CURSO PRACTICO SOBRE LAGUNAS DE ESTABILIZACION: TEORIA, PRACTICA, OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO

Transcripción

1 CURSO PRACTICO SOBRE LAGUNAS DE ESTABILIZACION: TEORIA, PRACTICA, OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO ORGANIZADO POR: ASOCIACION ECUATORIANA DE INGENIERIA SANITARIA Y AMBIENTAL, AEISA Y LA UNIVERSIDAD LAICA VICENTE ROCAFUERTE DE GUAYAQUIL 12 al 24 de Mayo 2003 Guayaquil, Ecuador

2 CURSO INTERNACIONAL SOBRE LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN EVALUACION DE LAGUNAS DE ESTABILIZACION Fabian Yanez, Ph.D. CONSULTANTOR

3 EVALUACION DE LAGUNAS Aspectos que requieren mas conocimiento - Reducción de organismos patógenos en lagunas de varios tipos - Influencia de la temperatura -Dimensionamiento de lagunas en climas con condiciones meteorológicas sujetas a variaciones cíclicas extremas (regiones montañosas en países andinos) - Comportamiento hidráulico de lagunas de varias formas -Constantes de modelos y la adecuada interpretación de datos de evaluación - Incertidumbre en el uso de modelos para diseño de lagunas aeradas en climas tropicales - Producción del amoníaco el pretratamientos anaeróbicos - Toxicidad del amoníaco para las algas y cargas limitantes - Remoción de DBO en lagunas en serie

4 EVALUACION DE LAGUNAS Aspectos importantes en la metodología de evaluación - Tipos de investigaciones: - A escala de laboratorio: constantes de modelos - A escala piloto: tratabilidad, constantes - A escala completa: validación de modelos, acumulación de lodos, comportamiento hidráulico - Pruebas especiales: mortalidad, secado de lodos - Protocolo de investigación o definición de la metodología experimental: - Uniformización de técnicas experimentales, para lograr la comparabilidad de resultados de investigaciones diferentes - Pruebas y métodos de análisis - Detalle de los procedimientos experimentales

5 EVALUACION DE LAGUNAS DE ESTABILIZACION Formas de evaluación Evaluaciones hidráulicas Calibración de medidores de caudal y división de flujo Pruebas de trazadores Ruteo de flujo e histogramas de entrada y salida Pruebas de mortalidad bacteriana Constantes de reacción Acumulación de lodos Evaluación de sistemas de aeración Calibración del modelo de temperaturas

6 PRUEBAS DE CAMPO EN FUNCIONAMIENTO CONTINUO En lagunas con flujo tipo pistón La determinación de tasas de remoción de DBO en lagunas alargadas adolece de dificultades, debido a que la proporción más alta de degradación ocurre en el tramo inicial de la laguna, en el cual sedimenta la mayor parte de la biomasa Prueba es de utilidad en la determinación de tasas de mortalidad de bacterias en lagunas alargadas N = No exp(-kb.t) No = conteo de coliformes fecales al inicio en NMP/100 ml N =conteo de coliformes fecales al final en NMP por 100 ml, y, Kb =constante de mortalidad neta de coliforme fecal en 1/días. t = tiempo de flujo, días El procedimiento consiste en medir No y N a lo largo de la laguna, siguiendo su flujo y determinar Kb por ajuste exponencial

7 PRUEBAS DE CAMPO EN FUNCIONAMIENTO CONTINUO En lagunas con mezcla completa Suposición de mezcla completa razonable para lagunas aeradas con una adecuada densidad de energía. O en instalaciones donde no se efectúan pruebas de trazadores con buen viento y sin estratificación termal S = Sa / (1 + K.PR) K' = (Sa/S - 1)/PR = (E/(1 -E))/PR Sa = DBO total del afluente en mg/l S = DBO soluble del efluente en mg/l K' = constante global de remoción de DBO en 1/días PR = período de retención nominal (PR=V/Q) en días y E = eficiencia de remoción de DBO en decimales. El procedimiento consiste en medir Sa, S y el caudal y determinar K con la ecuación anterior

