Hojas de divulgación técnica
OPS OMS

HDT 33:  Consideraciones en relación con el uso de lagunas de estabilización para el
                  tratamiento de aguas residuales

                     Por: Ing. Rodolfo Sáenz Forero, Asesor en Aguas  Residuales


Introducción

Aunque en la literatura abunden informes sobre investigaciones para determinar el comportamiento de lagunas de estabilización, éstos se concentran en la determinación de eficiencias en la remoción de DBO, patógenos y otros parámetros , en función de la carga orgánica aplicada y de los tiempos de retención disponibles. Alguna referencia se suele hacer a la profundidad de las lagunas y a las temperaturas observadas durante el período de estudio.

Sin embargo, en la mayoría de los estudios se ignoran aspectos sumamente importantes como:

Llama la atención que los investigadores de lagunas de estabilización con mucha frecuencia concentren sus actividades en aspectos de química, biología y bioquímica, olvidándose de aspectos hidráulicos e hidrológicos igualmente importantes que, sumados a los climáticos, juegan un papel trascendental en la cinética de las reacciones que se llevan a cabo y por consiguiente en el funcionamiento de estos reactores.


1.      Forma de las Lagunas

Durante mucho tiempo, y dentro del criterio de diseño fundamentado en hipótesis de mezcla completa, se ha dicho que la forma de la laguna no es muy importante.

Hoy en día se sabe, con base en resultados experimentales, que en las lagunas de estabilización no hay mezcla completa, sino que hay flujo disperso; y que el grado de dispersión depende de la geometría de las lagunas.

Siendo el paralelepípedo rectángulo la figura geométrica más simple, se han llegado a producir modelos matemáticos que facilitan el dimensionamiento de la laguna en función de L, W, Z.

donde:

Kr         =    constante de reacción (días -1)
V          =  volumen de la laguna (m3)
Q         =   caudal (m3/día)
R          =   período de retención (días)
T          =   temperatura del agua (*C)
L,W,Z  =   dimensiones de la laguna (m)
a          =    parámetros
d          =   dispersión
Co       =    concentración del substrato en el afluente
Ce       =    concentración del substrato en el afluente

   Las cinco ecuaciones anteriores permiten determinar la eficiencia de una laguna de estabilización si además de sus dimensiones se conocen la constante de reacción "Kr" la temperatura del agua (promedio del mes más frío = T), el caudal afluente (Q) y la concentración del sustrato bajo consideración (Ce: DB05, NM P(CF)/100 ml). Mayor información sobre las ecuaciones (3) y (4) se puede obtener en la referencia 1; y sobre la ecuación (5) en las referencias 2 y 3.

Para obtener buenos resultados con los modelos mencíonados debe hacerse la determinación de "Kr" sometiendo la laguna a flujo discontinuo. 

Los proponentes de la ecuación (5) insisten en que se requiere mayor investigación en el desarrollo de este modelo, el cual "requiere ser verificado, modificado y refinado", lo mismo que calibrado para las diferentes áreas geográficas. 

Llegar a contar con un modelo como el presentado en las anteriores ecuaciones, permitirá prever el comportamíento de las lagunas de estabilización: 

- sin suponer que hay mezcla completa (la mezcla., completa teóríca no se da en la práctica
   aunque casi se logra en reactores circulares con agitaci6n mecánica),

- sin suponer que hay flujo a pistón (el flujo a pistón nunca ocurre bajo regímen de flujo laminar
   como el que ocurre en las lagunas de estabilización) ,

- sin incurrir en el error de suponer que la eficiencia depende sólo del período de retención (un
   mismo período de retención con diferentes formas de laguna arroja diferentes efíciencias),

- sin incurrir en el error de suponer que la eficiencia depende de la intensidad de la carga
   superfícial (kg de DB05/ha x día), pues lagunas sometidas a la misma carga superficial pero
   de diferentes formas o trabajando bajo condiciones de flujo diferentes arrojan eficiencias
   diferentes.


