I TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS UTILIZANDO LAGUNAS AIREADAS

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1 I TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS UTILIZANDO LAGUNAS AIREADAS Carmen H. Cárdenas de Flores (1) Ingeniera Química, Universidad del Zulia (LUZ) Maestría en Ingeniería Ambiental (LUZ) Especialista en el área de tratamiento de Aguas Residuales. Profesora titular de la Escuela de Ingeniería Química de LUZ. Directora del Centro de Investigación del Agua de la Universidad del Zulia desde Tomás Perruolo Ingeniero Civil, Universidad Central de Venezuela (UCV) Maestría en Ciencias Sanitarias y Salud Publica (University of Oklahoma, USA) Profesor de la División de Postgrado de la Facultad de Ingeniería de la Universidad del Zulia. Especialista en Diseño de Plantas de Tratamiento. Douglas Fernández Ingeniero Químico, Universidad del Zulia (LUZ) Rafael Quero Ingeniero Químico, Universidad del Zulia (LUZ) Luisa Saules Ingeniera Química, Universidad Central de Venezuela (UCV) Maestría en Ingeniería Ambiental Universidad del Zulia (LUZ) Especialista en el Tratamiento de Aguas Residuales. Lenin Herrera Ingeniero Químico, Universidad del Zulia (LUZ) Maestría en Ingeniería Ambiental y Salud Universidad de Austin Texas Profesor de la Universidad del Zulia y Asesor del Centro de Investigación del Agua de LUZ. Dirección (1) : Ciudad Universitaria, Centro de Investigación del Agua, de Oxidación. Maracaibo - Venezuela. Teléfonos: ( ) (FAX) - Apartado chcardena@luz.ve y ccardena@zul.reacciun.ve RESUMEN El estudio se llevó a cabo utilizando una planta piloto de lagunas aireadas conformado por dos sistemas A y B (que comprenden tres lagunas en serie cada uno), con la finalidad de evaluar el funcionamiento, operación y control del sistema. Las concentraciones de la DBO total, soluble y última en la salida del sistema A fueron de 20, 6, y 11 mg/l respectivamente, muy similares a las obtenidas en el sistema B donde sus valores fueron de 15, 5, y 11 mg/l respectivamente, esto significa que se alcanzan los mismos niveles de remoción tanto para el sistema A, con un tiempo de retención de 1 día en cada laguna, como para el sistema B con tiempo de retención de 2 días para cada una de las lagunas que la constituyen. El porcentaje de remoción de DQO en los dos sistemas A y B fueron muy similares (81% y 85% respectivamente). Los resultados de las diferentes especies de nitrógeno en el efluente de los dos sistemas de lagunas aireadas indican que existe un efectivo proceso de nitrificación. El tratamiento biológico de lagunas aireadas es apropiado para tratar este tipo de aguas residuales, puesto que es posible lograr con una sola laguna, una remoción del 87 al 91% de la carga orgánica en términos de DBO, con un tiempo de retención de un día. PALABRAS-CLAVES: Aguas Residuales, Demanda Bioquímica de Oxígeno, Aireadas, Remoción, Tratamiento Biológico. INTRODUCCIÓN 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 [1,2]. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 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 [2]. Tienen ventajas considerables sobre el proceso tradicional de lodo activado, principalmente por su bajo costo, simplicidad y flexibilidad operacional, además del hecho de que el área de terreno que ocupan no superan el 10 % de las utilizadas en las lagunas de estabilización [2,3,4,5]. 