Tratamiento de aguas residuales

1. LAGUNAS DE ESTABILIZACION
La tecnología de lagunas de estabilización es uno
de los métodos naturales más importantes para el
tratamiento de aguas residuales.
Las lagunas de estabilización son
fundamentalmente reservorios artificiales, que
comprenden una o varias series de lagunas
anaerobias, facultativas y de maduración.

2. El tratamiento primario se lleva a cabo en la laguna
anaerobia, la cual se diseña principalmente para la
remoción de materia orgánica suspendida (SST) y parte
de la fracción soluble de materia orgánica (DBO5).
La etapa secundaria en la laguna facultativa remueve la
mayoría de la fracción remanente de la DBO5 soluble
por medio de la actividad coordinada de algas y
bacterias heterotróficas.
El principal objetivo de la etapa terciaria en lagunas de
maduración es la remoción de patógenos y nutrientes
(principalmente Nitrógeno).

3. LAGUNAS ANAEROBIAS
Estas son las unidades mas pequeñas de la
serie. Por lo general tienen una profundidad
de 2-5 m y reciben cargas orgánicas
volumétricas mayores a 100 g DBO5/m3
d.

4. LAGUNAS FACULTATIVAS
Estas lagunas pueden ser de dos tipos:
Laguna facultativas primarias que reciben
aguas residuales crudas .
Laguna facultativas secundarias que reciben
aguas sedimentadas de la etapa primaria.

5. LAGUNAS DE MADURACIÓN
Estas lagunas reciben el efluente de laguna
facultativas y su tamaño y número depende
de la calidad bacteriológica requerida en el
efluente final.
Las lagunas de maduración son unidades
poco profundas.

6. MANTENIMIENTO DE RUTINA
Una vez las lagunas de estabilización han iniciado
su operación en estado estable, es necesario
llevar a cabo actividades de mantenimiento
rutinario que, aunque mínimas, son
indispensables para su buena operación.
De acuerdo con Mara y Pearson, las tareas
rutinarias de mantenimiento son:

7. • Remoción de sólidos gruesos y arenas retenidos en las
unidades de tratamiento preliminar.
• Corte, poda y retiro de pasto y vegetación que crezca
sobre los terraplenes. Esto se hace para evitar que la
vegetación caiga en la laguna y genere micro-ambientes
propicios para la proliferación de mosquitos. Se
recomienda, por lo tanto, el uso de vegetación o pastos
de crecimiento lento para minimizar la frecuencia de esta
actividad.

8. ■ Remoción de material flotante y plantas
macrófitas flotantes de las laguna facultativas y
las lagunas de maduración. Esto se hace para
maximizar la tasa de fotosíntesis, la re-aeración
superficial y prevenir la proliferación de moscas
y mosquitos.
■ Esparcir la capa de material flotante en la
superficie de la laguna anaerobia (la cual no se
debe remover ya que ayuda al tratamiento). En
caso que se detecte crecimiento de moscas, este
material se debe rociar con agua del acueducto.

9. ■ Remoción de cualquier material sólido
acumulado en las estructuras de entrada y salida
de las lagunas.
■ Reparación de cualquier daño causado a los
terraplenes por roedores u otros animales.
■ Reparación de cualquier daño en las obras de
encerramiento y puertas o sitios de acceso al
sistema.

10. La información y registro de estas actividades
debe consignarse en una bitácora de
mantenimiento del sistema por el operador
responsable.
Esta persona también está usualmente a
cargo de la toma de muestras y medición
de los caudales de entrada al sistema.

11. DISEÑO DE LAGUNAS
LAGUNAS ANAEROBIAS

12. ■ Donde:
■ λv = g/m3 d
■ Li = DBO del influente, mg/l (=g/m)
■ Va = volumen de la laguna anaerobia, m3

13. VALORES DE DISEÑO PARA CARGAS
VOLUMÉTRICAS PERMISIBLES Y
PORCENTAJES DE REMOCIÓN DE DBO A
DIFERENTES TEMPERATURAS

14. ■ Una vez que el valor de λv ha sido seleccionado,
el volumen de la laguna anaerobia se calcula de la
forma:

15. ■ El tiempo medio de residencia hidráulica en la
laguna (θa, d) está determinado por:

16. ■ La profundidad media generalmente varía entre
2 y 4 m, el área está dada por la siguiente
ecuación:

17. ■ Donde: Aan = área superficial a la profundidad
media, m2
■ Va = volumen, m3
■ Z = profundidad media, m

18. ■ Generalmente se utiliza una relación
largo/ancho (L/W) =entre 1 a 3

19. ■ Donde:
■ L= longitud, m
■ X= relación largo/ancho, adimensional

20. LAGUNAS FACULTATIVAS
■ Se recomienda que sean diseñadas bajo la base
de carga superficial (λs, kg/ha d), la cual está
dada por:

21. ■ La primera relación entre λs y T es aquella dada
por McGarry and Pescod (1970). Su relación, la
cual es por consiguiente una “curva de
decaimiento”, está dada por:

22. ■ Arthur (1983) recomendó la siguiente ecuación
de diseño:
■ Sin embargo la ecuación es demasiado liberal
particularmente a temperaturas abajo de los 20°
C, esto da valores demasiados cercanos a la
“curva de decaimiento”.

