJOS HIDRÓLISIS COMPUESTOS ORGANICOS SIMPLES FORMACION DE ACIDOS CELULAS BACTERIANAS ACIDOS VOLATILES CO2 H2 OTROS PRODUCTOS FORMACION DE METANOS CH4 CO2 CELULAS BACTERIANAS

6 HIDROLISIS Este término indica la conversión de compuestos orgánicos complejos e insolubles en otros compuestos más sencillos y solubles en agua. Esta etapa es fundamental para suministrar los compuestos orgánicos necesarios para la estabilización anaerobia en forma que puedan ser utilizados por las bacterias responsables de las dos etapas siguientes.

7 FERMENTACION ACIDA Los compuestos orgánicos sencillos generados en la etapa anterior son utilizados por las bacterias generadoras de ácidos. Como resultado se produce su conversión en ácidos orgánicos volátiles, fundamentalmente en ácidos acético, propiónico y butírico. Esta etapa la pueden llevar a cabo bacterias anaerobias o facultativas. Hay una gran variedad de bacterias capaces de efectuar la etapa de formación de ácidos, y además esta conversión ocurre con gran rapidez. Dado que estos productos del metabolismo de las bacterias formadoras de ácido o acidogénicas están muy poco estabilizados en relación con los productos de partida, la reducción de DBO5 o DQO en esta etapa es pequeña

8 ... FERMENTACION ACIDA... (2) La conversión de carbohidratos a células bacterianas, se realiza de la siguiente manera: 5(CH 2 O)x (CH 2 O)x + 2CH3COOH + Energía

9 FERMENTACION DEL METANO Una vez que se han formado ácidos orgánicos, una nueva categoría de bacterias entra en acción, y los utiliza para convertirlos finalmente en metano y dióxido de carbono. El metano es un gas combustible e inodoro, y el dióxido de carbono es un gas estable, que forma parte de la atmósfera. La liberación de estos gases es responsable de la aparición de burbujas, que son un síntoma de buen funcionamiento en las lagunas anaerobias.

10 ... FERMENTACION DEL METANO... (2) Esta fase de la depuración anaerobia es fundamental para conseguir la eliminación de materia orgánica, ya que los productos finales no contribuyen a la DBO 5 o DQO del medio. A diferencia de lo que ocurría con la fase acidogénica, hay pocos microorganismos capaces de desarrollar la actividad metanogénica, su metabolismo es más lento y además, son mucho más sensibles a distintas condiciones ambientales.

11 ... FERMENTACION DEL METANO... (3) Los productos finales de la degradación son: Metano Bióxido de Carbono Gas sulfhídrico Agua

12 ... FERMENTACION DEL METANO... (4) La conversión de carbohidratos a células bacterianas, se realiza de la siguiente manera: 2.5 CH3COOH (CH 2 O)x + CH 4 + 2CO 2 + Energía

13 ... FERMENTACION DEL METANO... (5) De los dos grupos de bacterias referidos anteriormente, las bacterias formadoras de metano son las más importantes para el proceso anaerobio. La fase de fermentación del metano es el factor cinético limitante en el proceso. Las características fundamentales del grupo bacteriano son las siguientes:

14 ... FERMENTACION DEL METANO... (6) Son estrictamente anaerobios (nitratos y sulfatos retardan acción de las bacterias) Se desarrollan muy lentamente en comparación con otros organismos (2 a 22 días). Son sensibles al ph (6,5 a 7,6). El trabajo de las bacterias del metano está en desventaja debido a la población reducida que es desarrollada.

15 VENTAJAS DE LAS LAGUNAS ANAEROBIAS Bajo costo, se requiere de áreas reducidas. Buen rendimiento para el tratamiento de aguas residuales con altas concentraciones de materia orgánica. Eficiencia probada en el tratamiento de una variedad de aguas residuales industriales biodegradables.

16 DESVENTAJAS DE LAS LAGUNAS ANAEROBIAS El proceso es sensible a factores ambientales como temperatura y ph. El proceso es sensible a factores operativos como variaciones bruscas de carga. Tienen un aspecto poco agradable y condiciones estéticas desfavorables (formación de natas, inciden en el mantenimiento).

17 ... DESVENTAJAS DE LAS LAGUNAS ANAEROBIAS... (2) El efluente del proceso tiene alto contenido de materia orgánica y color. Presentan bajas tasas de mortalidad bacteriana, en comparación con otras opciones.

18 ... DESVENTAJAS DE LAS LAGUNAS ANAEROBIAS... (3) Emanaciones de malos olores ocasionales, en especial en los primeros años de operación. Se deben construir a distancias considerables de los límites urbanos. Rápida acumulación de sólidos, en comparación con otro tipo de lagunas, lo que deteriora en la calidad del efluente. Requiere de limpieza de lodos más frecuentemente.

19 PROCEDIMIENTOS DE DISEÑO A continuación se presenta un análisis de las formulaciones y criterios de diseño más representativos para lagunas anaerobias. Correlación Sudafricana Correlación de Kawai Modelo de Mezcla Completa Correlación de Saidam y Al Salem

20 CORRELACION SUDAFRICANA Fue desarrollada para temperaturas climas tropicales y subtropicales: S = So / (Kn PR (S/So) n + 1) En donde: S = DBO 5 del efluente de la laguna, mg /l So = DBO 5 del afluente de la laguna anaeróbica, mg/l Kn = Constante de degradación, mezcla completa, día -1 PR = Período de retención nominal, días n = exponente determinado experimentalmente.

