UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL Facultad de Ingeniería Química Maestría en Ingeniería Ambiental T E S I S Previa a la obtención del Título de Magister TEMA: MODELACION DINAMICA DE LAS LAGUNAS DE OXIDACION DE LA CIUDAD DE PORTOVIEJO Autor: Ing. Qco. José Guillermo Cárdenas Murillo Tutor: Ing. David Matamoros C. PhD Junio 2012 71 UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL Facultad de Ingeniería Química Acta de Aprobación TEMA: MODELACION DINAMICA DE LAS LAGUNAS DE OXIDACION DE LA CIUDAD DE PORTOVIEJO Tesis presentada por Ing. Qco. José Guillermo Cárdenas Murillo Aprobada en su estilo y contenido por Ing. Qco. José Quiroz Pérez Decano Ing. Qco. Carlos Muñoz Cajiao Director de la Maestría Ing. Qco. Raúl Serrano Carlín MsC Miembro delegado-docente Ing. David Matamoros C. PhD Docente-tutor 71 LA RESPONSABILIDAD DEL PRESENTE TRABAJO EN TODO SU CONTENIDO CORRESPONDE EXCLUSIVAMENTE AL AUTOR. LA UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL PUEDE HACER USO DE LOS DERECHOS CORRESPONDIENTES A ESTE TRABAJO, SEGÚN LO ESTABLECIDO POR LA LEY DE PROPIEDAD INTELECTUAL POR SU REGLAMENTO Y SU NORMATIVA INSTITUCIONAL ING QCO. . JOSE GUILLERMO CARDENAS MURILLO 71 AGRADECIMIENTO A Dios por su misericordia infinita, al permitirme gozar de salud física, mental y espiritual, requisitos indispensables para culminar mi trabajo. A mi tutor Dr. David Matamoros por sus acertados consejos Al personal técnico de la Dirección de Medio Ambiente del Municipio de Portoviejo, por su ayuda oportuna y desinteresada. 71 DEDICATORIA A mi madre Piedad Murillo, por su amor y dedicación eternos A mi suegra María Cevallos por sus constantes oraciones A mi esposa Pady Delgado por su paciencia y apoyo infinito A mis hijos Bianca y José Daniel, por ser lo que quiero en esta vida 71 TABLA DE CONTENIDOS RESUMEN Reconocimientos Tabla de contenidos Lista de figuras Lista de tablas CAPÍTULO 1 INTRODUCCION Resumen Introducción 1.2 Tratamiento de las aguas residuales municipales a nivel nacional 1.3 Justificación de la investigación CAPITULO 2 OBJETIVOS 1. Objetivos del anteproyecto de tesis 2.1 Objetivo General 2.2 Objetivos Particulares CAPÍTULO 3 DESCRIPCION DEL AREA DE ESTUDIO 2. Descripción del área de estudio 3.1 El cantón Portoviejo 3.2 Reportes promedios de la calidad del agua que procesa la planta i ii iii iv iiv 7 8 14 14 14 15 15 19 CAPÍTULO 4 SISTEMAS DE TRATAMIENTO POR LAGUNAJE 4.1 Antecedentes históricos del lagunaje 4.2 Clasificación de los sistemas de lagunaje 4.3 Mecanismos biológicos que intervienen en el proceso 4.4 Aplicaciones de la cinética al tratamiento biológico 21 22 26 34 CAPÍTULO 5 DESCRIPCION DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO 5.1 Ubicación de las instalaciones 38 5.2 Descripción del sistema de tratamiento 39 71 CAPITULO 6: MODELACION DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO 6.1 Generalidades 6.2 Modelos Empíricos de lagunas de estabilización 6.3 Estructura del modelo propuesto 6.4 Planteamiento de los balances de sustrato y biomasa 6.5 Modelación de la laguna Facultativa 6.6 Modelación del sistema lagunar 48 52 54 61 63 67 CAPITULO 7 : SIMULACION DE LA LAGUNA AIREADA 7.1 Alternativas a Matlab estudiadas 7.2 Metodología de trabajo 7.3 Desarrollo matemático del modelo propuesto 7.4 Simulación del comportamiento de la laguna aireada 7.5 Comparación de los datos obtenidos y validación del modelo 7.6 Análisis de los Resultados 72 73 80 81 87 90 CAPITULO 8 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFIA ANEXOS Anexo A : gráficos de simulación de las lagunas aireadas Anexo B : Análisis de laboratorio de las lagunas 93 95 99 99 105 71 LISTA DE FIGURAS Fig. 1.1 Mapa político Administrativo del cantón Portoviejo Fig. 1.2 Esquema General de las Lagunas de Estabilización de Picoazá Fig. 1.3 Vista General de las lagunas Fig. 3.1 Boletín Meteorológico de Julio- precipitación en Portoviejo Fig. 3.2 Temperaturas en la región de estudio Fig. 4.1 Ecosistema presente en una laguna facultativa Fig. 4.2 Laguna aireada de mezcla completa Fig. 4.3 Ecosistema acuático Fig. 4.4 gráfico de µ vs. S Fig. 4.5 Inversa de la ecuación de Monod Fig. 5.1 Ubicación de las lagunas dentro del cantón Portoviejo Fig. 5.2 Vista aérea de las lagunas de Picoazá Fig. 5.3 Llegada del agua residual al sistema de desbaste Fig. 5.4 Sistema de bombeo Fig. Cámara de ingreso del agua residual Fig. 5.6 Distribuidor de las aguas que ingresan a las lagunas Fig. 5.7 Características de las lagunas aireadas Fig. 5.8 Lagunas facultativas Fig. 5.9 Vista general de las lagunas de pulimento Fig. 5.10 Descarga final de las lagunas Fig. 5.11 Ubicación de la salida de las descarga al rio Portoviejo Fig. 6.1 Esquema del modelo planteado Fig. 6.2 Laguna aireada de mezcla completa Fig. 6.3 Lagunas aireadas de Portoviejo Fig. 7.1 Temperatura promedio de las lagunas aireadas Fig. 7.2 Temperatura de las lagunas facultativas Fig. 7.3 Perfil de Oxígeno en las lagunas aireadas Fig. 7.4 Perfil de Oxígeno en las lagunas facultativas Fig. 7.5 Monitoreos de DQO en las lagunas aireadas Fig. 7.6 Monitoreos de DQO en las lagunas facultativas Fig. 7.7 Canal de ingreso del agua a las lagunas Fig. 7.8 Monitoreo de caudal en las lagunas Fig. 7.9 Primera simulación del modelo 82 71 Fig. 7.10 Segunda simulación del modelo Fig. 7.11 Tercera simulación del modelo Fig. 7.12 Cuarta Simulación del modelo Fig. 7.13 Quinta simulación del modelo Fig. 7.14 Sexta Simulación del modelo Fig. 7.15 Séptima simulación del modelo Fig. 7.16 DQO medido en el laboratorio de las lagunas Fig. 7.17 DQO modelado Fig. 7.18 Gráfica de los valores DQO medido vs DQO modelado 83 84 85 86 87 88 89 89 90 LISTA DE TABLAS Tabla 1.1 Situación de las aguas residuales en el Ecuador Tabla 3.1 Resumen de muestreos de las aguas de las lagunas Tabla 5.1 Georeferenciación del área de estudio Tabla 5.2 Dimensiones de la laguna facultativa Tabla 5.3 Dimensiones de la laguna de pulimento Tabla 6.1 Matriz de Petersen para la laguna aireada Tabla 6.2 Matriz de Petersen para la laguna facultativa Tabla 6.3 Resumen de las ecuaciones que utiliza el modelo Tabla 6.4 Constantes utilizadas en el modelamiento de las lagunas Tabla 7.1 Parámetros principales del sistema de lagunaje Tabla 7.2 Temperatura de las lagunas Tabla 7.3 Oxígeno disuelto en las lagunas Tabla 7.4 Monitoreos en las lagunas de oxidación Tabla 7.5 Monitoreos de caudal en las lagunas Tabla 7.6 Datos de aporte de caudal en las lagunas Tabla 7.7 Cálculo del coeficiente de correlación 13 21 39 45 47 71 NOMENCLATURA Q V h m ρ o C o K mm %H mg l O2 SST SS SSV DBO5 DQO N2 P µm S Ks dX/dt Y dS/dt Kd X Kt TRH pH rg XV,a rd rsu Caudal volumétrico, l/h Volumen, m3 Altura, m Masa, kg Densidad, kg.m-3 Grados centígrado, temperatura Grados Kelvin absolutos, temperatura milímetros Humedad Relativa, % Miligramos, 0.001 gramos litros Oxígeno disuelto, mg/l Sólidos Suspendidos Totales, mg/l Sólidos sedimentables, ml/l Sólidos Suspendidos Volátiles, mg/l Demanda Bioquímica de Oxígeno, mg/l Demanda Química de Oxígeno, mg/l Nitrógeno Total Fósforo Total Tasa máxima de crecimiento, tiempo-1 Concentración del sustrato en solución, mg/l Constante de saturación, mg/l Tasa de crecimiento de biomasa, mg/l-s Capacidad de crecimiento de la biomasa, m/m Tasa de utilización de sustrato, mg/l-s Coeficiente de decaimiento bacteriano Concentración de la biomasa Constante de Arrhenius modificada Tiempo de retención hidráulica, tiempo Potencial de Hidrógeno Velocidad de crecimiento de la biomasa g SSV/m3-d Concentración de SSV en la laguna Tasa de decaimiento de la biomasa, g SSV/m3-d Velocidad de utilización de sustrato, g DBO5/m3-d 71 RESUMEN La ciudad de Portoviejo cubre aproximadamente el 80% de la demanda de agua potable de sus habitantes, para el tratamiento de sus agua s residuales municipales, dispone de un sist ema de tratamiento por lagunaje. Con la extensión de las redes de alcantarillado, realizadas en el año 2010 y 2011, se estima un aumento de l 20-25% de los caudales que actualmente procesa la planta de tratamiento. Un modelo matemático, basado en una cinética de primer orden, compuesto por dos ecuaciones diferenciales ordinarias no lineales, permitirá predecir la concentración del sustrato a diferentes caudales. El modelo predictivo fue correlacionado con datos de laboratorio, tomados en muestreos compuestos, durante el primer trimestre del año 2011. Los resultados se muestran en gráficos sinusoidales, realizados en el entorno de un programa realizado en Matlab. 71 1. INTRODUCCION La ciudad de Portoviejo es la cabecera del cantón del mismo nombre y capital de la provincia de Manabí, se ubica en el sector centro -sur de la provincia, a aproximadamente 30 km del Océano Pacífico y a 36 km al noreste de la ciudad -puerto de Manta. Su ubicación ge ográfica corresponde a “87 o 27’ Oeste y 0 o grados 3’ Sur”. El entorno urbano de Portoviejo comprende las siguientes parroquias: Andrés de Vera, 12 de Marzo, 18 de Octubre, San Pablo, Cristóbal Colón y Picoazá. La ciudad de Portoviejo se encuentra en una región bioclimática que corresponde a la clasificación de Subdesértica Tropical según la caracterización de Holdrigde. El río Portoviejo drena un área de 2076 km 2 . La cuenca está constituida por 48 subcuencas, constituye el principal recurso hidrológico en relación con la ciudad de Portoviejo y es el receptor de todas las aguas de una cuenca de 157 km 2 que en su parte superior se embalsan en la presa Poza Honda y a lo largo de su recorrido recibe las de numeroso s afluentes con una descarga anual de 150 hectómetros cúbicos como promedio. 1 Sistemas de Agua Potable Portoviejo dispone de una planta de potabilización que produce diariamente entre 25.000 a 30.000 m 3 /día, si consideramos una media de 200.000 habitantes servidos, estamos hablando de una do tación media por habitante de 100 a 12 0 litros/día. 2 Sistemas de Alcantarillado Portoviejo cuenta con un sistema de alcantarillado sanitario y pluvial que fue construido en los años sesenta del siglo pasado en el á rea central y que actualmente se lo está ampliando para cubrir sectores importantes de la ciudad. Los nuevos sectores q ue serán incluidos en esta etapa son: Autopista del Valle, ciudadelas Municipal, Forestal, Los Olivos, calle 8 de 71 Fig. 1.1Mapa Político Administrativo del cantón Portoviejo 3 71 Diciembre en la ciudadela El Progreso, calle Powell de la ciudadela Fátima, calle Trífido Escobar, sector El Puño, sector Colinas del Sol, calle 28 de Junio y Quebradita de la parroquia San Pablo, calle 12 de Marzo, sector Mirador de la avenida Guayaquil, calle Che Guevara y Antonio Segovia de la ciudadela Briones, calle Mariscal de Ayacucho, ciudadela El Progreso (subida a Cimarrón), prolongación de la calle Miguel H. Alcívar desde la Primero de Mayo hasta la terminación de Las Lomas, callejón Robles, Jua n León Mera y Jaime Roldós en la ciudadela Margarita. 4 1.1 Sistema de Tratamiento de las Aguas Residuales Municipales La ciudad de Portoviejo cuenta con un sistema de alcantarillado separado, constituido por una red sanitaria de aproximadamente 35 km de colectores principales y secundarios, y otra red pluvial de alrededor de 40 km de colectores principales y secundarios. El sistema de alcantarillado sanitario conduce las aguas servidas hasta la planta de tratamiento de Picoazá. 5 La cobertura del sistema de alcantarillado llega a 85% 6. Sus efluentes son conducidos a través de un emisario hasta la planta de tratamiento ubicada al noroeste de la ciudad, junto a la cabecera norte del aeropuerto. El sistema de tratamiento consiste en una estación de bombeo y cuatro lagunas de estabilizaci ón. En primera instancia el efluente ingresa a la laguna 1 (aireada mecánicamente), y pasa por un vertedero hasta la laguna 2, desde donde pasa el líquido por desniveles hacia las dos lagunas restantes, facultativa y de maduración respectivamente . Por otro lado, debido a la deficiencia hídrica existente en la zona, los terrenos aledaños a las lagunas son regados con una parte del efluente de la laguna 4. Para el efecto, esta laguna cuenta con dos sitios de descarga, desde donde el agua es conducida a trav és de canales de tierra construidos por los agricultores del sector para el riego de sembríos de maíz, tomate y pimiento. 71 No obstante, no existe información que dé cuenta de las áreas regadas con este tipo de aguas. Por ello, se estima que las mismas tendrían una extensión aproximada de 80 H a. de las 200 Ha. que potencialmente se regarían con aguas residuales tratadas, por lo que se puede considerar esta práctica como una experiencia piloto. La segunda etapa del alcantarillado sanitario prevé que la aportación de aguas residuales al sistema de tratamiento ac tual, incremente su carga orgánica en aproximadamente 1.000 kilos de DBO 5 7 por día, una vez que ingresen al sistema los nuevos aportes [aproximadamente en 12 meses]. Fig.1.2 Es que ma G e n e ra l de l a Lag unas de Es tabi li za ci ón de P ic oa zá . Fuente: Empresa de Agua Potable y Alcantarillado de Portoviejo Si consideramos, que las actuales lagunas presentan deficiencias en su control y operación, es necesario realizar una evaluación de las cargas que ingresan al sistema, para determinar la real capacidad de depuración. Resumiendo, el objetivo de este anteproye cto de tesis consiste en proponer un modelo matemático, que sirva para mantener y co ntrolar el proceso en la fase de operación y realizar ampliaciones futuras, 71 tendientes a optimizar el proceso, específicamente en las lagunas aireadas. 1.2 TRATAMIENTO DE LAS AGUAS RESIDUALES MUNICIPALES A NIVEL NACIONAL De acuerdo al Banco Mundial, más de 300 millones de habitantes de ciudades en Latinoamérica (2 0 08 ), produce 225.000 toneladas de residuos sólidos cada día. Sin embargo, menos del 5% de las aguas de alcantarillado de las ciudades reciben tratamiento 8. Con la ausencia de tratamiento, las aguas negras por lo general son vertidas en aguas superficiales, creando un riesgo obvio para la salud humana, la ecología y los animales. En Latinoamérica, muchas corrientes son receptoras de descargas directas de resid uos domésticos e industriales. A nivel nacional de ac uerdo a estudios realizados por el MIDUVI y la AME, se desprende que el 53,1% de la población urbana estaba conectada al sistema de alcantarillado, cuyas aguas residuales apenas eran tratadas en 24,6%, de acuerdo con el detalle mostrado en la siguiente tabla. En lo que respecta al reuso de aguas residuales, sean éstas tratadas o no , existe información oficial solamente a nivel urbano . Tabla # 1.1 Si tua ci ón d e las agu as re sidu a le s e n e l E cua d o r Población 2007 2015 Urbano 8’580.000 11’o80.000 Rural 4’742.827 5’o30.000 Total 13’322.917 16’110.000 Disposición de excretas % Tratamiento de aguas residuales domésticas[%] EDAs Indicadores de Salud Mortalidad Desnutrición infantil 2007 M.N. 2007 M.N. 2006 2006 2006 52.0 85.0 24.0 34.0 23.1 12.7 n.d 31.0 70.0 n,d n.d 27.7 26.1 n.d 51.0 80.0 n.d n,d 25.0 18.0 24.8 M.N. = meta nacional/ n.d. = no disponible Fuentes: AME/MIDUVI/SIISE/2008 71 Se considera que a nivel nacional la cobertura media de agua potable es de 70% a nivel urbano, y que la dotación media ponderada es de 200 l/hab-día. De este caudal se estima que solamente el 5% reciben tratamiento, por lo que es prioritario implementar siste mas, los cuales en conjunto podrían utilizarse para riego. Esto permitiría mejorar las condiciones sanitarias de muchos sectores del agro ecuatoriano, en donde es práctica común el uso de a guas servidas, en forma directa o indirecta. 