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8/19/2019 2a Introduccion Lagunas Po 2014
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Taller “Operación y antenimiento de
Sistemas de lcantarillado Sanitario y
Plantas de Tratamiento de guas
Residuales”
FUNDAMENTOS DE TRATAMIENTO POR LAGUNAS
La Ceiba, Atlántida, 03 al 07 de Marzo de 2014
Ing. PEDRO E. ORTIZ BARDALES
ASESOR TECNICO SANAA
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IntroducciónLas lagunas de estabilización constituyen una de las formas mas simples para eltratamiento de aguas residuales. Hay diferentes combinaciones de lagunas querequieren diferentes niveles de operación y de área.
Lagunas cuyo objetivo es la reducción de materia orgánica carbonácea.
Lagunas Faculticas Sistemas de lagunas anaeróbicos seguidas por lagunas facultativas
Lagunas aireadas facultativas Sistemas de lagunas aireadas de mezcla completa con laguna de decantación
Lagunas cuyo objetivo es la remoción de patógenos
Lagunas de maduración
La utilización de lagunas en Honduras es conveniente las razones siguientes: Disponibilidad de área Clima favorable ( temperatura y radiación solar) Operación simple Requiere poco o ningún equipo
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Por su Secuencia
En paralelo
En serie
Clasificación de las de lagunas
Por el contenido de oxígeno
Anaerobia
Aerobio
Facultativa
Aireada --- Aireación artificial
Por su ubicación con otros procesos
Primarias
Secundarias
Maduración
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Objetivos de una laguna de estabilización
Primaria
Reducción de compuestos orgánicos ( DBO y DQO )tanto soluble como total
Reducción de sólidos suspendidos
Reducción de parásitos Nematodos > 10 días
Reducción de costos de construcción > cargas
superficiales
Secundaria
Reducción de Coliforme fecal al nivel deseado
Complementar reducción de nematodos
Reducir a los niveles requeridos la concentración de
otros contaminantes ( DBO, nutrientes y algas )
Minimizar la influencia de la estratificación termal
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Características principales de los sistemas deLagunas
Descripción Característica FacultativaAnaerobiafacultativa
AireadaFacultativa
Aireada MCDecantación
Eficiencia
DBO (%)Nitrógeno (%)
Fosforo (%)Coliformes (%)
70 - 8530 - 50
20 - 6060 - 99
70 - 9030 - 50
20 - 6060 – 99.9
70 - 9030 - 50
20 - 6060 – 96
70 - 9030 - 50
20 - 6060 – 99
RequisitosArea (m2)Potencia (W/hab)
2.0 - 5.0≈0
1.5 - 3.5≈0
0.3 – 0.61.0 – 1.7
0.2 - 0.51.0 - 1.7
costos Obra civil 10 - 30 10 - 25 10 - 25 10 - 25
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Principales parámetros de proyectoParámetro Lagunas
anaerobias
Lagunas
facultativas
Lagunas
aireadas
facultativas
Lagunas
aireadas de
mezcla
completa
Lagunas de
decantación
Lagunas de
maduración
Tiempo de retenciónTasa de aplicación sup. kgDBO5/ha.d.Tasa aplicación vol. KgDBO5/m
3.d.Profundidad mRelación L/B
3 – 6-0.1 – 0.34.0 – 5.0
≈ 1
15 – 45100 – 350-
1.5 – 3.02 - 4
5 – 10--
2.5 - 4.52 - 4
2 – 4--
2.5 - 4.51 - 2
≈ 2 --
3.0 - 4.0
(**)--
0.8 – 1.5(***)
Coef. rem DBO (M. Completa 20°), d-1 Coef. temperatura (M. Completa.), d-1
--
0.30 – 0.351.05 – 1.085
0.6 - 0.81.035
1.0 – 1.51.035
--
--
Coef. Rem DBO (F. Disperso 20°), d-1
Coef. Tem (F. disperso), d-1
-
-
0.13 – 0.17
1.035
-
-
-
-
-
-
-
-Coef. Dec. bacter (M. Comp 20°), d-1 Coef. Temperatura (M. Comp), d-1
--
0.4 – 1.01.07
--
--
--
0.5 – 2.51.07
Coef. Dec. bacter (F. Disperso 20°), d-1 Coef. Temperatura (F. Disperso.), d-1
--
0.2 – 0.41.07
--
--
--
0.3 – 0.81.07
Número de dispersión (L/B =1)Número de dispersión (L/B =2 - 4)
Número de dispersión (L/B >=5)
--
0.4 – 1.30.1 – 0.7
0.02 – 0.3
--
-
--
-
--
-
0.4 – 1.10.1 – 0.5
0.03 – 0.23DBO particulada efluente(mgDBO5/mg/SS) - 0.3 – 0.4 0.3 – 0.4 0.3 – 0.6 - -
Requisitos medios de O2 (KgO2/KgDBO5 remov)Densidad de potencia (W/m3)
--
--
0.8 - 1.2 1.0; relación L/B en cada laguna de una serie de mas de 3 lagunas ≈ 1
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Lagunas AnaeróbicasEs esencial una operación en condiciones estrictamente anaeróbicas, que se propicia lanzando
grandes cargas de DBO por unidad de volumen, haciendo que la tasa de consumo de oxigeno
sea mucho mayor que la tasa de producción.
La estabilizaciones lenta por el hecho de que la bacterias anaeróbicas se reproducen a una tasa
baja, que depende en gran medida de la temperatura, son usualmente profundas del orden de 4
a 5.0m, esto es importante porque limita la penetración del oxigeno producido en la superficie
a las zonas bajas. Por ser mas profundas el área superficial es menor.