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 [1,5,6]. En 1987 utilizando lagunas aireadas se obtuvo en Israel, para un tiempo de retención teórico de 3.5 días, una eficiencia de 91% en la remoción de DBO soluble. La concentración de sólidos suspendidos se mantuvo entre mg/l [4,7,8]. En 1994 se construyó en Santiago Poniente (Chile), una planta de tratamiento de lagunas aireadas para una población aproximada de habitantes. Las características del efluente fueron: mg/l en DBO total, entre mg/l en DBO soluble, y entre mg/l de sólidos suspendidos [2,4]. Históricamente la aireación en las lagunas fue empleada para impedir el crecimiento excesivo de algas y otras condiciones producidas por sobrecarga orgánica y variaciones estaciónales de temperatura. De esta experiencia se encontró que las lagunas aireadas mantienen una remoción de DBO aceptable en períodos de retención más cortos que en lagunas sin aireación [2,3,5,6,9]. La finalidad de este trabajo es evaluar a escala piloto el funcionamiento del sistema de tratamiento biológico conocido como lagunas aireadas aeróbicas bajo condiciones ambientales del trópico y aguas residuales con características típicas de nuestro medio y obtener criterios para el diseño, operación y control de las mismas. MATERIALES Y MÉTODOS DESCRIPCIÓN DEL ESCALA PILOTO El sistema de lagunas aireadas se instaló en la parte posterior del Centro de Investigación del Agua de la Universidad del Zulia, ubicado en el núcleo agronómico. Para la simulación del tratamiento biológico en la planta piloto de lagunas aireadas, se empleó el tipo de reactor mezcla completa con flujo continuo. El sistema de lagunas aireadas esta conformado por seis (6) lagunas, distribuidos en dos subsistemas de tres lagunas en serie cada una (figura 1), clasificadas de acuerdo a su tiempo de retención. El funcionamiento del sistema se inicia una vez que se extrae una porción del afluente del Colector "C" de aguas residuales domésticas de la ciudad de Maracaibo y es trasladado por medio de dos bombas peristálticas al sistema de lagunas aireadas. Las lagunas del sistema piloto son tanques cilíndricos de plástico (PVC), con una capacidad cada una de 235 litros aproximadamente, cuyas dimensiones son 0.89 m de alto con un diámetro interno de 0.58 m. El caudal de entrada fue de 64 ml/min para un tiempo de retención de 48 horas y 128 ml/min para un tiempo de 24 horas. Para que el sistema funcionara eficientemente se dispuso de dos (2) compresores, que permiten airear a cada una de las lagunas por medio de un equipo difusor, colocado en la parte inferior de las mismas y de esta forma lograr mantener los sólidos en su total suspensión [2,6]. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 Figura 1: Representación longitudinal del sistema de lagunas aireadas. Afluente θ c = 24 hrs Aire A 1 A 2 A 3 Efluente Aire Afluente θ c = 24 hrs B 1 B 2 B 3 Efluente CONDICIONES DE OPERACIÓN Y MÉTODO DE ANÁLISIS. El rango de oxígeno disuelto medido en las lagunas osciló entre 4,5 mg/l y 7 mg/l, con un rango de temperatura de 28 a 32 ºC y un ph entre 7,1 a 7,9. El sistema se operó durante seis (6) meses, una vez alcanzada las condiciones de equilibrio, se efectuaron los muestreos de campo durante un período continuo de cinco semanas. En la determinación de los análisis realizados se utilizaron los métodos descritos en el Standard Methods for Examination Water and Wastewaters [9,10,11,12] (ver tabla 1). Tabla 1: Metodología y equipos de cada parámetro a analizar según el Standard Methods for Examination Water and Wastewaters. Parámetros Metodología Equipos - Demanda bioquímica de oxígeno 5210-B Incubadora 307(ficher), plancha (cole-parmer). - Demanda química de oxígeno 5220-D Digestor(Hach),espectrofotómetro-DR (Hach). - Sólidos suspendidos 2540-D y E Estufa(Inventum),mufla(Gallamp). - Nitrógeno total Kjeldahl 4500-NH 3 -E Digestor-2020(Tecator),destilador 315 (Buchi). - Nitrógeno Amoniacal 4500-NH 3 -E Digestor-2020(Tecator),destilador 315 (Buchi). - Nitritos 4500-NO 2 --B Espectrofotómetro-DR-2000 (Hach). - Nitratos 4500-NO 3 --B Espectrofotómetro-21 (Milton Roy Company). RESULTADOS Y DISCUSIÓN En las tablas 2 y 3 se observan los valores promedios de los SST, SSV, DBO, DQO y nitrógeno en los sistemas de lagunas aireadas. De los resultados obtenidos de SSV se observa un decrecimiento de la concentración de los sólidos en los dos sistemas en serie debido a la fase de muerte logarítmica de los microorganismos provocado por el agotamiento del sustrato [1,2,6,13]. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 Si comparamos los sólidos en los dos sistemas de lagunas aireadas, observamos que en el sistema A se obtuvo más sólidos que el sistema B, debido a que en este último el tiempo de retención es el doble que en el sistema A, por consiguiente en el sistema B el efluente se encuentra mas diluida (ver figura 2). Tabla 2: Valores promedios de los parámetros evaluados en el sistema A de las lagunas aireadas a escala piloto. Resultados Alimentación Laguna A1 Laguna A2 Laguna A3 SST (mg/l) 86,4 184,9 169,8 124,4 SSV (mg/l) 65,13 138,71 125,61 89,6 SSV/SST ( % ) DBO 5,20 Total (mg/l) ,2 DBO 5,20 Soluble(mg/l) ,2 9,4 6,2 DBO Último Soluble (mg/l) 179,6 23, ,4 Remoción DBO 5,20 Total ( % ) Remoción DBO 5,20 Soluble ( % ) Remoción DBO Último Soluble ( % ) DQO Total (mg/l) ,5 229,9 182,9 DQO Soluble (mg/l) , ,7 Remoción DQO Total ( % ) Remoción DQO Soluble ( % ) NTK (mg/l) 36,7 9,4 7,4 6,3 N-NH 3 (mg/l) 33,4 2,8 1,50 1,04 N-NO 2 (mg/l) 0,05 1,81 0,46 0,24 N-NO 3 (mg/l) 7,5 22,5 24,7 25,2 Nitrógeno Total (mg/l) 44,3 33,7 32,6 31,7 Remoción NTK ( % ) Remoción NH 3 ( % ) Observación: Los valores de remoción para las lagunas A2 y A3 son valores acumulados. Tabla 3: Valores promedios de los parámetros evaluados en el sistema B de las lagunas aireadas a escala piloto. Resultados Alimentación Laguna B1 Laguna B2 Laguna B3 SST (mg/l) 90,9 120,6 97,9 61 SSV (mg/l) 70,6 89,3 71,4 39,8 SSV/SST ( % ) DBO 5,20 Total (mg/l) 142,6 29,2 21,1 15,1 DBO 5,20 Soluble(mg/l) ,31 6,8 5,2 DBO Último Soluble (mg/l) 179,2 20,8 13,2 10,5 Remoción DBO 5,20 Total ( % ) Remoción DBO 5,20 Soluble ( % ) Remoción DBO Último Soluble ( % ) DQO Total (mg/l) 397,2 213,9 155,9 113,9 DQO Soluble (mg/l) 392,5 135,2 78,7 58,4 Remoción DQO Total ( % ) Remoción DQO Soluble ( % ) NTK (mg/l) 32,5 7,4 6 4,7 N-NH 3 (mg/l) 27,3 2,8 1,9 1,4 N-NO 2 (mg/l) 0,051 1,383 0,291 0,070 N-NO 3 (mg/l) 7,5 23,5 25,4 25,9 Nitrógeno Total (mg/l) 40 32,2 31,7 30,7 Remoción NTK ( % ) Remoción NH 3 ( % ) Observación: Los valores de remoción para las lagunas B2 y B3 son valores acumulados. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 Figura 2: Valores promedios de concentración de SSV para los dos sistemas de lagunas aireadas. 160 SSV (mg/l) ENTRADA A1 B1 A2 B2 A3 B3 El porcentaje de remoción de DBO 5,20 soluble para la primera laguna de los dos sistemas (A1 y B1) fueron de 91 y 92 % respectivamente, esto significa que la oxidación de la materia orgánica ocurrió casi por completo en la primera laguna, ya que la remoción de DBO 5,20 soluble en todo el sistema A y B fue de 96%. Si comparamos los resultados de remoción de la DBO 5,20 soluble con los resultados de la DBO última se ha de notar un comportamiento muy similar, corroborando que en la primera laguna se ha removido casi toda la materia orgánica [2,14]. Los valores obtenidos de DBO para los dos sistemas son muy similares. Esto significa, que bajo las condiciones a la que se realizo este estudio se consigue la misma remoción con 6 días de retención en las tres lagunas en serie que con 3 días de retención, la diferencia en el porcentaje de remoción es muy pequeña (ver figura 