9 A nivel del cantón Portoviejo, el sistema de alcantarillado sanitario en el área urbana llega a 85% mientras que en el área rural alcanza sólo el 27%, situación que demuestra la poca atención que el área rural recibe del gobierno nacional y local. ( I NE N ce ns o 20 0 1 ) 1.3 JUSTIFICACION DE LA INVESTIGACION El siguiente anteproyecto de tesis de grado será desarrollado en la ciudad de Portoviejo, en la parroquia urbana Picoazá, sector donde se encuentran las lagunas de oxidación , del Sistema de Tratamiento de las Aguas Residuales Municipales de la ciudad. La problemática actual por los bajos niveles de remoción del sistema, así como la futura aportación de cargas y caudales prevista para inicios del año 2010-2011, justifican la realización de una evaluación y caracterización integral del sistema. La obtención de estos resultados permitirá desarrollar un modelo ambiental que permita la opera ción y optimización del proceso, en las lagunas aireadas. Fig. 1.3 Vista general de las lagunas 71 2 . OBJETIVOS DEL ANTEPROYECTO DE TESIS 2.1 OBJETIVO GENERAL Desarrollar un modelo que represente de manera razonable la dinámica del sistema y de los procesos que intervienen en lagunas de estabilización aireada, así como la estimación con el menor margen de error de la calidad final de su efluente. 2.2 OBJETIVOS PARTICULARES - Determinar la eficiencia actual de depuración biológica , y el análisis general del funcionamiento de la p lanta de tratamiento compuesta por 3 lagunas de estabilización. - Caracterizar el ingreso y salida de las lagunas realizando mediciones de caudal y de parámetros fisicoquímicos. - Determinar la magnitud de la cinética de abatimiento de materia orgánica. - Utilizar un Modelo matemático que pueda ser utilizado en la Optimización y el Cont rol de la Operación del Sistema aireado y facultativo. - Realizar pruebas cualitativas y cuantitativas determinar la eficiencia del modelo propuesto. que permitan 71 3. DESCRIPCION DEL AREA DE ESTUDIO La provincia de Manabí, tiene una superficie de 18.878,8 km 2 , que alcanza aproximadamente el 7% del territorio nacional, y el 30% del área de las 4 provincias costaneras del país. La extensión de las costas de Manabí alcanza los 350 Km., que corresponde al 3 2% del total del perfil costanero del Ecuador. El Cantón Portoviejo es uno de los 22 cantones de la provincia y se encuentra situado en el centro de la misma. 10 3.1 EL CANTÓN PORTOVIEJO Portoviejo es la capital provincial y centro de manifestaciones políticas y culturales de Manabí. La cabecera cantonal es conocida como la ciudad de los Reales Tamarindos, porque , en una determinada época, se plantaron y crecieron los más frondosos árboles de esta fruta. Está ubicado en el centro de la provincia, circu ndado por los cerros de Bálsamo y de Hojas. 11 El primero separa las cuencas hidrográficas de Portoviejo y Chone, y está cubierto de ceibos y guayacán. El cerro de Hojas separa a Portoviejo de Montecristi. También forman parte de Portoviejo las montañas de Alajuela y San Plácido, y el cerro de Jaboncillo, que están cubiertos por bosques secos y espinosos. 3.1.1 La ciudad de Portoviejo La ciudad de Portoviejo es la cabecera del cantón del mismo nombre y capital de la provincia de Manabí, se ubica en el sector centro-sur de la provincia, a aproximadamente 30 km del Océano Pacífico y a 36 km al noreste de la ciudad -puerto de Manta. Su ubicación geográfica o corresponde a 87 grados 27’ Oeste y 0 grados 3’ Sur. Ocupa la parte central del valle medio del río Portoviejo entre las colinas de El Cementerio y de Andrés de Vera y su crecimiento urbano se ha 71 realizado de Sur a Norte sobre el mencionado valle y hacia el oeste sobre la carretera que conduce a Manta. El entorno urbano de Portoviejo comprende las siguientes parroquias: “Andrés de Vera, 12 de Marzo, 18 de Octubre, San Pablo, Cristóbal Colón y Picoazá” 3.1.2 Climatología de la zona La ciudad de Portoviejo se encuentra en una región bioclimática que corresponde a la clasificación Subdesértica Tropical según la caracterización de Holdrigde. De acuerdo a datos publicados por el Inamhi, en su anuario del 2009 -2010, el “período de lluvias” se extiende entre enero y abril, el resto del año es casi totalmente seco. La pluviosidad media anual es de aproximadamente 450 mm con fluctuaciones entre 300 y 600 mm, salvo casos de anomalías climáticas como los dos último s Fenómenos de El Niño (1982 -1983 y 1997-1998) en los que las precipitaciones se prolongaron durante un año, sobrepasando los 2.000 mm. 12 Fig. 3.1 B o le tín Me te or o l ógic o -J uli o 2 011 /F ue n te Ina mhi 20 11 La humedad relativa media anual es del 72 %, con valores mayores y mínimos, en íntima relación con las épocas lluviosa y seca. La evaporación anual en la estación agro meteorológica de Portoviejo es de alrededor de 1500 mm anuales, que comparada con la pluviosidad determina un déficit h ídrico de más 100 0 mm. 71 La temperatura del aire fluctúa entre un mínimo de 17 a 18 °C en los meses de Agosto a Septiembre y una máxima de 35 a 36 °C los meses de Marzo y Abril. 13 Las temperaturas máximas registradas estuvieron oscilando irregularmente alrededor de la normal y sobrepasaron bruscamente la media a finales de la segunda década y para el día 27 la temperatura máxima se redujo aproximadamente 4ºC de la media. Nótese que la temperatura máxima se incrementó 7ºC del día 27 al 28 y luego descendió 8ºC en los dos días posteriores. En cambio, las temperaturas mínimas registradas estuvieron alrededor de la normal. Fig. 3.2 T e m pe ra tu ras e n l a r e gi ón / Fue n te Ina mhi El viento no tiene valores significativos de velocidad, por lo que se puede considerar que el mismo no tiene influencia marcada sobre los cultivos existentes. La velocidad media mensual es de 1,06 m/s. La dirección pred ominante del viento es hacia el Norte . 3.1.3 Recursos hídricos El principal sistema hidrográfico es el Río Portoviejo . El investigado r Borislov Castro, en su investigación sobre los sistemas de tratamiento en el Ecuador, (2002), menciona que l a cuenca hidrográfica abarca una superficie de 2.040 km 2 aproximadamente, con una longitud de cauce de 149 km. 71 Está localizada en la zona climática influenciada por la corriente de Humboldt, o sea la franja seca de la provincia, la cual se caracteriza por la escasez de pluviosidad y recursos híd ricos. 3.1.4 Población de la ciudad de Portoviejo Según el último censo del año 2001, el número de habitantes del cantón Portoviejo era de 238.000 habitantes, pero de acuerdo a proyecciones recientes se estima que pasan los 300.000 habitantes. En todo caso el último censo realiza do en el año 2010, nos darán resultados más actualizados del número de habitantes de la ciudad, y de la población que dispone agua potable y sistema de alcantarillado. 3.1.5 Sistemas de Alcantarillado Sanitario y Pluvial Portoviejo cuenta con un sistema de alcantarillado sanitario y pluvial que fue construido en los años sesenta en el área central y que posteriormente se lo ha ampliado en forma desordenada, de tal forma que su funcionamiento actual es defectuos o con fallas de gran magnitud. Por ejemplo hay numerosos sectores aledaños al río Portoviejo que vierten las aguas servidas directamente al dicho curso de agua mediante la conexión a la red de a lcantarillado de aguas lluvias. En el año 2001, el 84% de la población del cantón Portoviejo, de acuerdo al INEC, tenía acceso a alguna forma de eliminación de excretas con medios sanitarios; (alcantarillado, letrina, pozo séptico). Este índice es superior a los promedios nacional y provincial; sin embargo, si comparamos l a parroquia Portoviejo con el resto de parroquias, se evidencia sustanciales diferencias: la cobertura en casi todas las parroquias rurales, con excepción de Calderón, es inferior al promedio provincial. 14 3.1.6 Sistema de Tratamiento de las Aguas Residuales de la ciudad 3.1.6.1 Localización La ciudad de Portoviejo dispone de cuatro Lagunas de Oxidación que reciben las aguas municipales del sistema de alcantarillado de la ciud ad, 71 se ubican en el costado nor oeste de la pista de aterrizaje de l Aeropuerto Reales Tamarindos. Las coordenadas georeferenciales UTM, tomadas en el epic entro de las instalaciones son: X =557695 Y= 9885328 El sistema de tratamiento fue construido en el año 1964 por el ex Instituto Ecuatoriano de Obras Sanitarias, y posteriormente rediseñada en el año 1985 por el PhD Fabián Yánez. 15 3.1.6.2 Características residuales del proceso de tratamiento de las aguas El agua residual que es transportada por bombas desde los diferentes colectores que dispone la red sanitaria, llega a la planta hasta un sistema de separadores de sólidos gruesos (desbaste grueso), desde donde es bombeada hasta un cárca mo ubicado en la parte superior, se desplaza por gravedad a través de dos tuberías de 250 mm de diámetro hasta su ingreso al distribuidor de caudales ubicado aproximadamente a unos 50 metros del sistema de desbaste. El agua residual ingresa a las lagunas aireadas (2 unidades) las mismas que disponen de aireadores de superficie (actualmente una de ellas se encuentra fuera de servicio ), por un vertedero pasan a las lagunas facultativas y posteriormente a la laguna de maduración, la descarga final al rio Portoviejo se encuentra aproximadamente a unos 2.000 metros. 3.2 REPORTES PROMEDIOS DE LA CALIDAD DEL AGUA QUE PROCESA LA PLANTA DE TRATAMIENTO La planta de tratamiento de Picoazá, que procesa las descargas domésticas de la ciudad de Portoviejo, cuenta con un laboratorio de análisis para determinar la calidad del agua de ingreso y de la s descargas hacia el rio Portoviejo . 71 El personal es altamente capacitado y se realizan análisis diariamente, empleando técnicas estandarizadas de la “ Standard Methods for examination of wa ter, sewage and industrial waste”. Para el desarrollo de este proyecto de investigación fueron proporcionados los resultados de los análisis re alizados en el año 2009, 2010 y 2011. A continuación se presentan un resumen de los análisis, las tablas originales se detallan en el anexo respectivo. T ab la 3. 1 Pl an t a d e T r at amie n t o de Agua s Re si dua le s - La b or at or io RESUMEN DE DATOS DE MUESTREO DEL AGUA RESIDUAL SITIO FECHA PARAMETROS CAUDAL m3/d DBO5 mg/l DQO mg/l SST mg/l pH O2 mg/l INGRESO AL SISTEMA DE TRATAMIENTO Promedio 2009 30.723 147 282 332 6.5 3,5 – 4,2 DESCARGA FINAL AL RIO PORTOVIEJO Promedio 2010 30.723 54 80 94 7.3 2,5 - 10,8 Los valores de la tabla 3.1 corresponden a los parámetros más representativos y necesarios para nuestro estudio, en el anexo correspondiente se incluye los reportes originales de todos los análisis que se realizan en la planta de tratamiento . La frecuencia de los análisis depende en gran medida de los suministros que llegan al laboratorio. 71 4. SISTEMAS DE TRATAMIENTO POR LAGUNAJE 4.1 Antecedentes históricos del Lagunaje Las lagunas de estabilización constituyen hoy en día una atractiva alternativa de tratamiento para depurar las aguas residuales generadas por pequeñas y medianas poblaciones. El tratamiento por Lagunaje de las aguas residuales consiste en el almacenamiento de éstas durante un tiempo variable , en función de la carga aplicada y de las condiciones climáticas, de modo que la materia orgánica se vaya degradando por la acción de las bacterias heterótrofas presentes en el medio. 16 Puesto que en la depuración por Lagunaje no interviene la acción del hombre, quien únicamente se limita a proporcionar un emplazamiento adecuado a las balsas, el lagunaje es un sistema biológico natural de tratamiento, basado en los mismos principios por los que tiene lugar la auto depuración en los ríos y los lagos. El primer pueblo en tener en cuenta la sanidad del suministro del agua fue el pueblo romano, que construyó una extensa red de acueductos , para traer agua desde los montes Apeninos hasta la ciudad. Hacia finales de la edad media, empezaron a usarse en Europa , letrinas y excavaciones subterráneas para descargar las aguas residuales , las mismas que eran depositadas en ríos y arroyos, ocasionando problemas de contaminación. Las primeras lagunas de estabilización fueron embalses construidos como sistemas de almacen amiento para agua para riego. Se depositaban los excedentes de agua residual utilizada en riegos directos, sin tratamiento previo. A medida que el tiempo de almacenamiento aumentaba, se observó que la calidad del agua mejoraba sustancialmente, eliminándose los malos olores, la cantidad de sólidos en suspensión y su apariencia, por lo que 71 empezó a estudiarse la posibilidad de utiliz ar las lagunas como método de tratamiento de aguas residuales. 17 Fue sin embargo a partir de los años 1950 a 1955, que se empezó a efectuar trabajos pilotos y de laboratorio, examinándose la influencia de diversos factores, entre ellos la insolación, los vientos, la temperatura, la producción de algas, etc. Estudiándose más a fondo los diferentes procesos de transformación que ocurren en el lecho de las lagunas. Los pioneros en la construcción de sistemas de Lagunaje, se ubican en el suroeste de los Estad os Unidos. En el año 1901 la ciudad de San Antonio, Texas tenía una laguna de estabilización. E n el año 1922 en Dakota del Norte al realizar una excavación para depositar las aguas residuales de su sistema de alcantarillado construido, se descubrió que al cabo de cierto tiempo, las aguas presentaban una apariencia muy distinta de las aguas originales, imposible de lograr con los métodos mecánicos conocidos en esa época. En América Latina se ubica a Costa Rica como uno de los primeros países en realizar construcciones e investigaciones en sistemas de Lagunaje, le siguen en orden cronológico; Panamá, El Salvador, Brasil, Colombia y Ecuador. 18 En el Ecuador (aproximadamente hay 12 lagunas en operación eficiente) se cuentan con sistemas de lagunaje en las ciudades de Guayaquil, Cuenca, Portoviejo entre las más representativas, y en comunidades de menor población como Manta, Milagro y en la provincia del El Oro y Los Ríos. 4.2 Clasificación de los sistemas de Lag unaje Las lagunas suelen clasificarse en: Lagunas Lagunas Lagunas Lagunas aerobias Anaerobias Facultativas de Maduración 71 4.2.1 Lagunas Aerobias Reciben aguas residuales que han sido sometidos a un tratamiento y que contienen relativamente pocos sólidos en suspensión. En ellas se produce la degradación de la materia orgánica mediante la actividad de bacterias aerobias que consumen oxigeno producido fot osintéticamente por las algas. Son lagunas poco profundas de 1 a 1.5 m. de profundidad y suele n tener tiempo de residencia elevada, 20 -30 días 19. Las lagunas aerobias se pueden clasificar, según el método de aireación sea natural o mecánico, en aerobias y aireadas. a. Lagunas aerobias: la aireación es natural, siendo el oxígeno suministrado por intercambio a través de la interfase aire -agua y fundamentalmente por la actividad fotosintética de las algas. b. Lagunas aireadas: en ellas la cantidad de oxígeno es suministrada por medios mecánicos. 4.2.2 Lagunas Anaerobias El tratamiento se lleva a cabo por la acción de bacterias anaerobias. Como consecuencia de la elevada carga orgánica y el corto periodo de retención del agua residual, el contenido de oxígeno disuelto se mantiene muy bajo o nulo durante todo el año. El objetivo perseguido es retener la mayor parte posible de los sólidos en suspensión, que pasan a incorporarse a la capa de fangos acumulados en el fondo y eliminar parte de la carga orgánica. 20 La particularidad o ventaja de esta clase de tratamiento, es que pueden procesar altos niveles de carga orgánica, a diferencia de las aeróbicas, su principal desventaja, es que son susceptibles de generar malos olores. La estabilización es estas lagunas tiene lugar mediante las etapas siguientes. 