LAGUNAS ANAEROBIAS

LAGUNAS ANAEROBIAS

INTEGRANTES:  BARRÓN MIJANGOS HÉCTOR  CASTELLANOS GÓMEZ MÓNICA DEL CARMEN  DÍAZ HERNÁNDEZ ANA KARINA  SANDOVAL SANTOS MIRIAM GUADALUPE

Ingeniería ambiental 701

INTRODUCCIÓN Las lagunas anaerobias se utilizan normalmente como primera fase en el tratamiento de aguas residuales urbanas o industriales con alto contenido en materia orgánica biodegradable. El objetivo primordial de estas lagunas es la reducción de contenido en sólidos y materia orgánica del agua residual, y no la obtención de un efluente de alta calidad. Por esta razón, las lagunas anaerobias operan en serie con lagunas facultativas y de maduración. Generalmente se utiliza un sistema compuesto por al menos una laguna de cada tipo en serie, para asegurar que el efluente final de la planta depuradora va a poseer una calidad adecuada durante todo el año.

FUNCIONAMIENTO Para que una laguna trabaje con toda eficiencia, es necesario que la aclimatación se realice en un periodo de tiempo razonable y que pueda tomar algunos meses. Al inicio de la operación de una laguna anaeróbica no existe la suficiente biomasa activa responsable de la estabilización de la materia orgánica. Por ello es necesario que la laguna no sea cargada con una excesiva carga orgánica ya que en caso contrario, el pH se mantendrá bajo, la laguna se acidificará y existirá una fuerte liberación de gases especialmente hidrógeno sulfurado y amoniaco. De este modo no habrá las condiciones propicias para el desarrollo de las bacterias metanogénicas, y por lo tanto no habrá una digestión completa. Así, la laguna a pesar de presentar condiciones anaeróbicas, se mantendrá en desequilibrio con baja eficiencia en el tratamiento y problemas de olores. Los siguientes son los procedimientos que se aconsejan para la puesta en marcha. Las lagunas deben ser llenadas con desagüe crudo y de ser posible inocularlas con lodos de digestión provenientes de otra unidad, tanques Imhoff o digestores anaeróbicos, lo cual ayudará en el rápido establecimiento de las bacterias metanogénicas. A continuación la laguna se deja en reposo por unos cuantos días para permitir que la población de bacterias formadoras de ácido y metanogénicas se desarrollen. En los casos donde no es posible ejecutar inoculación, el desarrollo de las bacterias metanogénicas suele tomar mucho más tiempo. En estos casos es recomendable llenar la laguna con agua superficial (río, lago, acequia, etc.) hasta un tercio de su profundidad y a continuación proceder al llenado lento con agua residual hasta completar su altura definitiva de funcionamiento. En la fase inicial es común encontrar una intensa proliferación de algas, debido a la buena penetración de la luz. A medida que se va aumentando la carga, la laguna se va tornando oscura al tiempo que se van desapareciendo las algas. Luego de un buen tiempo la superficie estará razonablemente cubierta de espuma, con poco o ningún olor y con un intenso burbujeo de gases. En este momento puede decirse que el proceso de digestión anaeróbica está establecido. Desde luego, los aspectos visuales solo dan una indicación de las condiciones operacionales, y es necesario acompañarlos con análisis de laboratorio, principalmente de pH.

