Aguas Servidas

HERNN CUERVO FUENTES Ingeniero Consultor

Ingeniera Sanitaria y Ambiental

Diseos para la Optimizacin del Sistema de Tratamiento de Aguas Residuales del Municipio de Santa Fe de Antioquia

Departamento de Antioquia Diseo

Circular 5 N 71 22 Of. 301, telefono4165052 - fax: 4129641, E-mail: [email protected] Medelln Colombia

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TABLA DE CONTENIDO

5. DISEO DE LA OPTIMIZACIN DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES ........................................................................................................ 4

5.1 INTRODUCCIN .................................................................................................. 4 5.2 CONSIDERACIONES GENERALES DEL PROYECTO ........................................ 5

5.2.1 Justificacin ambiental del proyecto ............................................................... 5 5.2.2 Justificacin tecnolgica del proyecto ............................................................. 6 5.2.3 Perfil socio-econmico .................................................................................... 7 5.2.4 Poblacin beneficiada..................................................................................... 7 5.2.5 Alcance socio-cultural ..................................................................................... 7 5.2.6 Caudal a tratar ................................................................................................ 8

5.3 DESCRIPCIN Y DISEO DE LAS OBRAS DE OPTIMIZACIN ......................... 8 5.3.1 Estructura de entrada y tratamiento preliminar ............................................... 8 5.3.2 Laguna anaerobia o tratamiento primario ..................................................... 13 5.3.3 Lagunas facultativas en paralelo o tratamiento secundario ........................... 23

5.4 OBRAS DE PROTECCIN ................................................................................. 29 5.4.1 Caudales de diseo ...................................................................................... 29 5.4.2 Perfiles de flujo ............................................................................................. 29 5.4.3 Seccin crtica del canal ............................................................................... 30






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NDICE DE TABLAS

Tabla 5 - 1 Caractersticas de las aguas residuales domsticas y su efecto ambiental (*) . 6 Tabla 5 - 2 Comportamiento cmaras desarenadoras ..................................................... 13 Tabla 5 - 3 Valor del caudal (Q) de agua cruda en funcin de la altura de la lmina de

agua (H) ......................................................................................................... 13 Tabla 5 - 4 Composicin tpica del biogs producido en la digestin anaerobia ............... 19 Tabla 5 - 5 Combustibles tpicos y su poder calorfico. .................................................... 19 Tabla 5 - 6 Duracin mnima de 1 m3 de biogs para diferentes aplicaciones. ................ 20 Tabla 5 - 7 Volumen total de metano generado por da hasta el perodo de diseo ......... 21 Tabla 5 - 8 Caudales obtenidos mediante el mtodo racional .......................................... 29 Tabla 5 - 9 Altura mnima de realce de la margen derecha de la quebrada. .................... 31






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NDICE DE FIGURAS

Figura 5 - 1 Pasos principales de los procesos metablicos involucrados en la digestin de los slidos orgnicos sedimentados en lagunas anaerobias ...................... 14

Figura 5 - 2 Mecanismos y procesos naturales de estabilizacin de las aguas residuales en lagunas facultativas (EPA, 1978, referenciado por: Cuervo, H. F, 1990). .. 25

Figura 5 - 3 Perfil hidrulico para las condiciones actuales, para los caudales con los perodos de retorno considerados. ................................................................. 30

Figura 5 - 4 Seccin crtica que presenta mayores niveles de inundacin .................... 31






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5. DISEO DE LA OPTIMIZACIN DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

5.1 INTRODUCCIN En pases de Amrica Latina y el Caribe el trmino lagunas de estabilizacin ha sido usado preferentemente puesto que describe la funcin real de este proceso y al mismo tiempo incluye tanto lagunas facultativas como anaerbicas.

Las lagunas de estabilizacin son lugares de almacenamiento de aguas residuales, relativamente grandes y de poca profundidad, provistas de estructuras en tierra abiertas al sol y al aire y cuyo fin es el de lograr el tratamiento de las aguas residuales a travs de procesos naturales, pero controlados (EPA 1978 referenciado por Cuervo H., 1990).

La estabilizacin de las aguas residuales depende de procesos fsicos, qumicos y biolgicos naturales. Esos procesos pueden llevarse a cabo simultneamente, incluyendo sedimentacin, digestin, oxidacin, sntesis, fotosntesis, respiracin endgena, intercambio de gases, aireacin, evaporacin, corrientes trmicas y filtracin (EPA 1978 referenciado por Cuervo, H., 1990).

La laguna de estabilizacin es aparentemente un mtodo simple de tratamiento de las aguas residuales pero se observa en la discusin anterior que los mecanismos de purificacin involucrados son complejos. Para el diseo racional de una laguna es necesario considerar cada proceso fundamental; su naturaleza y mecanismo; el tipo de microorganismos que participa, su magnitud e importancia en la estabilizacin del residuo; las caractersticas del desecho y sus tasas de reacciones; y por ltimo, los factores ambientales que puedan influir sobre los parmetros antes anotados (EPA 1978 referenciado por Cuervo, H, 1990). El diseador puede escoger el nmero de unidades, la profundidad y carga orgnica aplicada, pero no se tendr control sobre la temperatura, radiacin solar y el viento. Sin embargo, el diseo debe ser tal que permita una operacin satisfactoria dentro del rango de las condiciones climticas esperadas.

En la actualidad se considera que este proceso de tratamiento ha sido objeto de suficiente estudio y se han introducido desarrollos tan importantes, que el tratamiento de aguas residuales mediante lagunas de estabilizacin puede clasificarse como uno de los sistemas ms importantes.

La experiencia del pasado de algunas instalaciones que han resultado con problemas de funcionamiento indica que en su mayor parte, esos fracasos han sido el resultado de concepciones defectuosas del proyecto a nivel de diseo, una aplicacin inadecuada de ingeniera a nivel de construccin y un mantenimiento defectuoso que usualmente es el resultado de una falta de supervisin a nivel de operacin (Yez, F., 1982).






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5.2 CONSIDERACIONES GENERALES DEL PROYECTO

5.2.1 Justificacin ambiental del proyecto

Toda comunidad produce tanto residuos lquidos como slidos, la parte lquida procede esencialmente del agua suministrada a la comunidad despus de haber sido contaminada por los diferentes usos.

Un agua residual no tratada que se vierta sin ningn tratamiento en ros y quebradas y caos, acarrea problemas de salud pblica en la comunidad circundante y deteriora su calidad de vida. Por ejemplo, la descomposicin de la materia orgnica presente en las aguas residuales conlleva a la produccin de gases malolientes que causan molestias a la poblacin que vive en zonas aledaas a las fuentes receptoras, pero ms impactante es el efecto sobre la salud pblica.

Los contaminantes asociados con las aguas residuales domsticas son principalmente slidos suspendidos y disueltos que conforman la materia orgnica e inorgnica, nutrientes, aceites, grasas y microorganismos patgenos. El agua lluvia a travs de la escorrenta arrastra los mismos contaminantes. Las aguas residuales domsticas sin un tratamiento apropiado, eliminadas en su punto de origen o mal recolectadas y transportadas representan un riesgo y peligro de infeccin parasitaria, ya sea por contacto directo o con la materia fecal. Varias enfermedades como la hepatitis y las de tipo gastrointestinal, incluyendo el clera y la tifoidea se presentan en las comunidades por la mala disposicin de las aguas residuales.

Cuando las aguas servidas son recolectadas pero no tratadas correctamente antes de su eliminacin, existen los mismos peligros para la salud pblica en el punto de descarga. Si dicha descarga es en aguas receptoras, se presentarn peligrosos efectos adicionales perjudiciales en el hbitat para la vida acutica por la utilizacin del recurso en actividades agrcolas o por la acumulacin de slidos y disminucin del oxgeno disuelto por descomposicin de la materia orgnica.

Por lo anterior, los proyectos de recoleccin, tratamiento y disposicin adecuada de las aguas residuales domsticas son ejecutados para evitar o aliviar los efectos de dichas descargas en las aguas superficiales.

En la Tabla 5-1 se presenta un resumen de las principales caractersticas de las aguas residuales domsticas que afectan el ambiente.