La eficiencia de remoción de DBO es del orden del 50 al 60 %, lo que implica la necesidad de
un tratamiento posterior, sin embargo esto proporciona una substancial economía ya que elrequisito de área total es 2/3 del área de una laguna facultativa única
Su aspecto físico es de coloración negra o gris, cuando por efecto de una carga adecuada,
presentan condiciones de fermentación del metano. Se utilizan como una primera etapa en el
tratamiento de aguas residuales domésticas e industriales.
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LAGUNAS ANAERÓBIAS
Lodo
Aguas residuales
Sólidossedimentables
Zonaanaeróbia
Ácidos orgánicos CO2, NH3, H2S, CH4
H2S
Ausênciade O2
CHONPS Ácidos volátiles CH4 + CO2 + H2O
N Orgânico N Amoniacal
3
NO
2
NO2
N
2
4
SO )(2
2
S H S
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Fuente de carbono
CO2 Carbono Orgánico
Fuente
de
energía
Luz Solar Fotoautotróficos Fotoheterotróficos
Oxidacion de
compuestos
orgánicos e
inorgânicos
Quimioautotróficos
(Compostos
inorgánicos)
Quimioheterotróficos
(Compostos
orgánicos)
Microbiologia – Lagunas anaeróbias
Remoción de compuestos
orgánicos en estado soluble
coloidal y particulado
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Descripcióndel proceso
CH4 + CO2
H2 + CO2 ACETATO
Acidos orgánicos
Propano y buriatico, etc
Orgánicos complejos
Carbohidratos, proteínas, lípidos
Orgánicos simples
Azúcares, aminoácidos, péptidos
Bacterias fermentativas(hidrólisis)
Bacterias fermentativasacidogénesis
Bacterias metanogénicas
Bacterias acetogénicas
acetogenesis
Bacterias acetogénicas productoras de Hidrógeno
Bacterias acetogénicas consumidoras de H
Metanogénicas acetoclásticasMetanogénicas hidrogenotróficas
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Desventajas:
•
Sensibles a factores tales como:temperatura, variaciones bruscas de carga,
pH.
• Aspecto poco agradable debido a la
acumulación de natas.
• Efluente con alto contenido de materia
orgánica y color, Necesita otro tratamiento.
• Tasas de mortalidad bacteriana muy
reducida.
• posibilidad de malos olores ;
• Limpieza frecuente por la rápida
acumulación de sólidos.
Ventajas:
• Bajo Costo por su reducida área ;
• Ausencia de equipos mecánicos;
• reducidos costos de construcción y operación;
• Tratamiento de altas concentraciones;
• Eficiente para el tratamiento de desechos
industriales biodegradables.
Laguna anaerobia
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Parámetros de diseño Lagunas anaerobias
Temperatura media de la
laguna en el mes más frio °C
Tiempo de retención
Inicio de proyecto Final del proyecto
≤ 20 ≥ 4 ≤ 6
> 20 ≥ 3 ≤ 5
Tiempos e retención requeridos para lagunas anaerobias
Tiempo de retenciónse basa en el tiempo necesario para la reproducción de las bacterias anaeróbicas,
normalmente se estable entre 3 a 6 días. Con un tiempo inferior a 3 días puede ocurrir que latasa de salida de las bacterias metanogénicas sea menor que su tasa de reproducción y con untiempo mayor a 6 días podría funcionar como una laguna facultativa, que no es convenienteporque la producción de oxígeno es fatal para las bacterias metanogénicas.
Donde :t = tiempo de retención, en días;V = volumen de la laguna en m3 Qmed = caudal medio afluente, en m3/d
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TemperaturaLas reacciones físicas, químicas y bioquímicas que ocurren en las lagunas son muyinfluenciadas por la temperatura , este parámetro afecta el metabolismo de las bacteriasresponsables de la depuración, así como la solubilidad, transferencia de gases, condiciones de
mezcla y la fermentación del lodo especialmente cuando la temperatura esta por debajo de los17°C. Una de las condiciones básicas para que exista actividad anaerobia es que la temperaturasea mayor a 15°C.
Relación entre temperatura, tiempo den lagunas retención hidráulica, y eficiencia
en lagunas anaerobias.
Temperatura, °C TRH, días Remoción de DBO, %
10 – 15 4 – 5 30 – 40
15 – 20 2 – 3 40 – 50
20 – 25 1- 2 50 – 60
25 - 30 1- 2 60 - 80
Fuente: Yánes , 1992
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Area de la laguna AnaerobiaEl área puede estimarse mediante la ecuación siguiente:
Donde:A = área del nivel medio, en m2, Se recomienda sea < 5 ha;Q med = caudal medio afluente, en m
3/d;t = período de retención, en días;
h = profundidad útil, en m.
Profundidad de la laguna anaerobia La profundidad de las lagunas es elevada para garantizar lascondiciones anaerobias, los valores usualmente adoptados seencuentran en el rango siguiente:
H = 4.0 – 5.0m
Cuando no hay remoción previa de arena, la laguna debe serdotada de una profundidad adicional no menor a 0.50m, junto a
la entrada, extendiéndose por lo menos un 25% del área de lalaguna.
C i i CO
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Carga org nica Vo um trica COVEl área superficial no es importante en las lagunas anaerobias, pero si la profundidad. Por lotanto , las lagunas anaerobias se dimensionan en función de la carga orgánica volumétrica.La carga a ser adoptada depende de la temperatura, lugares más calientes permiten unamayor tasa. El considerar una carga volumétrica es importante especialmente en las
descargas industriales, porque puede variar bastante la relación entre a Caudal y laconcentración de DBO. Aquí el tiempo de retención seria inapropiado. Las tasas más usadasvarían entre 100 – 300 g DDO5/m
3.d. cargas mayores podrán adoptarse en desechos líquidosindustriales, si el contenido de sulfatos no excede 100mg/L. La carga orgánica volumétrica secalcula mediante las ecuaciones siguientes:
1.
2.