Conservación de las condiciones anaeróbicas La condición esencial para el buen funcionamiento de una laguna anaeróbica es la ausencia de oxígeno disuelto, adecuado pH y temperatura. Caso contrario, no se dará una digestión completa con el consiguiente desprendimiento de malos olores y una baja eficiencia en la remoción de materia orgánica. Las siguientes recomendaciones se deben tomar en cuenta para la conservación de las condiciones anaeróbicas: a) El manto de espuma debe ser mantenido con el propósito de: 1) impedir la penetración de luz solar y por ende las proliferaciones de algas que oxigenen la capa superior; 2) aislar la laguna de los cambios bruscos de temperatura, y de esta manera conservar el calor, uniformizando la distribución de temperatura en el interior de la laguna; 3) proteger a la laguna de la acción causada por los vientos; y 4) en lagunas con poca o ninguna espuma, la perdida de CO2 acarrea la elevación del pH y la disminución de la concentración de bicarbonato. Para conservar la capa de espuma, los dispositivos de salida deben poseer barreras (0.30 m arriba y 0.50 m debajo de la superficie líquida) que impidan la salida de la espuma junto con el efluente. b) Mantenimiento del pH: Es necesario el control de pH, que debe variar entre 6.8 y 7.2. Estos valores permiten las dos etapas: fermentación y producción de metano. Los ácidos producidos son rápidamente convertidos en metano y bióxido de carbono. La alteración del pH conduce a la proliferación de malos olores y se corrige mediante la neutralización de las condiciones acidas añadiendo cal o en su defecto a través de la disminución de la carga orgánica. En el caso de actuar de esta última manera, la carga orgánica debe ser mantenida Lo suficientemente alta como para evitar la presencia de oxígeno disuelto ya que ella inhibe el normal desarrollo de las bacteria acetogénicas y metanogénicas. c) Temperatura: temperaturas inferiores a 15°C también conducen a la disminución de la actividad metanogénica en general y a la disminución de la carga orgánica observando las indicaciones señaladas anteriormente.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS VENTAJAS: • Bajo costo. • Buen rendimiento para el tratamiento de aguas residuales con altas concentraciones de materia orgánica. • Eficiencia probada en el tratamiento de una variedad de aguas residuales industriales biodegradables.

DESVENTAJAS: • El proceso es sensible a factores ambientales como temperatura y pH. • El proceso es sensible a factores operativos como variaciones bruscas de carga.

• Tienen un aspecto poco agradable y condiciones estéticas desfavorables (formación de natas, inciden en el mantenimiento).

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO FUNDAMENTOS DE LA DEPURACIÓN EN LAGUNAS ANAEROBIAS Como su nombre indica, en las lagunas anaerobias se produce la degradación de la materia orgánica en ausencia de oxígeno. En estas condiciones, la estabilización tiene lugar mediante las etapas siguientes: - Hidrólisis. Este término indica la conversión de compuestos orgánicos complejos e insolubles en otros compuestos más sencillos y solubles en agua. Esta etapa es fundamental para suministrar los compuestos orgánicos necesarios para la estabilización anaerobia en forma que puedan ser utilizados por las bacterias responsables de las dos etapas siguientes. - Formación de ácidos. Los compuestos orgánicos sencillos generados en la etapa anterior son utilizados por las bacterias generadoras de ácidos. Como resultado se produce su conversión en ácidos orgánicos volátiles, fundamentalmente en ácidos acético, propiónico y butírico. Esta etapa la pueden llevar a cabo bacterias anaerobias o facultativas. Hay una gran variedad de bacterias capaces de efectuar la etapa de formación de ácidos, y además esta conversión ocurre con gran rapidez. Dado que estos productos del metabolismo de las bacterias formadoras de ácido o acidogénicas están muy poco estabilizados en relación con los productos de partida, la reducción de DBO5 o DQO en esta etapa es pequeña. - Formación de metano. Se recoge una representación secuencial de la digestión anaerobia de compuestos orgánicos. Una vez que se han formado estos ácidos orgánicos, una nueva categoría de bacterias entra en acción, y los utiliza para convertirlos finalmente en metano y dióxido de carbono. El metano es un gas combustible e inodoro, y el dióxido de carbono es un gas estable, que forma parte en poca cantidad de la composición normal de la atmósfera. La liberación de estos gases es responsable de la aparición de burbujas, que son un síntoma de buen funcionamiento en las lagunas anaerobias. Esta fase de la depuración anaerobia es fundamental para conseguir la eliminación de materia orgánica, ya que los productos finales no contribuyen a la DBO5 o DQO del medio. A diferencia de lo que ocurría con la fase acidogénica, hay pocos microorganismos capaces de desarrollar la actividad metanogénica, su metabolismo es más lento y además, son mucho más sensibles a distintas condiciones ambientales que veremos a continuación Las bacterias metanígenas son anaerobias estrictas, es decir, mueren en presencia de oxígeno disuelto. Por otra parte, estas bacterias son también muy sensibles al pH. Puesto que en la segunda fase de la digestión anaerobia se están produciendo ácidos, si no existe en el medio un número adecuado de bacterias metanígenas que transformen estos productos, y se produce su acumulación, el pH disminuye. Se estima

que para valores de pH inferiores a 6,8 la actividad metanígena comienza a presentar problemas, y que por debajo de pH=6,2 se detiene completamente. Cuando esto ocurre se liberan no sólo ácidos orgánicos que pueden tener olores desagradables, sino otros compuestos como ácido sulfhídrico (SH2), mercaptanos o escatol, que son los responsables principales de los olores que indican funcionamientos deficientes en las lagunas anaerobias.

