Calidad de Agua - Lagunas de Estabilización - Guia Ambiental

 
 

Bibilioteca Ambiental

Tratamiento - Lagunas de Estabilización

 

Lagunas de Estabilización

 

LAGUNAS DE ESTABILIZACION


Las lagunas de estabilización son los sistemas  de tratamiento biológico de líquidos residuales más sencillos de operar y mantener. Consisten en estanques, generalmente excavados parcialmente en el terreno, con un área superficial y volumen suficientes para proveer los extensos tiempos de tratamiento (~ meses) que requieren para degradar la materia orgánica mediante procesos de “autodepuración”. Los tiempos de tratamiento son del orden de meses, constituyendo esto, una de sus principales desventajas, al tratarse de procesos de degradación totalmente naturales.
Dependiendo de la presencia, o no, de oxígeno disuelto (OD) en el líquido contenido en la laguna se las clasifica como:

  • Aerobias (< 1 m de profundidad).
  • Facultativas (~ 1,5 m de profundidad)
  • Anaerobias (e/ 2,5 y 3 m de profundidad). No hay algas.

Una laguna de estabilización es aerobia si la carga orgánica es suficientemente baja como para que en todo momento se encuentre presente OD en toda la masa de líquido contenida en la laguna, es anaerobia si no hay oxígeno, y es facultativa si la capa superior permanece aerobia y la inferior anaerobia.
La concentración de OD en las lagunas aerobias y facultativas estará directamente relacionada con la carga orgánica aplicada. Así, cuánto más alta es la carga de materia orgánica biodegradable que recibe el sistema mayor será la demanda de oxígeno. Por otro lado, como la disponibilidad de éste está vinculada a procesos naturales (fotosíntesis y reaireación a través de la superficie), la máxima carga orgánica aplicable al sistema, para mantener condiciones al menos facultativas, estará limitada por dichos procesos.

  • Las lagunas anaerobias suelen emplearse en el tratamiento de desechos industriales que presentan elevados contenidos de materia orgánica soluble y suspendida. También se las suele utilizar como lagunas primarias en el tratamiento de líquidos cloacales. Pueden lograrse remociones de materia orgánica del orden de hasta un 60%.
  • Las lagunas facultativas son el tipo utilizado. Pueden emplearse tanto para el tratamiento de líquidos residuales cloacales o industriales, en este caso, luego de una o dos lagunas anaerobias en serio. Pueden alcanzarse remociones de DBO5, superiores al 90%.
  • Las lagunas aerobias son poco utilizadas, ya que debido a su escasa profundidad necesitan mayores extensiones de terreno. Se las suele emplear como lagunas de “maduración” o como lagunas de “alta carga” para la generación de biomasa algal.

Si se utiliza la tecnología de lagunas de estabilización, se recomienda el uso de más de una laguna de tratamiento porque:

  • Cuánto más lagunas en serie se utilizan, se tiende a un flujo pistón ideal.
  • Es mayor la flexibilidad en la operación y el mantenimiento:
    • Las lagunas en paralelo suelen emplearse en las lagunas primarias, debido a que esta disposición permite operarlas alternadamente, desactivando una para efectuar la limpieza, sin detener le proceso. Facilita así, la remoción periódica de sólidos.

Ventajas y desventajas
Son recomendadas cuando:

  • Se dispone de suficiente terreno a un bajo costo.
  • El tamaño de la futura planta de tratamiento no justifica un nivel de operadores calificados.
  • Si se desea obtener un líquido residual tratado con una alta calidad desde el punto de vista bacteriológico.

Ventajas:

  • Requieren muy poco o nulo suministro de energía, dado que remueven la materia orgánica a través de procesos naturales y la disponibilidad de oxígeno está vinculada a procesos naturales. Sólo se requiere energía para bombear el líquido residual a la primera laguna.
  •  Operación sencilla, no necesitan personal especializado. Sólo actividades de mantenimiento y limpieza: eliminar material acumulado y flotante-
  • Generan muy poco barro en exceso, por ello no requieren sistemas de tratamiento de lodos.
  • Debido a los extensos tiempos de tratamiento, son muy buenos sistemas de ecualización.
  • No hay mezcla suficiente, los sólidos sedimentables son removidos por decantación
  • Remueven eficientemente microorganismos patógenos, por lo que, son consideradas la mejor tecnología para obtener agua para riego.