2.    Diseño y ubicación de las estructuras de entrada y salida

                

 

Figura 3
Tres lagunas de estabilización iguales y con ubicación igual
de las estructuras de entrada y salidad de diseño diferente
2 = 2 m en a), b) y c)
Ce1 = Ce4 = Ce5

A pesar de que las tres lagunas a), b) y c) son iguales y de que la ubicación de las estructuras de entrada y salida son similares, las calidades de los efluentes son diferentes debido al diferente tipo de estructura.

Conforme las lagunas se alargan (L/W > 4) el tipo de estructura de entrada y salida pierde importancia, y el flujo pasa a ser regido principalmente por las leyes del flujo laminar en canales abiertos (ver la referencia 4).

Figura 4
Variaciones de la velocidad del agua en la sección transversal
de un canal rectangular muy ancho cuando el flujo es laminar

 

donde: 

NR = número de Reynolds
v = velocidad promedio del agua en las lagunas (m/día)
u = velocidad real de los filetes de agua en la laguna (m/día)
K = conductividad hidráulica (m/día)
i = gradíente hidráulico
v = viscosidad cinemática (m2/dfa)*
g = aceleración de la gravedad (m/día2)*
Q,W,Z = igual que en 1.

La ecuación (13) indica que los filetes de agua superíores se desplazan a una velocidad 3/2 veces mayor que la promedio. Es decir que la permanencia de estos filetes de agua en la laguna es dé 2/3 el período de retencióri. Por consiguiente, cuando se usa la ecuación de flujo a pistón: 

                  Ce = Co e -K r t                                                (14)

donde t es el tiempo en días, se debe usar, 

                                           t =   2 V                                                       (15)
                                                  3 Q

en vez del período de retención como usualmente se hace. Aunque la anterior corrección, fundamentada en, las leyes de la hidráulica, proporciona valores de Ce (obtenidos con la ecuación (14) mas aproximados a los reales, ocurren algunas diferencias influenciadas por la acción del viento (mezcla), las corrientes de convección, las variaciones de temperatura y la geometría de la laguna que (según las ecuaciones 1- 5) tiene su efecto en el flujo.  

La Figura 5 muestra cortes típicos de estructuras de entrada y salida. 

La caja para medición de caudales de la Figura 5.a) aparece mejor detallada en la Figura 6. Esta caja también puede usarse para interconexión entre lagunas y como estructura de salida con medición, constituyendo en este caso una alternativa a la solución mostrada en la Figura 5.b). 

Aspectos que requieren investigación en relación con estas estructuras son:

- Efecto del diseño de la estructura de entrada en la eficiencia (comparar alternativas a), b) y c)
   de la Figura 3 para diferentes relaciones L/W). 

- Tipo de pantallas y dimensiones de la caja de vertedero (Figura 6) para evitar que el caudal
   de ingreso afecte las lecturas del vertedero. 


3.    Facultativas Primarias Versus Facultativas Secundarias o
       Terciarias

La mayoría de los modelos sobre cinétíca del proceso de remoción de DBO se basan en la carga suspendida. 

En las lagunas facultativas primarias debe llamarse Co' a la concentración correspondiente a los sólidos suspendidos del agua residual cruda. Esta concentración Co' se transforma, en virtud de la sedimentación de los sólidos sedimentables) en Co, siendo que:

El valor de 

                                         Csusp - Csed      oscila entre 0.6 y 0.8.
                                               Csusp 

Citando en la literatura se habla de intensidad de carga en lagunas primarias, por lo general se calcula en función de Co' . Esto lleva a que algunos autores consideren que las lagunas primarias soportan cargas mayores que las secundarias y a que se obtengan valores de Kr diferentes.

El valor de Ce de una laguna primaria si pasa a ser Co de la laguna secundaria, partiendo de la hipótesis de que todos los sólidos sedimentables fueron retenidos en la laguna primaria. 

Un fenómeno semejante al descrito para DBO sucede con respecto a la remoción de bacterias. Sin embargo, el valor de "Csusp" y Cosd" no es necesariamente el mismo para DBO y bacterias (NM P (CF)/100 ml). 