71 • Hidrólisis: los compuestos orgánicos complejos e insolubles en otros compuestos más sencillos y solubles en agua. • Formación de ácidos: los compuestos orgánicos sencillos generados en la etapa anterior so n utilizados por las bacterias generadoras de ácidos. Produciéndose su conversión en ácidos orgánicos volátiles. • Formación de metano: una vez que se han formado los ácidos orgánicos, una nueva categoría de bacterias actúa y los utiliza para convertirlos finalmente en metano y dióxido de carbono. Las lagunas anaerobias suelen tener profundidad entre 3 y 5 m, el parámetro más utilizado para el diseño de lagunas anaerobias es la carga volumétrica que por su alto valor lleva a que sean habituales tiempos de retención con valores comprendid os entre 3-7 días. 21 4.2.3 Lagunas Facultativas Es el tipo de lagunas más comúnmente usado por el tratamiento de aguas residuales de pequeñas y medianas poblaciones. Son de muy bajo costo de construcción y operación . Las lagunas Facultativas u sualmente requieren profundidades de 1 a 2 m., con tiempos de re tención hidráulica de 10 hasta 3 0 días. Fig. 4 .1 Ec osi ste ma pre se n te e n u na la guna f a cu lta tiv a/ Fue n te : Ma ra is/2 0 02 71 La característica principal de este sistema de lagunaje, por lo cual se denomina facultativo, es la presencia simultánea de los dos metabolitos de tratamiento: aerobio y anaerobio. En general, se desarrollan los siguientes procesos: un proceso aerobio en l as capas cercanas a la superficie y que tienen la influencia directa del viento y de la luz, un proceso anaerobio en las capas más profundas de la laguna, que contienen los sólidos sedimentados, y una facultativa, cuyos procesos se desarrollarán de acuerdo a la hora del día en que se encuentre. 22 En la zona intermedia que es parcialmente aerobia y anaerobia, la descomposición la llevan a cabo las bacterias facultativas. Los sólidos de mayor tamaño se sedimentan para lograr un manto de lodo anaerobio. Los materiales orgánicos y coloidales se oxidan por la acción de las bacterias aerobias y facultativas, empleando el oxígeno generado por las algas presentes en la primera fase de la laguna , la fuente de dióxido de carbono producida por la bacterias es emp leada por las algas como fuente carbono, en las capas inferiores se producen gases como CO 2 , H 2 S y CH 4 , que bien son oxidadas por las bacterias aerobias, o son liberadas a la atmósfera. 23 4.2.4 Lagunas de Maduración Las lagunas de maduración, llamadas también terciarias o de pulimento, son aquellas que operan con un afluente de DBO estabilizado casi en su totalidad, y su característica principal es mejorar las características biológicas, fisicoquímicas y eutróficas del agua residual, aparecen casi siempre en la última fase del tratamiento por lagunaje, y los efluentes que salen dela misma, son considerados aptos para descargar a entornos hídricos o ser usada en agua de riego. Los procesos que se desarrollan son aeróbicos, en profundidades cercanas a 1 metro. Dados los niveles altos de oxígeno disuelto y pH, y la disponibilidad de luz solar en toda la columna de agua, son utilizadas también para la remoción de nutrientes como el fósforo y el nitrógeno, así como microorganismos patógenos. 71 4.2.5 Lagunas aireadas mecánicamente Corresponden a un tipo de laguna je que utiliza factores externos para sus procesos, este tipo de lagunas es de aparición reciente y su característica principal es que son dotadas de equipos de aireación, para introducir oxígeno a l a masa de agua. Su profundidad varía entre los 3 a 5 metros. Las aguas residuales crudas son enviadas directamente a las lagunas, previo paso por desarenadores y desnatadores, su funcionamiento es similar a un reactor de lodos activados con la diferencia que no disponen de un sedimentador secundario. 24 Las lagunas aireadas se pueden clasificar de tres tipos: lagunas aireadas de mezcla completa, facultativas y de aireación extendida. Generalmente se utilizan las dos primeras, la tercera tiene un costo muy e levado que las anteriores y su funcionamiento es muy sofisticado En las lagunas aireadas de mezcla completa todos los sólidos se mantienen en suspensión, la edad del lodo es igual al tiempo de retención hidráulica. Funcionan básicamente como un reactor de lodos activados sin recirculación de lodos. Fig. 4 .2 La gun a ai re ada de me z c la c om p le ta - R o lim Se rg io 4.3 MECANISMOS BIOLÓGICOS QUE INTERVIENEN EN EL PROCESO En la utilización de la materia orgánica como sustrato en un sistema de tratamiento de aguas residuales con lagunas de estabilización, intervienen varios mecanismos biológicos. 71 Estos son afectados generalmente por factores ambientales como: características del agua residual y las características hidráulicas de los estanques. 25 Para poder realizar el análisis partiremos del análisis de los componentes de un ecosistema acuático. La figura 4.3 muestra un ecosistema y los mecanismos biológicos que intervienen en la estabilización de la materia orgánica. La adición de materia orgánica biodegradable presente en las aguas residuales, suministra abundante alimento a la biomasa (bacterias y hongos) que por efectos del sustrato crecen rápidamente y liberan nutrientes y dióxido de carbono (CO 2 ), la disponibilidad de nutrientes, Dióxido de Carbono, energía solar y minerales favorecen el crecimiento de las algas, éstas a su vez proporcionan el oxígeno ne cesario a los procesos de oxidación biológica. De esta manera se establece una simbiosis entre bacterias y algas en las lagunas. Energía Elementos Abióticos/CO2H2O PRODUCTORES AUTOTROFOS NUTRIENTES N-P ORGANISMOS MUERTOS CONSUMIDORES HETEROTROFOS H MUEREN DEGRADADORES HETEROTROFOS DESECHOS ORGANICOS Fig. 4.3 Ecosistema acuático 71 4.3.1 Procesos de Oxido -Reducción y Síntesis En los procesos de estabilización, la materia orgánica conformada principalmente por hidratos de carbono, proteínas y grasas, son desdobladas por las bacterias y hongos, se identifican tres etapas básicas durante este proceso, que son: 1. Oxidación: Las bacterias y hongos oxidan la materia orgánica utilizando oxígeno disuelto del agua y a su vez producen energía de las reacciones química realizadas. La ecuación que describe el proceso es: → 2. Síntesis : En esta epata las bacterias y hongos utilizan la energía del proceso de oxidación de la materia orgánica para producir material celular de acuerdo a la siguiente reacción: → ( ) 3. Respiración Endógena - Auto-oxidación: Como en todo proceso biológico, la disponibilidad de alimento va disminuyendo en función del tiempo, en este instante se inicia la muerte de los microorganismos, a la vez que estos se autoxidan a partir de material celular muerto. El proceso de estabilización en las lagunas debe realizarse en un tiempo largo para llegar a la fase endógena, de manera que se produzca una disminución considerable de l os microorganismos. La ecuación que gobierna el proceso es: → Los tres procesos pueden ocurrir en un sistema de estabilización por lagunas, siendo diferenciadas la primera fase (oxidación y síntesis), que predominan generalmente en las lagunas primarias, por su corto tiempo de retención y cargas orgánicas elevadas, mientras que la fase de 71 respiración endógena predominará en las lagunas secundarias o terciarias, por su tiempo de retención más largo y por recibir generalmente aguas estabilizadas pobres en materia orgánica. 26 4. Síntesis del Oxígeno: Las algas en las lagunas de es tabilización encuentran dióxido de carbono, nutrientes como nitratos y fosfatos productos de la oxidación de la materia orgánica, que los utilizan las algas en su metabolismo. El dióxido de carbono es el alimento que utilizan las algas en la producción de nuevas algas y síntesis de oxí geno cuando disponen concentraciones adecuadas de nutrientes, de agua y una fuente externa de energía (el sol). Para la síntesis algácea se propone la siguiente ecuación: → La fotosíntesis es un proceso complejo en el que la energía de la luz es absorbida por los cloroplastos de las células y convertida en energía química, la misma que es utilizada para convertir dióxido de carbono en glucosa y materia celular . La siguiente ecuación es una representación de la fotosíntesis: ( )→ (NHV) = 686 kcal El término (NHV), representa la energía tomada de la luz, en donde H, es la constante de Planck, igual a 6.62554 E10 - 2 7 erg-seg. (V), es la frecuencia de la radiación gamma y (N) el número de quantos de energía. Cuando se involucra en el proceso otro oxidante que no sea oxígeno, el proceso se denomina “respiración anaeróbica”. El término respiración aeróbica, se refier e al tipo de respiración donde el oxígeno es el oxidante. 27 71 4.3.2 Cinética de la Remoción y Transformación de la materia orgánica Los diferentes modelos desarrollados que explican el mecanismo de remoción de la DBO, en procesos biológicos de tratamiento de agua, buscan demostrar que a altos niveles de DBO, la velocidad de remoción por unidad de masa de microorganismos permanece const ante, hasta alcanzar una concentración por debajo de la cual la velocidad de remoción, dependerá directamente de la concentración del sustrato. Inicialmente las bacterias removerán la materia orgánica de más fácil descomposición, en esta fase se estima que la velocidad de remoción alcanza los valores máximos. Luego de esto la velocidad irá disminuyendo progresivamente a medida que los otros compuestos sean removidos de la mezcla inicial. De manera general, la tasa de crecimiento de microorganismos, en función de la disponibilidad de sustrato, está dada por la ecuación de Monod 28: ⌈ ⌉ (4.1) µ = tasa de crecimiento específico / tiempo (t - 1 ) µ m = tasa máxima de crecimiento / tiempo (t - 1 ) S = concentración del sustrato en solución, limitante del crecimiento, masa/volumen K s = constante de saturación ( concentración del sustrato en solución a la cual la velocidad de crecimiento es la mitad de la máxima velocidad ) /masa/volumen Graficando los valores de µ y de S, en un plano de coordenadas, se obtiene la curva mostrada en la figura 4.3 71 µ /growth rate µ µ/2 S / substrato Ks Fig. 4 .4 G raf ica de µ vs . S La figura 4.4 tiene los valores de la inversa de la ecuación anterior: ⌈ ⌉( )( ) (4.1.1) 1/µ Slope : Ks/µm 1/µm 1/S Fig. 4 .5 I n ve rs a de la e cua ci ón de M on od La tasa de crecimiento definida en la ecuación (4.1), puede ser substituida en la ecuación de crecimiento de un cultivo puro (dX/dt = µX ), 71 Para obtener la tasa de crecimiento en una situación de sustrato o alimento limitada: [ ] (4.2) Donde: (dX/dt) : tasa de crecimiento de biomasa, M/L 3 -T μ m : tasa máxima de crecimiento, T - 1 X : concentración de biomasa, M/L 3 S : concentración del sustrato en solución, M/L 3 Ks : constante de saturación, M/L 3 La capacidad de crecimiento Y, se define como el incremento en la biomasa debido al proceso metabólico causado por la ingesta d e alimento o sustrato , la capacidad de crecimiento en un cultivo cerrado es el aumento de biomasa durante las fases de crecimiento exponencial (X m - X 0 ), relativo al sustrato utilizado (S 0 – S m ). De aquí: (4 . 3 ) Dado que el crecimiento está limitado por el consumo de todo el sustrato, se puede asumir que S m = 0, y la ecuación 4.3 nos queda: ( ) ( ) (4 .4 ) La ecuación (4.4), puede ser expresada en forma diferencial de la siguiente manera: (4 . 5 ) 71 Sustituyendo la ecuación (4.5) en la (4.2 ), obtenemos la tasa de utilización o consumo de sustrato por parte de los microrganismos. ( (4 .6 ) ) Donde : Tasa de utilización de sustrato, M/L 3 T µ m : tasa máxima de crecimiento, T -1 Ks : constante de saturación, M/L 3 Y : capacidad de crecimiento, M/M En la fase de crecimiento endógena , las bacterias compiten por la pequeña cantidad de alimento disponible. La tasa de metabolismo decrece n forma acelerada, lo que da origen a una reducción en el número de bacterias. La tasa de decrecimiento de la biomasa durante esta fase es proporcional a la cantidad de células, es decir: ( ) (4 .7 ) Donde: : Tasa de decaimiento de la biomasa, M/L 3 T Kd : coeficiente de decaimiento bacteriano, T - 1 X : concentración de biomasa, M/L 3 4.3.2.1 Afectación de las reacciones por la temperatura Las velocidades de la reacción y son afectadas por el aumento o disminución de la temperatura, de acuerdo a la expresión de Arrhenius modificada 29 : ( ) (4 .8 ) 71 De aquí: Ø = (1.6 – 1.8) en lagunas aireadas Ø = 1.072 (Marais) lagunas facultativas Ø = 1.082 (Gloina) lagunas facultativas Se considera que en sistemas heterogéneos como las lagunas de estabilización, ocurre una cinética de primer orden y que la constante de reacción depende invariablemente de la temperatura y de las sustancias reaccionantes. De igual manera inciden: la disponibilidad de nutrientes, los factores de crecimiento, las condiciones ambientales, intensidad de la lu z ultravioleta y vientos, profundidad, ocurrencia de mezcla o estratificación termal, etc. 30 Marais hizo notar que los valores de K t , se encontraban influenciados por la temperatura del agua en la laguna y sugirió el uso de la ecuación modificada de Arrhenius para temperaturas entre 20 y 21 C. )( ( ) (Ma rais , 1 974 ) 4.4 APLICACIONES DE LA CINÉTICA AL TRATAMIENTO BIOLÓGICO Las lagunas de estabilización son reactores de flujo continuo. Para su análisis es necesario distinguir tres tipos de reactores, que se identifican con el comportamiento hidráulico de una lagu na o de un sistema de lagunas: reactores de mezcla completa, reactores de flujo pistón y rectores de flujo arbitrario. 4.4.1 Lagunas con flujo pistón El fundamento teórico de cálculo de la constante de reacción se basa en una reacción de primer orden de la forma siguiente : ( ) (4 .9 ) Donde: So = Concentración afluente 71 S = Concentración efluente K = Constante global de asimilación TRH = Período de retención 4.4.2 Lagunas de mezcla completa La evaluación intensiva de instalaciones de lagunas bajo la suposición de mezcla completa es posible, siempre que se cumplan una serie de condiciones que tienen relación con los aspectos físicos como bioquímicos y éste se presenta cuando la instalación est á expuesta a buen viento y ausencia de estratificación termal. La ecuación que gobierna el comportamiento de este tipo de laguna es: (4 .1 0 ) 4.4.3 Lagunas de tipo flujo disperso En la práctica se ha encontrado que las lagunas de estabilización no son gobernadas por los submodelos hidráulicos de flujo a pistón o de mezcla completa sino a través de la aplicación de modelos más complicados. Hoy en día, el modelo de dispersión axial e s el más empleado, porque sus límites cubren los dos tipos de flujos indicados anteriormente. En este modelo, los mecanismos de transporte son la dispersión axial (difusión molecular en el sentido del flujo, la convección y la degradación o asimilación del contaminante). La base matemática del modelo, parte de un balance de masa de un contaminante, alrededor de un volumen infinitesimal [ dV] para un reactor con flujo tipo pistón y teniendo en cuenta los dos fenómenos de transporte de masa indicados anteriormente: (4 . 11 ) Donde: 71 C = Concentración del contaminante, mg/l X = Coordenada en la dirección de flujo, m U = Velocidad longitudinal promedio del reactor, m/día D = Coeficiente de dispersión, longitudinal o axial, m 2/día T = Tiempo, días En la ecuación anterior, el primer término de la derecha es la dispersión por difusión molecular o simplemente dispersión, el segundo término es la dispersión convectiva o transporte convectivo y el tercero es la degradación del contaminante. La ecuación a nterior es conocida como "modelo de flujo tipo pistón con dispersión axial" o "modelo de flujo disperso" 31 La solución de la ecuación bajo las condiciones de b orde llamada "cerradas" desarrolladas por Danckwerts y Wehner y Wilhelms es: ( ⁄ ) ( ⁄ [ ( )( ) ) ( ⁄ ) ( )[( ⁄ )( ( ) ( ⁄ ) )] ] (4.12) Donde: Co = Concentración del contaminante en el afluente, mg/l C = Concentración del contaminante en el efluente, mg/l X = Distancia medida desde la entrada, m L = Longitud entre entrada y salida, m - 10 Z = Distancia adimensional en la dirección del flujo = X/L t = Período de retención nominal, días (t = L/U = V/Q) d = Factor de dispersión adimensional a = Constante adimensional K = Constante de reacción neta, l/días Las constantes [ a] y [d] están definidas por las siguientes relaciones: (4 .1 3 ) 71 ( ) ⁄ (4 .14 ) Donde: U = Velocidad longitudinal, m/día La ecuación puede ser utilizada para lagunas alargadas, para otras condiciones es de utilidad la siguiente ecuación: ( ( ) ( ⁄ ) ( ) ) ( ⁄ ) (4.15) Esta relación permite interpretar adecuadamente los datos de una evaluación intensiva de campo de una laguna funcionando en equilibrio continuo. 