Adems de lo anterior, en el caso especfico del municipio de Santa Fe de Antioquia es una necesidad sentida de la comunidad, la conveniencia no solo de tratar y disponer adecuadamente las aguas residuales, lo cual se esta llevando a cabo desde finales del ao 2004 cuando entro en funcionamiento el sistema de lagunas de estabilizacin, sino tambin la de resolver el problema de generacin de malos olores que se viene presentando desde el momento en que entraron en funcionamiento dichas lagunas, que causa malestar, principalmente, en los habitantes de los sectores aledaos y contribuye al desmejoramiento de la calidad de vida de la poblacin.






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Tabla 5 - 1 Caractersticas de las aguas residuales domsticas y su efecto ambiental (*)

(*) Adatada de Metcalf & Eddy, 1991

5.2.2 Justificacin tecnolgica del proyecto

Siempre que exista la posibilidad de rea y los costos de la tierra no sean elevados, es clara la tendencia de utilizar lagunas de estabilizacin para el tratamiento de las aguas residuales. Si las lagunas son correctamente diseadas, stas sern capaces de descargar en el cuerpo receptor un efluente con un nivel de calidad que cumpla con las normas de control actualmente establecidas, siendo posible producir un efecto esttico positivo, siempre que se respeten los patrones y normas de construccin.

Cuando las aguas residuales son tratadas en lagunas de estabilizacin, se realiza en las mismas, en forma espontnea, un proceso de auto depuracin natural, en el que ocurren fenmenos de tipo fsico, qumico, bioqumico y biolgico. Este proceso se lleva a cabo en todas las aguas con alto contenido de materia orgnica putrescible o biodegradable como es el caso de las aguas residuales domsticas.

La demanda bioqumica de oxgeno (DBO) de las aguas de entrada a la laguna y del efluente de las mismas, es el parmetro que se utiliza para evaluar las condiciones de trabajo.

Caractersticas Principal efecto ambiental Materia orgnica Se mide como DBO o DQO, su descomposicin en los cuerpos de agua

consume el oxgeno disuelto que afecta la presencia de vida acutica, cuando la carga es excesiva se dan condiciones de anaerobiosis lo cual genera gases malolientes.

Slidos suspendidos

Se asocian con la materia orgnica, por lo tanto su sedimentacin y descomposicin en el fondo de los cuerpos receptores produce el agotamiento del oxgeno y contribuye a crear condiciones de anaerobiosis si el cuerpo receptor no tiene una buena capacidad de auto purificacin.

Nitrgenos Est asociado con las materias fecales, su transformacin contribuye al agotamiento del oxgeno y conjuntamente con el fsforo se consideran como nutrientes esenciales para el crecimiento de la biomasa.

Fsforo Se asocia con la presencia de detergentes en las aguas residuales y como nutriente bsico para el crecimiento de la biomasa contribuye a los procesos de eutrofizacin de los cuerpos receptores.

Sulfatos Se asocia con la utilizacin de detergentes y en condiciones anaerobias se transforma en cido sulfhdrico responsable de olores desagradables en las aguas residuales y en los tratamientos anaerobios.

Sustancias flotantes

Aqu se incluyen las grasas, aceites y todo tipo de materiales que flotan en la superficie y crean condiciones estticas desagradables a la vista en las plantas de tratamiento o cuando se descargan en cuerpos receptores.

Microorganismos patgenos

Son los responsables de crear condiciones crticas de salud pblica cuando las aguas residuales se descargan en cuerpos receptores sin ningn tipo de tratamiento y estas son usadas por los usuarios aguas abajo. Enfermedades de origen hdrico como la tifoidea, paratifoidea, gastroenteritis, clera, etc., son ocasionadas por el contacto que las personas tienen con el uso de agua contaminada con aguas residuales domsticas.






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Cuando la carga orgnica por unidad de rea aplicada es baja, como es el caso de las lagunas facultativas, el estrato superior de las lagunas se suele llenar de algas microscpicas, que en presencia de la luz solar producen grandes cantidades de oxgeno que es utilizado por las bacterias para oxidar la materia orgnica. Por ello se dice que en una laguna de estabilizacin facultativa se ejerce una accin simbitica entre algas y bacterias, para remover la materia orgnica. De otra parte, cuando la carga orgnica por unidad de rea es alta, como es el caso de las lagunas de estabilizacin anaerobias, se produce no slo la sedimentacin de los slidos sedimentables, si no tambin la estabilizacin anaerobia de los mismos. La estabilizacin de los lodos de fondo se lleva a cabo mediante una amplia variacin de bacterias clasificadas en dos grupos: formadores de cido y formadoras de metano. Estos dos grandes grupos de bacterias actan en forma combinada para garantizar la conversin de la materia orgnica en metano.

Como ya se mencion en capitulo anterior, para la operacin y mantenimiento no se requiere de operarios calificados, no hay consumo de energa, ni equipos que reponer, por lo cual los costos de operacin, mantenimiento y control no son muy elevados, afectando muy poco la tarifa de los servicios pblicos de acueducto y alcantarillado.

5.2.3 Perfil socio-econmico

El Proyecto tiene como objeto social la optimizacin de la planta de tratamiento de aguas residuales domsticas, que le permitir a la comunidad del municipio de Santa Fe de Antioquia solucionar el problema ambiental por la generacin de malos olores en el sistema construido, lo cual incide en la salud pblica y el desmejoramiento de la calidad de vida de los habitantes del municipio, y en especial, de los sectores aledaos al sitio de localizacin de la planta. De esta forma, se busca proveer a la comunidad de un sistema que pueda atender los patrones tecnolgicos, sanitarios y ambientales requeridos y de propiciar al usuario un nivel de bienestar consistente con las caractersticas urbanas locales, considerando criterios de viabilidad econmica, financiera, de operacin, mantenimiento y de aceptacin social.

5.2.4 Poblacin beneficiada

El beneficio social por la implementacin del proyecto lo recibir toda la comunidad de la cabecera municipal, y en particular, las comunidades localizadas en los sectores ms cercanos con una cobertura estimada para la planta del 85%. La poblacin actual del rea urbana del municipio es de aproximadamente 21655 habitantes. Sin embargo, la optimizacin de la planta de tratamiento fue concebida para tratar las aguas residuales domsticas generada por una poblacin en el sector urbano de 36355 habitantes, proyectada de acuerdo a los lineamientos del RAS/2000 hasta el ao 2034.

5.2.5 Alcance socio-cultural

Las polticas de concertacin y apropiacin de las obras de infraestructura en el municipio de Santa Fe, permitirn realizar un manejo socio-cultural del proyecto pensando en la concientizacin de la comunidad, as como el establecimiento de programas de educacin






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ambiental para el uso racional del agua, el manejo de las aguas residuales, la importancia de su recoleccin, transporte, tratamiento y disposicin final, como una forma de preservacin comunitaria de los recursos naturales y el mejoramiento de su calidad de vida.

5.2.6 Caudal a tratar

El caudal de aguas residuales que se genera en un municipio es fundamental para el proyecto de recoleccin, transporte, bombeo, tratamiento y disposicin final, tambin delimita el tren o etapas de tratamiento a utilizar, dependiendo de una serie de factores que se deben analizar antes de tomar la decisin. De acuerdo con ello, los parmetros bsicos considerados y el caudal a tratar a 25 aos que es el periodo de diseo son los siguientes:

Consumo neto corregido 270 l/hab-da Coeficiente de retorno 0.85 Poblacin a perodo de diseo ao 2034 36335 habitantes Caudal medio de aguas residuales domsticas 96.5 l/s rea urbana de influencia en el drenaje 96 ha Contribucin por infiltracin y conexiones erradas 0.25 l/s-ha Aporte por infiltraciones y conexiones erradas 24 l/s Capacidad de cobertura de planta de aguas residuales 85% Caudal medio total a perodo de diseo (2034) 102 l/s Caudal medio total a (2009) 69 l/s

5.3 DESCRIPCIN Y DISEO DE LAS OBRAS DE OPTIMIZACIN

5.3.1 Estructura de entrada y tratamiento preliminar

De acuerdo al funcionamiento observado durante las evaluaciones de campo se proyectaron las siguientes modificaciones en las estructuras de entrada y tratamiento preliminar:

Construccin de caja de derivacin o estructura de alivio antes del sistema de rejillas, para evitar la inundacin y desborde de las cmaras desarenadoras, adems del arrastre de arena hacia la laguna anaerobia en perodos lluviosos, como en efecto est ocurriendo actualmente. La caja se conecto con la tubera de 16 que recibe el excedente de aguas residuales despus de los desarenadores y se cerro el paso actual.