Los sólidos sedimentables alteran la geometría de las lagunas. Entre mayor sea la tasa de trabajo que se aplique a las lagunas mayor será esta alteración. Al predecir eficiencias mediante modelos matemáticos deberá utilizarse la geometría crítica, que es la previa a una limpieza, y no la geometría original de la puesta en marcha.

 Figura 5
Estructuras de entrada y salida

 

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Figura 6
Detalle de la caja con vertedero de una estructura
de entrada, salida o interconexión


4. Dispositivos para Medición de Flujos

La medición de flujos en lagunas de estabilización suele hacerse por medio de canales con estrangulamientos (Venturi, Parshall, etc.). La medición de las cargas hidráulicas, a las cuales son proporcionales los caudales (Q = f(h)), se puede hacer, según la importancia y localización de las instalaciones, a través de escalas leídas por operadores, flotadores y detectores acústicos (acoplados a mecanismos de relojería que proporcionan gráficos Q vs t).

En vista de que las canaletas Parshall suelen ser más exactas, se recomienda que en todas las instalaciones haya por lo menos una canaleta Parshall que indique el caudal total que ingresa a la planta. Los caudales que ingresan a las diferentes lagunas pueden ser medidos mediante vertederos. Mayor información sobre estas estructuras de medición se puede obtener en las referencia 4 y 5.

La figura 7 ilustra la ubicación de un Parshall en una derivación de aguas residuales (50 1/seg) que se desea tratar en lagunas de estabilización para posterior reuso en riego. En este caso la canaleta Parshall además de permitir la medición forma parte de la estructura de derivación.

Figura 7
Esquema que muestra el desvío hacia un sistema de lagunas
de un caudal de 50 l/seg de aguas residuales

Las cajas de vertederos, como la que se muestra en la Figura 6 tienen la ventaja de que su capacidad hidráulica se puede varias cambiando las chapas de los vertederos, tal como se muestra en la Figura 8. Si ha habido una disminución de caudal se puede lograr mayor precisión cambiando un vertedero triangular de 90° por uno de 45°. Si ha habido un aumento de caudal se puede pasar a un vertedero rectangular o a una descarga de fondo como la mostrada en la Figura 8.

La referencia 4 ilustra cómo calcular los caudales que fluyen en los diferentes casos. Sin embargo, se requiere mayor investigación sobre curvas de descarga para diferentes diseños de las cajas con vertederos.


5.  Dispositivos para Distribución de Flujos

Con frecuencia se hace necesario distribuir el caudal sanitario entre varias lagunas que trabajan en paralelo.

Existen mecanismos muy ingeniosos para lograr este objetivo mediante orificios, vertederos, bombas, compuertas, canales, etc., Hay aquí otro campo que se presta para hacer mucha investigación.

La Figura 9 representa una estructura para distribuir un caudal en dos partes iguales aprovechando la simetría hidráulica y la igual capacidad hidráulica de dos vertederos iguales. Si en determinado momento se quisiera mandar más agua por un lado que por otro, esto se puede lograr cambiando la altura del vértice de uno de los vertederos triangulares, o usando vertederos rectangulares de ancho proporcional del caudal deseado.


6.  Remoción de Flotantes

Se desea que las materias flotantes sean retenidas en la instalación de tratamiento por varias razones:

              a.   Estéticas;

              b. sanitarias: las bacterias patógenas pueden utiliar los flotantes como refugio y
                  nutrientes.

              c. reducción de carga orgánica; muchos de los flotantes pueden estar constituidos por
                  materia orgánica que ejerce una alta DBO.

Se ha tratado de resolver este problema mediante el uso de rejas. Sin embargo, a veces se prefiere eliminar las rejas, ya que se ha observado que el viento suele acomodar los flotantes en una esquina de la laguna de donde se pueden remover con facilidad. Esta operación hay que hacerla aunque haya rejas, pues éstas no remueven todos los flotantes, además de que hay otros que se suelen formar en la misma laguna.