Donde:COV = carga orgánica volumétrica, en g DDO5/m
3.dSo = Concentración de DBO5 del afluente , g/m3 (= mg/L )Q med = caudal medio afluente, en m
3/d;A = área del nivel medio, en m2;
h = profundidad útil, en m;t = período de retención, en días.
V l ú il d l l (V)
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Volumen útil de la laguna (V)
Eficiencia de remoción de la DBO para lagunas anaerobias
Una vez estimada la eficiencia de remoción (E %), se calcula la concentración del efluente (S) dela laguna por medio de la ecuación siguiente:
S = Concentración de DBO en el efluente, mg/L
Temperatura media de la laguna en el
mes más frio °C
Eficiencia en la Remoción de DBO
≤ 20 ≤ 50
≥ 20 ≤ 60
Donde:V = volumen de la laguna, en m3 ;COT = carga orgánica total aplicada (soluble + particulada), en g DDO5/d. ;COV = Carga orgánica volumétrica, en g DDO5/m
3.d.
El Volumen adoptado debe satisfacer los dos criterios (Tiempo de retención y cargavolumétrica.
A l ió d l d l l bi
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Acumulación de lodos en las lagunas anaerobiasLa tasa de acumulación de lodo es del orden de 0.03 a0.04 m3/hab.año (Mendoca 1990). Laslagunas deben limpiarse obligatoriamente cuando la altura de lodo alcanza aproximadamente lamitad de la altura útil. Según la investigación de Okley en Honduras se puede usar una tasa de
acumulación de lodos entre 0.224 – 0.548m3
/1000m3
y se puede estimar la frecuencia delimpieza usando la relación siguiente:
Recirculación del efluente FinalLa recirculación del efluente de las lagunas facultativas o de maduración a la laguna anaerobiaes una medida para evitarla formación de malos olores, debido a que el efluente recirculadotiende a permanecer en la superficie de la laguna anaerobia porque tiene una mayor
temperatura. Los gases productores de malos olores como el H2S, son oxidados en esta capasuperficial aerobia. La tasa de recirculación (QR/Q) es del orden de 1/6.
Donde:
n = número de años de operación para la limpieza;FVL = fracción de la laguna ocupada por lodos (se utiliza 0.25 – 0.5);Va = volumen de la laguna anaerobia, m3;TAL = tasa de acumulación de lodos, m3/1000m3(se utiliza 0.6 con factor de
seguridad);Qmed = caudal promedio, m3/d.
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Ejemplo dediseño
Diseño laguna Anaerobia
Datos
No Descripción Simbolo Valor Unidad
1 Población P 20,000 hab.
2 Caudal medio Q 3,000 m3/d
3 Concentración de DBO5 So 350 mg/L
4 Temperatura T 23 °C
5 Carga Orgánica volumétrica adoptada COV 100 gDBO5/m3.d
6 Profundidad de laguna h 4.5 m
7 Número de Unidades N 2 adimensional
8 Eficiencia de remoción de DBO5 asumida E 50 %
9 Relación largo Ancho RLA 1 adimensional
10 Tasa de acumulación de lodos TAL 0.6 m3
/1000m3
11 Fracción de la laguna ocupada por lodo FVL 0.4 adimensional
12 Bordo Libre bl 0.5 m
13 Relación Interna taludes Rt 3 adimensional
Cálculos
No Carga Orgánica Total COT =Q*So/1000 1050,000 gDBO5/d
1 Volumen de la laguna V= COT/COV 10,500 m3
2 Volumen unitario de la laguna Vu = V/N 5,250 m3
3 Tiempo de Retención TRH = V/Q 3.5 días
4 Concentración de DBO5 en el efluente S =So - So*E/100 175 mg/L
5 Area media de la laguna A = Vu/h 1,167 m2
6 Ancho medio de la laguna b = (A/RLA)0.5
34 m
7 Largo medio de la laguna l = R*RLA 34 m
8 Tiempo entre l impieza de la laguna n= 1000*FVL*Va/(365*TAL*Qmed) 6.4 años
9 Volumen de lodo a remover VL = FVL*V 4,200 m3
Pedro E. Ortiz
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l f l
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Reacciones en lagunas facultativas
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PHD-2411 Saneamento I 22
Fuente de carbonoCO2 Carbono Orgânico
Fuente
de
energía
Luz Solar Fotoautotróficos Fotoheterotróficos
Oxidación de
compuestos
orgánicos einorgânicos
Quimioautotróficos
(Compuestos
inorgánicos)
Quimioheterotróficos
(Compuestos
orgánicos)
Microbiologia – Lagunas facultativas
Remoción de compuestos
orgánicos em estado soluble
coloidal y particulado
Producción de O2 ymanutención de condiciones
aerobias en la laguna
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Laguna Facultativa
Ventajas
Satisfactoria remoción de patógenos
Eficiente remoción de DBO.
Fácil de construir, mantener y operar.
No requiere equipamiento.
Satisfactoria resistencia a las variaciones
de carga.
Remoción de lodo espaciado entre 10 –
20 años.
Desventajas
Elevados requisitos de área.
La simplicidad de operación puede traer un
descuido en el mantenimiento.
Dificultad de cumplir con la normativa.
Posible necesidad de remover algas.
Posible crecimiento de insectos.
Es afectada por las condiciones climáticas.
Es afectada por los compuestos tóxicos.