CONDICIONES OPERATIVAS DE LAS LAGUNAS ANAEROBIAS Teniendo en cuenta la secuencia de etapas por las que tiene lugar la digestión anaerobia, es necesario ajustar las condiciones operativas de las lagunas para que se produzca la estabilización de la materia orgánica hasta los productos finales metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2). En primer lugar, si las balsas operan con tiempos de retención muy pequeños, sólo las fases hidrolítica y acidogénica tienen tiempo de desarrollarse, pero no la de formación de metano, que es más lenta, y por tanto, se producirán olores y se obtendrá una eliminación muy baja de la materia orgánica. Por otra parte, si la carga es escasa y el tiempo de retención elevado, comienzan a desarrollarse algas en superficie, y el oxígeno producido da lugar a la muerte de las bacterias metanígenas, también con el resultado de desarrollo de olores desagradables. Otro factor que influye en el comportamiento de las lagunas anaerobias es la temperatura. Las bacterias metanígenas crecen mejor cuanto mayor es la temperatura, con un intervalo óptimo de crecimiento entre 30-35º C. Por tanto, las lagunas anaerobias presentan una actividad muy superior durante el verano, lo que puede comprobarse fácilmente observando la cantidad de burbujas que aparecen en superficie en las distintas épocas del año. En la tabla 5.1 aparecen los intervalos óptimos y extremos para la fermentación anaerobia de materia orgánica. El potencial redox mide la tendencia de las especies químicas a oxidarse o reducirse, es decir, dar o aceptar electrones. Los potenciales redox que pueden presentarse en la naturaleza van desde un mínimo de -0,42 voltios hasta un máximo de +0,82 voltios. El límite inferior corresponde a un ambiente muy reductor, rico en hidrógeno gas, y por tanto, apropiado para el crecimiento de microorganismos anaerobios estrictos, como son las bacterias metanígenas. El límite máximo se produce en ambientes muy oxigenados, y por tanto, oxidantes. A medida que aumenta el potencial redox del medio, los microorganismos capaces de desarrollarse pasan de ser anaerobios estrictos a anaerobios aerotolerantes, es decir, que resisten la presencia de oxígeno, si bien crecen mejor en su ausencia. Cuando una laguna anaerobia presenta muy poca carga, y se favorece el desarrollo de algas en superficie, aumenta el potencial redox, lo que puede producir la muerte de las bacterias metanígenas, que como puede observarse en la tabla 5.1 presentan tolerancias muy estrechas para los niveles de esta variable