8 PRUEBAS DE CAMPO EN FUNCIONAMIENTO CONTINUO En lagunas con flujo disperso Cubre los dos límites posibles y tiene aplicabilidad para la descripción real de la reducción de bacterias N 4a exp(1/2d) ---- = No (1+a)² exp(a/2d) - (1-a)² exp(-a/2d) d = D/U.L = D.PR/L² a = (1 + 4.Kb.PR.d) 1/2 No = coliformes fecales en el afluente en #/100 ml N = coliformes fecales en el efluente en #/100 ml PR = período de retención nominal en días (PR = V/Q) d = factor de dispersión adimensional a = constante adimensional Kb = constante de mortalidad neta en 1/días

9 PRUEBAS DE CAMPO COMBINADAS Ofrece las mejores ventajas en la evaluación Permite conocer degradación de la materia orgánica y destrucción de organismos, como las condiciones hidráulicas de la laguna DBO y coliforme fecal en entrada y salida Paralelemente pruebas de trazadores Prueba Batch para constante de mortalidad neta dn/dt = - Kb.N N = No exp(-kb.t) Kb = (1/t) ln (No/N) En papel semilogarítmico, "t90" es el tiempo necesario para una reducción bacteriana en un ciclo logarítmico (90%) Kb = (1/t90) ln 10 = 2.3/t90 Corrección por temperatura para determinar Kb20

10

11

12 MORTALIDAD NETA Kb Requiere pruebas específicas de mortalidad Es un coeficiente cinético de primer orden que sigue la Ley: N/No = e -Kb.t Con lagunas en reposo: sin entrada o tipo batch Se realizan conteos diarios Se determina Kb por regresión Con lagunas alargadas en operación Se realizan conteos a lo largo de las lagunas Se determina Kb por regresión N/No = e -Kb.t Se calcula Kb = (Ln N/No)/t

13 CARACTERISTICAS DE LOS COEFICIENTES Kb y Kb provienen de dos conceptos totalmente diferentes Kb es un simple coeficiente o número de una fórmula Kb es un coeficiente cinético Kb y Kb deben tener valores diferentes No se deben comparar

14

15 C o l i f o DETERMINACION EXPERIMENTAL DEL T 90 1E+07 1E+06 1E+05 ',, K20 = 1.2 1/d, T90=1.92 R2= No. 3, ' Kb26=1.76 1E+04,' 1E Tiempo de Permanecia, Días

16

17

18 COMPORTAMIENTO HIDRAULICO DE LAGUNAS REQUIERE PRUEBAS CON TRAZADORES EXISTEN MUCHAS VARIABLES: Dimensiones, forma y caudal Meteorológicas: viento, estratificación termal Trazador:tipo, cantidad, muestreo y análisis Procesamiento de los datos: uso del método de momentos de formas geométricas Validación: alto % de recuperación Datos adicionales a medir: caudal en la prueba

19 PRUEBAS DE TRAZADORES Tipo de dosificación y duración de la prueba Dosificación continua: para calibración de mecanismos de medición como canaletas Palmer-Bowlus y vertederos. La dosificación instantánea: para el estudio de las características hidráulicas de reactores. La duración recomendada de pruebas es: (1) El tiempo necesario para alcanzar condiciones de equilibrio en dosificación continua (10-15 minutos) y, (2) Por lo menos el período de retención teórico de la laguna en dosificación instantánea. El nivel de detección mínimo: 2 3 ug/l con fluorómetros; ug/l con espectrofluorómetros con escala expandida. La cantidad de trazador a dosificarse tiene relación con: (1) Nivel mínimo del método de detección; (2) Tipo de dosificación: continua o instantánea; (3) Tipo de reactor y grado de mezcla; y, (4) Duración de la prueba.