32 71 5. DESCRIPCION DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO DE LAS LAGUNAS 5.1 UBICACIÓN DE LAS INSTALACIONES Las lagunas de Picoazá se encuentran ubicadas en el sector central de la cantón de Portoviejo en la margen derecha del rio, hac ia la zona noroeste, en las coordenadas UTM: Y: 9885328 y las coordenadas X: 557695. Las coordenadas de las lagunas dentro del emplazamiento son: Tab la 5 .1 G e or e fe re ncia ci ón de l áre a de e s tud io Laguna Aireadas Facultativa Maduración Coordenadas UTM X 557589 557849 557569 Coordenadas UTM Y 9885328 9885199 9885480 Fi g . 5. 1 U bic aci ón d e la s lagu nas de nt r o de l ca nt ón P or t ovie j o 71 Las lagunas se ubican a un costado de la pista de aterrizaje del Aeropuerto Reales Tamarindos, dicha área cuenta con un buen nivel de accesibilidad pues sus otros costados colindan con urbanizacio nes, gasolinera, comunidades aledañas y un paso lateral como producto del desarrollo y de la vía que une Portoviejo con la Parroquia de Picoazá a 4.3 Km desde la calle Pedro Gual. Fig. 5 .2 Vi st a Aér e a d e l as l a gu n as d e P i coa zá / Go gg l e Ear th -2 01 1 5.2 DESCRIPCIÓN DEL SIST EMA DE TRATAMIENTO 5.2.1 Localización La ciudad de Portoviejo dispone de cuatro Lagunas de Oxidación que reciben las aguas municipales del sistema de alcantarillado de la ciudad, se ubican en el costado nor -oeste de la pista de aterrizaje del Aeropuerto Reales Tamarindos. El agua residual que es transportada por bombas desde los diferentes colectores que dispone la red sanitaria, llega a la planta hasta un sistema 71 de separadores de sólidos gruesos (desbaste grueso), desde donde es bombeada hasta un cárcamo ubicado en l a parte superior, para ser distribuida a las l agunas. Fig. 5. 3 L le gad a d e l ag ua r e sidu a l a l sis te m a de de s bas te g rue so Las rejillas atrapan los sólidos gruesos, mediante la acción manual mecánica se limpian las rejillas de desbaste. El cuarto de bombas se encuentra ubicado en el mismo lugar de la llegada inicial de las aguas residuales. Fig. 5.4 Sistema de bombeo 71 El agua residual , proveniente del cárcamo elevado y del colector de 300 mm, ingresa por unas compuertas hacia los distribuidores de caudal, el agua puede ser enviada a cualquiera de las dos lagunas ubicadas lateralmente a la izquierda o a la derecha. Fig. 5. 5 Cá ma ra d e in g r e so El agua residual llega a la planta de tratamiento por dos tuberías, la tubería que ingresa al cajón de llegada principal conduce las aguas residuales de los colectores E y E1, y el agua que ingresa de los colectores Q y N, lo hacen directamente cajón distr ibuidor, para su respectiva distribución a las lagunas aireadas. En resumen las unidades que dispone la planta antes de su entrada a las lagunas son: Cajón de llegada con colchón de agua (colectores E y E1/llegada por gravedad). Compuerta disipadora de energía (colectores Q y N/bombeo directo) Canal de repartición y de entrada a las lagunas 71 Al momento se encuentra en operación la laguna situada a la margen izquierda. El agua ingresa inicialmente a la piscina aireada. Fig. 5.6 Distribuidor de las aguas que ingresan a las lagunas El sistema de tratamiento dispone de las siguientes lagunas: 2 lagunas aireadas 1 laguna facultativa 1 laguna de maduración 5.2.2 Lagunas aireadas Las lagunas aireadas se encuentran ubicadas a unos 50 metros de la entrada principal de la planta de tratamiento, actualmente se encuentra en operación la laguna situada al margen izquierdo, se observan 3 aireadores en funcionamiento, normalmente lo hacen las 24 horas de manera intermitente. Las lagunas aireadas tienen c omo principal objetivo, asimilar la materia orgánica soluble en un período de retención corto, pero suficiente para obtener porcentajes de remoción del orden del 70-90%. 71 X=557782 Y= 9885500 A RE A: 1. 56 Ha P ROFU ND ID AD : 4 .4 me t r os EQUI PO S D E A I RE AC IO N: 3 (f u n ci o nand o ) P ote n cia de l os aire ad o re s: 30 HP UBIC AC IÓ N: x = 55 7 78 2 y= 9 88 550 0 Nú me r o de unidade s: 2 en pa rale l o Are a e n m 2 : 3 1. 1 22 m 2 Vo lu me n: 1 3 7. 79 1 m 3 Inc lin aci ón de l os ta l ud e s: 2: 1 Fig. 5. 7 Car ac te rís ti cas d e las lag unas aire ad as 33 Los taludes de las lagunas están recubiertos con hormigón lanzado con armadura metálica, la impermeabilización del fondo está hecha con arcilla compactada. Los aireadores utilizan anclajes empotrados en diques de hormigón, los cables están dispuestos de manera que sirvan para energizar dos aireadores, los aireadores pueden ser accionados en forma manual o automática. 5.2.3 Lagunas Facultativas El desecho biológicamente tratado en las lagunas aireadas, es descargado en la laguna facultativa. Esta unidad para funcionar como facultativa tiene que cumplir con dos requisitos fundamentales que son: tener una adecuada carga facultativa y un balance de oxígeno favorable, capaz de mantener las condiciones aeróbicas sobre el es trato anaeróbico del fondo. El efluente de las lagunas aireadas es recolectado a través de un vertedero rectangular de lámina de acero, que descarga las aguas residuales tratadas inicialmente en la laguna facultativa. 71 5.2.3.1 Características de las lagunas facultativas El fondo de la laguna esta hecho sobre base de arcilla, el ingreso de las aguas se lo realiza por un canal rectangular de 1,20 metros de ancho, disponiendo una estructura para disipación de energía de 3 x 5 metros, localizado en el fondo de la laguna. Fig. 5. 8 Lagu nas Fa cu lt ativa s/2 0 11 T ab la 5 .2 D i me n si one s de l a lag una fa cu l tat iv a A RE A D E L A L AG U N A A MED I A A LT U R A NU ME R O D E U NI D AD E S P ROFU ND ID AD D E L A L AGU N A V OLU ME N PE RI OD O D E RET E NC IO N IN CL I N ACI O N D E LO S T A LUD E S CON FIG U RA CI ON 15. 28 Ha 1 1.8 5 me tr o s 28 3. 04 0 m 3 5.71 día s 2:1 TR A PEZ OID A L 5.3 Laguna de Maduración o Pulimento Esta unidad es la última de la serie de laguna y su función es similar a la de las lagunas facultativas, con excepción de la capacidad de almacenamiento de lodos. A estas unidades no llegan sólidos biológicos que no sean algas unicelulares y prácticamente no acumulan lodos, de 71 modo que no es necesaria su limpieza continua, estas lagunas son también conocidas como “lagunas de pulimento”. La función de la laguna lo resumimos en: Mantener las condiciones adecuadas de balance de oxígeno, de modo que se pueda sustentar una adecuada biomasa de algas unicelulares en la parte superior de la laguna. 34 Presentar las condiciones adecuadas de mortalidad bacteriana, lo cual se da cuando la población de algas al alimentarse básicamente de sistema carbonatado, en las hor as de mayor luz y actividad fotosintética, consume bicarbonatos y carbonatos, produciendo un notable incremento del pH y al mismo tiempo una gran mortalidad bacteriana. Asegurar una adecuada remoción de nematodos intestinales, para que el tratamiento esté de acuerdo con las recientes guías de la OMS. 5.3.1 Características de las lagunas de pulimento Los taludes de las lagunas están recubiertos con hormigón lanzado con armadura metálica, la impermeabilización del fondo de las lagunas se lo realiza sobre la base de arcilla compactada. El ingreso a la laguna se lo realiza por medio de dos vertederos con derivaciones angulares para su total distribución. Fig. 5. 9 V i sta ge ne ra l d e l a Lag una de pu li me n to -2 011 71 La salida de la laguna hacia el emisario final que va hacia el Rio Portoviejo y algunos afluentes son utilizados para riego en sectores asentados en la zona. T ab la 5 .3 D ime nsi one s de l a lag una de p ul ime nt o A RE A D E L A L AG U N A A MED I A A LT U R A NU ME R O D E U NI D AD E S P ROFU ND ID AD D E L A L AGU N A V OLU ME N PE RI OD O D E RET EN CI ON / C AUD A L MED I O IN CL I N ACI O N D E LO S T A LUD E S CON FIG U RA CI ON 12. 04 Ha 1 1.77 me t r os 216. 57 3 m 3 12 día s 2:1 TR A PEZ OID A L 5.3.2 Descarga Final de las lagunas La descarga final de las lagunas se la realiza por medio de un ducto de 1 metro cuadrado aproximadamente, que envía las aguas tratadas a un canal (emisario), y conducidas hacia su disposición final, en el río Portoviejo. Fig. 5. 10 D e s car ga fina l de las lag unas 71 Las aguas residuales tratadas, salen por un emisario subterráneo que recorre aproximadamente 3 kilómetros antes de su descarga al Rio Portoviejo. F i g . 5 . 1 1 U b i c a c i ó n d e l a sa l i d a d e l a g u a r e si d u a l h a c i a e l r í o P o r t o v i ej o 71 6. MODELACION DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO 6.1 GENERALIDADES Un modelo es la representación abstracta de algún aspecto de la realidad. Su estructura está compuesta por dos partes, la primera es todo aquello que caracteriza la realidad modelizada , y la segunda las relaciones existentes entre los elementos antes mencionados. 35 Para Eykhoff (1974) y Hangos & Cameron (2003 ): Un modelo de proceso es un conjunto de ecuaciones (incluyendo los datos de entrada necesarios para resolver las ecuaciones) , que nos permitan predecir el comportamiento de un proceso químico , físico o biológico . Los modelos de los procesos de tratamiento de aguas residuales, varían en su complejidad: de acuerdo a l número de componentes y procesos biológicos considerados, de acuerdo a modelos de estado estacionario o dinámico, o que el reactor biológico se considere un dominio con concentraciones homogéneas o distribuidas en el espacio . Hay que señalar que los modelos de estado estacionario suelen utilizarse para el diseño de plantas de tratamiento, mientras que los modelos dinámicos se utilizan más para evaluar el comportamiento de una planta ante situaciones históricas o futuras . En estos últimos, se describe el proceso biológico a través de un número de componentes del agua residual, que siguen unos procesos biológicos de transformación, y cuya concentración se expresa a través de un sistema de ecuaciones diferenciales, que se obtienen mediante ba lances de materia de los diferentes componentes. En algunos casos hay que aplicar balances de energía y de cantidad de movimiento. Científicos e Ingenieros usan al menos alguna de las tres metodologías para obtener las ecuaciones de un modelo las cuales se describen a continuación: 71 1. Fundamental: Usa la teoría de la ciencia fundamental para obtener ecuaciones. En este caso, las teorías que se aceptan son los axiomas básicos en el proceso lógico de construcción de un modelo. 2. Empírica: Hace uso de observación directa ecuaciones que describen los experimentos. para desarrollar 3. Analogía : Usan las ecuaciones que describen a un sistema análogo, con variables identificadas por analogía , en una base uno a uno 6.1.1 Clasificación de los mod elos matemáticos Existen diferentes formas de clasificar a los modelos matemáticos 36, de acuerdo a los diferentes aspectos, criterios y resultados que se quieran obtener, en general tenemos: si la variable tiempo es considerada; en estáticos y dinámicos ; de acuerdo a la ausencia de variables determinísticas: en determinísticos o estocásticos ; de acuerdo a la extensión de las aproximaciones hechas: en fenomenológicos o empíricos. Desde el punto de vista práctico han demostrado tener los mejores resultados los modelos ambientales semiempíricos estocásticos y dinámicos. Debido a que permiten utilizar la información de campo y/o laboratorio, con los cual se puede lograr un mejor ajuste entre la teoría y la práctica. 6.1.2 Tipos de modelos matemáticos 6.1.2.1 Modelos Empíricos Se sustentan en la identificación de relaciones estadísticamente significativas entre ciertas variables que se asumen como esenciales y suficientes para modelar el comportamiento del sistema. Con tal motivo, debe disponerse previamente de una base de datos de tamaño adecuado. Los modelos diferentes: empíricos, pu eden subdividirse en tres categorías 71 Modelado por caja blanca Los modelos de caja blanca reflejan todas las propiedades del sistema real. Para su construcción se utiliza el conocimiento previo y los principios físicos involucrados. Todas las variables y constantes pueden interpretarse como términos físicos que son conocidos a priori. Por razones obvias, a este tipo de modelo se le conoce también como modelo físico. Modelado por caja negra: Los modelos por caja negra se diseñan enteramente a partir de datos, sin tener en cuenta la interpretación de los parámetros que lo definen 37. La base del modelo se selecciona a partir de núcleos estimadores cuya estructura se conoce que es muy flexible y que ha dado res ultados en aplicaciones pasadas, los parámetros de estos modelos por lo general no tienen significado físico y se ajustan para reproducir los datos observados tan bien como sea posible. Cuando se trata de obtener un modelo por caja negra, pero ajustando algún parámetro al que se le puede dar una interpretación física; entonces al método de identificación de sistema utilizado se le llama modelado físicamente parametrizado. El modelo física mente parametrizado es normalmente más realista que el modelado por caja negra cuando se dispone de algún conocimiento sobre las leyes que rigen el comportamiento del parámetro que se adapta. Esta terminología implica que los métodos de identificación pu eden clasificarse en un rango entre el modelo de caja negra y el modelo por caja blanca, a esta “zona media” se le denomina modelado por caja gris (o modelo físicamente parametrizado). Desde el punto de vista de una aplicación, el modelado por caja gris e s el más importante , pues permite el cumplimiento de dos aspectos fundamentales a tener en consideración cuando se realiza un modelo: El esfuerzo de modelado debe reflejar el uso que se le pretende dar al modelo 71 No debe estimarse lo que ya se conoce 6.1.3 Sistemas de control en modelos de proceso 6.1.3.1 Sistemas de lazo abierto Un sistema de lazo abierto es aquél donde la salida no tiene efecto sobre la acción de control. La exactitud de un sistema de lazo abierto depende de dos factores: La calibración del elemento de control. La repetitividad de eventos de entrada sobre un extenso período de tiempo en ausencia de perturbaciones externas. 6.1.3.2 Sistemas de lazo cerrado Un sistema de control de lazo cerrado es aquél donde la señal de salida tiene efecto sobre la acción de control. En un sistema de lazo cerrado se puede apreciar que la salida es medida y retroalimentada para establecer la diferencia entre en valor deseado y el valor obtenido a la salida, y en base a esta di ferencia, adoptar acciones de control adecuadas. 6.1.3.3 Diseño del Modelo Durante la fase del diseño del modelo, se distinguen las siguientes actividades: 38 Determinar las asunciones • Determinar la estructura del modelo • Determinar las ecuaciones del modelo • Determinar los parámetros del modelo • Verificación del modelo • Validación del modelo 71 6.2 MODELOS EMPÍRICOS DE LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN Desde los años 1950, numerosos investigadores han venido desarrollando modelos que permitan la predicción m atemática de algunos parámetros de calidad en el efluente, siendo el más característico la remoción de la carga orgánica y la remoción de la carga microbiológica. De acuerdo a la rigurosidad de las ecuaciones plantea das, éstos han sido estudiados en dos grupos: los empíricos y los racionales. 39 6.2.1 Modelos Empíricos Fueron obtenidos en base a observaciones de características físicas y operacionales de plantas existentes, que se encuentran operando en buenas condiciones. Estos modelos suelen ser utilizados en lagunas que posean las mismas características físicas y que las condiciones medioambientales sean similares. Lo que los hacen atractivos para su aplicación son los valores a obtener, debido a que corresponden a caract erísticas fisicoquímicas del agua afluente al sistema, la geometría de las lagunas y algu nas variables medioambientales. Entre los más conocidos tenemos: los modelos empíricos para la predicción de las concentraciones de algunos parámetros en el efluente ( descarga final). 