Figura 8
Alternativas de funcionamiento de las cajas
de las obras de arte

Figura 9
Estructura distribuidora de flujos

Por otra parte, las rejas tienen la desventaja de causar obstrucciones cuando la operación de las mismas no es eficiente. Esto puede resolverse mediante la previsión de un desvío o "by pass". Sin embargo, este desvío encarece la obra. Otra solución puede ser el uso de rejas con desuenuzadores automáticos. Pero éstas no son recomendadas para muchas áreas en los países en vías de desarrollo.

En todo caso, siempre es necesario evitar que las materias flotantes se integren al efluente de la laguna mediante la provisión de pantallas (ver la Figura 5.b) o dispositivos que hagan que, la salida, sea sumergida. Una solución puede consistir en usar una caja acoplada a la estructura de salida (como la mostrada en las Figuras 5.b) y 6), procurando que el vertedero deje sumergida la tubería de salida.


7.  Diseño y Mantenimiento de los Diques 

En realidad, la tecnología sobre diseño y construcción de diques de tierra está bastante desarrollada dentro de la ingeniería civil y su especialidad la mecánica de suelos. El tipo de investigación que se requiere realizar está ligado a determinar las características de los suelos de la zona donde se construirán las lagunas. su conductívidad hidráulica y permeabilidad, sus características mecánicas y capacidad para constituir los diques, etc. Esta ínvestigación indicará si hay que recurrir a "préstamos" de materiales de otras áreas para llevar a cabo las obras, o si es necesario prever impermeabílizacíón del fondo de las lagunas y de los diques, etc. 

La Figura 10 muestra el esquema de un conjunto de lagunas. La Figura 11 nuestra el perfil de los diques. La Figura 12 muestra detalles de planta de los diques. 

El mantenimiento de los diques consiste en cortar las malezas que crezcan en ellos, y procurar que haya un césped bien cuidado que evite la erosíón eólica y les dé un aspecto agradable a las lagunas. La parte superior de los diques puede mantenerse acondicionada para la circulación de vehículos. Los descensos de nivel del dique por asentamiento deben repararse rápídamente agregando material adicional, prevío despalme y escarificación.


 8.  Problemas Con Pérdidas Excesivas de Agua 

Uno de los aspectos que debe ser mejor investigado al proyectar lagunas de estabilización es el del balance hídrico. De la referencia 6 hemos tomado lo siguiente: 

Tan importante es procurar una carga orgánica adecuada como lograr un balance hídrico apropiado. 

La mayoría de las lagunas de estabilización que no han logrado cumplir su objetivo ha sido por causa de un balance hídrico inadecuado. Son pocas la lagunas que han fallado por aplicarles una carga orgánica mal calculada, pues el diseño por carga orgánica es más flexible que por balance hídrico.

Entre más grande hagamos una laguna, más nos vamos del lado de la seguridad desde el punto de vista de carga orgánica, pero más la comprometemos desde el punto de vista del balance hídríco. 

El balance hídrico suele ser dado por la ecuación: 

Qe  =  Qa + (Pr + Pc ) - (E + Pe)                          (16)

en la cual:

Qe = caudal efluente
Qa = caudal afluente de aguas residuales
Pr = precipitación que cae sobre la laguna
Pc = infiltración de agua subterránea hacía la laguna (sucede cuando el nivel freático está
        sobre el de la laguna)
E      =     evaporacíón
Pe     = pérdidas por percolaci6n (sucede cuando el nivel freático está por debajo del de las
                 lagunas y éstas no se han sellado). 

Las cantidades anteriores se pueden trabajar en metros cúbicos por día o litros por día. 

Analizando el mes crítico (de menos lluvia, el nivel freático más bajo, de mayor evaporación) el valor de Q, tiene que ser positivo. Es aquí donde algunas veces se hace necesario reducir el área de las lagunas, y el díseño del lado de la seguridad consiste en hacer lagunas más pequeñas (en área total) y no más grandes como supondría quien haga un análisis superficial del problema.

