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Diseño de lagunas de estabilización
INTRODUCCIÓN
Este capítulo trata de los distintos métodos utilizados para el diseño
de lagunas de estabilización. Aunque el operador de las lagunas se encuentra
con la planta ya construida, es muy conveniente que conozca los principios en que
se basa su diseño, ya que de esta forma será capaz de detectar posibles
fallos, e intentar mejorar el rendimiento de la instalación modificando en lo
posible su esquema operativo.
El diseño de lagunas de estabilización se ha llevado a cabo tradicionalmente
mediante procedimientos simplificados, basados por lo general en la eliminación
de una sola variable (materia orgánica como DBO5 es la
variable de diseño por excelencia). Existe una gran variedad de métodos
de diseño, lo que constituye un reflejo de las múltiples condiciones en
las que éstos han sido deducidos (distintos tipos de alimentación, situación
geográfica, condiciones climáticas, etc.). Los parámetros en los que
se basan normalmente los cálculos son uno o varios de los siguientes:
- Carga volumétrica (g DBO5/m3
día).
- Carga superficial (kg DBO5/ha día).
- Tiempo de retención hidráulica (días).
A continuación veremos los procedimientos más generalizados para el diseño
de lagunas anaerobias, facultativas y de maduración.
DISEÑO DE LAGUNAS ANAEROBIAS
El diseño de lagunas anaerobias se lleva a cabo mediante procedimientos empíricos.
Los parámetros de diseño más adecuados para lagunas anaerobias son
la carga volumétrica y el tiempo de retención hidráulico, ya que como
vimos en el capítulo 5, la depuración en medio anaerobio es independiente
de los fenómenos de superficie (reaireación, fotosíntesis) que desempeñan
un papel primordial en las lagunas facultativas y de maduración (W. H. O., 1987;
Mara, 1976; Middlebrooks y col., 1982; Gloyna, 1973).
A pesar de esto, existen varios procedimientos basados en la carga superficial necesaria
para mantener una laguna en condiciones anaerobias, aunque los datos sugeridos por
distintos autores varían enormemente. Por ejemplo, Eckenfelder (1970) presenta
datos relativos a lagunas anaerobias con cargas superficiales entre 280-4.500 kg
DBO5/ha día y profundidades entre 2,5-5 m, en las que
se alcanzan reducciones en la DBO5 entre 50-80 %. Otros estudios
(Yáñez, 1980) sugieren un límite inferior de 1.000 kg DBO5/ha
día para mantener el medio anaerobio. La Agencia de Protección de Medio
Ambiente de Estados Unidos sugiere un intervalo de 220-1.100 kg DBO5/ha
día (U. S. Environmental Protection Agency, 1977).
En cuanto a procedimientos basados en la carga volumétrica, se han sugerido
distintos intervalos y límites. En la tabla 8.1 se han recogido algunos de estos
datos y los estudios de los que proceden.
TABLA 8.1
Intervalos de carga volumétrica recomendados para el diseño de lagunas anaerobias
Por último, el tiempo de retención hidráulica es el parámetro de diseño más utilizado para lagunas anaerobias. Sin embargo, y como ocurre en los casos anteriores, la variabilidad de los datos presentados por distintos autores es muy grande. Por tanto, el proyectista debe seleccionar cuidadosamente entre los diferentes métodos existentes aquellos que se hayan deducido en las condiciones más similares a las de la planta que se proyecta. En la tabla 8.2 se han recogido los intervalos de tiempo de retención recomendados por distintos autores. Los datos más elevados (50 días) corresponden a observaciones experimentales en climas fríos y deben, en consecuencia, interpretarse teniendo en cuenta que la actividad anaerobia se paraliza prácticamente por debajo de l0º C (W. H. O., 1987).