6.2.1.1 El Modelo de McGarry y Pescod Teniendo como base las investigaciones de 143 lagunas facultativas primarias, con eficiencias medias de remoción del 73%, obtuvieron la siguiente correlación para la carga orgánica superficial aplicable y la carga superficial removida en una laguna. ( Para: 50 < ψ S > 500, ) Donde: T a r = temperatura promedio del aire, ( o C) Ψ S = carga orgánica superficial aplicada, (Kg DBO 5 /ha-día) Ψ S m a x = la carga orgánica superficial máxima aplicada, (Kg DBO 5 /ha-día) Ψ r = carga orgánica superficial removida, (Kg. DBO 5 /ha-día) 71 6.2.1.2 El Modelo de Yáñez Yáñez estudio el comportamiento de 8 lagunas facultativas ubicadas en Lima-Perú, bajo diferentes condiciones ambientales y de carga. De los datos obtenidos, presentó las siguientes correlaciones para la carga máxima aplicable y la carga removida: 40 ( ) Para lagunas primarias: ( ) ( ) Para lagunas secundarias: Donde: T es la temperatura promedio del agua ( o C) Ψ S m á x = la carga orgánica máxima aplicable (kg -DBO 5 /ha-dia) Ψ r = la carga orgánica superficial removida (kg DBO 5 /ha-día) Ψ S = la carga orgánica superficial aplicada (kg. DBO 5 /ha-dia) 6.2.1.3 El Modelo de Cubillos 41 Cubillos evaluó el desempeño de las lagunas facultativas del Instituto Colombiano agropecuario y del Centro Internacional de Agricultura Tropical, situados en Colombia, y obtuvo correlaciones utilizando criterios semejantes a los propuestos por Hermann y Gloyna (1958). Las correlaciones obtenidas son las siguientes: ( ) Para lagunas primarias: Donde T es la temperatura promedio del agua ( o C); h, la profundidad de la laguna (m); ψ (carga orgánica). 71 6.2.1.4 El Modelo de Mara y Pearson (1986) Mara y Pearson propusieron un modelo común aplicado para la predicción de la carga orgánica, basados en la temperatura ambiente, para estanques facultativos, Mara propuso el siguiente modelo: ( ) Donde: ψ S = carga máxima aplicable sobre la superficie (Kg DBO/ha -dia) T = promedio del mes más frio 6.3 ESTRUCTURA DEL MODELO PROPUESTO Las lagunas de estabilización desarrollan procesos afines a los naturales, por consiguiente conviene utilizar métodos similares para el modelado, en nuestro caso, el primer proceso es una laguna aireada y el segundo una laguna facultativa. Considerando que el modelo propuesto tiene como objetivo predecir la remoción de la carga orgánica, no se in cluirá la laguna de maduración, asumiendo que, la digestión de la ma teria carbonacea es nula en esta etapa, y más bien se desarrolla la cinética de decaimiento bacteriano (reducción de coliformes y otros microorganismos) 42 Empezaremos definiendo los compo nentes del agua residual que van a intervenir en el modelo matemático del proceso, estos componentes junto al reactor serán las variables del sistema. Luego definiremos los procesos cinéticos , es decir aquellas reacciones que modifican los parámetros dentro de la laguna. La cinética de una reacción puede afectar a uno o más parámetros, por lo tanto tenemos que definir cuáles serán los más afectados y que intervengan directamente en la remoció n de la carga orgánica. 43 Una vez determinados los parámetros y la cinética que afecta mayormente al proceso, definiremos las entradas y salidas del sistema, las mismas que pueden ser: permanentes, estacionarias, intermitentes, etc, de igual manera se defi nirá a la laguna aireada como un reactor de mezcla completa. Un aspecto importante en la estructura del modelo es determinar cómo serán consideradas las entradas y salidas del reactor, pudiendo ser como 71 caudales másicos o volumétricos, como carga orgánica total o soluble, o también en función de transferencia interfacial, cuando se trate de oxígeno o nitrógeno. Definidos estos componentes básicos del modelo (componentes, procesos, régimen de flujo), se procede a plantear los balances de materia en condiciones no estacionarias, para cada uno de los componentes del modelo. Con ellos se obtienen las ecuaciones diferenciales ordinarias que definen el sistema. Estas ecuaciones matemáticas se incorporan a un programa informático que incluya herramientas de reso lución numérica de EDO. Las técnicas utilizadas pueden ser des de la más sencillas, como Euler, hasta las más complejas, como Runge -Kutta-Fehlberg. El conjunto de EDO implementadas en soporte informático, junto con las herramientas de resolución consiste el núcleo del modelo informático. A continuación presentamos el esquema utilizado en la elaboración del modelo. DEFINIR COMPONENTES DEFINIR ENTRADAS Y SALIDAS RESOLUCION MATEMATICA DE LAS EDO DEFINIR PARAMETROS, CINETICAS, PROCESOS, ETC PLANTEAR LOS BALANCES DE MATERIA ECUACIONES DIFERENCIALES ORDINARIAS/EDO DEFINIR EL REGIMEN DE FLUJO PROGRAMAS INFORMATICOS MODELO INFORMATICO F i g . 6 . 1 E s q u e m a d e l m o d e l o p la n t e a d o La modelación consistirá principalmente en predecir la calidad de salida del agua del sistema de Lagunaje (laguna aireada) y por consiguiente la calidad del agua que ingresará a la laguna Facultativa , a partir de los 71 datos de entrada (parámetros) al sistema, una vez propuesto el modelo, deberá ser analizado en el contexto real, para esto se requiere de una serie de datos temporales y la minimización del error entre los valores simulados a los reales, esto se llama calibración del modelo. 6.3.1 Modelo Elemental de la laguna aireada mecánicamente Las lagunas aireadas mecánicamente, son consideradas como reactores de flujo de mezcla completa, con buenas condiciones de aireación y agitación, lo que conduce a concentraciones homogéneas de sustrato, biomasa y oxígeno. Este tipo de lagunas requieren lagunas secundarias y terciarias para completar la remoción de DBO 5 y la sedimentación de los s ólidos suspendidos. Las lagunas se airean normalmen te con turbinas superficiales, la Figura 2 muestra una representación de este tipo de lagunas, cuyo esquema de mezcla y flujo corresponde idealmente a un reactor de flujo d e mezcla completa “CSTR” (continuously stirred tank reactor ). El volumen contenido de agua se considera constante, al igual que en proceso de lodos activados, el contenido de oxígeno disuelto en interior de la laguna se fija en valores de 1.5 a 2 mg/l. Sin embargo de afinidad con el proceso, las lagunas aireadas mecánicamente, disponen de sedimentadores secundarios. un el su no Fig.6 .2 La guna ai re ada de me zc la c o m p le ta La laguna aireada del sistema de tratamiento opera con 4 aireadores que desarrollan una potencia de 150 Hp , y su operación es continu a durante las 24 horas del día. 71 Fig. 6. 3 Lag unas ai re ad as de P o rt ovie j o Las lagunas de estabilización mantienen caudales variables con el tiempo, de igual manera la temperatura y la composición del afluente, en consecuencia las variables en el reactor y los efluentes de salida serán también variables con el tiempo. Estas variables serán determinadas con los balances de sustrato y de biomasa, que dan lugar a las ecuaciones diferenciales que gobiernan el proceso. 6.3.2 Componentes del modelo Antes de plantear los balances de masa , se requiere conocer la cinética que afectará a la biomasa y al sustrato. Iniciaremos el análisis considerando que la cantidad de oxígeno suministrada al proceso, es la adecuada, y por lo tanto no habrá limitante de oxígeno en los procesos biológicos. De esta manera no será necesario incluir la cinética de la transferencia de oxígeno en la laguna. Los componentes son entonces: Sustrato y Biomasa Heterótrofa. Sustrato (S) Será determinado por la DQO y por la DBO, en los análisis consideramos a la DQO por ser un método más rápido de evaluación, asumimos que se mantiene la relación DBO 5 /DQO, en cada uno de los procesos y que su relación promedia valores de 0.8 – 0.9. 71 Biomasa (X V ) Cultivo de microorganismos heterótrofos que se alimentan de la materia orgánica biodegradable del agua residual. Su concentración se puede medir mediante la concentración de sólidos suspendidos volátiles (SSV) en el reactor biológico, lo constituyen apro ximadamente un 70-80% de los sólidos totales. Los dos componentes que parecen simples, en el proceso son más bien complejos. La materia orgánica puede estar en forma disuelta o en suspensión, puede ser biodegradable o no, además los procesos biológicos para su desarrollo necesitan nutrientes principalmente nitrógeno y fosforo soluble y el oxígeno y los nitratos son oxidantes empleados en la respiración celular. Estos nutrientes que son necesarios para el desarrollo normal del ecosistema de la laguna, so n característicos en las aguas residuales domésticas, por lo que consideramos que se trata de un agua completamente balanceada. En cuanto a la disponibilidad del oxígeno, al ser una laguna aireada la cantidad de oxigeno disuelto, será una variable que deberá ser manipulada de manera externa, para nuestra simulación será considerada una constante, que tendrá un valor máximo de 2 mg/ l. 6.3.2.1 Procesos Cinéticos que emplea el modelo En función de los dos com ponentes elegidos, proponemos la utilización de dos procesos cinéticos básicos: el crecimiento de la biomasa y la muerte de la biomasa. Teniendo en consideración que la laguna aireada actúa como un reactor de mezcla completa. Crecimiento de la biomasa : proceso responsable del consumo del sustrato y del crecimiento de la biomasa. 71 Muerte de la biomasa: (metabolismo endógeno o lisis de los microorganismos). Este proceso implica una reducción en el crecimien to de la biomasa obtenido en el proceso de crecimiento inicial. 6.3.3 Procesos cinéticos de la biomasa Definimos dos procesos cinéticos que se desarrollan con la biomasa: el crecimiento y la muerte endógena. a. Crecimiento de la biomasa El crecimiento de la biomasa es proporcional a su concentración y a la velocidad específica de crecimiento : (6.1) r g = velocidad de crecimiento de la biomasa, g SSV/(m 3 -d) µ = velocidad específica de crecimiento de la biomasa, gSSV/(gSSV-d) : d - 1 X V , a = concentración de SSV en la laguna r g = ( dX/dt)g La velocidad específica de crecimiento de la biomasa sigue la ecuación de Monod [ ] (6 .2 ) Sustituyendo la ecuación 6.1 en la 6.2, tenemos: ⌈ ⌉ ( 6. 3) De aquí: Ks : constante de saturación, M/L 3 , es la concentración del sustrato a la cual se observa la mitad de la máxima tasa de crecimiento. Esta ecuación (6.3), será utilizada en el modelo, la cual determina el aumento de la biomasa en el proceso. Ver figura 4.3, en el capítulo 4. 71 b. Muerte endógena de los microorganismos Definida por la siguiente ecuación: (6. 4 ) Donde: (dX/dt) d : r d : tasa de decaimiento de la biomasa, gSSV/m 3 -d Kd: coeficiente de decaimiento bacteriano, [t - 1 ] X V , a : concentración de biomasa en la laguna Para determinar la tasa de crecimiento durante la fase endógena se pueden utilizar las ecuaciones anteriores: ( ) ⌈ ⌉ (6.5) Lo que representa la tasa de variación de la población bacteriana en la fase endógena 6.3.4 Procesos cinéticos del sustrato En esta etapa el único proceso que se desarrolla, es el consumo de la biomasa del sustrato que ingresa en el afluente a las lagunas, la velocidad del consumo es un proceso muy ligado al crecimiento de la biomasa, es más el segundo depende del primero. Si estimamos que por cada kilogramo de sustrato que ingresa al sistema, se producen Y kilogramos de biomasa ( SSV) 44, podemos representar el consumo de sustrato por: (6. 6 ) r g = velocidad de utilización de sustrato, g DBO 5 /(m 3 .d) Y = factor de rendimiento de la biomasa, kg SSV/(kg DBO 5 ) r s u = velocidad de utilización de sustrato, g DBO 5 /(m 3 .d) De aquí la velocidad de utilización de sustrato la expresamos como: 71 (6. 7) ( ) Si remplazamos la ecuación 6.3 en la 6.7 obtenemos: ( 6.8 ) La ecuación 6.8 nos determina que la utilización de sustrato está ligada al crecimiento de la biomasa, esto nos determina que el conjunto de procesos cinéticos pueden definirse a través del crecimiento bacteriano y del metabolismo endógeno. 6.4 PLANTEAMIENTO DE LOS BALANCES DE SUSTRATO Y DE BIOMASA Para los balances de masa, consideramos las siguientes asunciones: la temperatura y la cantidad de agua residual que ingresa a la laguna es constante. La forma literal del balance general es la siguiente: ∑{ } ∑{ } ⁄ ∑{ ⁄ ⁄ } { } ⁄ Los flujos másicos se expresan en la ecuación como cargas orgánicas, esto el producto de los m 3 /d. (caudal) que ingresan por los Kg/m 3 (carga orgánica), esto es (Kg/d), el término correspondiente a los procesos cinéticos pueden tener signo negativo o positivo, de acuerdo como afecte al proceso. mEl término de acumulación de masa es la derivada respecto al tiempo de la cantidad acumulada. Es decir: ( { ⁄ ) } 71 Para nuestro caso el volumen es constante: ⁄ { } 6.4.1 Balance del Sustrato { } ⁄ { ⁄ } { } ⁄ ⁄ { } Remplazando en la ecuación los términos correspondientes: (6.10) Sustituyendo el término r S U de la ecuación 6.8 tenemos: ( ) [ ] (6.11) Despejando la derivada obtenemos la ecuación diferencial de la variable Se: [ ]( ) [ ] (6.12) 6.4.2 Balance de Biomasa De igual manera que el balance de sustrato, realizamos el balance literal de la biomasa: { ⁄ } { ⁄ } { ⁄ } { } ⁄ 71 Remplazando en la ecuación los términos correspondientes: (6. 1 3) Despejando la derivada y remplazando los términos r g y r d obtenemos la ecuación diferencial de la variable X V , a [ ] ( ) 6.14 Las ecuaciones 6.12 y 6.14 (ecuaciones diferenciales ordinarias), constituyen la base matemática del modelo informático que será utilizado en la modelación de la laguna aireada. 6.5 MODELACIÓN DE LA LAGUNA FACULTATIVA El presente modelo fue desarrollado por Fritz y Meredith 45 en la Universidad Estatal de Nueva York, y será adaptado a nuestro modelo. El objetivo principal de este modelo fue interrelacionar los más importantes factores ambientales. Estos factores ambientales son: las características de las aguas residuales, la radiación solar y la temperatura, los mismos que sufren de variaciones horarias y estacionales muy notables. 46 6.5.1 Bases del Modelo En su forma elemental, este modelo comp rende la interacción de nutrientes solubles del desecho y lodo de fondo, con la biomasa compuesta de algas y bacterias y la fase gaseosa, compuesta por oxígeno y CO 2 . En su aspecto físico el modelo considera la sedimentación de sólido, algas y bacterias, e l balance de líquido es completo con la inclusión de lluvia, evaporación e infiltración y por último, se considera la influencia de la energía solar y el viento. 71 6.5.2 Ecuación General de Conservación de Masa Para una laguna facultativa se considera el siguiente balance de masas: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 6.15 Por conveniencia en el desarrollo del modelo, se considera que las masas: sedimentada, solubilizada en el lodo, infiltrada y asimilada, son descritas por las reacciones, y por lo tanto el balance quedaría: ( ) ( ) ( ) ( ) 6-16 Expresando la ecuación anterior de forma matemática tenemos: ∑ 6. 1 7 De aquí: V = volumen de la laguna, m 3 C = concentración de sustrato, mg/l Qa = caudal del afluente, m 3 /día Qe = caudal del efluente, m 3 /día Rc = tasa volumétrica de reacción de la sustancia considerada, mg/l -dia n = número de reacciones en el balance considerado La ecuación ha sido modificada de las condiciones originales propuesta por Fritz, para corregir el período de retención por lluvia, evaporación e infiltración. Para esto se considera que el periodo de retención estará dado por la siguiente correlación: ( ) ( ) 6. 18 De aquí: 71 Pr = período de retención nominal en días A = área de la laguna (Ha) E = evaporación, mm/día P = precipitación, mm/día I = infiltración en mm/ día Para efectos de cálculo, se adopta la siguiente convención de signos en el balance generalizado: Las reacciones que describen vectores de masa del afluente y aportes de lodo son positivos, las demás reacciones de vectores de masa sedimentada, infiltrada y asimilada, en el afluente son negativos. 