A pesar de que los márgenes de tolerancia que hemos visto son estrechos, las lagunas anaerobias no son difíciles de operar siempre que se respeten los intervalos de carga o tiempo de residencia fijados por el proyectista. Entre los mecanismos que ayudan a mantener el ambiente anaerobio necesario para el buen funcionamiento de estas balsas destacan los siguientes: 1. La abundante carga orgánica, presente en esta primera fase del tratamiento, da lugar a que el posible oxígeno introducido en las lagunas con el influente o por reaireación superficial se consuma rápidamente en la zona inmediatamente adyacente a la entrada o a la superficie. 2. En las lagunas anaerobias se produce la reducción de los sulfatos, que entran con el agua residual, a sulfuros. La presencia de sulfuros en el medio disminuye la posibilidad de crecimiento de las algas en dos formas a) La penetración de la luz necesaria para el crecimiento de las algas se ve impedida por la presencia de sulfuros metálicos en suspensión, como el sulfuro de hierro, responsables de la tonalidad gris de las lagunas anaerobias. Estos sulfuros acaban precipitando en el fondo de las lagunas, y provocan la coloración gris oscura o negra que presentan los fangos. b) Los sulfuros solubles son tóxicos para las algas, de modo que los cortos períodos de residencia, la falta de iluminación y un ambiente de composición química hostil impiden el crecimiento de éstas y en consecuencia, mantienen el medio en condiciones anaerobias. 3. Puesto que las lagunas carecen de agitación, el aporte de oxigeno atmosférico es despreciable, debido a que la difusión de este gas en la columna de agua es muy lenta. Además de las bacterias responsables de las etapas acidogénica y metanogénica de la degradación anaerobia, en ocasiones se desarrollan en estas lagunas otras bacterias que confieren una coloración rojiza. Se trata de bacterias fotosintéticas del azufre, que viven en la zona superficial y oxidan los sulfuros a azufre elemental. Los pigmentos que poseen estas bacterias le dan a las lagunas una coloración rosa o roja. La presencia de estas bacterias es indicativa de carga insuficiente en las lagunas anaerobias, y conviene tomar las mismas medidas discutidas anteriormente para impedir la aparición de algas en superficie. En algunos casos la presencia de estas bacterias puede resultar beneficiosa, ya que al oxidar a los sulfuros evitan la aparición de olores relacionados con la liberación de ácido sulfhídrico. Sin embargo, la carga orgánica apenas se modifica por la acción de estas bacterias, y las lagunas rojas presentan típicamente unas concentraciones muy elevadas de carga orgánica a la salida

MORFOLOGÍA DE LAS LAGUNAS ANAEROBIAS Las lagunas anaerobias se construyen de acuerdo con una de las dos concepciones básicas siguientes a) Lagunas de gran tamaño, poca profundidad y tiempos de residencia del agua residual medios. Este tipo de diseño se utiliza en Australia.

b) Lagunas pequeñas, profundidad media a alta y tiempos cortos de residencia. Este diseño es el normal en la mayoría de los países, incluyendo a España, especialmente como primera fase de la depuración, bien por lagunaje o utilizando algún otro método de tratamiento. Los factores que hay que tener en cuenta al proyectar una laguna anaerobia son fundamentalmente los aspectos de conservación del calor, sedimentación de materia en suspensión y almacenamiento de fangos. Considerando los mecanismos responsables de la degradación anaerobia y las variables ambientales que influyen sobre ellos, la morfología más apropiada es la descrita en el punto b. A continuación expondremos algunas de las características de las lagunas anaerobias y su efecto sobre el proceso global de depuración.

Profundidad y tamaño Como veíamos, hay una serie de razones por las que se debe escoger la alternativa b al proyectar las lagunas anaerobias, es decir, construir varias lagunas pequeñas, profundas y con tiempos cortos de residencia del agua residual. Las principales razones para esta elección son las siguientes: 1. Conservación de calor. La superficie expuesta a intercambios de calor con la atmósfera en lagunas profundas y de pequeño tamaño es muy reducida, y además, los taludes de tierra proporcionan un adecuado sistema de aislamiento para prevenir el enfriamiento excesivo del agua durante el invierno. De hecho, en lagunas anaerobias que operan en España, se han registrado temperaturas medias del agua a la salida de estas lagunas tan sólo 1-2º C por debajo del agua residual durante los meses de invierno 2. Disminución en los requerimientos de terreno. Cuando se usan lagunas profundas disminuye la necesidad de superficie a ocupar para alcanzar un determinado nivel de depuración. Las lagunas anaerobias profundas permiten reducir la superficie ocupada total por la planta de lagunaje en un 40-50% 3. Disminución del riesgo de arrastre de sólidos. En el diseño profundo, el fango sedimenta en el fondo de la balsa y es muy poco probable que se produzca su arrastre con la salida, que tiene lugar por superficie. 4. Oxigenación restringida al minimizar la superficie. Por una parte, al ser inferior la superficie la transferencia de oxigeno disminuye. Por otra, la mezcla inducida por la acción del viento es muy escasa, debido al efecto de los taludes y a la imposibilidad de formación de olas. 5. La concentración de sólidos en una zona pequeña favorece la compactación de los fangos. En lagunas anaerobias de gran tamaño y escasa profundidad se produce a menudo la flotación de los fangos, con el consiguiente peligro de arrastre por el efluente. Sin embargo, en lagunas profundas (profundidad superior a 2,5 m.) el fango se acumula en el fondo, donde se produce su mineralización en condiciones anaerobias. 6. Los costes de mantenimiento son menores en lagunas profundas, ya que el fango se va acumulando durante un periodo de varios años (normalmente de 3-6 años), por lo que sólo es necesario el vaciado de las lagunas después de un tiempo elevado de utilización. De esta forma el diseño profundo no sólo facilita la acumulación de fangos, sino que proporciona un lugar de almacenamiento, donde tiene lugar su mineralización. 7. Las lagunas pequeñas y profundas son mucho más flexibles, ya que permiten establecer distintos tipos de circulación y modificar los tiempos de tratamiento si se detectan anomalías en su funcionamiento. Por otra parte, la disponibilidad de varias lagunas anaerobias es necesaria para las