Desventajas:

  • Tiempos de tratamiento muy extensos (meses).
  • Necesitan grandes superficies de terreno
  • Pueden producir gran cantidad de algas, por lo que si el líquido tratado se descarga en un cuerpo receptor que no tiene las condiciones óptimas, incrementa la DBO. Se recomienda para ello, que los conductos de salida estén sumergidos a una profundidad de 0,30 m como mínimo, o si son superficiales dispongan de un “baffle”, alrededor de ella, que impida la salida de sólidos flotantes y/o una excesiva cantidad de algas si la laguna es aerobia o facultativa.
  • Si están sobrecargadas pueden producir olores, por lo que se recomienda que las lagunas de estabilización se encuentren alejadas de los lugares poblados (~ 1 Km.) o se realicen barreras filtrantes de árboles.
  • Pueden generar problemas debido a la proliferación de insectos.  Para ello, deben tomarse medidas de control, tal como fumigación.

Aporte de oxígeno
El oxígeno disponible en las lagunas aerobias y facultativas es producto del proceso fotosintético realizado por las algas y la reaireación natural a través de la superficie del líquido en contacto con la atmósfera.
Dado que la disponibilidad de oxígeno está vinculada a procesos naturales (fotosíntesis y reaireación a través de la superficie), la máxima carga orgánica aplicable al sistema, para mantener condiciones al menos facultativas, estará limitada por dichos procesos. El crecimiento de material celular es despreciable (no hay casi reproducción celular) debido a que el oxígeno disponible es limitado, y, por lo tanto, es utilizado sólo para la degradación de la materia orgánica.
La contribución de la reaireación no es despreciable, en particular, durante las horas nocturnas donde cesa la actividad fotosintética.
El proceso de transferencia de oxígeno es influido por varios parámetros, entre ellos:

  • Gradiente en la concentración de O2.
  • Temperatura del líquido en la laguna (la solubilidad disminuye con el aumento de la Ta)
  • Turbulencia de la superficie en contacto (velocidad del viento)
  • Mezclado del líquido en la laguna, el cual promueve la incorporación de O2.
  • Características fisicoquímicas del líquido en la laguna (salinidad, concentración de sólidos, presencia de sustancias tensioactivas)

El viento promueve la mezcla y favorece la reaireación, mejorando así, el tratamiento.

Condiciones que influyen en el funcionamiento de las lagunas de estabilización

  • La cinética de las reacciones, basado en un modelo cinético de primer orden con respecto al sustrato o el decaimiento bacteriano.
  • El tipo de flujo hidráulico: modelo de flujo pistón con dispersión axial.
  • La temperatura en las lagunas, que determina la velocidad de las reacciones. En las lagunas de estabilización y en las lagunas aireadas, como consecuencias de que son procesos donde la concentración de la biomasa es relativamente pequeña, el efecto de la temperatura sobre el proceso biológico es muy acentuado. Por ello, para el dimensionamiento de estos sistemas resulta de gran importancia contar con herramientas que permitan estimar, con la mayor exactitud posible, la temperatura esperable del líquido en el interior de la laguna. Una de las técnicas es el Balance calórico por conducción.
  • La estratificación térmica, que afecta el buen funcionamiento, disminuyendo el volumen útil, provocando la sedimentación y posterior descomposición de las algas no móviles.
  • La intensidad de la radiación solar, que ejerce una acción directa sobre la fotosíntesis (producción de oxígeno) y el decaimiento bacteriano.

Estratificación térmica
El buen mezclado vertical, es una de las condiciones más importantes para el buen funcionamiento de estas unidades. Así, en las lagunas de estabilización, en particular en las lagunas facultativas, frecuentemente se generan zonas donde el líquido se encuentra estratificado térmicamente.
La estratificación de líquido en las lagunas puede generar inconvenientes tales como:

  • Producción de zonas muertas y como consecuencia disminución del volumen útil.
  • Disminución del transporte convectivo de oxígeno hacia las capas inferiores del líquido en la laguna.
  • El deficiente mezclado facilita el desplazamiento de las algas móviles hacia las capas superiores del líquido, donde la radiación solar es más intensa, limitando la penetración de la luz solar hacia zonas más profundas del líquido.
  • Las algas no móviles tienden a sedimentar, ubicándose en la zona inferior de la laguna donde la intensidad de la radiación solar es nula o muy baja, esto provoca una disminución de la actividad fotosintética global y una caída en la producción de oxígeno.

En la práctica, el único controlador de la estratificación térmica es la acción del viento sobre la superficie de la laguna. Los más importantes son:

  • Favorecer el mezclado, orientando el flujo del líquido en la dirección de los vientos predominantes, pero en sentido contrario.
  • Si se decide emplear una barrera de árboles protectora ubicarla de manera tal que no interfiera con la acción de los vientos predominantes.

Relación simbiótica entre algas y bacterias
Durante las horas de luz solar, las algas llevan a cabo el proceso de fotosíntesis generando O2. Luego, parte de este oxígeno es empleado por los microorganismos heterótrofos para descomponer los compuestos orgánicos biodegradables en dióxido de carbono y amonio. Estos son asimilados por las algas, para su propia biosíntesis celular.

Remoción de patógenos
Remueven eficientemente microorganismos patógenos.
El proceso de remoción en las lagunas de estabilización de los parásitos es la decantación.
La remoción de las bacterias es a través de los siguientes procesos:

  • Radiación (UV) solar
  • En las horas del mediodía, donde la intensidad solar es máxima, las concentraciones de oxígeno disuelto son altas, debido a la actividad fotosintética. El contenido de oxígeno disuelto puede alcanzar los valores de saturación. El oxígeno es un oxidante. Su elevada concentración promueve la muerte de las bacterias.
  • Durante las horas de luz solar, las algas llevan a cabo el proceso de fotosíntesis generando O2. Luego, parte de este oxígeno es empleado por los microorganismos heterótrofos para descomponer los compuestos orgánicos biodegradables en dióxido de carbono y amonio, los cuales son asimilados por las algas para su propia biosíntesis celular. De esta forma disminuye el contenido de CO2 en el agua, induciendo el aumento de pH en la laguna. En las horas de luz solar, el pH es alcalino. En cambio, durante la noche, como no hay actividad fotosintética, tanto las bacterias como las algas utilizan el oxígeno disuelto remanente de la fase diurna sintetizando dióxido de carbono y, tendiendo de esta manera a disminuir el pH del medio. Este cambio de pH de alcalino, durante las horas de sol, a ácido, durante la fase nocturna, promueve la muerte de las bacterias.
  • Competencia natural entre algas y bacterias por ocupar los espacios. Las algas tienden a desplazar a las bacterias.  A su vez, las algas generan sustancias bactericidas.

Balance hídrico en las lagunas de estabilización
Las lagunas de estabilización deben ser diseñadas para que en cualquier condición climática el balance hídrico sea positivo. El nivel del líquido en las lagunas debe ser de tal magnitud que siempre se produzca la descarga del líquido efluente. Una disminución de la altura del líquido puede provocar problemas operativos con la aparición de olores, y favorecer el crecimiento de macrófitas sobre los terraplenes o en el fondo, las que, a su vez, van a facilitar la infiltración.
Salida = Afluente – (Infiltración + Evaporación)
Para que se produzca la descarga de efluente, las pérdidas de líquido por infiltración y evaporación deberán ser menor que el volumen ingresado con el afluente. Por lo tanto, la única manera de asegurar un balance hídrico positivo será controlando estas dos variables.

Infiltración
La variable que permite controlar la infiltración es la permeabilidad del suelo.
La compactación del terreno es el método más adecuado. Si las características del suelo no permiten asegurar una adecuada impermeabilización por compactación, debe emplearse alguna otra técnica adicional:

    • Aplicación de una capa de suelo arcilloso
    • Empleo de suelo – cemento
    • Uso de geomembranas

Evaporación
            Los principales factores que afectan a la evaporación del agua en estanques de poca profundidad son: temperatura del ambiente, velocidad del viento, humedad ambiente, presión atmosférica, salinidad del agua, y el área y forma del estanque que contiene agua.
            Como el procesote evaporación depende principalmente de las condiciones climáticas prevalecientes en el lugar donde están instaladas las lagunas, prácticamente no existe forma de controlarla operativamente una vez que éstas están construidas. Por lo tanto, su eventual control deberá preverse durante la etapa de proyecto, por ejemplo mediante un aumento de la profundidad de las lagunas y disminuyendo la superficie de las mismas.

Aspectos constructivos de las lagunas
Para la construcción de los diques de contención y los taludes, siempre que resulte posible, debe emplearse la misma tierra excavada.
Los taludes interiores suelen construirse con una pendiente H:L de 1:3 o 1:4, pendientes menos pronunciadas no resultan convenientes debido a que facilitan el crecimiento de macrófitas sobre los taludes. Estas pendientes permiten que el efecto erosivo por la acción de las olas generadas por el viento sea mínimo, ya que al chocar sobre una superficie de pendiente suave permite la disipación de buena parte de la energía cinética que tienen almacenada.

Las taludes externos pueden construirse con pendientes H:L de 1:2. Las pendientes de los mismo no deben ser muy pronunciadas, para no dificultar las tareas de mantenimiento, y a su vez, deben tener una pendiente tal para que no ocupen tanto terreno. Es conveniente que sean sembrados por césped para disminuir la posible erosión y desmoronamiento por efecto de las lluvias. En tal caso, el césped no deberá tocar la superficie del agua para impedir la creación de un hábitat propicio para el crecimiento de insectos, larvas, caracoles, etc.