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SISTEMAS DE LAGUNAS DE ESTABILIZACION
• Sistema Laguna anaerobia + facultativa
•Sistema Facultativa primaria
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Sistema laguna facultativa + maduración
Sistema laguna Anaerobia + facultativa + maduración
I fl i d l di i bi t l
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Influencia de las condiciones ambientales
Factor Influencia
Radiación solar • Velocidad de fotosíntesis
Temperatura
• Velocidad de fotosíntesis• Tasa de descomposición bacteriana• Solubilidad y transferencia de gases• Condiciones de mezcla
Viento• Condiciones de mezcla• Reaireación atmosférica
d l d é h d á l
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Modelos de régimen hidráulicosModelo Hidráulico Esquema Características
Flujo Pistón
La partículas entran continuamente en una
extremo del tanque, pasan a través delmismo y son descargadas en el otroextremo, en la misma secuencia en queentran, las partículas conservan suidentidad y permanecen un tiempo igual alde retención. Se logra en Tanques largos
Mezcla Completa
La partículas que entran en el tanque soninmediatamente dispersadas en todo elreactor, el flujo de entrada y salida escontinuo, las partículas dejan el tanque enproporción a su distribución estadística. Se
obtiene en tanque cuadrados o circulares.
Flujo Disperso
El flujo es arbitrario y se obtiene en unsistema con un grado de mezclaintermedio entre flujo pistón y mezclacompleta, en la realidad la mayor parte delos reactores trabajan así.
Parámetros Generales de diseño
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Parámetros Generales de diseño,Lagunas facultativas
Período de Diseño
Se recomienda usar períodos cortos y estudiar la modulación con implementación por etapasno mayores de 10 años ni menores de 5 años.
Caudal de Diseño
Será igual al caudal de aguas servidas domésticas, más el caudal de efluentes industrialespermitidos al sistema de alcantarillado y el caudal medio de infiltración. El caudal de
conexiones ilícitas no se considera por su naturaleza periódica.
Demanda Biológica de Oxígeno (DBO)
Es el parámetro de contaminación orgánica más ampliamente utilizado. Su determinación estarelacionada con la medición del oxígeno disuelto que consumen los microorganismos en elproceso de oxidación bioquímica de la materia orgánica.
Es importante su determinación para el dimensionamiento de la planta, cuando no se cuentacon datos locales o en un predimensionamiento se puede considerar un valor promedio entre200 y 300 mg/l .
Carga Orgánica Total
Es igual al producto del caudal por la concentración de la DBO.
Parámetros Generales de diseño
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Parámetros Generales de diseño,Lagunas facultativas
Número de Unidades
Por facilidades de operación y mantenimiento se recomienda un mínimo de 2 unidades enparalelo y para lograr mayores eficiencias dos unidades en paralelo
Forma de la laguna
Depende del sitio seleccionado para su ubicación, sin embargo se recomienda para lasprimarias la forma cuadrada o ligeramente rectangular( relación 2:1 ) y para las lagunas
secundarias donde el propósito es reducir patógenos es mejor tener lagunas largas conrelación 1: 4.
Profundidad
Para evitar el crecimiento de plantas acuáticas con raíces en el fondo, la profundidad debeestar por encima de 1.20 m, la profundidad debe variar entre 1.50 a 2.5 m.
Con poca profundidad debido a las altas temperaturas la capa de fango puede elevarse ovolverse séptica y producir malos olores. Una profundidad mayor reduce el área superficial.
Temperatura de diseño
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Temperatura de diseñoLas fluctuaciones diarias y las variaciones anuales de la temperatura influyen en los procesosbiológicos, físicos y químicos de las lagunas. Es un parámetro que se relaciona con laradiación solar y afecta tanto la velocidad de la fotosíntesis como el metabolismo de lasbacterias responsables de la depuración. Esos fenómenos son retardados por las bajas
temperaturas por esos el diseño debe hacerse con las condiciones de temperatura másadversas.
Por lo tanto para diseño de deberá utilizar la temperatura promedio mensual del agua en elmes más frio. En caso de no tener datos se puede utilizar la temperatura del aire que es másfácil de encontrar de la información meteorológica y utilizar para su conversión las
ecuaciones siguientes:
Lugar Ecuación r2 Referencia
Campina Grande Brasil (1978) Tagua= 10,966 + 0.611 Taire 0.744 Auerswald (1979)
Lima, Perú (1982) Tagua
= 10,443 + 0.688 Taire
0.828 Burgers (1982)
Lima , Perú (1982) Tagua= 9,336 + 0.780 Taire 0.831 Burgers (1982)
Melipilla Chile (1972) Tagua= 3,685 + 1.137 Taire 0.970 Vargas y Sánchez (1972)
Melipilla Chile (1982) Tagua= -0,236 + 1.404 Taire 1.000 Vargas y Sánchez (1972)
Amman, Jordania Tagua= 2,688 + 0.945 Taire 0.975 Yanez y Pescod (1988)
P f did d d l l f lt ti
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Profundidad de la laguna facultativaLa profundidad de la laguna es un balance entre el volumen y el área requerida,H=V/A , la tendencia ha sido a usar lagunas poco profundas, con profundidades
variando entre 1.5 –
3.0m.
Aspectos relacionados con la profundidad de la laguna
Seca 1.2m
Se pueden comportar totalmente aeróbicas Menos daño por condiciones ambientales
Area requerida elevada Menor área requerida
Penetración de la luz total La camada inferior permanece anaerobia
Máxima producción de algas, pH elevado Libera subproductos por digestión anaeróbica
Mayor remoción de patógenos Menor remoción de patógenosCrecimiento de vegetación emergente Permiten expansión futura (aireadores)
Afectada por variaciones de temperatura Mayor H, para almacenamiento de lodo
Tiempo de retención TRH
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Tiempo de retención, TRHEl criterio se fundamenta en que el agua residual permanezca el tiempo necesario para quelos microorganismos realicen la estabilización de la materia orgánica presente en la laguna.Se relaciona por lo tanto con la actividad de las bacterias.El tiempo requerido varia con las condiciones locales, especialmente con la temperatura ,
Generalmente se adoptan tiempos de detención variando entre 15 y 45 días. Los tiemposmenores se adoptan para lugares donde la temperatura del agua sea más elevada, con estose logra reducir el área de la laguna .Además de eso el TRH requerido es función de la cinética de remoción de DBO y del régimenhidráulico de la laguna, en lugares con aguas residuales concentradas el tiempo tiende a serelevado, El TRH es complementario con el la tasa superficial máxima , e sea que el área y elvolumen obtenidos deben ser coherentes .