operaciones de vaciado y limpieza, y los costes implicados son mucho menores en lagunas pequeñas 8. Dados los mecanismos por los que transcurre la degradación, un tiempo de residencia prolongado y una elevada superficie son contraproducentes, ya que de esta forma se favorece la oxigenación del medio (por reaireación y/o fotosíntesis), que como hemos visto da lugar a problemas en las lagunas anaerobias.

CARACTERÍSTICAS CONSTRUCCIÓN

PARA

SU

Tiempo de retención Como hemos visto al discutir los mecanismos de la degradación anaerobia, hay que ajustar cuidadosamente el tiempo de retención, de modo que las fases acidogénicas y metanogénicas estén equilibradas y no haya posibilidad de desarrollo de algas en superficie. El tiempo de residencia recomendado en estas lagunas oscila entre 2-5 días, dependiendo de la naturaleza del vertido y del clima del lugar de emplazamiento.

Recirculación La recirculación consiste en tomar una parte del efluente de la laguna e introducirla de nuevo en ésta. El objetivo de esta operación es proporcionar una siembra de microorganismos adaptados a las condiciones de las lagunas anaerobias y conseguir un grado mayor de mezcla. Los estudios realizados en lagunas anaerobias han demostrado que la recirculación tiene un efecto contraproducente, porque la mayor turbulencia da lugar al mantenimiento de sólidos en suspensión, que en ausencia de recirculaciones se incorporan a la capa de fangos. Por otra parte, en lagunas anaerobias que operen correctamente el desprendimiento de burbujas es suficiente para garantizar un nivel adecuado de mezcla

Formación de espumas en superficie La formación de espumas o costras en superficie es normal en lagunas anaerobias, y según algunos autores beneficiosos porque previene las pérdidas de calor, sobre todo en climas fríos, e impide la liberación de malos olores. En algunos países con climas muy rigurosos en invierno se favorece la formación de costra superficial mediante la colocación de paja o poliestireno . El principal inconveniente de estas costras es la posibilidad del desarrollo de insectos, por lo que hay que tener cuidado en eliminarlas durante la parte central del año.

Carga orgánica La carga orgánica en lagunas anaerobias suele darse en relación al área superficial o volumen de las lagunas, es decir, como carga superficial o volumétrica. Esta última medida es más significativa para estas lagunas, ya que los fenómenos superficiales no tienen gran interés en la degradación anaerobia. Las cargas volumétricas empleadas normalmente en lagunas pequeñas y profundas están en el intervalo 100-400 g DBO5/m3día, dependiendo de la naturaleza del vertido a tratar