3). Con respecto a la DQO total y soluble, se puede decir que se dio la descomposición de la materia orgánica biodegradable y no biodegradable [14,15]. Como se puede observar, en la figura 4, los porcentajes de remoción de DQO soluble en las lagunas del sistema A (82%) fueron muy similares a los del sistema B (85%). Figura 3: Valores promedios de los porcentajes de remoción de DBO 5,20 soluble para los dos sistemas de lagunas aireadas DBO 5,20 Soluble (%) A1 B1 A2 B2 A3 B3 ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 Figura 4: Valores promedios de los porcentajes de remoción de DQO soluble para los dos sistemas de lagunas aireadas. DQO Soluble ( % ) A1 B1 A2 B2 A3 B3 De los resultados obtenidos de nitrógeno total Kjeldahl y de nitrógeno amoniacal a lo largo de los dos sistemas A y B se observa un decrecimiento de la concentración, debido a las transformaciones de las especies del nitrógeno presente en las lagunas (ver figura 5). Figura 5: Valores promedios de concentración de nitrógeno total Kjeldahl (NTK) para los dos sistemas de lagunas aireadas NTK (mg/l) ENTRADA A1 B1 A2 B2 A3 B3 De los resultados obtenidos de nitrito, se observa un crecimiento notable desde la alimentación hasta la primera laguna para luego disminuir lentamente hasta la tercera laguna, esto es debido a que en la primera se aprecia la oxidación de nitrógeno amoniacal a nitrito, mientras que en la segunda y tercera laguna el nitrito ha sido oxidado a nitrato (ver figura 6). Con los valores obtenidos de nitrato, se observa un aumento de su concentración, producto del proceso de nitrificación [2,3,5,15]. Según los resultados obtenidos en los dos sistemas de lagunas aireadas, gran parte de la oxidación del nitrógeno se efectuó en la primera laguna, indicando que existe un efectivo proceso de nitrificación. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 Figura 6: Valores promedios de concentración de nitrito para los dos sistemas de lagunas aireadas. N-NO2 (mg/l) ENTRADA A1 B1 A2 B2 A3 B3 Al comparar los valores de concentraciones de DBO 5,20, DQO y nitrógeno total Kjeldahl del sistema de lagunas aireadas con los límites establecidas por el Ministerio de Ambiente y Recursos Naturales [16] para la descarga a cuerpos de agua (tabla 4), observamos que estos parámetros cumplen con las normas, sin embargo, los valores de nitrógeno (nitrito mas nitrato) y los sólidos suspendidos totales están sobre los límites. Es de saber, que una intensa aireación en las lagunas, permite mantener los sólidos en su total suspensión, como también proporciona grandes cantidades de oxígeno para ayudar al proceso de nitrificación [2,6,13]. Tabla 4: Comparación de los valores del efluente del sistema de lagunas aireadas con las Normas (M.A.R.N.). PARÁMETROS Sistemas de lagunas aireadas NORMAS (mg/l) (M.A.R.N.R.) DBO 5, ** DQO ** N-Kjeldahl * N-(NO 2 -+NO 3 -) * SST * **Límite para descargas de efluentes a cuerpos de agua, decreto Nº 883, artículo 10, *Límite para agua con fines de riego 2A, decreto Nº 883, artículo 4, CONCLUSIONES 1. Las concentraciones de DBO total, soluble y última en la salida del sistema A de las lagunas aireadas fueron de 20, 6 y 11 mg/l respectivamente, muy similares a las obtenidas en el sistema B, donde sus valores de DBO total, soluble y última son de 15, 5 y 11 mg/l respectivamente. Esto significa que bajo las condiciones climáticas y de operación de este estudio, se consigue la misma eficiencia con 6 días de retención en las tres lagunas en serie que con 3 días de retención. 2. De los resultados obtenidos de nitrógeno total Kjeldahl, nitrógeno amoniacal, nitritos y nitratos a lo largo de los dos sistemas A y B se observa un decrecimiento de la concentración del NTK y del nitrógeno amoniacal, y un aumento en la concentración de nitritos y nitratos, debido a la estabilización del nitrógeno presente en las lagunas, ya que existe un efectivo proceso de nitrificación. 3. El tratamiento biológico de lagunas aireadas es apropiado para tratar este tipo de aguas residuales, puesto que es posible lograr con una sola laguna, una remoción del 87 al 91% de la carga orgánica en términos de DBO, con un tiempo de retención de un día. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7