6.5.3 Ecuación generalizada de asimilación de substrato Asimilación de substrato soluble Adaptando la ecuación a la nomenclatura usada en todo el sistema lagunar: ∑ 6. 1 9 En donde: Rc = tasa volumétrica de asimilación de DQO, mg/l -día S e F = DQO biodegradable del afluente en laguna facultativa, mg/l Para el cálculo de la constante de reacción - RC, se utiliza la teoría de Monod que establece una cinética de asimilación de substrato, se considera que tanto la DQO como el oxígeno disuelto y los nutrientes forman parte del substrato como factores limitantes en la reacción de síntesis de bacterias heterotróficas, la siguiente ecuación describe la variable Rc. [ ] [ ][ ] [ ] 6. 20 71 De aquí: K m = tasa máxima de utilización bacteriana de substrato en mg/mg X b .día X f = biomasa bacteriana activa, mg/l S, OD, N, P = concentraciones de DQO, oxígeno disuelto, nitrógeno total y fósforo inorgánico del afluente, mg/l. Ks, Kod, Kbn, Kbp = concentraciones de DQO, OD, N total, P inorgánico, para las condiciones de saturación media de K m (0.5 K m ). Remplazando en la ecuació n 6.19 y despejando el volumen del sistema, tenemos: ( ) [ ][ ][ ][ ] 6. 2 1 El coeficiente K m , depende de la temperatura, según la Ley de Arrhenius : 6. 2 2 De aquí: Ø= es la constante de la Ley de Arrhenius . Para el cálculo de la DQO biodegradable soluble del afluente [ S b a ], se considera la teoría de Marais 47, que describe una fracción de la DQO que es no biodegradable y está asociada con material inerte [f i P], otra asociada con material soluble [f n ], y un aporte de substrato soluble proveniente del lodo de fondo [f s ], en la siguiente ecuación: [ ] 6. 22 En donde: f n = fracción de DQO no biodegradable del afluente, asociada con material soluble (0.05 -0.1) para desecho doméstico crudo y (0.06 -0.12), para sedimentado. 71 f i = fracción de DQO que representa los sólidos volátiles inertes (0.07 0.12) para desecho crudo y cero ( 0 ), para el sedimentado. f s = factor que representa la fracción de S a (DQO total en el afluente), que sedimenta y solubiliza del lodo de fondo y es dependiente de la temperatura. Cuando T > 15 o C, se considera que [f s ], representa la fracción de S a que sedimenta más aquella que alcanza el efluente antes de ser oxidada. Cuando T< 15 º C, se considera que hay contribución del lodo del fondo y [f s ]. 6.5.4 Crecimiento bacteriano en la laguna facultativa El balance de biomasa de bacterias heterotróficas es: 6.2 3 De aquí: X V , a , X V , f : concentraciones de biomasa del afluente y del efluente, mg/d Rx b 1 , Rx b 2 : velocidades volumétricas de reacción que representan, respectivamente, el crecimiento bacteriano (incluido síntesis de destrucción endógena) y la sedimentación, ambas en (mg/l -día). Para las expresiones de Rx b 1 , Fritz propone la siguiente ecuación: ( ) 6.24 6. 25 De aquí: Y = Factor de crecimiento de bacterias en la etapa carbonacea, mg.X b /mg.DQO K b = tasa específica de respiración endógena, mg.X b /mg.X b -día a temperatura T f b = tasa de sedimentación, 1/día. 71 Remplazando 6.24 y 6.25 en 6.23 nos queda la ecuación final: ( 6.6 ) 6.26 MODELACIÓN DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO LAGUNAR La modelación consiste básicamente en resolver un problema del valor inicial. Hay que definir los valores iniciales de las variables de estado, así como la evolución temporal (para todo el periodo a simular) 48 de las entradas del sistema, y otras variables independientes del sistema. Este conjunto de datos constituyen el escenario de la simulación. De manera general seleccionaremos los operaciones y rutas, que se van a tener en cuenta en la modelación, para esto se deberán considerar las ecuaciones que incidan directamente en el proceso y los fenómenos que ocurren en el interior, las variables y las sim plificaciones y consideradas a ser tomadas en cuenta . Para la descripción de las ecuaciones se usará una notación matricial desarrollada por Petersen (Hanze 2002). En esta matriz, se representan los componentes del modelo en la fila superior, mientras que los procesos cinéticos se recogen en la columna de la izquierda (nombre del proceso) y en la colum na derecha (ecuación cinética). De acuerdo a estimaciones iniciales consideramos al oxígeno disuelto en la laguna como constante (depende de la inyección d e aire en el sistema). Otra consideración importante es que el modelo no considera la sedimentación del lodo floculento, en nuestro caso se asume que la totalidad de la biomasa pasa a la laguna facultativa. 71 COMPONENTES Se XA,V VELOCIDAD DE REACCION PROCESOS CRECIMIENTO DE LA BIOMASA METABOLISMO ENDOGENO 1 0 -1 BIOMASA M/L-3 [DQO] SUBSTRATO M/L3 [DQO] Parámetros Cinéticos Tasa de crecimiento especifica máxima : µ Constante de Saturación media : Ks Tasa Específica de Decaimiento : Kd Tabla 6.1 Matriz de Petersen para el proceso de laguna aireada COMPONENTES SeF Xf Y 1 VELOCIDAD DE REACCION PROCESOS CRECIMIENTO DE LA BIOMASA METABOLISMO ENDOGENO 0 -1 BIOMASA M/L-3 [DQO] SUBSTRATO M/L3 [DQO] ∑ Tabla 6.1 Matriz de Petersen para el proceso de laguna aireada 71 T ab la 6. 3 Re s u me n de l as e c ua ci one s que u ti li za e l m ode l o D E S C R I P C I O N E C U A C I O N Bala nc e de S ubs t rat o e n l as lag u nas ai rea das Bala nc e de c re ci mie nt o y m u e r te e nd óge na e n las lag u nas ai reada s [ [ ]( ) ] [ ] ( ( ( Per i od o d e re te n ci ó n e n l a l ag un a fa c ult ati va ) ) ) Asi mi la c ió n d e S u bst rat o so l ub le e n la lag u na f ac u ltat iva Constante de reacción de Monod para la laguna Facultativa /Rc ∑ [ ] [ ][ ] [ ] C oe fi c ient e Km, m e j o ra d o d e A r rhe ni us C re c im ient o b a cte ria n o e n la lag u na fa c u ltat iv a Vel o ci dad d e c re ci m ie n to ba c te ria n o fa c ult ati v o ( ) Vel o ci dad d e d e st r u c ci ón e n d ó ge na 71 Tabla 6.4 Constantes utilizadas en el modelamiento de las lagunas SIMBOLO D E S CR I P CI O N Y Coeficiente de crecimiento bacteriano V Volumen de las lagunas (aireada) µmáx. Tasa de crecimiento específico máxima UNIDADES VALOR E S TI M A D O ⁄ 0 .4 -0 .6 * m3 12 7.0 0 0 1/día 3- 12 ** mg DQO/l 10-100*** Ks Constante de saturación media /para 50% DQO Kd Tasa específica de decaimiento (muerte endógena) lagunas aireadas 1/día 0 .0 4 *** * Se DQO biodegradable a la salida de la laguna mg/l - Concentración de O2 para las condiciones de saturación media de Km (0.5 de Km) mg/l 1.0 Concentración de N2 para las condiciones de saturación media de Km (0.5 de Km) mg/l 0 .0 1 Kbp Concentración de P para las condiciones de saturación media de Km (0.5 de Km) mg/l 0 .0 1 Km tasa máxima de utilización bacteriana de substrato en la laguna facultativa mg/mgXb.día 2.0 Kod Kbn Ø Constante de Arrhenius Kb Constante de decaimiento endógeno en el proceso facultativo 1/días 0 .0 7 fb Tasa de sedimentación 1/día 0 .0 5 1.0 7 Referencias: * Yanez-Modelación de lagunas aireadas ** Yánez / Modelación de lagunas aireadas *** Mara-Enkelfelder/Evaluación de coeficientes biocinéticos **** Ramalho/tratamiento de aguas residuales 71 7 SIMULACION DE LA LAGUNA AIREADA Para la implementación de la simulación de los modelos matemáticos escogidos, se ha emplead o el programa de Matlab , este programa esta orientado al cálculo numérico, donde todos sus datos son considerados como vectores o matrices, ofrece un entorno de desarrollo integrado, con un lenguaje propio, el M. El paquete incluye las herramientas Simulink y Guide, que son plat aformas de simulación multidominio, y un editor de interfaces gráficas de usuario. 7.1 Alternativa a Matlab estudiadas La elección de Matlab, como herramienta de desarrollo de nuestra simulación (resolución de las ecuaciones diferenciales) , ha sido por su óptima adecuación a nuestras necesidades, sin embargo cabe mencionar el estudio de otras alternativas que podrían ser utilizadas en estudios similares. 7.1.1 Vensim PLE Vensim es una herramienta para el desarrollo, análisis y empaquetado de modelos dinámicos, creado por Ventana Systems . Como indicador de calidad del mismo se puede citar que es parte del programario ut ilizado con fines docentes y de investigación en la Sloan School of Management del MIT (Massachusetts Institute of Technology ). Además, pese a ser un programa comercial, existe una versión gratuita para usos docentes y estudiantes. 7.1.2. Stella & Netsim Stella es una herramienta de Isee Systems para el modelado de sistemas con finalidades educativas, de forma parecida a Easy Java Simulation. Su 71 sistema de modelado es probablemente más simple aún, al ser principalmente visual, aunque esto puede hacer que el ciertos modelos lleguen a ser algo “engorrosos”. Ofrece potentes opciones de visualización y creación de interfaces gráficas. 7.2 Metodología de trabajo 7.2.1 Recolección de datos Se recolectaron todos los datos que nos proporcionó el laboratorio de la planta de tratamiento de las lagunas, entre los años 2010 y 2011, de todos los parámetros que se muestran en la tabla 7.1. También se obtuvieron datos a partir de las planillas de informe semanal y mensual de efluentes. Los valores originales se encuentran detallados en los anexos respectivos. Una vez hecha la recolección de datos, se eliminaron aquellos que no correspondían a las condiciones normales del proceso, como ocurre generalmente en algunos meses de la etapa invernal, en donde el agua que proviene del sistema de alcantarillado de la ciudad, viene mezclada con aguas lluvias, aumentando considerablemente los caudales de ingreso a las lagunas, y disminuyendo en algunos casos la carga orgánica sobre el sistema. T ab la 7 .1 P a rá me t r os p r inci pa le s de l si ste ma Par áme tr o s Te m pe r at ura Oxíge n o D isue l t o Sí mb o l o T OD D e man d a B i o quí mic a d e Oxíge no DB O 5 D e man d a Q uí mica d e O xíge n o DQO S ó lid os sus pe n d id os T o ta le s S ST Nit r óge n o T o ta l Ntotal Fós f or o T ota l Ptotal P ote n cia l d e Hid r ó ge n o pH 7.2.2 Temperatura 71 La temperatura de las lagunas es un parámetro de importancia en la remoción de materia orgánica , a mayor temperatura la constante de remoción de sustrato también se eleva, en proporción a la ecuación de Arrhenius, de acuerdo a esto Tw (temperatura de la laguna), registra los siguientes promedios: T ab la 7 .2 Te m pe ra tu ra de l as la gun as Meses Ene r o Fe bre r o Mar zo Ab ri l May o Juni o Ju li o Ag os t o Se pt ie m bre Oct ub re N ovie m br e D icie m bre Temperatura lagunas Aireadas oC 2010 2011 26. 7 26. 3 26. 9 2 7.0 26. 4 2 7.1 2 7.0 26. 9 26. 9 26. 7 26. 8 26. 3 25. 2 25. 5 25. 3 25.9 26. 1 Temperatura lagunas facultativas oC 2010 2011 26. 6 26. 8 26. 9 2 7. 2 2 7. 4 2 7. 3 2 7.1 26. 8 26. 8 26. 5 26. 7 26. 4 25.9 25. 7 25. 6 26. 4 26. 7 Fuente: Laboratorio Químico de las Lagunas de Oxidación de Picoazá 71 temperatura C 27 data 1 6th degree 26.5 26 25.5 25 0 2 0 2 4 6 8 muestreos año 2010 10 12 10 12 temperatura C 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 4 6 8 desviacion temperatura media C Fig. 7 .1 T e m pe rat ur a de l a s la guna s ai re ad a s 27.5 27 26.5 26 25.5 0 2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 4 6 8 10 12 14 promedio muestreo mensual años 2010-2011 16 18 temperatura C 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 71 Fig. 7 .2 T e m pe ra tur a d e l as la guna s fac ul ta tiv as 7.2.3 Oxígeno Disuelto Se presentan los promedios de los monitoreos efectuados en los años 2010 y 2011, hasta el mes de Marzo. T ab la 7 .3 O xíge n o disu e lt o e n la s lag unas Meses Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Oxígeno disuelto lagunas Aireadas ºC 2010 2011 0.83 2.1 0.54 2.86 2 . 72 1.94 1 . 78 0.98 0.57 0 , 30 0 . 33 0.47 0 . 38 0.45 0.41 Oxígeno Disuelto lagunas facultativas oC 2010 2011 2.89 1.98 3. 0 1 4.3 2.1 3. 75 3. 1 2.99 4.34 2.22 4.01 3. 3 3. 2 2.98 3. 1 7 Fuente: análisis laboratorio Picoazá 71 oxígeno disuelto mg/l 4 2 0 -2 -4 0 5 10 15 1.5 desviación 1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 0 5 10 muestreo mensual años 2010-2011 15 Fig. 7 . 3 Pe r fi l de O2 e n la s la guna s ai re ad as oxigeno disuelto mg/l 5 4 3 2 1 0 5 10 promedios muestreos mensuales 15 1.5 desviación 1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 0 5 10 15 Fig. 7 .4 Pe rfi l de O 2 e n la s la guna s f ac ul ta tiva s 71 7.2.4 Demanda Química de Oxígeno La demanda Química de Oxígeno es monitoreada diariamente en las lagunas, el método utilizado es Hach -5420, normalmente se toman muestras entre las 14:00 y 16:00 horas, es decir cuando el flujo se encuentra estabilizado. T ab la 7 .4 M on it o re os d e D QO e n la s lag una s d e o xida ci ón D.Q.O. lagunas aireadas mg/l 2010 2011 Meses D.Q.O. lagunas facultativas mg/l 2010 2011 10 2 88 85 10 5 111 10 0 10 9 91 12 2 68 88 76 90 127 Ene r o Fe bre r o Mar zo Ab ri l May o Juni o Ju li o Ag os t o Se pt ie m bre Oct ub re N ovie m br e D icie m bre 272 360 247 303 319 38 2 49 2 678 181 280 19 3 166 Fuente: laboratorio de aguas Picoazá DQO mg/l 1000 500 desviación mg/l 0 0 2 4 0 2 4 500 6 8 Meses de muestreo 10 12 14 10 12 14 0 -500 6 8 Fig. 7.5 Monitoreo de DQO en las lagunas aireadas 71 DQO mg/l 150 100 desviación 50 0 2 4 2 4 50 6 8 muestreo promedio mensual 10 12 14 10 12 14 0 -50 0 6 8 Fig. 7.6 Muestreo DQO en laguna facultativa 7.2.5 Caudal de ingreso a las lagunas Los caudales de ingreso a las lagunas fueron monitoreados mediante la aplicación de la fórmula de Manning, para canales abiertos, en las lagunas no se dispone de vertederos, que realicen la lectura directa. Fig. 7 .7 Can a l de in gre s o d e l ag ua a las lagu na s Fuente: EIA Expost Lagunas de Picoazá 71 T ab la 7 . 5 Monitoreos de caudal en las lagunas Agosto 05-27/ 2011 H O R A FECHA DE MUESTREO D E M U E S T R E O 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 Promedio l/s 05/Agosto 416 226 365 327 393 387 271 264 350 356 335 06/Agosto 354 251 286 277 334 18/Agosto 378 312 303 298 360 362 19/Agosto 352 323 361 262 365 278 401 379 298 344 08:00 26/Agosto 300.4 285 287 366 305 327 332 27/Agosto 289 376 226 365 337 328 329 291 Promedio l/s 289 24969 375 32400 267 23068 376 32500 367 31700 359 31017 330 28512 297 25660 343 378 376 417 364 298 25747 364 31449 345 29808 333 28802 Promedio m3/d Las Memorias Técnicas del Rediseño de la planta de tratamiento de aguas residuales, efectuada por el consultor Fabián Yánez (1995), proponen los criterios para los diseños finales de la planta, para los años 2005 a 2020, Tabla 7.6 Datos de aporte de caudal en las lagunas DATOS GENERALES AÑO 2020 ZONAS AR/AP Ha 1-25 0.75 1.759 l/hab/d 220 AÑO 2015 Hab. l/s l/hab/d 242.324 481 200 AÑO 2010 Hab. l/s l/hab/d 222.190 431 195 Hab. l/s 200.948 381 Fuente: Memorias Técnicas para el rediseño de las lagunas/Fabián Yánez-Cuenca De acuerdo a los datos proyectados por l a consultora, para el año 2010, se espera un aporte a las lagunas de estabilización de 200.948 habitantes, que generarán 3 81 l/s de aguas residuales, es decir 32.918 m 3 por día. 71 La simulación del modelo propuesto, se desarrollará considerando los datos futuros de la po blación de la zona, teniendo como factor principal, la tasa de aumento de la población y la inserción de los nuevos sectores que disponen de alcantarillado sanitario. Mediciones de caudal de ingreso a las lagunas caudal l/s 1000 500 0 -500 5 10 15 20 25 30 10 15 20 dias de muestreo 25 30 -10 x 10 5 0 -5 5 Fig. 7 .8 M oni to re o de caud al e n la s lag una s 7.3 Desarrollo matemático del modelo propuesto Para el desarrollo de las ecuaciones diferenciales, se utilizó el programador de calculo matemático de Matlab, las ecuaciones ordinarias no lineales, fueron resueltas utilizando el comando ode23, comando que utiliza el método de Runge-Kutta de segundo y te rcer orden. con ode23, la solución se calcula usando primero un método de segundo orden y luego un método de tercer orden. Si el error no esta dentro de cierto rango, ajusta el paso de integ ración y recalcula la solución. En el anexo respectivo se incluye el programa utilizado para la resolución de las ecuaciones. 