Se mejoro el funcionamiento hidrulico del desarenador, para que siempre trabajen dos unidades, mientras la tercera permanece limpia para entrar en funcionamiento cuando se






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haga mantenimiento a una de las cmaras. Para ello, se implementaron dos compuertas manuales movibles en acero inoxidable, que se deben colocar a la entrada y salida cuando se va a sacar de servicio para mantenimiento alguna unidad.

Se elimin la medicin de caudal en cada unidad y se reemplazo por un nico punto de medicin. Se sigue utilizando el vertedero sutro pero mejor localizado, para que funcione a descarga libre. Aunque se presenta la curva de calibracin, se recomienda calibrarlo, antes de su instalacin, en un laboratorio de reconocida trayectoria en este tipo de actividad como puede ser el Laboratorio de Hidrulica de la Universidad Nacional- Seccional Medelln.

Parmetros y criterios de comprobacin. A continuacin se hace un desarrollo de los parmetros y criterios que se utilizaron y asumieron para comprobar el funcionamiento de las etapas del tratamiento preliminar que se adecuaran o modificaran.

Rejillas. Los materiales retenidos sern principalmente papel, estopa de talleres, trapos, productos de higiene femenina, cscara de frutas, restos de vegetales, pedazos de madera, tapas de botellas, latas, materiales plsticos y otros objetos que son arrojados a los sanitarios o pueden pasar por las aberturas de los pozos de inspeccin de la red de alcantarillado.

Prdida de carga en la reja. Para el clculo de la prdida de carga por el paso del agua a travs de las barras se utiliz la frmula de Kirschmer:

=

gv

sent

aKh f 2

234

(5-1)

hf = prdida de carga, en metros.

K = factor que depende de la forma de la seccin de las barras: (seccin rectangular: K = 2.42).

a = abertura o espaciamiento libre o til de las barras

t = espesor de la barra o la dimensin ms grande normal a la direccin del flujo (16 mm).

v = velocidad aguas arriba de la reja, en m/s (0.60 m/s).

g = aceleracin gravitacional = 9.8 m/s2.

= ngulo de la reja con respecto a la horizontal (60).

hf = prdida de carga en las rejas, m






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Con la suma de la prdida de carga en las rejillas y de la altura de la lmina de agua medida en el vertedero de control para el caudal mximo, se localizo el aliviadero a la entrada de las cmaras desarenadoras.

Desarenador. Es una unidad destinada a retener la arena y otros detritos minerales pesados que se encuentran en las aguas residuales domsticas como arena, cscaras de huevo, guijarros, pedazos de ladrillo, partculas metlicas, carbn, etc. Parte de estos materiales son transportados por el alcantarillado a partir de fenmenos de escorrenta superficial, principalmente en pocas de lluvia.

Caractersticas generales. Los desarenadores son canales o estructuras apropiadas para reducir la velocidad del agua hasta valores que permitan la sedimentacin de las partculas discretas. Los criterios bsicos considerados para su diseo son los siguientes:

La velocidad del flujo o velocidad de control en el desarenador se limita a un mximo de 0,30 m/s +/- 20%. El tamao crtico de las partculas por remover es de 0,2 mm y el peso especfico de 2,65 g/dm3. El caudal de operacin ser el caudal mximo de diseo afectado por un factor de 1.5 para caudal mximo (153 l/s) y 0.20 para caudal mnimo (20 l/s). La tasa de escurrimiento superficial puede variar entre 800 y 1.400 m3/(m2.da). El desarenador se asume como un canal rectangular con velocidad controlada y flujo horizontal.

Dimensionamiento. La longitud del desarenador (L) expresada en metros se calcula por la ecuacin:

AQHVL

/

= (5-2)

Donde Q es el caudal de aguas residuales expresado en m3/da, H es la mxima altura del agua en metros, V es la velocidad de control en m/s, A es el rea superficial del desarenador en m2 y Q/A es la tasa de escurrimiento superficial en m3/(m2.da).

Con los valores ya definidos para la velocidad de control y una tasa de escurrimiento superficial de 1.200 m3/(m2.da), se obtiene:

HdasHL 6.21200.1

/ 400.86 30.0=

=

Por experiencia prctica y para minimizar la turbulencia en la entrada y salida se utilizar:

L = 25 H






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Como el desarenador est construido y se quiere aprovechar al mximo las estructuras, se tiene que L es igual a 6,3 m, por lo tanto, H es igual a 0,252 m. El ancho del desarenador (b) puede calcularse por la ecuacin:

HVQb = (5-3)

Sin embargo, el ancho tambin est definido en 0,70, con lo cual la altura real de la lmina de agua en cada una de las dos cmaras en funcionamiento ser:

mbVQH 364,0

30.070,00765,0

=

==

La profundidad mxima est garantizada por una cabeza requerida por el vertedero Sutro localizado aguas abajo de m para el caudal de 153 l/s, ms el escaln o depresin de 0,20 m dejado en el fondo de las cmaras, con lo cual queda espacio ms que suficiente para el almacenamiento de arenas y sedimentos en el fondo de las cmaras por un perodo razonable entre una limpieza y otra.

Para minimizar las turbulencias de entrada y salida de los desarenadores se adoptan longitudes de transicin a la salida, de igual forma como estn aguas arriba de las cmaras.

A la entrada y salida de cada cmara desarenadora se dispondr de ranuras o guas para la instalacin de compuertas manuales movibles, para permitir la interrupcin de la operacin de las cmaras mientras se les hace mantenimiento.

En la Tabla 5-1 se resumen las dimensiones bsicas del desarenador de acuerdo al caudal mximo.

Estructura de control de velocidad y aforo de las aguas residuales. Para mantener la velocidad entre lmites deseables se proyect un vertedero Sutro o proporcional que se instalar aguas abajo. ste vertedero a descarga libre reemplaza los 3 vertederos localizados actualmente a la salida de cada cmara y que funcionan ahogados. Diseo. La forma del vertedero se presenta en plano y est definida por la ecuacin:

a

YbX

arctan21pi

= (5-4)

Donde X es el ancho libre del vertedero a la cota Y medida desde la parte superior del contorno vertical del vertedero de altura a y hasta la cual el vertedero tiene un ancho constante b.






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Adems, se calcul la relacin de descarga del vertedero que se presenta en los planos y en el numeral correspondiente al manual de operacin y mantenimiento mediante la siguiente ecuacin:

=

374,2 aHabQ (5-5)

Donde Q es el caudal en m3/s, a es la altura en la cual la geometra del vertedero es vertical expresada en m, b es el ancho del fondo del vertedero en m, y H es la altura de la lmina de agua medida desde el fondo del canal en m. En la Tabla 5-2 se presenta la calibracin del vertedero, en la cual se relaciona caudal que pasa en funcin de la altura de la lmina de agua.

Tubera de llegada a la laguna. Otro factor de inundacin y desborde de las cmaras desarenadora el la tubera que comunica esta estructura con la cmara de distribucin localizada a la entrada de la laguna anaerobia. Su dimetro es de 12 en tubera de concreto, que para una pendiente de 0.2% de acuerdo a Manning (ecuacin 5.6) transporta a tubo lleno un caudal de 43 l/s, que est muy por debajo de la capacidad que debe tener para el funcionamiento actual, y menos aun, para el perodo de diseo. Se cambio por una tubera sanitaria de 18, que para la misma pendiente puede transportar a tubo lleno 140,9 y 127,5 l/s para tuberas de PVC y concreto, respectivamente.