El período mínimo para la eliminación de nematodos deberá ser de 10 días y para la remocióncompleta de microorganismos patógenos protozoarios y helmintos de 24 días.
El tiempo de retención puede ser usado de las dos formas siguientes:
Se adopta un tiempo de retención y se calcula el volumen (V = t*Q), con el área obtenidaen base a la carga superficial (A = COT/Csa) , se calcula h (h =V/A) para comprobar si seencuentra en el rango permitido.
Se adopta un valor de h, se calcula el área de laguna con el criterio de la carga superficial ,posteriormente se calcula el volumen (V = A*h), con el volumen se calcula el tiempo deretención (t = V/Q) . Con el tiempo se estima la concentración de DBO y si esta no satisfacela normativa , se deberá aumentar el tiempo de retención.
C S fi i l
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Carga SuperficialEste criterio se fundamenta en la necesidad de tener una determinada área en la lagunaexpuesta a la luz solar, para garantizar que el proceso de fotosíntesis ocurra,consecuentemente se produzca el crecimiento de las algas, que deberán producir una
cantidad de oxígeno suficiente para suplir la demanda, requerida para la estabilización de lamateria orgánica.
La tasa a ser adoptada varia con la temperatura local, latitud, exposición solar y altitud entreotros. En Brasil por ejemplo se han adoptado las tasas siguientes:
Autor Fórmula Observaciones
Mara (1995) Ls = 50*1.072T T = temperatura media del aire,en °C
Mara y Person (1996) Ls = 350*(1.107-0.002*T) (T-25)T = temperatura media del aguadel mes más frio, en °C
Rittman y Mc Carty, 2001 Ls = 69.731806*RsRs = radiación Solar en
kW/m2*d
Regiones con invierno caliente y elevada insolación COS = 240 – 350 kg DBO5/ha.d
Regiones con invierno caliente y moderada insolación COS = 120 – 240 kg DBO5/ha.d
Regiones con invierno frio y baja insolación COS = 100 – 180 kg DBO5/ha.d
Carga Superficial Máxima y de Diseño
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Carga Superficial Máxima y de Diseño Es la carga máxima que se puede aplicar a una laguna facultativa sin que se torne anaerobia, hasido determinada a través de mediciones de amoníaco y confirmada con mediciones declorofila, se expresa en Kg DBO/ha*día. Puede ser estimada por la expresión presentada por
Gloyna (1973) que se indica a continuación.
Para diseño podemos adoptar un a carga superficial con factor de seguridad un 20 % menosque el calculado.
20085.14.357 T m
Cs
Donde:T = temperatura del agua en
el mes más frio, en °C
Coeficiente de Remoción de DBO (K)
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Coeficiente de Remoción de DBO (K)El valor de coeficiente de remoción de DBO (K) fue obtenido por diferentes investigadores enlagunas existentes en función de la DBO de entrada y de salida el tiempo de retención y elmodelo hidráulico asumido. La mayor parte de los autores asumen el régimen de mezcla
completa por las razones siguientes:Los cálculos usando el modelo de mezcla completa son más simples;El dimensionamiento usando el modelo de mezcla completa brinda un factor deseguridad , ya que este reactor tiene una menor eficiencia.
Los valores más frecuentes adoptados para diseño usando mezcla completa están en el rangosiguiente: K = 0.30 a0.35d-1
Para diferentes temperaturas, el valor de K puede ser corregido a través de la ecuaciónsiguiente:
Donde:KT = coeficiente de remoción de DBO a la temperatura T °C del agua, en d-1;K20 = coeficiente de remoción de DBO a una temperatura del líquido igual a 20°C;
Ɵ = coeficiente de temperatura.
Diferentes valores de Ɵ son propuestos, Para K = 0.35 citado por EPA (1893) se debe adoptarƟ =1.085. para K = 0.30, citado por Silva y Mara (1979), se debe adoptar Ɵ =1.05. Sustituyendolos últimos valores resulta la siguiente ecuación.
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Coeficiente de dispersión
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Coeficiente de dispersiónEl número de dispersión , d, caracteriza las condiciones de mezcla en un reactor y puede serdeterminado por la ecuación presentada por Yánez (1988) , que se indica a continuación.
Donde:d = número de dispersión , adimensional;L = Longitud de la laguna , en m;B = ancho de la laguna, en m
Para L/B = 1 (laguna cuadrada) → d= 0.99362Para L/b = 2 (laguna rectangular) → d = 0.46497Para L/B = 3 (laguna rectangular) → d = 0.31173Para L/B = 4 (laguna rectangular) → d = 0.23566
Remoción de DBO
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Remoción de DBOAunque la cinética de remoción de DBO sea la misma para los diferentes regímenes hidráulicos,l a concentración de la DBO en el efluente varia, según la cinética de primer orden, la tasa deremoción es más elevada cuando la concentración de DBO es más elevada en la laguna.En función de los diferentes modelos hidráulicos, se tienen para la estimación de laconcentración en el efluente final de DBO soluble las formulas siguientes:
Régimen hidráulico EsquemaEcuación para la concentración
de DBO5 soluble en el efluente
Flujo Pistón
Mezcla Completalaguna única
Mescla completa
(lagunas iguales enserie)
Flujo Disperso
Correlaciones Empíricas de carga
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Correlaciones Empíricas de carga
Donde: CSa =carga superficial de DBO aplicada en kg/ha.d, calculada con la DBO total delafluente.