20 TRAZADOR IDEAL Asociación directa con el líquido: solubilidad total e inmediata No biodegradable No adsorbible en sólidos No le afectan valores altos del ph Análisis de alta sensibilidad Sal común: 30,000-1 mg/l (invisible) Rhodamina: 200,000 mg/l - 1 ug/l (visible) Fácil manejo y costo

21 TRAZADORES COLORANTES FLUORESCENTES Muy usados como trazadores en hidrología Varias posibilidades: Uranina (Fluorescein Sodio = FS Uranina) Pontacyl B Rosado Rhodamina B, Rhodamina WT, Rhodamina M Eosina Piranina Características importantes Intensidad de fluorescencia Concentración mínima detectable Adsorción en sólidos Dependencia del ph y temperatura Tasa de decaimiento fotoquímico Costo Fabricación

22 RHODAMINA WT Y RHODAMINA M EN SOLUCIONES AL 20% Tienen la mejor experiencia práctica como trazadores en lagunas Dosis no debe ser muy alta pues adsorción incrementa con la concentración Usar para Cmax = 200 y Cmin = 1 ug/l (microgramos/litro) Muestreo intenso antes del pico: ideal 15 min Muestreo después del pico: 1 hora por 1 día Muestreo para cola de la curva: diario

23 CARACTERISTICAS DE LOS TRAZADORES COLORANTES MAS COMUNES

24 FORMULA PARA LA SOLUCION DE RHODAMINA M COMPONENTE UNIDAD FORMULA 1 FORMULA 2 FORMULA Concentración % Rhodamina B en polvo Kg Agua destilada Kg Acido acético Kg Alcohol metílico Kg TOTAL Kg

25 Datos Necesarios en Pruebas de Trazadores Dimensiones laguna: largo, ancho, profundidad Caudal del efluente medido durante la prueba Masa de trazador Tiempo de inyección del trazador Tiempo de inicio de la curva Procesamiento geométrico para muestreo no uniforme

26 PRUEBAS DE TRAZADORES Cantidad de trazador Co = concentración idealizada de Rhodamina, en el reactor al inicio de la prueba en ug/l = Co = 1000 x W/V Co = Kr x Cmin El peso del trazador en fracción decimal se define por: P = W/Ws La densidad -D- de la solución es: D = Ws/v De las ecuaciones anteriores: Kr x Cmin x V v = x P x D W = peso de la rhodamina en la solución al P (%) en g Cmin = nivel mínimo de detección al final de la prueba = 2 ug/l V = volumen de la laguna en m3 Kr = relación Co/Cmin = 8 para rhodamina WT en lagunas P = % de rhodamina en la solución líquida, fracción dec. (usualmente 0.2) D = densidad de la solución de rhodamina en (g/ml) Ws = peso de la solución de rhodamina usada en g v = volumen de la solución de rhodamina usada en ml.

27 PRUEBA DE TRAZADORES

28

29

30 PRUEBAS DE TRAZADORES Determinación de la Dispersión Se utilizan dos conceptos matemáticos: el primero y más importante es el primer momento de la curva C vs t con respecto al origen, que define el centro de gravedad de la curva, definido por el tiempo promedio -tm-: t.c.dt Para valores S ti.ci tm = uniformes tm = C.dt S Ci El segundo concepto matemático importante es la dispersión de la curva, normalmente conocido como la varianza s². Este parámetro esta definido por el segundo momento de la curva C vs t, con res pecto al promedio t; su expresión matemática es: (t - tm)² C.dt t².c.dt S ti².ci s² = = tm² s² = tm² C.dt C.dt S Ci s² es la varianza de la curva C vs t y por consiguiente tiene dimensiones de (tiempo)².

31 PRUEBAS DE TRAZADORES Determinación de la Dispersión Los muestreos son diferentes en las partes ascendente y descendente de la curva, por lo cual el autor ha desarrollado el método de cálculo exacto, para intervalos de tiempo variables. El calculo se efectúa a partir de los conceptos establecidos, asimilando los datos a formas geométricas de triángulos y rectángulos y tomando los momentos de dichas áreas con respecto al origen y al tiempo promedio. En este caso el área de cada forma geométrica -Ai- es: Ai = Cmi.dt = Cmi (t2 - t1) Las ecuaciones cambian a: S tmi.ai S tmi².ai tm = s² = tm² S Ai S Ai ti = es el brazo de palanca de cada área, definido por el tiempo correspondiente a su centro de gravedad. Cmi= concentración media de cada forma geométrica