Otras consideraciones Las lagunas anaerobias suelen operar en paralelo, es decir, dividiendo el influente en varias partes que alimentan a cada una de las lagunas, y reuniendo de nuevo el efluente de éstas para alimentar el resto de la instalación. Se ha experimentado con el uso de varias lagunas anaerobias en serie, pero los resultados desaconsejan el uso de esta modalidad, ya que las lagunas que reciben el efluente ya tratado presentan problemas de operación debidos a la escasez de carga orgánica aplicada. Por otra parte, la disposición en paralelo con varias lagunas permite paralizar una o varias de ellas para efectuar labores de limpieza sin que ello afecte la marcha global de la depuradora. La reducción de sólidos en suspensión en el tratamiento anaerobio es del orden del 70 % Estos sólidos se acumulan en el fondo de las lagunas y dan lugar a la formación de una capa de fangos. A medida que aumenta el tiempo de almacenamiento de los fangos en las lagunas, su contenido en materia orgánica disminuye debido a la degradación anaerobia a la que están sometidos. Durante un año de operación se estima que el grado de mineralización alcanzado por los fangos en una laguna anaerobia es del 80-85 % . A medida que el fango se mineraliza aumenta su compactación y disminuye su volumen. La frecuencia con la que se debe retirar el fango acumulado en las lagunas anaerobias depende de la naturaleza del vertido, carga aplicada y clima de la zona. En función de estas variables, la limpieza debe hacerse cada 3-6 años En cuanto a los vertidos a los que puede aplicarse este tipo de tratamiento, las lagunas anaerobias están particularmente indicadas para aguas residuales con alto contenido en materia orgánica. Aparte de las aguas residuales urbanas, estas lagunas se emplean para el pretratamiento de vertidos de mataderos, lecherías, fábricas de cerveza, papeleras, explotaciones ganaderas e industrias petroquímicas. Su empleo está muy extendido en Australia, Estados Unidos, Sudáfrica, Canadá, India e Israel.

EJERCICIO Dimensionamiento de las lagunas anaerobias Las principales consideraciones y base de los cálculos se describen a continuación: DBOef t K θ

d Q

DBO del efluente Temperatura del agua (mes más frio) Constante global de eliminación de DBO5 para aguas residuales a 20°C Coeficiente para convertir 1 a k de 20 °C a la temperatura del agua de la laguna La profundidad útil del estanque anaerobio que permita un adecuado funcionamiento Factor de dispersión que expresa el grado de mezcla de la laguna Eficiencia esperada en la eliminación de DBO5 Caudal de agua residual

189 21.3 0.251 1.06 4 0.5 35 160

mg/L °C día m

% m3/dia

CALCULO DEL VOLUMEN Y ÁREA DE LA LAGUNA ANAEROBIA

a) Determinación del parámetro kT

El término kT es un valor que se obtiene de la gráfica de Thirumurthi (Metcalf & Eddy, 1996). Representa la relación entre el porcentaje remanente de la DBO5 después del tratamiento y el factor de dispersión en la laguna. El parámetro kT para un 35% de eficiencia de reducción de la DBO5 y un factor de dispersión d= 0.5

kT= 2.7 Dónde: K es el coeficiente global de eliminación de la DBO5 en días T es el tiempo de retención hidráulica

b) El coeficiente de temperatura permite transformar la k a 20 °C a la temperatura del agua en la laguna

kt=k20θ(T-20) Dónde: Θ es el coeficiente de temperatura = 1.06 K20 es el valor del coeficiente global de eliminación de la DBO5 a los 20 ° C t es la temperatura del agua del mes más frio = 21.3 °C

K21.3= (0.25/día)(1.06)(21.3-20) K21.3= 0.27/día

c) El tiempo de retención hidráulica es el tiempo que debe permanecer el agua en la laguna para que pueda efectuarse la depuración para KT= 2.7 el tiempo de retención es:

kT= 2.7 0.27/día * (T) =2.7 T=2.7/0.27 d-1

d) Volumen de la laguna

V= Q* T Dónde: V es el volumen de la laguna T es el tiempo de retención = 10 días Q es el caudal de agua residual = 160 m3/día

V = 160 m3/día*10 días V= 1600 m3

e) Área de la laguna

A=v/h Dónde: A es el área útil de la laguna V es el volumen útil de la laguna = 1600 m3 h es la profundidad del lago = 4.6 m

A= 1600 m3/4.6 m A=348 m2 A=0.0348 ha

f) Carga superficial

Cs= (V*mgDBO5/l)/A Cs= (160m3 * 180 mg/l *1/1000kg/g)/0.0348 ha Cs = 828 kg DBO5 /ha*día

g) Área de cada laguna

Las lagunas se diseñan en dos módulos en forma paralela, con la finalidad que cuando uno de los módulos este siendo sometido a operaciones de limpieza y mantenimiento, el otro sirva para captar todo el caudal generado

A/2= 174 m2 Volumen de cada laguna

V = A*H V=174 M2 * 4.6 M V=800 M3

h) Dimensiones de la laguna teniendo en cuenta el volumen calculado

Largo= 15 m Ancho = 12 m Profundidad = 4.6 m