CSr = carga superficial de DBO removida en Kg/ha.d, calculada restando la carga deDBO soluble del efluente de la carga aplicada, en Kg/ha.d
DBO efluente soluble y particulada
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DBO efluente soluble y particuladaLa DBO afluente (So) es tomada como la DBO total (soluble más particulada), debido al hechoque los sólidos en suspensión orgánicos, responsables por la DBO particulada, seránconvertidos en sólidos disueltos, a través de enzimas lanzadas al medio por las bacterias, asíen principio toda la DBO estaría disponible para las bacterias. En cambio , la DBO total delefluente es causada por dos fuentes:
DBO remanente del tratamiento (DBOsoluble)
DBO causada por los sólidos en
suspensión en el efluente (DBOparticulada), estos sólidos sonpredominantemente algas(60 a 90%), quepueden o no ejercer alguna demanda deOxígeno en el cuerpo receptor.
Cada 1mg de algas genera una DBO5 en torno a0.45 mg, de esta forma , 1mg/L de sólido ensuspensión en el efluente es capaz de generaruna DBO5 en la faja de 0.6x0.45=0.3mg/L a0.9X0.45 =0.4mg/L.
1mgSS/L = 0.3 – 0.4 mgDBO5/L
Eficiencia en la remoción de DBO
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Eficiencia en la remoción de DBOLa eficiencia de remoción de DBO en el sistema puede ser calculado con la expresión siguiente:
Donde:E = eficiencia en remoción de DBO, en %So = concentración de DBO5 en el afluente, mg/LS= concentración de DBO soluble en el efluente, mg/L
Cuando las lagunas son en serie ytienen las mismas características yvolúmenes la eficiencia se puedecalculara de la manera siguiente:
Donde:En = Eficiencia en el conjuntoE1 = eficiencia en la primer
laguna, en decimales
Carga de coliformes fecales
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Carga de coliformes fecalesEn caso de no contar con análisis bacteriológicos que indiquen la concentración de ColiformesFecales, para el diseño de puede estimar la concentración mediante el procedimientosiguiente:
a) adoptar una producción de coliformes fecales por habitante igual a 4X1010
b) Calcular la carga de coliformes, multiplicando la producción per cápita de coliformes porel número de habitantes.
c) Calcular el caudal promedio afluente a la planta, m3
/d
d) Obtener la concentración de coliformes en el agua residual bruta
Ejemplo:
Población, P = 20,000hab
Caudal, Q = 3000 m3/d (3.0X103)Concentración de Coliformes , CF= 4X1010 /d.hab
Carga de coliformes, CCF = PXD = 20,000X4x1010 = 8.0X1014 CF/d
Concentración de Coliformes fecales , CCF = CCF/Q = 8.0X1014/3.0X103 = 2.7X1011 CF/m3
= 2.7x107CF/100ml
Coeficiente de mortalidad bacteriana
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Coeficiente de mortalidad bacterianaEl coeficiente de mortalidad del primer orden para coliformes fecales , es muy dependiente dela temperatura de la reacción y el tipo de laguna, León y Moscoso (1996) reportaron lassiguientes relaciones desarrolladas en los estudios de CEPIS en las lagunas de San Juan, en
lima Perú.Lagunas Facultativas
Primera laguna de Maduración
Segunda Laguna de Maduración
Para otras temperaturas , Kb puede ser corregido a través de fórmula siguiente:
Recomendad por Yánez =
Donde:T = temperatura del agua en °C
Kb = 1.1*1.07(T-20)
Cont. D. laguna
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Valores de KxT
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Coeficiente de mortalidad bacteriana
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En un estudio realizado en 33 lagunas facultativas y de maduración en Brasil, por Von Sperling ,se analizaron los regímenes de mezcla completa y flujo disperso, observándose que para mezclacompleta no existe ninguna relación significativa entre Kb y la profundidad (H) y el tiempo deretención (t), pero para flujo disperso si existe una relación, tal como se muestra en la ecuaciónsiguiente:
Para mezcla completa:
Para flujo Pistón
Von Sperling (1999) propuso una ecuación más simple para el número de dispersión , que daresultados muy parecidos a la ecuación de Yánez, que se indica a continuación
Coeficiente de mortalidad bacteriana
Concentración de coliformes en el efluente
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Concentración de coliformes en el efluente
Régimen hidráulico EsquemaEcuación para la concentración
de DBO5 soluble en el efluente
Flujo Pistón
Mezcla Completalaguna única
Mescla completa
(lagunas iguales enserie)
Flujo Disperso
La eliminación de patógenos e indicadores de contaminación fecal , sigue una cinética deprimer orden . De acuerdo con las reacciones de primer orden, la tasa de mortalidad depatógenos es proporcional a la concentración de patógenos en cualquier momento. Así
cuanto mayor sea la concentración de patógenos , mayor será la tasa de mortalidad.
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Parámetros de
diseñorecomendadospara Honduras
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Dimensionamiento de lagunas facultativas
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Dimensionamiento de lagunas facultativasArea de la LagunaEl área media (A)requerida se calcula con la siguiente ecuación:
Donde:A = área media de la laguna, en m2
So = concentración de DBO5 en el afluente, en mg/l;Qmed = Caudal promedio en, m3/d;Csa= Carga superficial adoptada, KgDBO5/ha.d
El área total requerida , incluyendo los taludes y el área de influencia es cerca del 25 y 33%mayor que el área liquida calculada a la altura media, según Arceivala (1991).