TABLA 8.2
Tiempos de retención hidráulica recomendados para el diseño de lagunas
anaerobias
En cuanto a la eliminación de materia orgánica como DBO5, los valores encontrados oscilan entre 50 % en invierno y 80 % en verano, con temperaturas superiores a 25º C (W. H. O., 1987). Basándose en los resultados obtenidos en el estudio de fosas sépticas en Estados Unidos y Zambia, se ha sugerido la siguiente fórmula empírica para la reducción de materia orgánica en lagunas anaerobias en función del tiempo de residencia (Middlebrooks y col., 1982):
Lp = Lo / kn(Lp/Lo)n (R+ 1) (8.1)
donde
Lo = DBO5 del influente (mg/l);
Lp= DBO5 del efluente (mg/l);
R = tiempo de retención (días);
n = exponente empírico, adimensional, y
kn = coeficiente de diseño, adimensional.
Esta ecuación se considera válida en climas tropicales y subtropicales.
Como puede verse a partir de los datos anteriores, la gran variabilidad en los métodos
propuestos por diferentes autores introduce un elevado nivel de incertidumbre a la
hora del diseño de lagunas anaerobias. Esta situación pone de manifiesto
la necesidad de reunir datos fiables en España que permitan establecer los intervalos
aceptables de diseño para las condiciones ambientales en distintas regiones.
Con el fin de proporcionar unas líneas maestras básicas para el diseño
de lagunas anaerobias, la Organización Mudial de la Salud (W. H. O., 1987) propone
los siguientes criterios para temperaturas superiores a 22º C:
- Carga volumétrica inferior a 300 g DBO5/m3. día, y/o
- Tiempo de retención del orden de 5 días;
- Eliminación de DBO5 del orden del 50 %;
- Profundidad entre 2,5 y 5 m.
Estos criterios son conservativos, pero proporcionan una primera aproximación
al diseño en ausencia de datos específicos. Además, la OMS recomienda
que se cuente con al menos dos lagunas anaerobias en paralelo para asegurar la continuidad
de la operación en caso de limpieza y retirada de los fangos en una de las dos
unidades. La frecuencia con que ha de llevarse a cabo esta limpieza se calcula en
base a una acumulación media de 40 litros de fango por persona y año. Se
recomienda que la limpieza se lleve a cabo cuando el volumen de fangos acumulado
es igual a la mitad del volumen de la laguna anaerobia. Por tanto, el intervalo en
años en que debe limpiarse la laguna es el siguiente:
T= Volumen de la laguna (m3) / 2 (velocidad de acumulación de fango, m3/hab./año) (población) (8.2)
DISEÑO DE LAGUNAS FACULTATIVAS
Se han propuesto numerosos métodos de diseño de lagunas facultativas, que
pueden clasificarse en las categorías siguientes:
1. Métodos empíricos. Estos métodos consisten en relaciones matemáticas
sencillas deducidas de las observaciones experimentales realizadas en un determinado
estanque de estabilización, o en un grupo de ellos que trabajan en condiciones
muy similares, tanto respecto a la climatología como a la alimentación.
Puesto que en estas circunstancias se puede hacer abstracción de todas las variables
iguales, el método empírico utiliza como variables de diseño sólo
un grupo reducido de los factores que afectan a la depuración en lagunas, especialmente
caudal, tiempo de residencia y carga aplicada. El parámetro fundamental de diseño
lo constituye la reducción en una de las medidas de la carga orgánica,
normalmente demanda bioquímica de oxígeno (DBO5).
2. Métodos «racionales». Este grupo de métodos debe su nombre
al hecho de que se ha intentado ofrecer en ellos una explicación en términos
cinéticos de lo que ocurre en los estanques de estabilización. Normalmente
se basan también en la reducción experimentada por una sola variable indicativa
de la carga orgánica, y se fundamentan en hipótesis restrictivas, que facilitan
en gran medida los cálculos, a costa de pérdida de rigor en la caracterización
de los estanques. Entre estas hipótesis se encuentran las siguientes:
- La composición de la alimentación se considera constante a lo largo del
año.
- El régimen hidráulico corresponde a un modelo ideal de flujo.
