A.1 Lagunas Facultativas

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A.1 LAGUNAS FACULTATIVAS A.1.1 DESCRIPCIÓN Las lagunas de estabilización son depósitos de agua poco profundos construidos en tierra con diques y ocasionalmente muros de contención, diseñadas para el tratamiento del agua residual cruda o efluentes pretratados (Silva et al.,, al.,, 1996; Van der Steen, 2000; IMTA ,1997; Yánez, 1993). Cuando las aguas residuales son descargadas en estos depósitos se produce un proceso conocido como autodepuración o estabilización natural en el que ocurre fenómenos de tipo físicos, químicos y biológicos que conllevan a la remoción de sólidos, materia orgánica, nutrientes y organismos patógenos (Van der Steen, 2000, URL - 1). Ver Foto A.1.1

Foto A.1.1 Laguna Facultativa Las lagunas facultativas son el tipo de lagunas más común que se utiliza para el tratamiento de las aguas residuales, generalmente de origen doméstico; las lagunas facultativas pueden recibir agua residual y actuar como unidad de tratamiento primario, o pueden recibir agua residual sedimentada (generalmente de lagunas anaerobias) actuando como laguna facultativa secundaria, pueden ser utilizadas en pequeñas o grandes ciudades (Polprasert,1995; Yánez,1993; WEF,1990; URL – 2; EPA, 1983; Mara et al., 1992; al., 1992; Mara , 1998; Arthur, 1994). La Figura A.1.1 muestra la configuración de una laguna facultativa.

Estructura de  paso  paso o descarga Afluente

Efluente

Figura A.1.1 Esquema general de una Laguna Facultativa

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A.1.2 ASPECTOS FUNDAMENTALES Los procesos químicos y biológicos que ocurren en las lagunas son similares a los que suceden en un cuerpo de agua natural, el sistema contiene bacterias y algas fotosintéticas que absorben los nutrientes solubles y fijan la energía del sol para formar la biomasa inicial, además contiene protozoarios o consumidores primarios y hongos o levaduras que ayudan a la descomposición de esta biomasa (IMTA, 1997). Los procesos que ocurren son: sedimentación de los sólidos; aireación del agua desde la atmósfera, (UNEP, 2001); fotosíntesis realizada por las algas para generar oxígeno; y biodegradación de la materia orgánica por bacterias aerobias y/o anaerobias (Van der Steen, 2000) La característica fundamental de una laguna facultativa es que combina las características de una laguna aerobia y una laguna anaerobia, presenta una capa aerobia en la superficie donde el oxígeno requerido para el metabolismo bacterial es abastecido por la actividad fotosintética de las microalgas presentes en la laguna y a medida que se incrementa la profundidad se vuelve anaerobia con una capa de lodo en el fondo. La profundidad de la capa aerobia depende de la producción de oxígeno por las algas y fluctúa durante el día, en esta se realiza la estabilización de la materia orgánica y en el fondo se presenta la descomposición anaerobia de los sólidos sedimentados desprendiendo metano y dióxido de carbono (Polprasert, 1995; WEF,1990; IMTA, 1997; Van der Steen, 2002a; URL – 3; Peña; 1996; Mara et al., 1986). Debido al contenido de oxigeno presente en la capa aerobia, los compuestos causantes de malos olores (H2S) son oxidados antes de ser desprendidos a la atmósfera, previniendo su formación (URL – 3). La clave para la operación de las lagunas facultativas es la producción de oxígeno a partir de dos fuentes: por reaireación superficial y por generación de oxígeno por las algas fotosintéticas. (IMTA, 1997; Polprasert,1995; UNEP, 2001; URL – 2; Mara et al., 1986). La presencia de las algas en niveles adecuados, asegura el funcionamiento de la fase aerobia de las lagunas cuando se pierde el equilibrio ecológico se corre con el riesgo de producir el predominio de la fase anaerobia, que trae como consecuencia una reducción de la eficiencia del sistema (URL – 1). Generalmente el rango de profundidad de las lagunas facultativas esta entre 1- 2 m (Mara et al., 1992, Arthur, 1994), sin embargo, WEF (1990) recomienda una profundidad mínima para lagunas facultativas primarias de 1.5 m, y para lagunas facultativas secundarias profundidades mayores a 1.2 m. El efluente de lagunas facultativas generalmente es tratado por lagunas de maduración para alcanzar un alto grado de tratamiento (Polprasert, 1195).