Si en un primer tanteo durante un diseño obtenemos un valor de Q, negativo, quedan varias alternativas; entre ellas, impermeabilizar la laguna con material arcilloso o membranas sintéticas. Pero hay ur recurso que puede ser más económico, y éste consiste en usar lagunas anaeróbícas. Un sistema de lagunas con anaeróbicas primarias puede tener un 60% del área de uno equivalente que use sólo lagunas facultativas; lo cual es muy importante desde el punto de vista de balance hídrico. En casos extremos se pueden usar lagunas anaeróbícas primarias y secundarias, con lo cual el área puede llegar a ser hasta un 40% de la de un sistema equivalente que no use lagunas anaeróbicas. En zonas muy céntricas donde no sea aconsejable el uso de lagunas anaeróbícas, éstas podrían ser sustittiidas por lagunas aeradas mecánicamente.

Recuerdese que un buen diseño no consiste en hacer muchas lagunas en serie o lagunas muy grandes sino lograr la adecuada remoción de carga orgánica y patógenos con un balance hídrico positivo aún en la época crítica desde el punto de vista hídrico.

 

Figura 10
Esquema de un conjunto de lagunas de estabilización experimentales

 

Figura 11
Perfil de los diques y de las lagunas sobre el eje Y - Y
de la Figura 10

 

Figura 12
Vista de planta de los diques y de las lagunas C y B

La ecuación (16) también debe ser usada para calcular la capacidad hidráulica del aliviadero o estructura de salida de la laguna. En efecto, utilizando como Pr el valor que corresponde a la lluvia más intensa de un día (en 24 horas); y Pc para el valor máximo del nivel freático, lo mismo que Qa para el día máximo, se obtiene un día de caudal máximo para el cual se calculará la capacidad de descarga del aliviadero. Las lagunas se diseñan con un borde libre que da margen para el aumento de carga sobr el vertedero de salidad cuando sucede este caudal máximo.

Otro aspecto importante relacionado con las pérdidas de agua es la posible polución de las aguas subterráneas. Es poco probable el paso de patógenos u otros organismos al subsuelo. Los nitratos pueden llegar a causar problemas. Conviene investigar hasta qué grado el aumento de la profundidad de las lagunas hag que el lixiviado proceda de una soma completamente anaeróbica en la cual haya ocurrido denitrificación.


9.  Problemas con Vectores y Olores

Siendo las lagunas de estabilización estructuras construidas para mejorar la salud, deberá procurarse que las mismas no sean criaderos de vectores (mosquitos, caracoles, etc.) que vayan a propagar enfermedades como la malaria, la fiebre amarilla o la esquistosomiasis.

La mejor forma de controlar los mosquitos la constituye un buen mantenimiento de las lagunas y de los diques. Además, se pueden realizar variaciones del nivel del agua mediante las cuales se logra eliminar las larvas. En casos extremos se pueden aplicar insecticidas. Si se llegan a observar caracoles deberá procurarse su identificación, y según el caso, su control.

El uso de peces larvicidas puede constituir un buen método de control de mosquitos, pero estos peces no siempre logran sobrevivir en lagunas de estabilización.

Las lagunas facultativas sobrecargadas y las anaeróbicas pueden producir malos olores (ocasionados por sulfuros).

En áreas tropicales 350 kg DBO5 /ha x día parece ser el límite de carga para lagunas facultativas primarias a 20°C. El límite para secundarias está cerca de 250 kg DBO5 /ha x día.

Las lagunas facultativas sobrecargadas suelen producir más malor olores (las algas desaparecen cuando la concentración de S= es mayhor de 6.5 mg/1). Según Gloyna y Espino, la corrección posible consiste en disminuir la carga orgánica o aumentar el tiempo de retención según la ecuación (Journal ASCE, June 1969. Citado por Arceivala en la referencia 7).