- No se producen sedimentaciones parciales de la materia orgánica hacia el fango
del fondo, es decir, no se define el sistema detrítico.
Las pérdidas por infiltración en el terreno y evaporización se consideran
despreciables, o se compensan por los aportes por precipitación.
- Las lagunas funcionan en régimen estacionario.
- La cinética de la depuración es de primer orden, con una constante de
velocidad que se define normalmente como función exponencial de la temperatura.
3. Modelos matemáticos. Aunque en realidad son una subcategoría de los
métodos racionales, estos métodos de diseño presentan características
muy diferentes en
cuanto a las hipótesis utilizadas para describir la depuración en lagunas.
Fundamentalmente, en ellos se considera que las lagunas son sistemas dinámicos,
con cinéticas complejas y regímenes no ideales de flujo. Estos métodos
se basan en la modelización matemática de las interacciones físico-químicas
y biológicas responsables de la depuración en lagunas. Su complejidad es
mucho mayor, ya que describen en forma dinámica la relación simbiótica
existente entre bacterias y fitoplancton, para lo que es necesario llevar a cabo
un balance de materia de las distintas especies químicas y biológicas presentes
en el sistema (Fritz y col., 1979; Ferrara y Harleman, 1980; Buhr y Miller, 1983;
Somiya y Fuji, 1984; Moreno y col., 1988).
A continuación se describen brevemente los métodos empíricos y racionales
más utilizados hasta la fecha para el diseño de lagunas facultativas.
Métodos empíricos
Entre los métodos empíricos, la utilización de un intervalo admisible
de carga superficial es el criterio de diseño que los proyectistas utilizan
con más frecuencia. Como ocurría en las lagunas anaerobias, existe una
gran diversidad de intervalos recomendados por distintos autores, como consecuencia
de la variedad de situaciones en los que éstos se han deducido. La Organización
Mundial de la Salud (W. H. O., 1987) recomienda para climas templados un intervalo
de 200-400 kg DBO5/ha día.
Otros métodos empíricos consisten en ecuaciones deducidas a partir de los
datos recogidos en varias lagunas que operan en condiciones similares. Entre estos
métodos, los más conocidos son los siguientes:
L (Kg DBO5/ha día) = 375-6,25 (latitud)
En esta ecuación, la latitud viene a representar las variaciones en temperatura
en las distintas zonas. Desde este punto de vista, esta ecuación y la de Mcoarry-Pescod
que veremos a continuación son conceptualmente análogas.
Lmax = 11,2 (1,054)T
Puesto que la carga admisible máxima aumenta con la temperatura, en el diseño
se utiliza la aproximación más conservativa, para la cual se toma la temperatura
media del mes más frío. Sin embargo, la carga máxima admisible calculada
de esta forma daría lugar a una laguna que estaría en el límite de
lo tolerable al menos durante un mes al año. Para evitar anaerobiosis es necesario
introducir un factor de seguridad (Mara, 1976), con lo que la ecuación anterior
quedaría:
Lmax = 7,5 (1,054)T (8.5)
TABLA 8.3
Métodos empíricos de diseño de lagunas facultativas
En estudios subsiguientes se ha puesto de manifiesto que esta ecuación no resulta adecuada para el diseño de lagunas que reciben poca carga (14,1-27,2 kg/Ha. día) (Finney y Middlebrooks, 1982). Sin embargo, para cargas superficiales unas diez veces superiores en climas cálidos se considera que este método produce resultados adecuados (W. H. O., 1987).
MOT = (2,468RED + 2,468TTC + 23,9/TEMPR + 150,0/DRY) 106 (8.6)
donde las distintas variables se definen en la forma siguiente:
MOT= Area (radiación solar)1/3/Caudal
influente (DBO5 inil.)1/3
RED = (DBO5 infl - DBO5
efl) / DBO5 infl
TTC = Velocidad viento (DBNO5 infl)1/3 / (radiación solar)1/3
TEMPR = Temperatura agua / Temperatura aire
DRY = humedad relativa
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