A.1.3 EXPERIENCIAS EN COLOMBIA Los sistemas de lagunas de estabilización son comúnmente usados en Colombia. El numero de plantas de tratamiento de aguas residuales construidas, alcanzan las 190 unidades, localizadas en 131 cabeceras urbanas. De la totalidad de las PTAR en operación, 105 unidades de tratamiento (55%) corresponden a lagunas de estabilización (Ministerio del Medio Ambiente, 1998).

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De los 105 sistemas de lagunas implementados en Colombia, su mayor porcentaje (73.60%) se encuentra por debajo de los 500 m.s.n.m, las eficiencias de remoción de estos sistemas varían en un rango del 30 al 90%, siendo en su mayoría inferiores al 75% (Ministerio del Medio Ambiente, 1998), esto debido posiblemente a fallas en el diseño de las lagunas y en el modo de operación. Dadas las condiciones geográficas y climáticas de muchas regiones de Colombia, las lagunas de estabilización se convierten en una opción viable para tratar las aguas residuales domésticas; principalmente en las regiones aledañas a los valles de los ríos Cauca y Magdalena donde la temperatura es superior a los 20 ºC, la topografía es plana y se presentan extensiones de terreno a un costo aceptable para su implementación (Peña et al.,  2000). No obstante este tipo de sistemas también se han implementado con éxito en regiones de bajas temperaturas, como es el caso las lagunas de algunos municipios de Cundinamarca que se encuentran a temperaturas entre 10 a 18 ºC. En la Tabla A.1.1 se muestran algunos de los sistemas de lagunas existentes en Colombia y sus eficiencias. Tabla A.1.1 Eficiencia de remoción de carga orgánica de las lagunas de estabilización implementadas en Colombia. Municipio

Departamento

Mosquera Cundinamarca Becerril Cesár Zipaquira II Cundinamarca Espinal Tolima Cajicá Cundinamarca Zipaquirá I Cundinamarca Chia Cundinamarca Chirigüana Cesár La Unión Valle Roldanillo Valle Guacarí Valle Fonseca La Guajira Concepción Antioquia Maicao La Guajira Villanueva La Guajira El Paso Cesár Barrancas La Guajira Toro Valle Hato Nuevo La Guajira Urumita La Guajira Chocontá Cundinamarca Sopó Cundinamarca Guamal Meta Tocancipá Cundinamarca Gachancipá Cundinamarca Suesca Cundinamarca  Alvarado Tolima Sesquille Cundinamarca Fuente: Ministerio del Medio Ambiente (1998)

Caudal (l/s)

DBO5 

% Remoción SST

83.62 50.92 167.75 84.07 105.4 44.1 41.8 52.82 20 40 40 123.19 26.86 133 135 16.5 14 20 64.42 8.22 13.23 7.9 46.38 9.71 6.08 6.8 4.76 4.74

86 58.11 93 85 79 97 73 32.9 83.7 80.5 81.1 40.86 55.8 77.5 74.1 41.5 38.2 83 70 53.4 65.2 90 75 81.3 25 46.2 78.1 74.7

91 63.9 83.33 90 92 20 92.5 52.7 96.4 95.7 94.4 21.3 45.7 82.2 58 58.9 60 97.6 63.4 65.2 43 76.4 69 90 40 50 70.1 52

A.1.4 EFICIENCIAS DE REMOCIÓN Los principales mecanismos de remoción de componentes del agua residual en sistemas de lagunas de estabilización se muestran en la Tabla A.1.2

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Tabla A.1.2 Mecanismos de Remoción de Componentes en Lagunas de Estabilización Componente