23. ■ (Pearson and Konig, 1986), propone una
ecuación más aplicable a las condiciones de
Colombia, que debe usarse como valor de diseño
(en kg/ha d):

24. ■ Una vez que un valor adecuado de λs, ha sido
seleccionado, se calcula el área de la laguna y su
tiempo de residencia hidráulica (Өf, d) esta dado
por:

25. ■ Donde: Z = profundidad media de la laguna, m
■ Qmed = gasto medio, m3/d
■ El gasto medio es la media de los gastos del
influente y el efluente (Qi y Qe) menos
evaporación y filtración. Si la infiltración es
despreciable, la ecuación se transforma a:

26. Dado que Q = - 0.001Af e (donde e es la tasa de
evaporación, mm/d), la ecuación se transforma
en:

27. ■ Asuma una relación largo/ancho (X) entre 3 y 8
y calcule el ancho de la laguna y después el largo
de la misma. Yáñez (1992), menciona que las
relaciones largo/ancho mayores de 8 no son
recomendables ya que los reactores a flujo pistón
son muy sensibles a cargas pico y tienen un
considerable tiempo de recuperación.

28. ■ Donde:
■ L = largo de la laguna en dirección del flujo, m
■ W = ancho de la laguna, m
■ Af= área de la laguna facultativa a la
profundidad media, m2
■ X = relación largo/ancho= UW, adimensional

29. ■ Para calcular la remoción de DBO5 soluble,
utilice la siguiente correlación de carga (Yáñez,
1988):
■ Donde: λsr = carga superficial removida, kg
DBO5/ha/d
■ Entonces la DBO5 soluble en el efluente esta
dada por la siguiente ecuación:

30. LAGUNAS DE MADURACIÓN
■ Coliformes fecales
■ Los métodos de diseño más utilizados en cuanto
a remoción de coliformes fecales, son el de
Marais (1974) y el de Yáñez (1986). El primero
supone mezcla completa y el segundo flujo
disperso.

31. ■ Método de Marais
■ Es generalmente utilizado para diseñar lagunas en
serie para remover coliformes fecales. Este asume
que la remoción de coliformes fecales puede ser
modelada por una ecuación cinética de primer
orden en un reactor completamente mezclado.
■ La ecuación resultante para una sola laguna es la
siguiente:

32. ■ Donde:
■ Ne = número de coliformes fecales por cada 100
ml en el efluente
■ Ni= número de coliformes fecales por cada 100
ml en el influente
■ Kt= constante de primer orden para remoción
de coliformes fecales, d-1
■ θm = tiempo de residencia hidráulica, d

33. ■ Para lagunas anaerobias, facultativas y de
maduración en serie, la ecuación anterior se
convierte a:
■ Donde: a, f y m = lagunas anaerobias,
facultativas y de maduración; n número de
lagunas de maduración.

34. ■ El valor de KT es altamente dependiente de la
temperatura. Marais (1974) encontró que:

35. VALORES DE LA CONSTANTE DE
PRIMER ORDEN PARA REMOCIÓN DE
COLIFORMES FECALES A VARIAS
TEMPERATURAS

36. ■ La mejor aproximación para calcular θm es
resolver la ecuación correspondiente a n =1, 2,
3, etc.
■ Entonces adoptar las siguientes reglas para
seleccionar la combinación más apropiada de y
y n:

37. ■ adoptar las siguientes reglas para seleccionar la
combinación más apropiada de y y n:
■ no mayor que
■ no menor que

38. ■ Donde el tiempo mínimo de residencia
hidráulica aceptable en una laguna de
maduración.
■ Esto se introduce para minimizar los
cortocircuitos hidráulicos para lo que Marais
(1974) recomienda un valor de 3 días.

39. ■ Después se debe verificar que la carga de DBO
en la primera laguna de maduración no debe ser
más alta que la de la laguna facultativa que la
precede.
■ la carga máxima permisible de DBO sobre la
primera laguna de maduración se toma como el
75% del de la laguna facultativa precedente.

40. ■ La carga sobre la primera laguna de maduración
(mi) se calcula asumiendo que el 70% de la DBO
se removió de la(s) laguna(s) precedente(s). De
esta manera:

41. ■ El área de la laguna de maduración a la
profundidad media se calcula con la siguiente
ecuación:

42. ■ EJEMPLOS DE DISEÑO
■ Diseñe un sistema de lagunas de estabilización
para tratar 10,000 m3/d de aguas residuales
municipales. Datos de partida: DBO 350 mg/l,
No = 1x108 NMP/100 ml de coliformes,
temperatura de diseño de 18°C y la tasa de
evaporación neta 6 mm/d. El efluente debe
contener Ne < de 1000 coliformes fecales por
100 ml.