32 Primer momento determina el centro de gravedad Segundo momento determina la varianza

33 PRUEBAS DE TRAZADORES Determinación de la Dispersión El área Ai de cada forma geométrica (ug/(l.hr)), se calcula con: (t2 - t1) Ai = (C1 + C2) 2 Los brazos de palanca se calculan para la curva ascendente o descendente, con la siguiente ecuación: (t2 - t1) tmi = t [C1 + 2C2] 3(C2 + C1)

34 PRUEBAS DE TRAZADORES Determinación de la Dispersión El cálculo del factor de dispersión -d- se efectúa a partir de la varianza en su forma adimensional -st²- que está definida por el siguiente concepto estadístico: s² st² = = 2d -2d² [1 - exp(-1/d)] t² st²= varianza adimensional s² = varianza de la curva Ci vs ti en unidades de (tiempo)² d = factor de dispersión adimensional = D/UL t = período de retención promedio, el mismo que corresponde a la abscisa del centro de gravedad de la curva Ci vs ti El cálculo se realiza con la ayuda de la computadora

35 Resultados de Pruebas de Trazadores en Lagunas (2000) LAGUNAS TRAZADOR Y DISPERSION INSTALACION Area, m2 L/A TIPO % Rec. d d Prom 1 SAN JUAN LAGUNA P3-2 8, RHODAMINA M SAN JUAN LAGUNA P1-1 12, RHODAMINA WT SAN JUAN LAGUNA IP1-1 12, YODO SAN JUAN LAGUNA P2-1 11, RHODAMINA WT SAN JUAN LAGUNA IP2-1 11, YODO SAN JUAN LAGUNA P3-1 8, RHODAMINA WT SAN JUAN LAGUNA T3-1 5, RHODAMINA WT SAN JUAN LAGUNA T3-2 5, RHODAMINA M SAN JUAN LAGUNA S3-1 4, RHODAMINA WT SAN JUAN LAGUNA S1-1 14, RHODAMINA WT SAN JUAN LAGUNA S1-2 14, RHODAMINA WT SAN JUAN LAGUNA S1-3 14, RHODAMINA B SAN JUAN LAGUNA S1-4 14, RHODAMINA WT SAN JUAN LAGUNA SI-5 14, RHODAMINA WT SAN JUAN LAGUNA S1-6 14, RHODAMINA M SAN JUAN LAGUNA IS1-1 14, YODO SAN JUAN LAGUNA T2-1 13, RHODAMINA WT SAN JUAN LAGUNA T2-2 13, RHODAMINA M CORINE, UTAH - 7 3, RHODAMINA B CORINE, UTAH - 6 4, RHODAMINA B CORINE, UTAH - 5 4, RHODAMINA B CORINE, UTAH - 4 4, RHODAMINA B CORINE, UTAH - 3 4, RHODAMINA B CORINE, UTAH - 2 4, RHODAMINA B SAN JUAN LAGUNA T1-1 14, RHODAMINA WT SAN JUAN LAGUNA IT1-1 14, YODO SAN JUAN LAGUNA T1-2 14, RHODAMINA M CORINE, UTAH , RHODAMINA B SAN JUAN LAGUNA S2-1 8, RHODAMINA WT

36

37 TRAZADORES BACTERIOFAGOS Constantes de mortalidad: 0.5/día Factor de corrección por mortalidad válido solo para flujo tipo tubular Factor de corrección en 1 día: 1.6 Factor de corrección en 5 días: 12 Factor de corrección en 30 días: 3,269,000 Altos valores del ph (sobre 8.5) en combinación con foto oxidación producen condiciones extremadamente hostiles a todos los bacteriófagos estudiados. Inapropiado para lagunas facultativas.

38 TRAZADORES RADIOACTIVOS Trazador a escogerse cuidadosamente Media vida y Vida útil (requiere corrección por deterioro) Costo y permiso de la autoridad de energía atómica Factor de corrección por deterioro en proporción inversa con media vida Idealmente válido solo para flujo tipo tubular Trazador no es visible, por lo que se tiene que efectuar muestreo mas intensivo Prueba debe necesariamente validarse con % de recuperación de trazador sobre el 85% Procedimiento mucho mas complejo y caro que con trazadores colorantes,no justifica.

39 FIN DE LA PRESENTACION Gracias por su atención Preguntas por favor