21 ... CORRELACION SUDAFRICANA... (2) Desventajas: La solución requiere de la aplicación del método de aproximaciones sucesivas Cuando se incrementa el período de retención en forma exagerada, existe el riesgo de que la laguna funcione como facultativa. Hay discrepancias en relación a la constante de degradación anaeróbica Kn

22 CORRELACION DE KAWAI Fueron desarrolladas con datos sobre lagunas del Brasil: CSr = -14, ,6876 CSa CSr = -86, ,6543 Csa + 3,3985 T CSr = -265, ,77491 Csa + 23,5258 PR En donde: CSr = carga superficial removida, kgdbo / Ha x día Csa = carga superficial aplicada, kgdbo / Ha x día

23 MEZCLA COMPLETA La expresión cuando se considera mezcla completa es la siguiente: S = Sa (K PR + 1) En donde: K = coeficiente de degradación global de DBO, día -1 K = 0,593 día -1 (investigaciones en Perú) K = 0,601 día -1 (Chiang y Gloyna) PR = 5 días

24 CORRELACION DE SAIDAM Y AL SALEM La expresión cuando se considera mezcla completa es la siguiente: S = ,4 T CV - 68 PR

25 CORRELACION DE SAIDAM Y AL SALEM VARIABLE DEL PROCESO UNIDAD INTERVALO PROMEDIO DBO del afluente (Sa) mg/l 629 a DBO del efluente (S) mg/l 213 a Eficiencia de remoción de DBO % 32 a Temperatura del agua C 14,4 a Carga volumétrica de DBO kg/(m 3 x día) 0,091 a 0,153 0,117 Periodo de Retención (PR) días 4 a 7 5,7

26 CRITERIOS DE DISEÑO El diseño de lagunas anaerobias está todavía en desarrollo, por lo tanto el uso de los criterios de diseño son una práctica aceptable. Los criterios de diseño son los siguientes: Carga Superficial Carga Volumétrica Profundidad Eficiencias Acumulación de Sólidos

27 ... CRITERIOS DE DISEÑO... (2) CARGA SUPERFICIAL Se emplea para comprobar que la carga sea suficientemente alta a fin de sobrepasar la carga facultativa. La carga facultativa es de 375 kg DBO / Ha x día. La carga de diseño debe ser superior a los 1000 kg DBO / Ha x día.

28 ... CRITERIOS DE DISEÑO... (3) CARGA VOLUMETRICA La carga volumétrica para diseño deberá estar sobre los 100 g DBO 5 / m 3 x día. Se recomienda como limite superior los DBO 5 / m 3 x día. Aguas residuales con concentraciones en exceso de 100 mg/l de sulfatos podrían generar malos olores. Para lagunas anaeróbicas que traten aguas servidas domésticas, la carga máxima sugerida es de 400 DBO 5 / m 3 x día.

29 ... CRITERIOS DE DISEÑO... (4) PROFUNDIDAD La mayoría está entre 2,5 y 5,0 metros. TIEMPO DE RETENCIÓN Y EFICIENCIA Son los dos parámetros que tienen mayores divergencias. El período de retención está en relación directa con el tipo de desecho.

30 ... CRITERIOS DE DISEÑO... (5) PERIODO DE RETENCION días REDUCCION DE DBO5 % ,

31 ... CRITERIOS DE DISEÑO... (6) TEMPERATURA C PERIODO DE RETENCION días REDUCCION DE DBO 5 %

32 ... CRITERIOS DE DISEÑO... (7) TASA DE ACUMULACIÓN DE LODO Intervalo de tasa de acumulación: 0,08 a 0,113 litros / habitante x día. Para diseño el límite máximo recomendado es: 40 litros / habitante x año NUMERO DE AÑOS ENTRE DOS LIMPIEZAS CONSECUTIVAS N = (0,5 V) / (Ta P)

33 ... CRITERIOS DE DISEÑO... (8) En donde: N = Número de años de operación para limpieza, años V = Volumen de la laguna, m 3 Ta = Tasa de acumulación de lodos; 0,04 m 3 / (habitante x año) P = Población equivalente servida; habitantes

34 MECANISMOS PARA MANTENER EL AMBIENTE ANAERÓBICO La abundante carga orgánica, presente da lugar a que el posible oxígeno introducido en las lagunas con el afluente o por reaireación superficial se consuma rápidamente en la zona inmediatamente adyacente a la entrada o enla superficie. En las lagunas anaerobias se produce la reducción de los sulfatos, que entran con el agua residual, a sulfuros. La presencia de sulfuros en el medio disminuye la posibilidad de crecimiento de las algas en dos formas

35 ... MECANISMOS PARA MANTENER EL AMBIENTE ANAERÓBICO... (2) La penetración de la luz necesaria para el crecimiento de las algas se ve impedida por la presencia de sulfuros metálicos en suspensión, como el sulfuro de hierro, responsables de la tonalidad gris de las lagunas anaerobias. Estos sulfuros acaban precipitando en el fondo de las lagunas, y provocan la coloración gris oscura o negra que presentan los fangos. Los sulfuros solubles son tóxicos para las algas, de modo que los cortos períodos de residencia, la falta de iluminación y un ambiente de composición química hostil impiden el crecimiento de éstas y en consecuencia, mantienen el medio en condiciones anaerobias.

36 ... MECANISMOS PARA MANTENER EL AMBIENTE ANAERÓBICO... (3) Puesto que las lagunas carecen de agitación, el aporte de oxigeno atmosférico es despreciable, debido a que la difusión de este gas en la columna de agua es muy lenta. Además de las bacterias responsables de las etapas acidogénica y metanogénica de la degradación anaerobia, en ocasiones se desarrollan en estas lagunas otras bacterias que confieren una coloración rojiza. Se trata de bacterias fotosintéticas del azufre, que viven en la zona superficial y oxidan los sulfuros a azufre elemental. Los pigmentos que poseen estas bacterias le dan a las lagunas una coloración rosa o roja.