Volumen de la laguna
Para el calculo del volumen lo más sencillo es adoptar una profundidad (h)de la laguna quemultiplicándolo por el área (A) , da como resultado el volumen, tal como se indica en la
siguiente expresión:
Donde:V = volumen de la laguna, en m3
A = área media de la laguna, en m2 (se recomienda menor de 15ha)
h = profundidad útil de la laguna, en m
Volumen de la laguna
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El volumen de la laguna se puede calcular con la expresión desarrollada por la EPA (1983),que es realmente la ecuación para el volumen de un prismoide:
Donde:V = Volumen de la laguna, en m3 h = Profundidad de la laguna, en ml = largo de la laguna, en ma = ancho de la laguna, en m
i = Pendiente del talud interior , generalmente de 3/1
Volumen de la laguna
Tiempo de retención HidráulicaEl tiempo de retención hidráulica se calcula con la ecuación siguiente:
Donde :T = tiempo de retención en la laguna, en díasV = Volumen de laguna, m3
Q med = caudal medio afluente a la laguna, m3/d
Acumulación de lodos en laguna facultativa
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Acumulación de lodos en laguna facultativaLa acumulación de lodos en el fondo de la laguna afecta el funcionamiento de la laguna, debidoa que la disminución del volumen reduce el tiempo de retención. La acumulación anual parael caso de lagunas en Honduras según el estudio realizado por el Dr. Oakley, puede sercalculada mediante la siguiente ecuación:
Donde:VL = volumen de lodos producidos anualmente, m3/año
Q med = caudal promedio, m
3
/díaSS = sólidos suspendidos en el afluente, mg/L
Frecuencia de LimpiezaLa laguna deberá limpiarse cuando el volumen del lodo alcance un veinticinco por ciento (25%),del volumen total de la laguna, el tiempo estimado de limpieza se obtuvo dividiendo el volumenequivalente de lodo permitido, entre el volumen de lodo acumulado anualmente.
Donde:Fl = frecuencia de limpieza, añosV = Volumen de la laguna, m3 Vl = volumen de lodo acumulado, m3/año
Lagunas de Maduración
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Lagunas de Maduración
Introducción
Son frecuentes como tratamiento terciario después de una secuencia de lagunaje anaerobio +
facultativo, con el objeto de mejorar la calidad del efluente principalmente reduciendo laconcentración de patógenos, para lo cual su colocación en serie o con flujo pistón es más
efectiva .
Los factores que intervienen en el proceso son: Sedimentación, escasez de alimento, rayos
ultravioletas, predadores, competencia y toxinas producidas por algunas especies en el medio,
altas temperaturas y valores de pH.
Los principales parámetros de diseño para una carga dada son el régimen hidráulico adoptado y
el tiempo de retención.
El régimen hidráulico tiene una gran eficiencia en la remoción de coliformes, en orden
descendente la eficiencia es la siguiente:
Flujo pistón
Lagunas en serie
Flujo disperso
Mezcla completa
Ã
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LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO
Esgoto
Vento
Mistura e reaeraçãoO2
Zonaaeróbia
CO2
O2 CO2
Bactérias
Algas
NH3, PO4, etcNovas células
Células mortas
NH3, PO4, etcNovas células
O2
Produçãodurante o dia
Decaimento bacteriano
Microbiologia – Lagunas de maduración
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Fuente de carbono
CO2 Carbono Orgánico
Fuente
de
energia
Luz Solar Fotoautotróficos Fotoheterotróficos
Oxidación de
compuestos
orgánicos einorgânicos
Quimioautotróficos
(Compuestos
inorgánicos)
Quimioheterotróficos
(Compuestos
orgánicos)
Microbiologia Lagunas de maduración
Remoción de compuestos
orgánicos em estado soluble
coloidal y particulado
Produción de O2 ymantenimiento de condiciones
aeróbias en la laguna
Coeficiente de remoción de Coliformes Fecales
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Coeficiente de remoción de Coliformes FecalesExisten varias ecuaciones empíricas para la estimación del coeficiente de remoción de C. Fecal,sin embargo se siguiere emplear el propuesto por Yánez (1993).
Autor Ecuación
Slanetz/Marais (1970)
Arceivala (1981)
Sáenz (1992)
IMTA (1992)
Yánez (1993)
Métodos de dimensionamiento
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Métodos de dimensionamientoMétodo basado en el período de retención.
La lagunas de maduración siempre se dimensionan con mamparas o en serie en estecaso todas deben tener las mismas dimensiones. Mara (1976) sugiere una caudalmáximo del efluente de cada serie de lagunas de maduración debe ser menor que5,000m3/d y preferiblemente menor que 2,500m3/d, Según WHO/EMRO (1987), elperíodo de retención de las lagunas de maduración varía entre 3 y 10 días para dos omás lagunas en serie. Para una laguna de maduración el tiempo de retención debe serigual o mayor a 5 días.
La cantidad de coliformes fecales (CF) que salen en el efluente de un sistema delagunas en serie puede calcularse con la expresión siguiente:
Donde:N = número de coliformes fecales en el efluente, en CF/100ml;No = número de coliformes fecales en el afluente, en CF/100ml;Kb = coeficiente de remoción de coliformes fecales, días-1
t = tiempo de retención en la laguna, en días;n = número de lagunas de maduración
Diseño, usando el método de flujo disperso
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Diseño, usando el método de flujo disperso El número de dispersión se estima adoptando una relación largo ancho (L/W) por medio e laecuación propuesta por Yánez.
El coeficiente de reducción bacteriana, Kb, puede estimarse por medio de la ecuaciónsiguiente:
El coeficiente a después de haber establecido el tiempo de retención, t, se estima por medio
de la expresión siguiente:
La ecuación para estimar la cantidad de coliformes fecales puede simplificarse de d < 0.25,por la expresión siguiente:
Que puede simplificarse si d< 0.25, en la expresión siguiente:
Kb = 1.1*1.07(T-20)
Parámetros de diseño para lagunas de Maduración
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p g
Carga superficial < 75% de la última laguna facultativa
preferible < 20 Kg DBO h/día
Profundidad = 0.80 - 1.5 m
Tiempo de retención = entre 3 - 6 días
Régimen hidráulico = pistón
Arreglo del sistema = En serie
Coeficiente de decaimiento bacteriano, Kb = 0.917*H-0.877* t -0.329
Bables
Lagunas en serie
Regímenes hidráulicos idealizados
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gCon el fin de obtener una elevada remoción de coliformes, usualmente es requerida ynecesaria la adopción de lagunas en serie o preferible de una laguna con flujo pistón, el cualse obtiene con números de dispersión (d) abajo de 0.3 y preferiblemente de 0.1, que se
alcanzan cuando la relación largo a ancho (L/B) es superior a 5. para obtener esta relación sepueden dividir las lagunas con mamparas internas, que pueden ubicarse en forma paralela alancho (B) o paralelas al largo (L). Para el calculo de la relación L/B pueden emplearse lasfórmulas siguientes:
Divisiones paralelas al largo B.