8 4. Al comparar los valores de concentraciones de DBO5,20, DQO y nitrógeno total Kjeldahl del sistema de lagunas aireadas con los límites establecidas por el Ministerio de Ambiente y Recursos Naturales Renovables, observamos que estos parámetros cumplen con las normas para descarga a cuerpos de agua, sin embargo, los valores de nitrógeno (nitrito mas nitrato) y los sólidos suspendidos totales están sobre los límites de estas normas. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. METCALF & EDDY.: Ingeniería de aguas residuales: Tratamiento, vertido y reutilización. Traducido de la tercera edición en ingles. McGraw, Inc. U.S.A Junio (1996). 2. FERNÁNDEZ Douglas; QUERO Rafael.: Evaluación de lagunas aireadas a escala piloto. Universidad del Zulia. Facultada de Ingeniería. Escuela de ingeniería Química. Maracaibo, Junio (2000). p KATSIRI-KOUZELL.: Design optimization for dual power aerated lagoons. J.W.P.C.F. Volumen 59,N 9. September (1987). 4. MENA, M. P; DUARTE, A; FUENTES, D; GOSTHE, A; SILVA, O; ACEVEDO, S; CUROTTO, V.: aireadas: experiencia planta de tratamiento Santiago Poniente. Santiago de Chile, (1996). 5. YÁNEZ Fabián.: aireadas. Asesor en tratamiento de aguas residuales. Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencia del Ambiente (CEPIS), (1971). 6. RIVAS MIJARES, Gustavo.: Tratamiento de aguas residuales. 2º Edición. Ediciones Vega. Caracas- Venezuela, (1978). 7. SHERRARD, J.H., AND E.D. SCHROEDER. Cell yield and growth rate in activated sludge. Journal of the Water Pollution Control Federation, (1989). 8. GUIMARAES, Patricia. MELO, Hennio Normando de Souza. MELO, Josette Lourdes de Souza. FARIAS, Nadja María Nobre. Treatment of industrial effluents by aerated lagoon. Universidad Federal do Río Grande do Norte. Brasil, (1993). 9. MANUAL DE DISPOSICIÓN DE AGUAS RESIDUALES: Origen, descarga, tratamiento y análisis de las aguas residuales. Tomo II. Publicado por el Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria Y Ciencias del ambiente (CEPIS). Lima, Perú (1991). 10. GREENBERG Arnold E, CLESCERI Leonore S y ENTON Andrew.: Standard Method for the Examination of Water Wastewater. 18 TH Edition, (1992). 11. VARGAS Luis. Manual de laboratorio para análisis de agua. Universidad del Zulia. Facultad de ingeniería. Escuela de Ingeniería Civil. Maracaibo, (1984). 12. DEGRÉMOUNT.: Manual técnico del agua. Degrémont Colombia Ltda. 6º Edición. (1991). p NARASIAH, K,S; MARIAM, M. & SHOYRY, J. Sludge accumulation in aerated facultative lagoons operating in colder climate. WAT. SCI. TECH. Volumen 22, Nº 374, (1990). p BENEFIELD, L. D. and RANDALL, C.W. Biological process design for wastewater treatment. Prentice Hall Inc. Primera edición. Englewood Cliffs. New York. (1980). 15. OROSCO J, Alvaro. SALAZAR A, Álvaro. Tratamiento biológico de las aguas residuales. Universidad de Antioquía. Facultad de Ingeniería. Departamento de Ing Sanitaria. Editorial: Centro de Servicios Técnicos (CESET) de la Facultad de Ingeniería. Medellín, enero (1985). 16. GACETA OFICIAL DE LA REPÚBLICA DE VENEZUELA, decreto Nº 883, artículo 10 y 4. (1995). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 8