S = (mg/1) = (0.000105 8 Lo - 0.001655 t + 0.0553) x SO=
                                                                                           4

estando: Lo en kg DBO5 / ha = día, t en días; SO= en mg/l.
                                                                          4

Las lagunas aneróbicas sometidas a cargas entre 50 y 300 gramos de  DBO5 por metro cúbico y por día suelen ser aptas para remociones de DBO de hasta un 50%. Su alta carga (pequeño tamaño) hace que permitan economizar terreno. Sin embargo, en algunas partes no se aconseja su uso por el peligro que produzcan malor olores.

El uso de reactores anaeróbicos de manto de lodos y flujo ascendente (UASB = Upflow Anaerobic Sludge Blanket) puede llegar a consistir un tratamiento previo a las algunas de estabilización que permita redicr área con menos riesgo de producción de malor olores que en las lagunas anaeróbicas. Actualmente (mayo 1986) el CEPIS está construyendo un UASB en San Juan de Miraflores, Lima, a escala piloto (1 1/seg).

Debido a su bajo período de retención, la eficiencia de los UASB en remoción de patógenos es muy baja, pero esto se puede compensar haciendo más produndas las lagunas facultativas y de acabado para lograr una eficiencia bacteriológica aceptable.


10.  Acumulación, Manejo y Remoción de Lodos

Se ha visto al comienzo de este documento la importancia que tiene la geometría de las lagunas. Por consiguiente es de interés para el investigador y el operador tomar en cuenta la acumulación de lodos, la frecuencia de su remoción y el efecto de los mismos en el comportamiento de los reactores.

Las lagunas de estabilización son sedimentadores sobredimensionados. Por consiguiente, en las lagunas primarias es retenido casi el 100% de los sólidos sedimentales. En las lagunas de estabilización no se lleva a cabo un proceso de floculación biológica como el que ocurre con los lodos activados y los biofiltros. Por consiguiente no ocurre una sedimentación secundaria. Esto hace que la acumulación de lodos en lagunas con grado superior al primario sea despreciable para fines prácticos.

Deberá investigarse para cada área geográfica el volumen de lodo acumulado en las lagunas primarias. Como referencia se indica que este volumen está entre 150 y 200 1/hab x año de acumulación de lodo húmedo.

Según Hanish, referencia 8, la acumulación de lodos procedentes de los sólidos sedimentables es del orden de 800 1/hab x año. Pero el proceso de digestión anaeróbica que se lleva a cabo en el fondo de las lagunas reduce este volumen al valor antes mencionado de 150-200 1/hab x año.

Cuando llega el momento de remover los lodos (de acuerdo con lo previsto en el diseño, y tomando en cuenta que debe haber más de una laguna primaria) se procede a drenar y secar la laguna que se va a limpiar, con lo cual el volumen seco del lodo llega a ser menor (del orden de 50 1/hab x año). Para esta última operación debe aprovecharse la estación seca o estiaje.


Referencias

1. THIRIMURTHY, A.M. (1969). Design principles of waste stabilization ponds. Journal of
    the Sanitary Engineering Division, A.S.C.E., 93 (Sa2) 311.

2. POLPRASERT, CH. & BHATTARAI, K. (1985). Dispersion model for waste stabilization
    ponds. Journal of the Environmental Engineering Division, A.S.C.E., 111 (Nl) 12.

3. SAENZ, R. (1985). Proyecto de lagunas facultativas, anaerobias y aeradas.
    CEPIS/OPS/OMS, Lima, Perú.

4. SAENZ, R. (1985). Hidráulica básica para ingenieros sanitarios. CEPIS/OPS/OMS, Lima,
    Perú,

5. HUEB, J.A., GONZAGA, B. & RODRIGUEZ, F.V. (1985). Macromedición.
    CEPIS/OPS/OMS, Lima, Perú.

6. SAENZ, R. (1985). Lagunas de estabilización y otros sistermas simplificados para el
    tratamiento de aguas residuales. CEPIS/OPS/OMS, Lima, Perú.

7. ARCEIVALA, S.V. (1985). Waste stabilization ponds, mechanically serated lagoons, and
    land irrigation. Informal handouts, IHE, Delft.

8. HANISH, B. (1985). Mechanical waste water treatment. Informal handouts, IHE, DEelft.


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