Divisiones Paralelas al largo L.
Donde:L = largo de la lagunaB = ancho de la laguna
n = número de divisiones internas
Remoción de huevos de Helmintos
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Modelo de Ayres
]0,14.e[1.100E 0,38.t)(
]0,41.e[1.100E )0,0085.t0,49.t(2
Eficiência média:
95% de confiança:
EFICIÊNCIA DE REMOÇÃO DE OVO S DE HELM INTOS
0 ,0
1 ,0
2 ,0
3 ,0
4 ,0
5 ,0
6 ,0
0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 16 1 8 2 0 2 2 2 4 2 6 2 8 3 0
T e m p o d e d e t e n ç ã o h i d r áu l ic a (d )
U n i d a d e s l o
g
r e m
o v i d a s
V a lo re s mé d ios
9 5 % d e c o n f ia n ç a
OMS (irrigación):
< 1 huevo/L
Los huevos de helmintos se remueven por medio de sedimentación. Normalmente la mayoría seelimina en la laguna anaerobia o en la facultativa. Se estima que el agua residual domesticacruda contiene menos de 1,000 huevos de nematodos intestinales húmedos por litro.
Lagunas Aireadas
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g
Lagunas aireadas de mezcla completa
En estas lagunas se mantiene la biomasa en suspensión, con un alta densidad de energía instalada( >15
W/m3). Son consideradas como un procesos incipiente de lodos activados sin eliminación y recirculación
de lodos y la presencia de algas no es aparente.
la profundidad en este tipo de lagunas varia entre 3 y 5 m y el período de retención entre 2 y 5 días. Se
recomienda el uso de aireadores de baja velocidad de rotación.
Son empleadas generalmente como primera unidad de un sistema, en casos donde la
disponibilidad de terreno es limitada o para el tratamiento de desechos domésticos con
altas concentraciones y desechos industriales, son muy utilizadas en climas fríos.
El efluente es de buena calidad si se coloca seguidamente una laguna de decantación.
Tipos de lagunas
Lagunas aireadas de mezcla completa.
Lagunas aireadas facultativas.
Laguna facultativa con agitación mecánica. Laguna de oxidación aireada.
Los dos primeros tipos de lagunas, deben ser complementadas con lagunas facultativas diseñadas con la
finalidad de tratar el efluente de la laguna primaria, asimilando una gran cantidad de sólidos en
suspensión.
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Ventajas
• Construcción, Operación y manutención simplesen comparación con aireación extendida o lodos
activados.
• Menores requisitos de área que todos los sistemas
de lagunas.
• Mayor independencia de las condiciones
climáticas.
• Buena eficiencia para remoción de DBO.
• Satisfactoria resistencia a las variaciones de
carga.
• Reducidas posibilidades de malos olores
Desventajas
• No es eficiente para remover patógenos
• Necesidad de equipamiento
• Requisitos de energía relativamente altos
• Requisitos de área todavía elevados
• Operación más complicada que en lagunas
anaerobicas y facultativas.
• Necesidad de remover el lodo en forma contínua
o periódica.
Lagunas aireadas de
mezcla completa y
laguna de decantación
ó d ól d
Parámetros de diseño
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Remoción de sólidos en
lagunas aireadas
La remoción de sólidos en suspensión de las
lagunas aireadas debe hacerse con
decantación, generalmente se utilizan
lagunas de decantación.
Un tiempo de retención mayor de 1 día, para
sedimentación de sólidos en suspensión.
El volumen para acumulación de lodos debe
calcularse separadamente. Los dispositivos de
entrada y salida deben evitar al máximo el
aparecimiento de zonas muertas.
Para evitar el crecimiento de algas, se
recomienda un tiempo de detención menor de
2 días.
En lugares calientes debe tener la posibilidad
de trabajar a nivel variable, de modo de
mantener un tiempo de retención próximo a
un día.
Para el control de olores una altura entre 1 y 2
m de agua debe mantenerse sobre el lodo.
La profundidad de la laguna varia
normalmente entre 3 y 5 m.
Se estima que entre el 40 y 60 % de los
sólidos volátiles son degradados cada año en
la lagunas
MODULO DE TRATAMIENTO Y USO
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MODULO DE TRATAMIENTO Y USO
100 l/s
50,000 hab.
vvvvvvvvvvvvvvv
vvvvvvvvvvvvvvv
vvvvvvvvvvv
vvvvvvvvvvvvv
vvvvvvvvvvv
FORESTACIÓN
(40 ha)
(9 ha)
HORTALIZAS
(17 ha)
ACUICULTURA
(9 ha)
FORRAJES
(24 ha)
CEPIS/OPS
4,400 kg/ha
Sin alimentación
suplementaria
Reuso de agua en agricultura, El Zamorano
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g g ,
Plantación de frijoles
Riego de maíz y frijoles
Elaboración de Compost
El agua y su valor como fertilizante son importantes.
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El agua y su valor como fertilizante son importantes.
• Ahorro fertilizantes – 225 kg nitrógeno – 45 kg fósforo – EUA $ 135/Ha
• Menos tiempo para cosecha – (hasta 3 cosechas anuales)
• Mejor producción por Hectárea – 28% Trigo –
30% Papa – 42% Algodón – 47% Arroz – 200% Tomate – 250% Maíz
Potencial de Calentamiento Global
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Fuente: