Precipitación
El efecto inmediato de la lluvia es provocar un aumento del caudal de entrada, por
lo que el tiempo de residencia del agua disminuye. Cuando la lluvia es fuerte, la
turbulencia que ésta genera da lugar a que las lagunas aparezcan revueltas.
El oxigeno disuelto suele bajar después de las tormentas debido a la demanda
adicional de oxígeno provocada por los sólidos arrastrados por el agua
de lluvia y los sedimentos de las lagunas que se mezclan con la columna de agua.
Este último fenómeno es especialmente importante en días cálidos,
cuando la caída de tormentas provoca el enfriamiento superficial de las lagunas,
con lo que se crea una capa de inversión que favorece el desprendimiento de
fangos hacia la superficie. Otro efecto de la lluvia es una cierta oxigenación
en la zona superficial de las lagunas, debida tanto al propio contenido en oxigeno
de la lluvia como a la turbulencia que provoca con su caída.
Factores físicos
Estratificación
Puesto que la densidad del agua cambia con la temperatura, es mínima a 4º
C y aumenta para temperaturas menores o mayores, el agua más cálida es
más ligera y tiende a «flotar» sobre las capas más frías.
Como durante los meses de primavera y verano el calentamiento tiene lugar desde la
superficie, las capas superiores están más calientes que las inferiores,
son menos densas y flotan sobre ellas sin que se produzca la mezcla entre unas y
otras. Este fenómeno es lo que se conoce como estratificación.
Si las lagunas son suficientemente profundas la estratificación aparece a medida
que progresa la primavera, y se mantiene hasta mediados de otoño (Abeliovich,
1982; Moreno y col., 1984). En lagunas poco profundas, la acción del viento
es suficiente para romper esta distribución por densidades y dar lugar a la
homogeneización de toda la columna de agua.
En la figura 6.4. se ha hecho una representación gráfica del perfil de
temperaturas en una laguna o lago estratificado. La zona próxima a la superficie,
más cálida y con una temperatura casi uniforme, es el epilimnio. La zona
central, en la que la temperatura desciende bruscamente al aumentar la profundidad,
es la termoclina. Por último, la zona del fondo, que presenta una temperatura
más baja, es el hipolimnio.
El efecto principal de la estratificación térmica en lagunas facultativas
es la segregación a efectos de flujo de la capa fría inferior. Como la
alimentación a la laguna facultativa viene directamente del alcantarillado o
de las lagunas anaerobias, su temperatura es normalmente alta, similar a la que existe
en el epilimnio. Puesto que su densidad es también similar a la del agua en
el epilimnio, se mezcla únicamente con ésta, es decir, se distribuye en
una capa fina próxima a la superficie, y ocupa sólo una fracción del
volumen de la laguna.
FIGURA 6.4
Perfiles verticales de temperatura en distintas épocas del ano en una masa de
agua estratificada:
a) homotermicidad vertical en invierno; b) estratificación térmica a comienzos
del verano, y
c) profundización de la termoclina a finales del verano
En estas condiciones, el tiempo de residencia es inferior al de diseño, por
lo que no hay tiempo suficiente para la mineralización de la materia orgánica,
y el efluente presenta concentraciones anormalmente altas de DBO5
y DQO (Djajadiningrat, 1981). Cuando esto ocurre hay que tomar medidas especiales
que estudiaremos con más detalle en el apartado de mantenimiento. Fundamentalmente,
las medidas a tomar consistirían en disminuir la altura de agua de trabajo o
intentar romper la estratificación mediante alteraciones de la posición
de entradas y salidas de agua.
Flujo a través de las lagunas
La actividad biológica en las lagunas facultativas está muy influida por
las características de la circulación del agua. Cuando se proyecta una
laguna facultativa. se calcula el tiempo necesario para alcanzar un determinado grado
de depuración. Este tiempo se denomina tiempo teórico de retención,
y resulta de dividir el volumen de la laguna por el caudal de agua a tratar que recibe.
Aunque este dato es importante, desde el punto de vista de la depuración lo
que importa es si realmente todo el material que entra en la laguna permanece en
ella
durante ese tiempo, o si hay diferencias importantes entre el tiempo que una parte
u otra del fluido permanece en la laguna. Cuando esto ocurre, la fracción que
atraviesa rápidamente el estanque alcanza un grado menor de estabilización
que la que permanece embalsada durante más tiempo. Estas diferencias en el tiempo
real de residencia provocan siempre la disminución de la eficacia de la depuración.
La circulación del agua a través de la laguna viene afectada por la forma
y tamaño de ésta, la situación de entradas y salidas, velocidad y
dirección de los vientos dominantes, y, como veíamos anteriormente, la
aparición de diferencias de densidad dentro del estanque (Ferrera y Harleman,
1981; Levenspiel, 1986; Middlebrooks y col., 1982; Moreno y col., 1984). Las anomalías
de flujo más frecuentes se manifiestan en la aparición de zonas muertas,
es decir, partes de la laguna en las que el agua permanece estancada durante largos
períodos de tiempo.
Profundidad
La profundidad de las lagunas facultativas suele fijarse entre 1-2 metros. El límite
inferior viene condicionado a la posibilidad de crecimiento de vegetación emergente
para profundidades menores, lo cual se desaconseja normalmente para evitar el desarrollo
de mosquitos. En cuanto al límite superior, las profundidades inferiores a 2
metros tienen el objetivo de limitar la posibilidad de estratificación, así
como favorecer un ambiente aerobio en la mayor parte del perfil vertical.
Sin embargo, recientemente se ha construido un número creciente de lagunas profundas,
en las que se han obtenido buenos resultados en eficacia de depuración. Normalmente
estas lagunas profundas presentan más de una finalidad, como es la de servir
al mismo tiempo de sistema de depuración y de sistema regulador para riegos.
Se han sugerido varias razones para explicar la mayor eficacia depuradora detectada
en estos sistemas profundos, entre otras la mayor productividad de las algas en un
medio en el que tienden a sedimentar en la zona profunda y morir, bien por ausencia
de luz o por el efecto tóxico de sulfuros solubles, lo que da lugar a que las
poblaciones en superficies sean más jóvenes y, por tanto, productivas.
La zona profunda tiende a estar en condiciones anaerobias, y en ella se produce la
degradación lenta de compuestos orgánicos y microorganismos sedimentados
desde la zona superficial. De esta forma se generan nutrientes solubles que se reincorporan
a la capa superficial y contribuyen a la actividad biológica en ésta (Abeliovich,
1982).
Por otra parte, en climas áridos la mayor profundidad repercute en una disminución
de la evaporación, lo que es beneficioso tanto desde el punto de vista de almacenamiento
para riegos como para evitar aumentos de salinidad en el efluente (Moreno, 1984).
Por último, otra ventaja de los sistemas profundos es la mayor retención
de calor durante los meses fríos.
Puesto que la mayor profundidad también da lugar a problemas específicos
(como la estratificación), el proyectista debe analizar cada situación
concreta para alcanzar un compromiso entre ventajas e inconvenientes en cada caso.
Factores químicos y bioquímicos
pH
El pH de las lagunas facultativas viene determinado fundamentalmente por la actividad
fotosintética del fitoplancton y la degradación de la materia orgánica
por las bacterias. Las algas consumen anhídrido carbónico en la fotosíntesis,
lo que desplaza el equilibrio de los carbonatos y da lugar a un aumento del pH. Por
otra parte, la degradación de la materia orgánica conduce a la formación
de CO2 como producto final, lo que causa una disminución
del pH. Cuando las lagunas facultativas están operando correctamente el pH presenta
valores ligeramente alcalinos, del orden de 7,5-8,5.
Debido a que la fotosíntesis depende de la radiación solar, el pH de las
lagunas facultativas presenta variaciones durante el día y el año. Cuanto
mayor es la intensidad luminosa, los valores del pH son más altos. Estas variaciones
diarias son muy marcadas en verano, cuando pueden alcanzarse niveles de pH de hasta
9 o mayores, partiendo de valores del orden de 7-7,5 al final de la noche.
Oxígeno disuelto
El contenido de oxigeno disuelto en las lagunas facultativas es uno de los mejores
indicadores sobre su funcionamiento. La principal fuente de oxígeno disuelto
es la fotosíntesis, seguida por la reaireación superficial. Una laguna
facultativa que opere correctamente debe tener una capa superficial oxigenada. La
concentración de oxígeno disuelto presenta una variación sinusoidal a lo
largo del día. El contenido en oxigeno es mínimo al amanecer y máximo
por la tarde, y puede oscilar entre una valor nulo hasta la sobresaturación.
Durante el verano es muy común encontrar que las lagunas están sobresaturadas
de oxigeno disuelto en las capas superficiales.
Además de las variaciones diarias en el contenido en oxigeno disuelto, éste
presenta también variaciones importantes en profundidad. La concentración
de oxigeno disuelto es máxima en superficie, y a medida que aumenta la profundidad
va disminuyendo hasta anularse. La profundidad a la que se anula el oxigeno disuelto
se llama oxipausa, y su posición depende de la actividad fotosintética,
el consumo de oxigeno por las bacterias y el grado de mezcla inducido por el viento.
En invierno la capa oxigenada tiende a ser mucho más reducida que en verano.
Nutrientes
Los nutrientes son fundamentales para la buena marcha de la depuración en lagunas.
El agua residual urbana posee un contenido en nutrientes adecuado para el desarrollo
de los microorganismos responsables de la depuración sin que sea necesario ajustar
la concentración de ninguno de ellos. A medida que progresa la depuración,
y especialmente cuando se dispone de varias lagunas en serie, se va produciendo una
eliminación de nutrientes que puede dar lugar a que uno o varios alcancen concentraciones
limitantes para el desarrollo subsiguiente de algas o bacterias.
Este hecho sólo constituye un problema cuando todavía hay una concentración
importante de materia orgánica por estabilizar. Normalmente, en lagunas de estabilización
el agotamiento de nutrientes sólo ocurre en épocas de intensa actividad
biológica, y suele venir precedido de la eliminación de materia orgánica
hasta los niveles máximos en este tipo de tratamiento (10-3O mg DBO5/l)
(Dinges, 1982). Es mucho más frecuente la estabilización total de la materia
orgánica sin que ello suponga el agotamiento de nutrientes. En las lagunas facultativas
se pueden alcanzar eficacias de eliminación de nutrientes (nitrógeno y
fósforo) del 40-90 % (U. S. Environmental Protection Agency, 1983).
A continuación veremos los ciclos de nutrientes en el medio acuático y
los procesos por lo que se produce su transformación entre unas formas y otras
en las lagunas.
Ciclo del nitrógeno
El nitrógeno entra en las lagunas facultativas en forma orgánica y amoniacal.
El agua residual urbana a veces contiene nitrógeno en forma oxidada (nitritos
y nitratos), pero durante su tratamiento en lagunas anaerobias estas formas desaparecen.
Los procesos que afectan a las distintas formas de nitrógeno en las lagunas
facultativas son los siguientes (Pano y Middlebrooks, 1982; Ferrara y Avci, 1982;
Fritz y col., 1979; Abeliovich, 1983; Reddy y Reddy, 1987):
Teniendo en cuenta a los sedimentos, el nitrógeno viene afectado por los dos
procesos siguientes:
FIGURA 6.5
Ciclo del nitrógeno en ambientes acuáticos (Brock, 1978)
En la figura 6.5. aparece un ciclo simplificado del nitrógeno, con sus partes
aerobia y anaerobia.
Ciclo del fósforo
El fósforo tiene gran interés en los procesos de depuración porque
normalmente es el nutriente limitante, es decir, el que se presenta en concentraciones
inferiores y regula así la posibilidad de crecimiento de microorganismos.
Las lagunas que reciben aguas residuales urbanas no suelen estar limitadas en cuanto
a su contenido en fósforo, pero es conveniente que la concentración de
fósforo a la salida sea lo menor posible para evitar proliferaciones de algas
en los cursos de agua receptores. Las formas de fósforo más significativas
en las lagunas facultativas son el fósforo orgánico y el fósforo soluble
(ortofosfatos). Los procesos de transformación a que se encuentran sometidos
los compuestos de fósforo son los siguientes (Ferrara y Harleman, 1980; Fritz
y col., 1979; Margalel, 1986; Moreno y col., 1987):
Los sedimentos actúan, pues, como una trampa en la que se pierde una fracción
importante (alrededor del 10 % en procesos de lagunaje) del fósforo introducido
en el sistema (Ferrara y Harleman, 1980). Este hecho es ventajoso desde el punto
de vista de eliminación de nutrientes, ya que contribuye a la reducción
de riesgos de contaminación en aguas receptoras. Por otra parte, los sedimentos
participan, además, en el ciclo del fósforo en la forma siguiente:
Debido a la facilidad con que se produce el paso de fósforo orgánico a
inorgánico, la fracción del primero suele estar entre un 2-20 % del total
(Brock, 1978). En la figura 6.6 aparece un ciclo simplificado del fósforo, en
el que se han recogido los distintos procesos discutidos en este apartado.
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