71 7.4 SIMULACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE LA LAGUNA AIREADA. Para la aplicación del modelo desarrollado consider amos las siguientes condiciones que corresponden a la situación actual del sistema. 7.4.1 Primera Simulación- Flujo promedio de ingreso a las lagunas : 950 m3/h Q : Flujo permanente de ingreso a las lagunas: 22.800 m 3 /d (264 l/s) V: 67.000 m 3 (una laguna en operación) Y : tasa de crecimiento de la biomasa: 0.50 Ks: Constante de saturación media : 20 mg. DQO/l Kd : Tasa específica de decaimiento bacteriano: 0.04 d - 1 µ m a x : 12 d - 1 Sustrato que ingresa /DQO : 360 mg/l 400 1100 caudal m3/h 380 360 340 320 sustrato de salida DQO 20 40 60 1000 900 800 80 400 300 200 100 20 40 60 80 tiempo en horas 0 biomasa entrada rojo y salida SSV sustrato de entrada DQO El resultado gráfico de la simulación de la laguna aireada, en condiciones de entrada sinusoidales se muestra en la siguiente figura: 20 40 60 80 400 biomasa en la laguna biomasa afluente 300 200 100 0 20 40 60 80 tiempo en horas Fig. 7 .9 P rime ra sim u la ció n de l m ode l o 71 Q : Flujo permanente de ingreso a las lagunas: 22.800 m 3 /d (264 l/s) V: 67.000 m 3 (una laguna en operación) Y : tasa de crecimiento de la biomasa: 0.50 Ks: Constante de saturación media : 20 mg. DQO/l Kd : Tasa específica de decaimiento bacteriano: 0.04 d - 1 µ m á x . : 12 d - 1 Sustrato que ingresa /DQO : 310 mg/l 1100 340 caudal m3/h sustrato de entrada DQO Segunda Simulación: Flujo promedio de ingreso a las lagunas : 950 m3/h 320 300 280 0 sustrato de salida DQO 1000 900 800 20 40 60 80 300 200 100 0 20 40 60 80 tiempo en horas 0 biomasa entrada rojo y salida SSV 7.4.2 20 40 60 80 400 biomasa en la laguna biomasa afluente 300 200 100 0 20 40 60 80 tiempo en horas Fig. 7 .1 0 Se g unda si mu l aci ón de l m ode l o 7.4.3 Tercera Simulación: Flujo promedio de ingreso a las lagunas : 950 m3/h Q : Flujo permanente de ingreso a las lagunas: 22.800 m 3 /d (264 l/s) V: 67.000 m 3 (una laguna en operación) Y : tasa de crecimiento de la biomasa: 0.50 Ks: Constante de saturación media : 20 mg. DQO/l Kd : Tasa específica de decaimiento bacteriano: 0.04 d - 1 µ m á x . : 12 d - 1 Sustrato que ingresa /DQO : 210 mg/l 71 caudal m3/h 1100 220 200 180 0 sustrato de salida DQO 1000 900 800 160 200 150 100 0 20 40 60 80 0 biomasa entrada rojo y salida SSV sustrato de entrada DQO 240 20 40 60 80 400 300 biomasa en la laguna biomasa afluente 200 100 20 40 60 80 0 20 40 60 80 tiempo en horas tiempo en horas Fig. 7 .11 T e r ce ra Sim u la ció n de l m ode l o 7.4.4 Simulación de la laguna aireada a caudal futuro Para el periodo comprendido entre el 2011 y 2012, se espera un incremento del 25 % de caudal, respecto al caudal actual se espera un ingreso diario de 26.000 m 3 /d. 7.4.4.1 Cuarta Simulación; Flujo promedio de ingreso a las lagunas : 1125 m3/h Q : Flujo permanente de ingreso a las lagunas: 26.000 m 3 /d (312 l/s) V: 67.000 m 3 (una laguna en operación) Sustrato que ingresa /DQO : 360 mg/l Todas las demás condiciones se mantienen para la simulación 71 caudal m3/h 360 340 320 sustrato de salida DQO 1200 1100 1000 900 0 20 40 60 80 400 300 200 20 40 60 80 tiempo en horas 0 biomasa entrada rojo y salida SSV sustrato de entrada DQO 380 20 40 60 80 400 biomasa en la laguna biomasa afluente 300 200 100 0 20 40 60 80 tiempo en horas Fig. 7 .12 Cu ar ta Si mu la ció n de l m ode l o a f l uj o má xim o 7.4.42 Quinta Simulación: Flujo promedio de ingreso a las lagunas : 1.125 m3/h Q : Flujo permanente de ingreso a las lagunas: 26.000 m 3 /d (312 l/s) V: 67.000 m 3 (una laguna en operación) Sustrato que ingresa /DQO : 310 mg/l Todas las demás condiciones se mantienen para la simulación del modelo matemático 71 caudal m3/h 320 300 280 260 sustrato de salida DQO 1200 1100 1000 900 0 20 40 60 80 300 200 100 20 40 60 80 tiempo en horas 0 biomasa entrada rojo y salida SSV sustrato de entrada DQO 340 20 40 60 80 400 biomasa en la laguna biomasa afluente 300 200 100 0 20 40 60 80 tiempo en horas Fig. 7 .13 Q uint a s im ul ac ión a caud a l máxi m o 7.4.4.3 Sexta Simulación: Flujo promedio de ingreso a las lagunas : 1.125 m3/h Q : Flujo permanente de ingreso a las lagunas: 26.000 m 3 /d (312 l/s) V: 67.000 m 3 (una laguna en operación) Sustrato que ingresa /DQO : 260 mg/l Todas las demás condiciones se mantienen para la simulación del modelo matemático. 71 caudal m3/h 260 240 220 sustrato de salida DQO 1200 1100 1000 900 0 20 40 60 80 300 250 200 150 100 0 20 40 60 80 tiempo en horas 0 biomasa entrada rojo y salida SSV sustrato de entrada DQO 280 20 40 60 80 400 biomasa en la laguna biomasa afluente 300 200 100 0 20 40 60 80 tiempo en horas Fig. 7 .14 Se xta si mu la ci ón a caud a l máxi m o 7.4.4.4 Séptima Simulación: Dos lagunas aireadas en operación Para el mejoramiento de la eficiencia de remoción, a futuro se prevé la adecuación y puesta en marcha de la laguna aireada # 2. Considerando su importancia para la toma de decisiones se realizó una simulación variando el volumen de la capacidad actual de la laguna aireada. Q : Flujo permanente de ingreso a las lagunas: 26.000 m 3 /d (312 l/s) V: 134.000 m 3 (dos lagunas en operación) Sustrato que ingresa /DQO : 360 mg/l Todas las demás condiciones se mantienen para la simulación del modelo matemático. 71 caudal m3/h 1300 380 360 340 0 sustrato de salida DQO 1200 1100 1000 320 20 40 60 80 200 150 100 50 0 20 40 60 80 tiempo en horas 0 biomasa entrada rojo y salida SSV sustrato de entrada DQO 400 20 40 60 80 400 biomasa en la laguna biomasa afluente 300 200 100 0 20 40 60 80 tiempo en horas Fig. 7 .1 5 Sé p tim a si mu l aci ón uti li zand o l as d o s lagu nas aire adas 7.5 COMPARACIÓN DE LOS DATOS OBTENIDOS Y VALIDACIÓN DEL MODELO Para la validación del modelo propuesto, se utilizaron los análisis del laboratorio realizados en el mes de enero, febrero y marzo del 2011. Tabla 7.6 Resultados de la medición y del modelado del DQO Fecha del análisis Muestro No DQO analizado en el laboratorio (i n g r e s o ) * DQO analizado por el l a b o r a t o r i o ( sa l i d a ) DQO obtenido p o r l a si mu l a c i ó n ( sa l i d a ) * * 01 / 02/ 2 011 1 27 2 88 118 16/ 02 /2 01 1 24 / 02 /2 011 02 / 03 /2 011 03 / 03 /2 01 1 09 / 03 /2 011 14 / 03 /2 011 18 / 03 /2 011 2 3 4 5 6 7 8 30 3 110 17 4 37 5 138 314 27 5 10 0 68 128 178 67 232 13 0 125 56 110 15 0 70 20 0 14 8 23/ 0 3/ 2 011 9 131 94 80 *Fuente: Análisis de laboratorio de la planta Picoazá ** Los gráficos de la simulación se presentan en el anexo respectivo 71 DQO salida lagunas 400 y = 0.39*x + 29 200 0 100 200 300 400 DQO de ingreso a las lagunas DQO que sale de las lagunas Fig.7.16 DQO medido por el laboratorio 200 y = 0.4*x + 24 150 100 50 100 150 200 250 300 DQO que ingresa a las lagunas 350 400 Fig. 7.17 DQO que registra el modelo con los valores de entrada a la laguna 7.5.1 Cálculo del Coeficiente de correlación Para el cálculo del coeficiente de correlación utilizamos la siguiente expresión: ( ) ∑( √∑( )( ) ∑( ) ) 7.1 71 T ab la 7 .7 Cá lc ul o d e l C oe fi cie n te de C or re lac i ón p ara e l D QO DQO medido (x) 88 100 68 128 178 67 232 130 94 DQO modelado (y) 118 125 56 110 150 70 200 148 80 (x’-x) (y’-y) (xi-x)2 (yi-y)2 (xi-x)(yi-y) -32.56 -20.56 -52.56 7.44 57.44 -53.56 111.44 9.44 -26.56 0.56 7.56 -61.44 -7.44 32.56 -47.44 82.56 30.56 -37.44 1060.15 422.71 2762.55 55.35 3299.35 2868.67 12418.87 89.11 705.43 23682.2 0.31 57.15 3774.87 55.35 1060.15 2250.55 6816.15 933.91 1401.75 16350.2 -18.234 -155.434 3229.286 -55.354 1870.246 2540.886 9200.486 288.486 994.406 17894.8 Σ DQO obtenido por el modelo mg/l 250 200 150 100 50 0 0 50 100 150 200 250 residuals 20 0 -20 0 50 100 150 200 250 DQO registrado en el laboratorio mg/l - DQO obtenido por el modelo mg/l F i g . 7 . 1 8 G r á f i c a d e l o s v a l o r e s d e D Q O : me d i d o s v s m o d e l a d o s 71 Aplicando la ecuación 7.1 el coeficiente de correlación es: ( ) ( 7.6 ) √( ) Análisis de los resultados Para la corrida del modelo propuesto, se utilizaron las condiciones actuales de la operación del sistema, esto es, una laguna aireada en operación y un rango entre 250 -350 mg/l del parámetro DQO, en el agua cruda (ingreso). Los parámetros biocinéticos fuer on obtenidos de recientes investigaciones, ya citadas en el marco teórico de la tesis. 7.6.1 Primera Simulación El caudal promedio se sitúa entre 1.200 a 800 m 3 día, en el mismo está considerado el descenso del caudal en horas de la noche, hasta las primeras horas de la mañana (10:00 -07:00). Con una tasa de crecimiento Y = 0.5 y un Kd (Constante de saturación media)= 20 mg/l, se realizó una simulación utilizando las siguientes variables: Q = caudal de ingreso a la laguna: 22.800 m 3 /d So = DQO de ingreso en el agua cruda: 360 mg/l El resultado de la simulación determina que para un caudal diario de 22.008 m 3 /día, con un ingreso promedio diario de 360 mg/l de Demanda Química de Oxígeno, se obtendrá una salida de 24 0 mg/l, esto representa una eficiencia del 34 %. La concentración de biomasa se mantiene entre los 50-100 mg/l, en la laguna, esto refleja el comportamiento de un reactor que no recibe una corriente de recirculación 71 7.6.2 Segunda Simulación El resultado de la segunda simulación determina que para un caudal diario de 22.008 m 3 /día, con un ingreso promedio diario de 310 mg/l de Demanda Química de Oxígeno, se obtendrá una salida de 250 mg/l, esto representa una eficiencia del 19.35 %. Los niveles de biomasa en la laguna se mantien en en 70 mg/l. 7.6.3 Tercera Simulación El resultado de la tercera simulación, determina que para un caudal diario de 22.008 m 3 /día, con un ingreso promedio diario de 2 10 mg/l de Demanda Química de Oxígeno, se obtendrá una salida de 130 mg/l, esto representa una eficiencia del 38 %. 7.6.4 Cuarta Simulación Para la corrida del modelo propuesto, se utilizaron las condiciones futuras de la operación del sistema, esto es, una laguna aireada en operación, un caudal de 1.125 m 3 /día y un rango entre 250-350 mg/l del parámetro DQO, en el agua cruda (ingreso). Los parámetros biocinéticos se mantienen en los valores anteriores. El resultado de la simulación determina que para un caudal diario de 26.000 m 3 /día, con un ingreso promedio diario de 360 mg/l de Demanda Química de Oxígeno, se obtendrá una salida de 325 mg/l, esto representa una eficiencia del 9.7 %. La eficiencia obtenida por el modelo, refleja una disminución importante en la remoción de la materia orgánica, lo que podría ocasionar valores fuera de rango, en el efluente final. 7.6.5 Quinta Simulación El resultado de la simulación determina que para un caudal diario de 26.000 m 3 /día, con un ingreso promedio diario de 310 mg/l de Demanda 71 Química de Oxígeno, se obtendrá una salida de 280 mg/l, esto representa una eficiencia del 10.41 %. En esta corrida se observa también una disminución importante en la biomasa de la laguna, probablemente el aumento de caudal, ocasiona una disminución en el tiempo de retención de la laguna, y una barr ida de la biomasa, hacia la laguna facultativa. 7.6.6 Sexta Simulación El resultado de la simulación determina que para un caudal diario de 26.000 m 3 /día, con un ingreso promedio diario de 260 mg/l de Demanda Química de Oxígen o, se obtendrá una salida de 225 mg/l, esto representa una eficiencia del 13.23 %. 7.6.7 Resultados de la validación del modelo Para la validación del modelo se utilizaron datos obtenidos en el laboratorio de las lagunas de oxidación, los reportes corresponden al primer trimestre del año 2011, antes de que ingresen a las lagunas los nuevos aportes del sistema de alcantarillado. Se consideraron nueve muestreos, la gráfica 7.8 y 7.9 reflejan las tendencias del monitoreo efectuado, en base a los resultados obtenidos se obtuvo el coeficiente de correlación. El valor fue obtenido considerando las dos matrices de datos: valores de DQO obtenidos en el laboratorio vs. valores de DQO obtenidos por el modelo propuesto, el coeficiente de correlación obtenido no s dio un valor de 0.9093 (91%). Si el coeficiente de correlación es un valor mayor igual a 0.7, las dos variables están muy correlacionadas positivamente. 71 8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES El sistema de tratamiento de las aguas residuales municipales de la ciudad de Portoviejo, está compuesto por 2 lagunas mecánicamente aireadas, una facultativa y una de maduración , obtiene bajo condiciones de flujo estable, porcentajes de remoción entre 70 a 80% de materia orgánica, expresada como Demanda Química de Oxígeno. Con el aporte de nuevos caudales, se espera una disminución de la eficiencia del sistema. Dentro de este contexto, las lagunas aireadas serían la única alternativa viable para mantener y aumentar la eficiencia del tratamiento, a niveles que le permitan seguir descargando sus aguas residuales dentro de los parámetros permitidos. Un modelo matemático compuesto por dos ecuaciones diferenciales ordinarias no lineales, fue utilizado para predecir el comportamiento de los efluentes de la laguna aireada, el sistema de ecuaciones diferenciales resuelto por el comando Ode 23 de Matlab, (Runge Kutta de segundo orden), nos sirvió para simular las variaciones de sustrato (DQO) y de la biomasa presente en la laguna. La validación del modelo con los resultados expe rimentales a diferentes condiciones de operación, demostró que es posible simular la operación de las lagunas aireadas, con errores medios de estimación, menores al diez (10) por ciento. Los valores obtenidos por el modelo en nueve corridas, fueron correlacionados por datos del laborato rio de la planta de tratamiento. S e obtuvo un coeficiente de correlación de 0,92, considerado muy aceptable para este tipo de modelos. 71 El parámetro Ks, que representa una asociación sinérgica entre la “biomasa y el sustrato”, se lo mantuvo constante en todas las corridas, con valores bajos (20 mg/l), considerando la afinidad existente entre estas dos variables ( aguas domésticas ) Las eficiencias de remoción obtenidas con la simulación a flujo máximo (1125 m 3 /h), mantienen un rango entre el 10 -12 %, considerado bajo para esta clase de tratamiento. Las eficiencias de remoción obtenidas con la simulación a flujo normal (900-950 m 3 /h) mantienen un rango aceptable superior al 30 %, coincidente con los valores monit oreados por el laboratorio. En la simulación del proce so realizada, variando el volumen de las lagunas a 127.000 m 3 (las dos lagunas en operación) y considerando el máximo nivel de concentración de sustrato 360 mg/l de DQO, se obtiene remociones del orden de los 65%, lo que demuestra que podría ser la mejor alternativa para mantener los niveles de remoción del sistema. 71 Bibliografía 1. Municipio de Portoviejo. (Feb 2009). Diagnóstico Ambiental del cantón Portoviejo. 2. www.portoviejo,gov.ec (2011).Manual de Operación de la empresa EMAPAS. Mapa de vulnerabilid ad del cantón Portoviejo. 3. Cárdenas José-Agosto 2009. (Agosto 2009). EIA para el Sistema de Alcantarillado de la ciudad de Portoviejo. 4. Yánez/Evaluación de las Lagunas de INEC/Censo año 2011. Cantón Portoviejo Oxidación de Picoaza. 5. Cárdenas José/ (Sept. 2010). Evaluación Lagunas de oxidación/2009 6. Kelly Reynolds PhD . (2007)Tratamiento de Aguas Residuales en Latinoamérica/www.agualatinoamerica.com . 7. Andrei Jouravlev . (2004). Los servicios de agua potable y saneamiento en el umbral del siglo 21 8. www.protoviejo.gov.ec . (2011). descripción del cantón Portoviejo 9. Comunidad Andina Secretaria. (2008) general de la Comunidad Andina. Proyecto Piloto Participativo en Gestión Local de riesgo de desastres en el cantón Portoviejo. 10. Inamhi /Reportes anuales climatológicos/año 2009 -2010 11. Inamhi /Reportes anuales climatológicos/año 2009 -2010 12. Castro Borislov . (2005). Proyecto Regional de Tratamiento y Uso de aguas residuales en América Latina /IDRC -OPS/HEP/CEPIS 71 13. Yánez (1987) Memorias Técnicas del Rediseño del Sistema de Tratamiento . Municipio de Portoviejo 14. Rodolfo Suarez . (2003). Evaluación del Sistema Lagunar de San Juan de Lima-CEPIS 15. Winkler Michael. (1999). Tratamiento de aguas de desecho/Limusa 16. CEPIS/DTIAPA -Desarrollo Histórico Lagunaje -Rodolfo Sáez Forero 17. Yánez (1996). Tratamiento de aguas residuales domésticas por Lagunaje. CEPIS 18. Romero (2002) Tratamiento de aguas domésticas para pequeñas comunidades . 