43. ■ Tabla calcule la carga de diseño:

44. ■ El volumen de la laguna dado por la ecuación es:

45. ■ El tiempo de residencia hidráulico dado por la
ecuación es:

46. ■ El área de la laguna anaerobia considerando una
profundidad de 4 m es:

47. ■ Considerando una relación largo/ancho (X) = 2,
el ancho de la laguna es:
El largo será: L = 2 x W= 2 X 41 = 82 m.
El área corregida es igual 3.362 m2.

48. ■ La remoción de DBO para la estación fría está
dada en la Tabla como:
Por lo que la DBO5 de la efluente de la laguna
anaerobia en la estación fría es de 154 mg/l

49. Diseño de Laguna facultativa
■ La carga de diseño dada por la ecuación es:

50. De esta manera el área está dada por la ecuación
como:

51. El tiempo de residencia hidráulico está dado por
la ecuación como:

52. ■ Tomando una profundidad de 1.5 m, este queda
como:

53. Diseño de Lagunas de maduración
■ Para 18ºC el valor de KT está dado por la
ecuación como sigue:

54. Para calcular el tiempo de residencia
reordenamos la ecuación como sigue

55. Esta ecuación, que tiene dos incógnitas, el
tiempo de residencia y el número de las lagunas
le maduración, se resuelve por el método de
tanteo. Los resultados son:

56. Verifique la carga de la primera laguna de
maduración de la ecuación:

58. Los nuevos tiempos de residencia hidráulico en
las dos subsecuentes lagunas de maduración se
calculan con la ecuación:

59. ■ Los resultados del tanteo son:

60. Para una profundidad de 1.5 m, el área de la
primera laguna de maduración está dada por
ecuación como:

61. El gasto del efluente está dado por:

62. Similarmente el área de la segunda laguna de
maduración y su caudal efluente son dados por:

63. Para la tercera laguna de maduración

64. REMOCIÓN DE DBO
■ Asumiendo una remoción acumulada de DBO
filtrada del 90% en las lagunas anaerobias
facultativas y 25 porciento en cada una de las
tres lagunas de maduración, el efluente fin tendrá
una DBO filtrada (no-algal) de:
DBO efluente = 350 x 0. 1 x 0.75 x 0.75 x 0.75
= 15 mg/l, el cuál es adecuado.

65. Resumen:
■ El diseño comprende:
tiempo global de residencia hidráulico es de
esta manera de 30.95 días.

66. ■ DISEÑO FISICO
■ El diseño del proceso debe ser traducido a un
diseño físico. Las dimensiones actuales de la
laguna, consistentes con el sitio disponible,
deben ser calculadas. Se deben diseñar los
terraplenes y las estructuras de entrada y salida,
además de tomar decisiones con respecto al
tratamiento preliminar, sistemas lagunares
paralelos, tubería de derivación, vallas de
seguridad y letreros.

67. SELECCION DEL SITIO APROPIADO
■ Lo más importante para seleccionar el sitio de
ubicación de la planta es que se encuentre al final
de sistema de drenaje, donde ya no haya más
aportaciones de caudal. El propósito es evitar
bombear agua que hubiese quedado debajo del
nivel de la laguna, con el consecuente de costos.

68. ■ Las lagunas anaerobia, facultativa y de
maduración, deben colocarse al menos a 1000,
500 y 100 m respectivamente, viento abajo de la
comunidad que ellas sirven y estar alejadas de
algún área de futura expansión poblacional. La
liberación de olores, aún de lagunas anaerobias,
es poco probable que sea un problema en
sistemas bien diseñados y con un mantenimiento
adecuado, pero el público puede necesitar
asegurarse de esto en la etapa de planeación por
lo que una distancia mínima de 1000 m
normalmente aleja cualquier temor al respecto.

69. ■ Para asegurar el acceso vehicular a la laguna y
minimizar el movimiento de tierra, el sitio
deberá ser llano o de pendiente suave. En los
casos que se requiera construir lagunas cerca de
aeropuertos, puesto que algunas aves son
atraídos por las lagunas, debe evitarse su
ubicación en una distancia mínima de 2 km, a fin
de evitar riesgos de cualquier naturaleza.

70. ■ Es indispensable hacer un estudio de mecánica
de suelos. Actualmente muchas lagunas no
funcionan por razones de alta permeabilidad, de
modo que las aguas se infiltran al subsuelo.

71. ■ Antes de tomar la decisión de comprar uno de
los lugares elegidos, primero debe caracterizarse
y clasificarse el suelo de cada uno de ellos con la
finalidad de estimar su compresibilidad,
permeabilidad, tenacidad y capacidad de carga.
Esto permitirá seleccionar la mejor adquisición.

72. ■ El diseño físico de las lagunas de estabilización
debe hacerse cuidadosamente: es tan importante
como el diseño del proceso y puede afectar
significativamente la eficiencia de tratamiento.