2

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2SRV =

(5-6)

donde, V = velocidad, m/s Q = caudal, l/s

S = pendiente, (%)

R = D/4 = radio hidrulico, m

Coeficiente de Manning = = 0.009 (PVC) y = 0.013 (concreto)






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Tabla 5 - 2 Comportamiento cmaras desarenadoras

CARACTERSTICAS BSICAS DEL DESARENADOR Caudal mximo de diseo, l/s 153 Nmero de unidades en paralelo 2 Caudal de diseo por unidad, l/s 76,5 Longitud del desarenador, m 6,3 Altura lmina de agua, m 0,364 Ancho del desarenador, m 0,70 Profundidad total por unidad, m 0,80 Velocidad de control, m/s 0.30 Carga superficial de control, m3/m2/d 800-1400 Mecanismo de limpieza manual Control de velocidad Vertedero sutro a la salida

Tabla 5 - 3 Valor del caudal (Q) de agua cruda en funcin de la altura de la lmina de agua (H)

H (m) Q (m3/s)

H (m) Q (m3/s) 0.06 23.75 0.16 78.55 0.07 29.23 0.17 84.03 0.08 34.71 0.18 89.51 0.09 40.19 0.19 94.99 0.10 45.67 0.20 100.47 0.11 51.15 0.21 105.95 0.12 56.63 0.22 111.43 0.13 62.11 0.23 116.91 0.14 67.59 0.24 122.39 0.15 73.07 0.25 127.87

5.3.2 Laguna anaerobia o tratamiento primario

Justificacin. Teniendo en cuenta las caractersticas de las aguas residuales que se tratan y los requerimientos ambientales de minimizar los malos olores que se deben cumplir, como tratamiento primario se adecuara la laguna anaerobia actual en un sistema de laguna anaerobia-digestor de lodos, con la cual se remover el 70% o ms de la materia orgnica medida como DQO o DBO, disminuyendo la carga orgnica que debe tratar el sistema de dos lagunas facultativas que trabajan en paralelo, y que se utilizarn como tratamiento complementario, para alcanzar una eficiencia total mayor del 80% en la remocin de la DBO y de slidos suspendidos, como son las exigencias de la reglamentacin vigente en el Decreto 1594 de 1984 sobre Usos del Agua y Vertimiento de Residuos Lquidos.






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Descripcin general del proceso. Las lagunas anaerobias son sistemas de tratamiento biolgico donde la digestin del material orgnico sedimentado se lleva a cabo por la accin metablica de bacterias anaerobias. La estabilizacin se realiza en dos etapas: inicialmente un grupo de bacterias descomponen las molculas orgnicas a cidos orgnicos, dixido de carbono, sulfuros, amonaco y materia celular. En condiciones ambientales favorables, relativas a alcalinidad, pH y concentracin de cidos grasos voltiles (AGV), un segundo grupo de bacterias utilizan estos cidos orgnicos para producir metano, dixido de carbono y materia celular como se presenta en la Figura 5-1

La licuefaccin de la materia orgnica es simultnea a las etapas del proceso. En aquellos casos en los cuales la concentracin de cidos orgnicos es mayor que la alcalinidad o el pH es menor a 6.0, no es posible cumplir con la etapa metanognica, en cambio se produce gran cantidad de cido sulfhdrico, malos olores y deficiencia en el funcionamiento del sistema.

Hidrlisis

Aumento del nmerode bacterias

Formacin de metanoFormacin de cidos

Bact

eria

s hi

drolt

icas

Bact

eria

s fo

rmada

s de

c

idos

Bact

eria

s fo

rmada

s de

m

etan

o

Grasas

Protenas

PolisacaridosMonosacridos

cidos grasos decadena larga

Glicerol

Aminocidosa

Pptidos decadena larga

Disacridos

cidos voltilesgrasos

Alcoholes

Aldehidos

Cetonas

NH3

CO2

H2

H2O

Metano

CO2

H2O

Aumento del nmerode bacterias

Figura 5 - 1 Pasos principales de los procesos metablicos involucrados en la digestin de los slidos orgnicos sedimentados en lagunas anaerobias

Principio de funcionamiento. La carga orgnica aplicada y la disponibilidad de oxgeno disuelto, determinan las condiciones bajo las cuales se realizar la actividad biolgica en una laguna anaerobia. Una laguna puede ser mantenida en condiciones anaerbicas por la aplicacin de una carga de DBO que exceda la produccin de oxgeno por actividad fotosinttica. Al cubrir la laguna la fotosntesis no se lleva a cabo y se crean condiciones estrictas de anaerobiosis. El efluente de la laguna tendr un aspecto turbio ligeramente gris, debido a la presencia de sulfuros metlicos reducidos. Los fenmenos que ocurren son:

La mayora de slidos suspendidos sedimentan.

Con el tiempo y despus de un proceso de inoculacin y aclimatacin se conforma un manto de lodos biolgicos con presencia de una buena fraccin de bacterias metanognicas.






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Los materiales flotantes (grasas, natas, espumas y slidos ligeros) salen a la superficie.

Parte de la materia orgnica es digerida por accin de las bacterias anaerbicas y ocurren fenmenos de descomposicin y mineralizacin.

Se remueve parte de la DQO o DBO hasta un 80% dependiendo de la temperatura y el tiempo de retencin.

Las lagunas anaerobias cuando se usan como unidades de tratamiento primario, el porcentaje de reduccin en la carga orgnica es ms importante que la calidad del efluente, siendo necesario dar un tratamiento adicional antes de descargar el efluente final.

Ventajas de su implementacin. El tratamiento mediante una laguna anaerobio-digestor de lodos ofrece varias ventajas:

El tamao de la secuencia lagunas anaerobias-facultativas, se reduce sustancialmente.

Los lodos flotantes, ms asociados con la operacin de lagunas facultativas en poca de verano, son virtualmente eliminados.

La acumulacin de grandes bancos de lodo en lagunas de tratamiento subsiguiente es eliminada.

La vida til de la laguna anaerobia se extiende indefinidamente porque existe un mecanismo de extraccin en el tiempo de los lodos de exceso.

Parmetros y criterios de comprobacin. A continuacin se hace un desarrollo de los parmetros y criterios que se utilizaron y asumieron para comprobar el funcionamiento de cada una de las etapas de tratamiento que adecuaran o modificaran.

Volumen. A travs de estudios apropiados de velocidad de sedimentacin es posible estimar el tiempo requerido para la remocin de los slidos sedimentables en un medio perturbado por el movimiento de burbujas de biogs. Una vez establecido el perodo de tiempo para efectuar la remocin del lodo, es fcil determinar el volumen necesario para contener las sustancias inertes y el lodo estabilizado durante ese tiempo. El volumen de una laguna anaerobia-digestor de lodos depende principalmente de tres factores:

Tiempo de detencin para permitir la biodegradacin de la materia orgnica presente en el agua residual a tratar.

Tiempo de detencin necesario para realizar la sedimentacin de slidos sedimentables y la floculacin biolgica de la materia coloidal presente.






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Volumen destinado al almacenamiento del lodo estabilizado y del material inerte durante un tiempo predeterminado.

Tasa de biodegradacin. La velocidad o tasa de biodegradacin de la materia orgnica soluble o en suspensin puede ser determinado por algunos procesos empricos, racionales o tericos. Hay procesos prcticos para el dimensionamiento de lagunas anaerobias y hay modelos matemticos basados en la cintica qumica o bioqumica de reacciones anaerobias. Sin embargo, los procesos anaerobios son caracterizados por una considerable complejidad y los modelos matemticos son por eso excesivamente simplificados, no siendo en general ms adecuados que los mtodos emprico-prcticos. En general, los diferentes mtodos de dimensionamiento siguen uno o ms de los siguientes fundamentos:

La carga orgnica del agua residual afluente debe ser expresada en trminos de DBO total o DQO, mientras la concentracin del efluente lo es en trminos de DBO5, ambos a 20oC.

Una fraccin de la DBO o DQO afluente queda en el substrato lquido de la laguna mientras el restante sedimenta hacia el fondo bajo la forma de lodo.

Hay un efecto de mezcla provocado por el movimiento de materia (slidos hacia el fondo, gas hacia la superficie) y por conveccin trmica, de modo que el efluente tiene composicin anloga a la de la fase lquida.

Hay una dependencia considerable entre la velocidad de remocin de la carga orgnica y la temperatura del agua.

Varios investigadores estudiando diferentes tipos de tratamiento anaerobio de aguas residuales (CEPIS, 1985, referenciada por Cuervo, H, 1994) indican que la reduccin de DBO en los diferentes procesos que se llevan a cabo en una laguna anaerobia puede ser expresada por:

1)/( += RLLKL

Ln

oean

o

e (5-7)

Le = DBO5 o DQO efluente, mg/l Lo = DBO5 o DQO afluente, mg/l Kan = constante de reaccin de primer orden, 1/d R = tiempo de retencin hidrulico, d N = constante adimensional






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Kan depende de la temperatura y n de la eficiencia esperada. Para elevaciones moderadas menores de 1000 m.s.n.m y temperatura de 22C, Kan = 6.0 1/d y n = 4.8. Para una temperatura diferente el valor de Kan se obtiene de la siguiente expresin:

KT / K22C = (T-22) (5-8)

donde,

= factor de temperatura = 1,085

KT = constante de reaccin a una temperatura T

Aunque este modelo tiene razonable fundamento terico, sin embargo es mayormente emprico.

Eficiencia esperada. De acuerdo a las condiciones ambientales y carga orgnica aplicada la eficiencia esperada ser:

Caudal (2009) = 69 l/s equivalente a 5968 m3/d Caudal de diseo = 102 l/s equivalente a 8813 m3/d R (2009) = 2,3 das R (2034) = 1,6 das Temperatura = 30C Para 30C, la constante Kan ajustada ser: K29C = 6.0 (1.085)8 = 11.52/d

Reemplazando valores para un volumen establecido de 13727 m3, la eficiencia esperada en la laguna anaerobia ser del orden del 50% y 40% en remocin de carga orgnica medida como DBO o DQO para el ao 2009 y 2034, respectivamente. Sin embargo, bajo el concepto de digestor de manto de lodos con buena actividad metanognica, la eficiencia esperada debe estar en el orden del 70% para el ao 2009 y 60% para el ao 2034. Acumulacin de lodos. El volumen de lodos acumulados y la frecuencia de extraccin se calcularon a partir de la concentracin de slidos suspendidos que entra diariamente al sistema. Asumiendo que los slidos suspendidos voltiles (SSV) son aproximadamente igual al 80% de los slidos suspendidos (SS), y que de estos al sedimentar a la temperatura de digestin a que se someten, por ao se estabilizan el 68%. El volumen de lodos acumulados por ao equivale a la fraccin de SSV que no se estabiliz, ms la fraccin de slidos no voltiles o slidos suspendidos fijos (SSF).






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De los datos de caracterizacin se extrae la siguiente informacin: SST, mg/l = 270 SSV, mg/l = 219 SSF, mg/l = 51 SSV que se estabilizan, mg/l = 219x0.68 = 149 SSV que no se estabilizan, mg/l = 51 Slidos que se acumulan (SSa), mg/l = SSF + SSV no estabilizados Slidos que se acumulan (SSa), mg/l = 121 mg/l

Los metros cbicos o volumen de lodos acumulados por ao se calcularon a partir de la siguiente expresin:

VL = 360xQxXi /x (5-9)

donde, VL = volumen de lodos acumulados por ao, m3 Q = caudal de aguas residuales, m3/d Xi = concentracin de SSa, mg/l x = fraccin en peso de slidos (0.06 0.07) = densidad de los lodos, 1.02 g/ml

aomx

VLA /37141007.01215968360 3

6 =

=

Reemplazando los valores correspondientes y tomando la fraccin en peso de slidos igual a 0.07, el volumen total de slidos acumulados por ao es de 3714 m3, es decir, del total de slidos suspendidos que entran diariamente a las lagunas anaerobias se acumulan aproximadamente 10 m3. S el volumen de la laguna anaerobia es de 13727 m3 y la extraccin se debe iniciar cuando el manto de lodos alcance una altura de 1.2 m, el volumen de lodos acumulados debe ser del orden de 6589 m3 para iniciar la extraccin, es decir, aproximadamente a los dos aos suponiendo que desde el arranque del sistema se aplica la carga plena, pero en la practica no es as. Produccin de biogs. La digestin anaerobia de los lodos en el fondo de la laguna genera biogs que est conformado aproximadamente por un 60 a 70% de metano (CH4), 30 a 40% de bixido de carbono (CO2) y el resto de otros gases, principalmente cido sulfuroso (H2S) con aproximadamente el 0.2%, N2 con el 1 a 2% e hidrgeno del 5 al 10%.






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El porcentaje del H2S depende de la concentracin de sulfato presente en el agua residual. Aunque la composicin del biogs depende de muchas variables, es posible determinar un rango tpico de sus componentes de acuerdo a la Tabla 5-3 (Flotats et al., 2000).

Tabla 5 - 4 Composicin tpica del biogs producido en la digestin anaerobia

Gas Formula Porcentaje (%) Densidad ( kg/m3)

Metano CH4 50-70 0,717 Dixido de carbono CO2 30-40 1,917

Nitrgeno N2 1-2 1,250 Hidrgeno H2 5-10 0,090

Hidrgeno sulfuro de hidrgeno H2S 0,5 1,539

Fuente: Angelidaki, I., 1997

Caractersticas termodinmicas y energticas del biogs. El biogs es un poco ms liviano que el aire y posee una temperatura de inflamacin de alrededor de los 700 C (diesel 350 C, gasolina y propano alrededor de los 500 C), la temperatura de la llama alcanza 870 C (Chinoweth, D., 2002). Entre ms lar go es el tiempo de retencin, ms alto es el contenido de metano, y con esto el poder calorfico. Con tiempos de retencin cortos el contenido de metano puede disminuir hasta en un 50%. Cuando el contenido de metano es mucho menor del 50%, el biogs deja de ser inflamable. El poder calorfico del biogs es de 5500 kcal/m3, es decir, 1 m3 de biogs puede reemplazar 0,46 kg de gas propano, 0,71 kg de gasolina, 3 kg de lea como se puede observar en la Tabla 5-4. De otra parte, 1 m3 de biogs equivale aproximadamente a 3 kwh., todo esto dependiendo del metano existente en el biogs (Cofr, C., 2001). La Tabla 5-5 presenta la duracin aproximada de 1 m3 de biogs para diferentes artefactos (Cofr, C., 2001).

Tabla 5 - 5 Combustibles tpicos y su poder calorfico.

Combustible Poder calorfico inferior Poder calorfico

superior

Petrleo 10000 kcal/kg

8850 kcal/l 10500 kcal/kg

9293kcal/l Gas natural 8300kcal/m3 9300 kcal/m3 Gas licuado 10950 kcal/kg 11951 kcal/kg Lea seca 4600 kcal/kg 5200 kcal/kg

Biogs 5500 kcal/m3 6000 kcal/m3 Fuente: Superintendencia de Energa y Combustible de Chile, 20003






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Tabla 5 - 6 Duracin mnima de 1 m3 de biogs para diferentes aplicaciones.

Suministro Consumo kcal/h Duracin mnima de 1 m3 de biogs

Cocina de 1 hornilla 660-743 7,4 h Nevera de 13 pies 550-600 8,3 h

Lmpara 478-528 10,4 h Calentador de 100 l 1375-1650 3,3 h

Motor( hp/h) 2750-4400 1,25 h Generacin de

electricidad 6,4 kw/h 2 h Fuente: FAO, 1996, referenciada por Cofr, C., 2001

Produccin de metano. Para efecto de evaluar el potencial de biogs que se genera como metano, puede calcularse utilizando los factores normalizados de conversin equivalente entre gramos de DQO removida y mililitros de metano producido a una temperatura dada. Asumiendo condiciones a nivel del mar y 0C, 1.0 g de DQO es equivalente a 350 ml de gas metano seco, de acuerdo a lo propuesto por McCarty. Segn l, la cantidad de metano generado durante el tratamiento anaerobio se estima con base en el oxgeno equivalente de la oxidacin del metano en la siguiente ecuacin estequiomtrica:

CH4 + 2CO2 CO2 + 2H2O (5-10) La correccin por temperatura a nivel del mar se hace a partir de la siguiente relacin de aplicacin de la ley de Charles:

350 (273 + TC) / 273 (5-11)

Para una temperatura de digestin de 30C, la produccin de metano por gramo de DQO es de aproximadamente 387 ml. Como la eficiencia esperada en remocin de DQO en la laguna anaerobia es de 70% para el 2009, el volumen total de metano generado por da hasta el perodo de diseo se presenta en la Tabla 5-6.






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Tabla 5 - 7 Volumen total de metano generado por da hasta el perodo de diseo

Ao Caudal diseo (l/s) DQO (Kg/d) Caudal biogs (m3/d)

2009 69.29 3478 883.9 2010 70.27 3528 896.3 2011 71.27 3578 909.1 2012 72.30 3629 922.2 2013 73.34 3682 935.5 2014 74.42 3736 949.2 2015 75.51 3791 963.2 2016 76.63 3847 977.5 2017 77.78 3905 992.2 2018 78.96 3964 1007.1 2019 80.16 4024 1022.5 2020 81.39 4086 1038.2 2021 82.66 4149 1054.4 2022 83.96 4214 1070.9 2023 85.28 4281 1087.8 2024 86.64 4349 1105.2 2025 88.04 4420 1123.0 2026 89.48 4492 1141.3 2027 90.95 4565 1160.1 2028 92.46 4641 1179.3 2029 94.01 4719 1199.1 2030 95.60 4799 1219.4 2031 97.24 4881 1240.3 2032 98.92 4966 1261.8 2033 100.66 5053 1283.9 2034 102.44 5142 1306.6

Utilizacin del metano. A pequea escala, el biogs ha sido utilizado en la mayor parte de los casos para cocinar en combustin directa. Sin embargo, tambin puede ser utilizado para iluminacin, como reemplazo de la gasolina o el diesel en motores de combustin interna o en motores a gas para generacin de energa (Cuervo, H., 2002). Para que se justifique la generacin de energa se debe contar con una buena y constante produccin de metano que debe purificarse para remover el H2S que tiene un alto poder corrosivo.

Estructuras que hacen parte del sistema. A continuacin se hace una relacin y descripcin de cada una de las estructuras que hacen parte de la laguna digestor anaerobio: Cmara de distribucin. Sobre la berma de la laguna anaerobia se proyect una cmara de 1.60 m de ancho por 3.00 m de largo y 1.30 m de profundidad, para distribuir lo ms uniformemente posible las aguas residuales por debajo del nivel del agua en la laguna a






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travs de ocho (8) tuberas de 6, que simulan una distribucin bifurcada tipo pata de gallina

Mltiple extractor de lodos. Se realiza desde el fondo de las lagunas, mediante un sistema de tres (3) mltiples recolectores-extractores tipo espina de pescado, conformados por tuberas colectoras de 6 y ramales de igual dimetro con perforaciones de 1 y espaciados uniformemente en forma de espina de pescado. La evacuacin de los lodos se realizar cuando el sistema est colmatado en aproximadamente un 50%, que es equivalente a una altura del manto de lodos de 1.20 m. en ese momento, la extraccin se har por succin de los lodos mediante una motobomba de baja velocidad con capacidad de 180 gpm y cabeza dinmica total de 12 m con succin de 4 y salida de 4, que se acoplar mediante un adaptador de manguera roscado de 4, en el momento de extraccin, a cada ramal independientemente, para conducirlos hasta dos tanques de almacenamiento de 200 m3 donde se terminaran de estabilizar qumicamente con la adiccin de cal en proporcin de 10 kg por m3 de lodo. La motobomba trabajar inicialmente con una pequea cabeza negativa, sin embargo, una vez se cree el sifn a travs del cuello de ganso en la tubera central del mltiple, la motobomba aliviar su funcionamiento. Para un perodo de extraccin de 3 horas el volumen de lodos que debe completar la estabilizacin qumica es aproximadamente de 150 m3.

Canal de salida o de recoleccin del efluente. La salida del efluente se realiza mediante cuatro (4) tuberas de 10 cada una uniformemente espaciada (cada 15 m), con el extremo de recoleccin por debajo del nivel del agua, con el objeto de minimizar no solo el arrastre de grasas, aceites, natas y lodos hacia las lagunas facultativas, sino tambin los puntos muertos y cortos circuitos. Tres (3) de la tuberas recolectoras descargan en cajas de 0.80 por 0.80 m y la cuarta tubera en una caja canal 0.80 m por 3 m de largo, que no solo permite controlar el nivel del agua para mantener el sello hidrulico que evite el escape del biogs, sino que servir para medir el caudal a travs de un veredero rectangular y descarga libre localizado en el extremo del canal. ste canal a su vez permite conectar el flujo de aguas residuales con las lagunas facultativas. La interconexin entre las diferentes cajas recolectoras se hace mediante tubera PVC sanitaria de 18, instalada con una pendiente del 0.5%.

Cubierta. Es una geomembrana de alta densidad (HDPE) formulada con base en Cloruro de Polivinilo (PVC) desarrollada para la fabricacin de coberturas flexibles. El refuerzo de polister de alta densidad le confiere las propiedades mecnicas necesarias para el buen desempeo y altsima estabilidad dimensional. Su instalacin implica el amarre perimetral a travs de la excavacin, amarre y lleno de la zanja. Debe ser instalada por personal calificado debido a que la unin de partes se hace con proceso trmico para garantizar hermeticidad. Las caractersticas principales que debe cumplir son las siguientes: tipo HR1000, espesor de 750 micras (30 mil, peso 900 kg/m2. Las propiedades fsicas y mecnicas de las diferentes geomembranas de HDPE y PVC se presentan en anexo.






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Captacin y transporte de biogs. Se hace a travs de una tubera de polietileno para gas de 6, localizada perimetralmente sobre la berma y cerca al borde de la laguna. Para la captacin se utilizan silletas de polietileno de 6x1 que se instalan horizontalmente hacia el interior de la laguna, localizadas cada 10 m. Para el transporte del biogs hacia el exterior y su posterior quema se utilizan dos silletas de 160 por 63 mm de polietileno con el orificio verticalmente hacia el piso para permitir el paso de la tubera por debajo de la carpa. Una vez en el exterior la tubera se une mediante codos y tubera de polietileno de 63 mm para conducir el biogs hasta el sitio donde se localiza el quemador atmosfrico.

Quemador atmosfrico. Se utilizaran dos (2) unidades en paralelo, para que uno funcione y el otro est en estanby, o funcionen simultneamente en caso de necesidad por excesiva produccin de biogs. Construido en acero inoxidable y capacidad de 35 m3/h. Encendido por buja elctrica, provisto de un sensor de llama UV, filtro atrapallamas, vlvula de corte en acero inoxidable de 2 y ventana corrediza para inspeccionar su funcionamiento. El conjunto estar instalado sobre un pedestal de 1,80 m sobre la cota terreno. Incluye adems, tablero de control en gabinete metlico instalado a 1,30 m de la cota terreno, integrado por interruptor de energa (110 CA), pulsador elctrico y bobina de alta tensin para encendido manual del quemador. Una alarma auditiva (sirena) se activar al apagarse la llama del quemador, lo cual pondrn sobre aviso al operador o celador para encender manualmente la llama. El quemador est proyectado para trabajar a la intemperie y cumple con toda normativa para evitar el peligro de explosin.

5.3.3 Lagunas facultativas en paralelo o tratamiento secundario

El efluente de la laguna anaerobia pasa a un sistema de lagunas facultativas en paralelo. La principal funcin de stas es la remocin de la carga orgnica (bsicamente soluble) que escap al tratamiento primario en la laguna anaerobia.

Descripcin general del proceso. La laguna facultativa es un sistema de tratamiento biolgico natural, con una variedad de procesos involucrados, incluyendo oxidacin, sedimentacin, hidrlisis, fotlisis, nitrificacin, digestin anaerobia, transferencia de oxgeno, mezcla, etc. Una laguna facultativa se caracteriza por tener dos compartimientos especiales: la capa superior que es fundamentalmente aerbica y la del fondo que es anaerbica, adems existe una capa intermedia de caractersticas facultativas. De otra parte, la accin de la luz solar, el viento, la temperatura, el fenmeno de fotosntesis y el crecimiento bacterial son de extrema importancia para su buen funcionamiento. Principio de funcionamiento. La oxidacin de la materia orgnica se produce funda-mentalmente por la accin simbitica entre algas y bacterias. Hay un crecimiento de algas por accin de la fotosntesis y la presencia de nutrientes; las algas producen O2 y aprovechan el CO2 liberado por la actividad bacterial. Las bacterias aprovechan el






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oxgeno y degradan la materia orgnica desdoblndola, y como producto de su trabajo producen CO2 que es aprovechado por las algas. En la Figura 5-2 (EPA, 1978, referenciada por Cuervo, H, 1990) se presenta esquemticamente esos mecanismos y procesos. En ella se puede observar que, tanto la fraccin soluble como la fraccin suspendida de la materia orgnica que hace parte de las aguas residuales sufren una serie de reacciones simultneas. Cuando existe suficiente cantidad de energa solar y de nutrientes, junto con condiciones ambientales como temperatura, normalmente se desarrollan crecimientos de algas verdes en la superficie de la laguna.

Las bacterias heterotrficas descomponen la materia orgnica produciendo compuestos inorgnicos solubles y bixido de carbono. La cantidad de oxgeno requerida para esta degradacin es suministrada principalmente por el proceso de fotosntesis. Las algas utilizan los subproductos de la oxidacin bacteriana tales como: gas carbnico, fosfatos y amonaco; al hacerlo producen oxgeno. Este oxgeno producido (normalmente en la capa de agua cercana a la superficie) puede ser accesible a todas las bacterias de la laguna si se tiene una mezcla adecuada. La parte suspendida forma depsitos de lodos en el fondo que se descomponen por mecanismos anaerobios.

Parmetros y criterios de comprobacin. Como el funcionamiento de las lagunas es en paralelo, el caudal de diseo, Qd, que se asume es la mitad el caudal total para las condiciones promedias a perodo de diseo, es decir 51 l/s o 4406 m3/d, investigaciones y aplicaciones realizadas por el (CEPIS, 1985, referenciada por Cuervo, H. 1994), indican que es prctico utilizar la ecuacin 5-12:

Le / Lo = 1/ Kf xR + 1 (5-12)

Donde,

Le = DBO5 o DQO efluente, mg/l

Lo = DBO5 o DQO afluente, mg/l

Kf = constante de reaccin de primer orden, 1/d Kf , depende de la temperatura R = tiempo de retencin hidrulico, d

Para elevaciones moderadas menores de 1000 m.s.n.m y temperatura de 35C, Kf = 1.2 1/d

Para una temperatura diferente, el valor de Kf se obtiene de la siguiente expresin:

KT / K35C = (T-35) ( 5-13)

Donde,






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= factor de temperatura = 1.085

KT = constante de reaccin a una temperatura T

Figura 5 - 2 Mecanismos y procesos naturales de estabilizacin de las aguas residuales en lagunas facultativas (EPA, 1978, referenciado por: Cuervo, H. F, 1990).

Para 29C, que es la temperatura de salida en el efluente la constante Kf ser:

K29C = 1.2 (1.085)-6 = 0.736/d

El tiempo de retencin, R, ser:

R = (Lo / Le - 1)/ Kf (5-14)






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Para una eficiencia en el sistema facultativo del 70%, el tiempo de retencin mnimo en las lagunas ser 3.2 das.

S el caudal que deben tratar las lagunas facultativas es de 69 l/s para el ao 2009 y 102 l/s para el ao 2034, los tiempos de retencin respectivos en las lagunas sern:

TRH laguna facultativa 1 = 3,1 (2009) das y 2,1 (2034)

TRH laguna facultativa 2 = 4,1 (2009) das y 2,8 (2034)

Remocin de carga orgnica. El funcionamiento de los sistemas de tratamiento de aguas residuales ha sido tradicionalmente evaluado mediante el anlisis de la DBO y la DQO que entra y sale del sistema. La diferencia de DBO y DQO entre dos puntos de un reactor biolgico puede tomarse como una medida directa de la energa requerida para la oxidacin del sustrato en trminos de oxgeno. Sin embargo, es bueno recordar que para la mayora de los propsitos prcticos la DOQ es mayor que la DBO. De otra parte, es conocido que la materia orgnica presente en las aguas residuales est conformada por una fraccin soluble y otra suspendida, y de igual forma, se puede considerar su composicin a la salida. Por lo tanto, la DBO y DQO total del efluente se obtiene sumando la DBO o DQO soluble a la DBO o DQO ejercida por la biomasa. Bajo sta circunstancia los parmetros DQO/DBO y DQO/SSV son de gran utilidad en la interpretacin del concepto de eficiencia de tratamiento.

Las determinaciones de DBO o DQO en los efluentes de lagunas de estabilizacin facultativas esta grandemente influenciado por los slidos suspendidos que son arrastrados con ste. Estos slidos se asocian con la biomasa que est formada mayormente por algas y microorganismos que viven simbiticamente. En el caso de la DBO se ha demostrado que cuando el ensayo se realiza sin separacin de algas, parte de estas muere durante los cinco das de incubacin, ejerciendo una demanda de oxigeno adicional a la ejercida por la materia orgnica soluble. La DQO por ser una prueba de oxidacin qumica realizada en presencia de un agente oxidante fuerte como es el bicromato de potasio, bajo condiciones fuertemente cidas y alta temperatura, consumir bicromato tanto para la oxidacin de la materia orgnica soluble como para la suspendida, alterndose los resultados, cuando pretendemos evaluar la eficiencia real de las lagunas de estabilizacin. La diferencia entre la DBO y DQO total y filtrada o centrifugada a 3500 rpm nos mostrar el aporte de materia orgnica por slidos suspendidos en el efluente.

Equilibrio del sistema carbonato. El sistema carbonato, es el ms importante sistema cido-base en agua. Las especies qumicas que hacen parte de este sistema son: CO2 gaseoso, CO2 (g); CO2 acuoso, CO2 (a); el cido carbnico, H2CO3; el in bicarbonato, HCO3

; in carbonato, CO32

. Las especies que conforman el sistema carbonato actan como amortiguadores (buffer) en las aguas naturales (Stumm, W. y Stumm, E. Z. ,1972, referenciado por Cuervo, H. F, 1994). De otra parte las especies individuales son de inters porque participan en reacciones que son estrictamente interacciones cido-base. El dixido de carbono CO2, hace parte de la respiracin de los procesos biolgicos, (producen CO2), y biosinttizado por mecanismos auttrofos o fotosintticos (consumen CO2).






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En las lagunas facultativas el sistema carbonato est sujeto a cambios cclicos durante el da. Aunque los cambios en la alcalinidad no son tan grandes s ocurren cambios en los componentes de la misma como son los bicarbonatos, carbonatos e hidrxidos. Por ocurrencia de estos cambios se ha encontrado que el pH ha llegado a valores tan altos como 10 y 11, especialmente cerca a la superficie del agua donde la concentracin de algas y oxgeno son mayores (Marais, G. V. R., referenciado por CEPIS, 1982).

Las variaciones se deben principalmente a la actividad fotosinttica de las algas. S el CO2 producido por las bacterias no satisface los requerimientos de las algas durante las horas del da, estas extraen el CO2 de los bicarbonatos y carbonatos ocasionando un incremento en el pH de acuerdo a las siguientes reacciones de equilibrio del sistema carbonato:

CO3= + H2O HCO3- + OH- (5-15)

HCO3- + H2O CO2 + H2O + OH- (5-16)

Investigaciones realizadas indican que hay gran influencia entre el pH, el crecimiento y fotosntesis de las algas. Se debe hacer una clara distincin entre estos dos trminos dado que se ha encontrado que valores decrecientes de pH favorecen la tasa de crecimientote algas verdes, mientras que aumentos de pH favorecen las tasas de fotosntesis. Como resultado de esto existe un paralelismo entre las variaciones de pH y el oxgeno disuelto, especialmente en las horas de mayor brillo solar (Meron, A., referenciado por CEPIS, 1982)

De otra parte, el incremento del pH por s solo, ha sido indicado como responsable de la reduccin de altos valores de E. Coli en lagunas de estabilizacin facultativas y de maduracin (Parhad, N. M., referenciado por CEPIS, 1982)

Slidos suspendidos en el efluente. Uno de los mayores problemas asociados con la presencia del fsforo en las aguas residuales que se tratan en lagunas de estabilizacin facultativas y de maduracin, es el aporte indirecto que se hace simultneamente de materia orgnica, por conversin del fsforo a travs de la sntesis de biomasa algal, y su posterior muerte, sedimentacin, descomposicin y resoluvilizacin de materia orgnica, que sobrepasa al aportado directamente por las aguas residuales domsticas (Stumm, W. y Stumm, E. Z. ,1972, referenciado por Cuervo, H. F, 1994).

(5-17)

Del balance de la ecuacin anterior, que representa la estequiometra del proceso de fotosntesis (produccin de materia orgnica) y respiracin (destruccin de materia orgnica) se puede hacer un estimativo del posible efecto que ocasiona la descarga de 1

2116110263106

224

-

32

138)(C P R

energa) elementos; de trazas(18H 122NO16 106

OPNOH

HOHPOCO

+

+++++ +






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mg de fsforo como P. ste equivale a 0.1 mg de biomasa algal (peso seco), que al mineralizarse ejerce una demanda de 140 mg de materia orgnica.

Como se aprecia por la simple relacin de balance, la descarga de 3 a 8 mg de de fsforo que est presente en las aguas residuales domsticas contribuye mayoritariamente con materia orgnica, comparndolo con la asociada directamente con el agua residual domstica. Adems, corrobora lo dicho anteriormente en relacin con la contribucin de slidos suspendidos en el efluente final.

Remocin de microorganismos patgenos. De todos los sistemas de tratamiento, las lagunas de estabilizacin son las que se han mostrado ms eficientes en la remocin de microorganismos patgenos. Feachem et. Al (referenciado por CEPIS, 1982), presenta los resultados de gran cantidad de evaluaciones de lagunas de estabilizacin, en relacin con la destruccin de organismos de grupo coliformes, que es el que ofrece mayores ventajas como indicador de contaminacin con materias fecales.

La ecuacin que relaciona la muerte de microorganismos en lagunas de estabilizacin es la expresin:

Kb = (No / Ne - 1)/ R (5-18) donde, No y Ne son respectivamente los organismos coliformes fecales del efluente y afluente, NMP/100ml

Kb es la constante de mortalidad global, 1/10

R es el tiempo de retencin hidrulico

La dependencia de la constante de la mortalidad global en funcin de la temperatura est dada por la ecuacin 5-19 (Klock, Manzini y Gamenson, referenciado por Yaez, 1993):

Kb = 1.1 x 1.07 T-20 (5-19)

Para una temperatura de 29C, K b = 1.84

Reemplazando en la ecuacin 5-19, para el tiempo de retencin promedio para las dos lagunas de 3,6 das, la eficiencia esperada en remocin de microorganismos patgenos en el sistema de lagunas facultativas es del orden del 87%. En esta eficiencia no est incluida la remocin que ocurre en la laguna de digestin anaerobia.

Estructuras que hacen parte del sistema. A continuacin se hace una relacin y descripcin de cada una de las estructuras que hacen parte de las lagunas de estabilizacin facultativas:






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Cmara de llegada y distribucin. Sobre la berma de entrada de cada laguna facultativa se conservan cada una de las cmaras de distribucin existente.

Canal de salida o de recoleccin del efluente final. La salida del efluente en cada etapa facultativa se realiza, as: en la primera laguna mediante cinco (5) tuberas PVC de 10 cada una uniformemente espaciada (12.0m), cuatro de ellas llegan hasta cajas de 0.80 por 0.80 y una quinta que descarga a una caja canal de 0.80 por 1.90 m de largo, que a su vez, se aprovecha para cambio de nivel en la interconexin con la siguiente laguna facultativa. El extremo de recoleccin de estas tuberas se coloco por debajo del nivel del agua, con el objeto de minimizar no slo el arrastre de flotantes hacia el efluente final sino tambin los puntos muertos y cortos circuitos. En la segunda laguna el efluente sale en igual forma que en la primera, es decir, por cinco (5) tuberas de 10, cuatro (4) que descargan en cajas de 0.80 por 0.80, y una quinta que descarga a una caja canal de 0.80 por 3 m de largo, al final del cual est localizado un vertedero rectangular con contracciones que se utiliza para medir el caudal del efluente final. La interconexin entre las diferentes cajas recolectoras se hace mediante tubera PVC sanitaria de 18 en la primera laguna facultativa, y de 20 en la segunda laguna. Tanto la tubera de 18 como la de 20 se proyecto con una pendiente del 1%.

5.4 OBRAS DE PROTECCIN

5.4.1 Caudales de diseo

El estudio hidrolgico de la quebrada La Maquea nos permite definir la altura de un dique para proteger la laguna de estabilizacin ubicadas en la margen izquierda de las secciones de inters mencionadas anteriormente. Los caudales que se extraen del estudio hidrolgico se muestran en la Tabla 5-8.

Tabla 5 - 8 Caudales obtenidos mediante el mtodo racional

Tr (aos) Q [m3/s] 2.33 7.93

5 10.01 10 11.65 25 14.25 50 16.29 100 18.79

5.4.2 Perfiles de flujo Es el resultado de la modelacin y evaluacin hidrulica utilizando los caudales mximos estimados para los perodos de retorno considerados. Para dicha evaluacin y siendo consecuentes con el principal objetivo de esta modelacin, como es proteger el sistema






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de lagunas de potenciales inundaciones, se da mayor nfasis a la seccin que presenta los resultados ms crticos, es decir, aquella que ocasiona los mayores niveles de desbordamiento.

En la Figura 5-3 se muestra el perfil de flujo obtenido, observndole que en general, se presenta inundacin para los caudales de periodo de retorno de 2.33, 5, 10, 25, 50 y 100 aos. Los perfiles de flujo son del orden de 0.56 m a 1.98 m para el caudal de 2.33 aos y de 0.83 y 2.59 m para el caudal de 100 aos de periodo de retorno. Las velocidades del flujo en general son altas y se registran valores mximos de 5.75 m/s y 6.31 m/s, para los caudales de 2.33 y 100 aos respectivamente.

Figura 5 - 3 Perfil hidrulico para las condiciones actuales, para los caudales con los perodos de retorno considerados.

5.4.3 Seccin crtica del canal

A continuacin, en la Figura 5-4 se muestra la seccin ms crtica analizada, es decir, la que mayores niveles de inundacin presenta de acuerdo con los caudales evaluados, por tanto, respecto a esta seccin, se define la altura del dique para la proteccin de la margen derecha de la quebrada. Igualmente, en la Tabla 5-9 se incluyen las cotas y el nivel mnimo que debe tener el dique para cada periodo de retorno.






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Figura 5 - 4 Seccin crtica que presenta mayores niveles de inundacin

Tabla 5 - 9 Altura mnima de realce de la margen derecha de la quebrada.

Periodo Retorno

Nivel margen derecha (m)

Nivel lamina de agua (m)

Altura Dique (m)

2.33 548.15 548.42 0.27 5 548.15 548.52 0.37 10 548.15 548.58 0.43 25 548.15 548.66 0.51 50 548.15 548.72 0.57

100 548.15 548.79 0.64

De acuerdo con la Tabla 5-9, se tiene que la altura del dique para un periodo de retorno de 50 aos es de 0.57 m, que teniendo en cuenta un borde libre de 0.25 m, se tiene una altura del dique de 0.82 m para la proteccin de las laguna de estabilizacin en su margen afectada por la quebrada.

Con los caudales mximos obtenidos se model la hidrulica en un tramo de inters de la quebrada, con el fin de comparar los niveles en los que el flujo sobrepasara la margen derecha del cao, inundando as las lagunas de estabilizacin. Por los resultados arrojados, la seccin ms crtica, mostr que la margen derecha es necesario realzarla como mnimo 0.30 cm para una creciente de 2.33 aos, mientras que el realce para una creciente de mayor intensidad (perodo de retorno de 100 aos debe ser de 0.70 m. Finalmente, tomando como diseo un caudal de 50 aos de periodo de retorno, se tiene una altura de dique de 0.82m (0.57m + 0.25 m de borde libre).






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