19. Romero (2006) Lagunas de Estabilización de aguas residuales 20. Manzur/Rojas/Bertone- (2002)Estudio comparativo entre lagunas de estabilización y reactores tipo UASB simplificados. CEPIS 21. Fabian Yánez Cosios . (1993) Teoría, Diseño, Mantenimiento de lagunas de estabilización. CEPIS Evaluación y 22. Fabián Yánez. (1980) Lagunas aireadas mecánicamente. CEPIS 23. Gloyna. (2002). Waste Estabilization Pond-Geneva 24.Lehinger/Bioenergetic. (1971) California 25. Eckenfelder,W.W . (1970) Water Quality Engineering for p racticing engineers/Book US 26. METCALF, E. (1995). Ingeniería de Aguas Residuales: Tratamiento, vertido y reutilizació n. 3º Edición, McGraw -Hill. 71 27. SiebelM. (2005). Environmental Process Technology 28. Rojas. (2003). Ingeniería Hidráulica y Ambiental/VOL XXIII/N CEPIS. Determinación de constantes cinéticas en lagunas de estabilización 29. Danckwerts y Wehner y Wilhelms / (2004) Conditions Kinetic for stabilization pond. 30. EMAPAM/ (2009)Manual de Operación de las Lagunas 31. Certain, Molinares, Arrieta. (2005). Tratamiento de aguas residuales mediante sistemas de lagunaje-Ediciones Uninorte 32. Regalado, Peralta, Gonzales. (2006). como hacer un modelo matemático. 33. Paterson S., "Equilibrium Models for the Initial Integr ation of Physical and Chemical Properti es", Environmental Exposure 34. Sánchez Omar. (1998). Ingeniería/Huelva -España Escuela Técnica Superior de 35. Luis Moncada A.. (2004). Plantas Químicas. Simulación de Procesos 36. Mangas, Certain, Molinares. (2001). residuales en sistemas de Lagunaje Tratamiento de aguas 37. Yañez FC (2000) Aspectos destacados en la Tecnología de Lagunas de Estabilización 38. Cubillos, A (1986) estabilización, CEPIS Criterios para dimensionar lagunas de 39. Bora Beran/Lagunas de estabilización. 2003-IZMIR 71 40. Escala Cañellas . (2006). modelo matemático de lagunas de estabilización: U de San Luis de Potosí 41. Fritz y Meredith, D.D. & Middleton , RC, (1978) Modeling and Design of wastewater Stabilization Pond, U. de New York at Buffalo. 42.Fabián Yánez Cossio s, Lagunas de estabilización, (1993), Etapa, Cuenca 43. Marais, G.vR & Ekama,G.A . (1975) “The activate Sludge Process, part 1: Steady state Behaviors 44. Antoni Escala/Modelación Matemática de procesos/Universidad de Potosi/(2006) 71 ANEXO A Graficos de simulacion de las lagunas aireadas A-1 Simulación del 01/02011 A-2 Simulación del 16/02/2011 A-3 simulación del 24/02/2011 A-4 Simulación del 02/03/2011 A-5 Simulación del 03/03/2011 A-6 Simulación del 09/03/2011 A-7- Simulación del 14/03/2011 A-8 Simulación del 18/03/2011 A-9 Simulación del 23/03/2011 71 300 caudal m3/h 900 280 260 240 0 sustrato de salida DQO 800 700 600 220 20 40 60 80 200 150 100 50 0 20 40 60 80 tiempo en horas 20 biomasa entrada rojo y salida SSV sustrato de entrada DQO A-1 Simulación del 01/02011 40 60 80 400 biomasa en la laguna biomasa afluente 300 200 100 0 20 40 60 80 tiempo en horas 0 20 900 caudal m3/h 320 300 280 260 0 sustrato de salida DQO 800 700 600 20 40 60 80 250 200 150 100 50 0 20 40 60 80 tiempo en horas biomasa entrada rojo y salida SSV sustrato de entrada DQO A-2 Simulación del 16/02/2011 40 60 80 400 biomasa en la laguna biomasa afluente 300 200 100 0 20 40 60 80 tiempo en horas 71 A-3 simulación del 24/02/2011 sustrato de entrada DQO 140 caudal m3/h 900 120 100 80 0 sustrato de salida DQO 800 700 600 60 20 40 60 80 80 60 40 20 0 20 40 60 80 tiempo en horas 0 biomasa entrada rojo y salida SSV 20 40 60 80 400 biomasa en la laguna biomasa afluente 300 200 100 0 20 40 60 80 tiempo en horas 200 caudal m3/h 900 180 160 140 0 sustrato de salida DQO 800 700 600 120 20 40 60 80 150 100 50 20 40 60 80 tiempo en horas 20 biomasa entrada rojo y salida SSV sustrato de entrada DQO A-4 Simulación del 02/03/2011 40 60 80 400 biomasa en la laguna biomasa afluente 300 200 100 0 20 40 60 80 tiempo en horas 71 900 caudal m3/h 400 380 360 340 0 sustrato de salida DQO 800 700 600 320 20 40 60 80 0 biomasa entrada rojo y salida SSV sustrato de entrada DQO A-5 Simulación del 03/03/2011 300 200 100 0 20 40 60 80 tiempo en horas 20 40 60 80 400 biomasa en la laguna biomasa afluente 300 200 100 0 20 40 60 80 tiempo en horas 180 900 caudal m3/h 160 140 120 100 0 sustrato de salida DQO 800 700 600 20 40 60 80 120 100 80 60 40 20 20 40 60 80 tiempo en horas 0 biomasa entrada rojo y salida SSV sustrato de entrada DQO A-6 Simulación del 09/03/2011 20 40 60 80 400 biomasa en la laguna biomasa afluente 300 200 100 0 20 40 60 80 tiempo en horas 71 900 caudal m3/h 340 320 300 280 700 600 40 60 80 0 250 200 150 100 50 20 40 60 80 tiempo en horas biomasa entrada rojo y salida SSV 20 20 40 60 80 400 biomasa en la laguna biomasa afluente 300 200 100 0 20 40 60 80 tiempo en horas 320 900 300 caudal m3/h sustrato de entrada DQO A-8 Simulación del 18/03/2011 280 260 240 800 700 600 0 sustrato de salida DQO sustrato de salida DQO 800 20 40 60 80 250 200 150 100 50 0 20 40 60 80 tiempo en horas 0 biomasa entrada rojo y salida SSV sustrato de entrada DQO A-7- Simulación del 14/03/2011 20 40 60 80 400 biomasa en la laguna biomasa afluente 300 200 100 0 20 40 60 80 tiempo en horas 71 A-9 Simulación del 23/03/2011 900 caudal m3/h 160 140 120 100 700 600 20 sustrato de salida DQO 800 80 40 60 80 120 100 80 60 40 20 40 60 80 tiempo en horas 0 biomasa entrada rojo y salida SSV sustrato de entrada DQO 20 40 60 80 400 biomasa en la laguna biomasa afluente 300 200 100 0 20 40 60 80 tiempo en horas 71 ANEXO B ANALISIS DE LABORATORIO DE LAS LAGUNAS 71 Empresa Pública Municipal de Agua Potable y Alcantarillado de Portoviejo P.T.A.R LABORATORIO DE AGUAS RESIDUALES REGISTRO DE RESULTADOS DE ANALISIS FECHA DE MUESTREO: 3/MARZO/2011 CONDICIONES AMBIENTALES: Seco HORA DE MUESTREO: Muestreo compuesto AIREADORES EN FUNCIONAMIENTO:4 UNIDAD AFLUENTE AEREADA FACULTATIVA NORMA DE CALIDAD AMBIENTAL EFLUENTE CUMPLIMIENTO Cobalto(Co) mg/l 1.02 …….. …….. 0.5 0.29 SI Cobre(Cu) Cianuro mg/l 3.86 …….. …….. 1.0 0.94 SI mg/l 0.133 …….. …….. 0.1 0.037 SI Cromo(Cr+6) Demanda Bioquímica de Oxigeno(DBO5) Demanda Química de Oxigeno(DQO) mg/l 0.61 …….. …….. 0.5 0.11 SI 240 169 64 100 70 SI 375 178 110 250 66 SI Hierro(Fe) mg/l 2.53 …….. …….. 10.0 0.59 SI Nitratos(NO3=) mg/l 34.9 …….. …….. Nitritos(NO2=) mg/l 0.193 …….. …….. Zinc(Zn+2) mg/l 0.89 …….. …….. PARAMETROS QUMICOS mg/l mg/l 6.4 10.0 SI 0.054 0.5 1.78 NO ING.VIRGINIA SANCHEZ M. JEFE LAB. P.T.A.R 71 Empresa Pública Municipal de Agua Potable y Alcantarillado de Portoviejo P.T.A.R LABORATORIO DE AGUAS RESIDUALES REGISTRO DE RESULTADOS DE ANALISIS FECHA DE MUESTREO: 24/feb/2011 HORA DE MUESTREO: Muestreo compuesto PARAMETROS QUMICOS Demanda Quimica de Oxigeno(DQO) CONDICIONES AMBIENTALES: Seco AIREADORES EN FUNCIONAMIENTO:4 UNIDAD AFLUENTE AEREADA FACULTATIVA NORMA DE CALIDAD AMBIENTAL Y DE DESCARGA DE EFLUENTES:Recurso Agua mg/l 110 68 61 250 EFLUENTE CUMPLIMIENTO 62 SI ING.VIRGINIA SANCHEZ M. JEFE LAB. P.T.A.R 71 Empresa Pública Municipal de Agua Potable y Alcantarillado de Portoviejo P.T.A.R LABORATORIO DE AGUAS RESIDUALES REGISTRO DE RESULTADOS DE ANALISIS FECHA DE MUESTREO:16/feb/2011 HORA DE MUESTREO: Muestreo compuesto CONDICIONES AMBIENTALES: Seco AIREADORES EN FUNCIONAMIENTO:4 UNIDAD AFLUENTE AEREADA FACULTATIVA EFLUENTE CUMPLIMIENTO mg/l 0.019 0.05 0.024 5.0 0 SI Cloruros Demanda Bioquímica de Oxigeno(DBO5) Demanda Química de Oxigeno(DQO) mg/l 108 90 90 1000 96 SI mg/l 274 82 117 100 28 NO mg/l 303 100 157 250 138 SI Floruros(F) mg/l 0 ………. ……….. 5.0 0.64 SI Fosforo(PO4) mg/l 22.3 13.4 17.6 10.0 11.4 NO Nitrógeno Amoniacal(N-NH3) mg/l 50 …… ……….. ………. 25 NORMA DE CALIDAD AMBIENTAL PARAMETROS QUMICOS Aluminio (Al+3) ING.VIRGINIA SANCHEZ M. JEFE LAB. P.T.A.R 71 Empresa Pública Municipal de Agua Potable y Alcantarillado de Portoviejo P.T.A.R LABORATORIO DE AGUAS RESIDUALES REGISTRO DE RESULTADOS DE ANALISIS FECHA DE MUESTREO: 02 /Marzo HORA DE MUESTREO: Muestreo compuesto PARAMETROS QUMICOS Demanda Bioquimica de Oxigeno(DBO5) CONDICIONES AMBIENTALES:Seco AIREADORES EN FUNCIONAMIENTO:4 UNIDAD AFLUENTE AEREADA FACULTATIVA NORM A DE CA LIDA D A M B IENTA L Y DE DESCA RGA DE EFLUENTES:Rec urso A gua mg/l 174 128 94 100 EFLUENTE CUMPLIMIENTO 29 SI ING.VIRGINIA SANCHEZ M. JEFE LAB. P.T.A.R 71 Empresa Pública Municipal de Agua Potable y Alcantarillado de Portoviejo P.T.A.R LABORATORIO DE SANEAMIENTO REGISTRO DE RESULTADOS DE ANALISIS FECHA DE MUESTREO: 14/ mar HORA DE MUESTREO: Muestra compuesta (12:00 y 15:00 pm) CONDICIONES AMBIENTALES:Seco AIREADORES EN FUNCIONAMIENTO:4 AEREADA FACULTATIVA NORM A DE CA LIDA D A M B IENTA L Y DE DESCA RGA DE EFLUENTES:Recurso A gua EFLUENTE CUMPLIMIENTO UNIDAD AFLUENTE PARAMETROS Demanda Bioquimica de Oxigeno(DBO5) mg/l 314 232 113 100 94 SI Demanda Quimica de Oxigeno(DQO) mg/l 255 143 82 250 76 SI ING.VIRGINIA SANCHEZ M. JEFE LAB. SANEAMIENTO 71 Empresa Pública Municipal de Agua Potable y Alcantarillado de Portoviejo P.T.A.R LABORATORIO DE SANEAMIENTO REGISTRO DE RESULTADOS DE ANALISIS FECHA DE MUESTREO: 14/ mar HORA DE MUESTREO: Muestra compuesta (12:00 y 15:00 pm) UNIDAD AFLUENTE PARAMETROS Demanda Bioquimica de Oxigeno(DBO5) mg/l 255 143 Demanda Quimica de Oxigeno(DQO) mg/l 314 232 CONDICIONES AMBIENTALES: Seco AIREADORES EN FUNCIONAMIENTO:4 AEREADA FACULTATIVA NORMA DE CALIDAD EFLUENTE CUMPLIMIENTO 113 100 94 SI 82 250 76 SI ING.VIRGINIA SANCHEZ M. JEFE LAB. SANEAMIENTO 71 Empresa Pública Municipal de Agua Potable y Alcantarillado de Portoviejo P.T.A.R LABORATORIO DE SANEAMIENTO REGISTRO DE RESULTADOS DE ANALISIS FECHA DE MUESTREO: 18/ mar/2011 HORA DE MUESTREO: Muestra compuesta (9 am-12:00 pm) CONDICIONES AMBIENTALES: Seco AIREADORES EN FUNCIONAMIENTO:4 UNIDAD AFLUENTE AEREADA FACULTATIVA NORMA DE CALIDAD AMBIENTAL PARAMETROS Demanda Bioquímica de Oxigeno(DBO5) mg/l 119 87 ……. 100 4.6 SI Demanda Química de Oxigeno(DQO) mg/l 275 130 67 250 66 SI EFLUENTE CUMPLIMIENTO ING.VIRGINIA SANCHEZ M. JEFE LAB. SANEAMIENTO 71 Empresa Pública Municipal de Agua Potable y Alcantarillado de Portoviejo P.T.A.R LABORATORIO DE AGUAS RESIDUALES REGISTRO DE RESULTADOS DE ANALISIS FECHA DE MUESTREO: 09/ mar/2011 HORA DE MUESTREO: Muestra compuesta (17 - 20 pm) CONDICIONES AMBIENTALES: Seco AIREADORES EN FUNCIONAMIENTO:4 UNIDAD AFLUENTE AEREADA FACULTATIVA NORMA DE CALIDAD AMBIENTAL PARAMETROS Demanda Bioquímica de Oxigeno(DBO5) mg/l 30.6 25.2 13.9 100 5.4 SI Demanda Química de Oxigeno(DQO) mg/l 138 67 61 250 41 SI EFLUENTE CUMPLIMIENTO ING.VIRGINIA SANCHEZ M. JEFE LAB. P.T.A.R 71 Empresa Pública Municipal de Agua Potable y Alcantarillado de Portoviejo P.T.A.R LABORATORIO DE AGUAS RESIDUALES REGISTRO DE RESULTADOS DE ANALISIS CONDICIONES AMBIENTALES: Lluvioso AIREADORES EN FUNCIONAMIENTO:4 FECHA DE MUESTREO:01/feb HORA DE MUESTREO: Muestreo compuesto UNIDAD AFLUENTE AEREADA FACULTATIVA NORMA DE CALIDAD AMBIENTAL Y DE DESCARGA EFLUENTE CUMPLIMIENTO PARAMETROS QUMICOS Aluminio (Al) Cloruros mg/l mg/l 0.022 50 0.046 40 0.02 50 5 1000 0.036 30 SI SI Demanda Bioquímica de Oxigeno(DBO5) mg/l 219 82 37 100 110 NO Demanda Química de Oxigeno(DQO) Hierro(Fe) Fosforo(PO4) Manganeso(Mn) Nitratos(NO3=) Nitritos(NO2=) mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l 272 0.98 10.6 5.2 53.6 0.149 88 ………. 10.5 ………. ………. ………. 54 ………. 9.7 ………. ………. ………. 54 0.32 10.6 1.7 5.8 0.024 SI SI NO SI 250 10.0 10.0 2.0 10.0 SI ING.VIRGINIA SANCHEZ M. JEFE LAB. P.T.A.R 71 Empresa Pública Municipal de Agua Potable y Alcantarillado de Portoviejo P.T.A.R LABORATORIO DE SANEAMIENTO REGISTRO DE RESULTADOS DE ANALISIS FECHA DE MUESTREO: 23/ mar HORA DE MUESTREO: Muestra compuesta (8 am-16:00 pm) PARAMETROS Demanda Bioquimica de Oxigeno(DBO5) Demanda Quimica de Oxigeno(DQO) CONDICIONES AMBIENTALES:Seco AIREADORES EN FUNCIONAMIENTO:4 AEREADA FACULTATIVA NORM A DE CA LIDA D A M B IENTA L Y DE DESCA RGA DE EFLUENTES:Rec urso A gua EFLUENTE CUMPLIMIENTO UNIDAD AFLUENTE mg/l 21.2 7.9 6.4 100 2.4 SI mg/l 131 94 53 250 47 SI ING.VIRGINIA SANCHEZ M. JEFE LAB. SANEAMIENTO 71 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 1 Diagnóstico Ambiental del cantón Portoviejo/Feb. 2009/ Municipio de Portoviejo 2 Manual de Operación de la empresa EMAPAS/Marzo 2007 3 Mapa de vulnerabilidad del cantón Portoviejo/Pagina web Municipio de Portoviejo/2011 4 EIA para el Sistema de Alcantarillado de la ciudad de Portoviejo /Cárdenas-Agosto 2009/Municipio de Portoviejo 5 Yánez/Evaluación de las Lagunas de Oxidación de Picoaza/ 6 INEC/Censo año 2011/Cantón Portoviejo 7 EIA Cárdenas/Evaluación Lagunas de oxidación/2009 8 Kelly Reynolds PhD /Tratamiento de Aguas Residuales en Latinoamérica/www.agualatinoamerica.com 9 Andrei Jouravlev /Los servicios de agua potable y saneamiento en el umbral del siglo 21/2004 10 www.protoviejo.gov.ec /descripción del cantón Portoviejo 11 Comunidad Andina/Secretaria general de la Comunidad Andina/Proyecto Piloto Participativo en Gestión Local de riesgo de desastres en el cantón Portoviejo. 12 Inamhi /Reportes anuales climatológicos/año 2009-2010 13 Inamhi /Reportes anuales climatológicos/año 2009-2010 14 Castro Borislov /Proyecto Regional de Tratamiento y Uso de aguas residuales en América Latina /IDRCOPS/HEP/CEPIS 15 Yánez (1987) Memorias Técnicas del Rediseño del Sistema de Tratamiento 16 Evaluación del Sistema Lagunar de San Juan de Lima-CEPIS-Rodolfo Suarez 17 Winkler Michael/Tratamiento de aguas de desecho/1999 18 CEPIS/DTIAPA-Desarrollo Histórico Lagunaje-Rodolfo Sáez Forero 19 Yánez (1996)/Tratamiento de aguas residuales domésticas por Lagunaje 20 Romero (2002) Tratamiento de aguas domésticas para pequeñas comunidades 21 Romero (2006) Lagunas de Estabilización de aguas residuales 22 Manzur/Rojas/Bertone- CEPIS-Estudio comparativo entre lagunas de estabilización y reactores tipo UASB simplificados. 23 Fabian Yánez Cosios, Teoría, Diseño, Evaluación y Mantenimiento, 1993 24 Fabian Yánez/Lagunas aireadas mecánicamente/1980 71 25 Gloyna/Waste Estabilization Pond-Geneva 1971 26 Lehinger/Bioenergetic/California 1971 27 Eckenfelder,W.W. Water Quality Engineering for practicing engineers/Book US 1970 28 METCALF, E. Ingeniería de Aguas Residuales: Tratamiento, vertido y reutilización. 3º Edición, McGraw-Hill. 1995 29 SiebelM/Environmental Process Technology 30 Ingeniería Hidráulica y Ambiental/VOL XXIII/N 1/2003 lagunas de estabilización 30 Rojas /CEPIS/Determinación de constantes cinéticas en 31 Rojas /CEPIS/Determinación de constantes cinéticas en lagunas de estabilización 32 Danckwerts y Wehner y Wilhelms/Conditions Kinetic for stabilization pond 33 Manual de Operación de las Lagunas /EMAPAM 34 Certain/Molinares/Arrieta-Tratamiento de aguas residuales mediante sistemas de lagunaje-Ediciones Uninorte-2007 35 Regalado/Peralta/Gonzales/como hacer un modelo matemático/2006 36 Paterson S., "Equilibrium Models for the Initial Integration of Physical and Chemical Properties", Environmental Exposure from 37 Sánchez Omar/Escuela Técnica Superior de Ingeniería/Huelva-España (1998) 38 Plantas Químicas/Simulación de Procesos/Luis Moncada (2004) 39 40 Mangas/Certain/Molinares-Tratamiento de aguas residuales en sistemas de Lagunaje Yañez,FC (2000) Aspectos destacados en la Tecnología de Lagunas de Estabilización 41 Cubillos, A (1986) Criterios para dimensionar lagunas de estabilización, CEPIS 42 Bora Beran/2003-IZMIR 43 Escala Cañellas/U de San Luis de Potosí-2006 44 ramalho xxxxx 45 Fritz y Meredith, D.D. & Middleton, RC, (1978) Modeling and Design of wastewater Stabilization Pond, U. de New York at Buffalo. 46 Fabián Yánez Cossio, Lagunas de estabilización, (1993), Etapa, Cuenca 47 Marais, G.vR & Ekama,G.A. (1975) “The activate Sludge Process, part 1: Steady state Behaviors 48 Antoni Escala/Modelación Matemática de procesos/Universidad de Potosi/(2006) 71