DBO

Sólidos suspendidos Nitrógeno

Fósforo

Patógenos

Mecanismos de Remoción En lagunas anaerobias y facultativas primarias, la metanogénesis es el principal mecanismo para remoción de DBO*. En lagunas anaerobias la DBO soluble es reducida por oxidación - reducción bacteriana y la DBO particulada removida por sedimentación. En lagunas de maduración la eliminación de DBO ocurre por degradación microbiana. Remoción por sedimentación Eliminación por una combinación de mecanismos que incluye principalmente la volatilización del amonio (la cual depende del pH < 9.5), consumo algal, nitrificacióndesnitrificación, depósito de lodo y adsorción en el fondo de la laguna*. El grado de eliminación de fósforo que se pueda alcanzar depende del contacto entre el agua residual y la matriz del suelo, los mecanismos de remoción son la sedimentación y precipitación*. En lagunas de maduración la causa directa de muerte de coliformes fecales es el desprendimiento de toxinas por las algas como consecuencia del aumento en la concentración de oxigeno disuelto debido a la penetración de la luz ultravioleta (U.V)*. Otros mecanismos de remoción de patógenos en las lagunas son la predación natural, sedimentación y adsorción influenciados por la temperatura y el tiempo de retención. Los helmintos, los quistes y huevos de parásitos se remueven por sedimentación en el fondo de la laguna.

Las eficiencias de remoción reportadas por la literatura en lagunas facultativas se muestran en la Tabla A.1.3

A.1.5 CRITERIOS DE DISEÑO Los principales criterios de diseño de Lagunas Facultativas se presentan en la Tabla A.1.4

A.1.6 OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE LAGUNAS Labores de Operación y mantenimiento Los requerimientos de mantenimiento de las lagunas son simples, pero deben ser llevados a cabo regularmente, para evitar problemas de olores y vectores. Dentro de la rutina de mantenimiento se encuentran las siguientes tareas (Mara  et al.,  1992; Arthur, 1994) Las actividades de operación y mantenimiento de las lagunas de estabilización deben incluir un plan de monitoreo para comprobar la calidad del efluente y verificar que el sistema esta operando adecuadamente y poder tomar medidas correctivas en caso de que la calidad del efluente se esté deteriorando. Dentro del plan de monitoreo de las lagunas se incluye la toma de muestras al menos una vez al mes para analizar si está cumpliendo con los parámetros de calidad de acuerdo con el uso final del afluente. Es aconsejable además, hacer mediciones periódicas de la profundidad de la capa de lodos en diferentes puntos de las lagunas anaerobias y facultativas (Mara et al., 1992).

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Tabla A.1.3 Eficiencias de remoción de Lagunas Facultativas Factor

Objetivos de Tratamiento

Variable

Indicador

Unidades

WEF &  ASCE (1998)

Reed (1998)

WEF (1990)

Metcalf & Eddy (1995)

Mendoça (1999)

Romero (1994)

Polprasert (1995)

IMTA (1997)

DBO

mg/l

30 – 40

30 – 40

30 –40

80 – 95 %

70 – 90%

80 – 95%

50 – 70%

80 – 95%

SST

mg/l

40 –100

40 –100

40 –100

80 – 140

Fósforo

mg/l

< 40 %

mg/l

40 – 95 %

Eficiencias de Remoción

Nitrógeno Total Coliformes Fecales

40 – 60

UFC/100 ml

Nivel de Secundario Tratamiento alcanzado Los espacios en blanco indican datos no reportados por el autor

Von Sperling (1996) 75 85%

Primario, Secundario

Primario, y secundario

EPA (1983) 20 – 60 30 – 150

1 log

1 log

Secundario

Secundario

20 – 60% 30 – 50% 60 – 99%

Rango 70%– 90% 40 –100 20 – 60% 30 – 50% 1 log

Primario y Secundario

Primario y Secundario

IMTA (1997)

EPA (1983)

1.2 – 2.4

1.2 – 2.5

Tabla A.1.4 Criterios de Diseño de Lagunas Facultativas  Autor  Parámetro

Von WEF& Sperling  ASCE (1996) (1995)

Limitaciones climáticas

UNEP (2002)

WEF (1990)

Ninguna 1.5 – 2.5

Profundidad (m) Temperatura (ºC) pH Tiempo de retención hidráulico (días) Superficie necesaria (Ha) Carga superficial DBO5 (Kg/Ha.día)

REED (1995)

de

1.5 –2.5

Tchobanogluos (1998)

15 - 30

25 - 180

1.4 –2.3

1.5

1.50 – 2.40

25 -180

60

25 - 180

2–5 2 m /hab 11 – a 22 22 – b 45 45 – c 90

22 - 67

Romero (1994)

Mendoça (1999)

Polprasert (1995)

Ninguna

>5

25 180

Metcalf & Eddy (1991)

23 - 68