DETERMINACION DE CONSTANTES CINETICAS EN LAGUNAS DE ESTABILIZACION DE SALTA Viviana Liberal, Carlos Cuevas, Aníbal Trupiano y Eduardo Bouhid Consejo de Investigaciones - Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de Salta. Buenos Aires 177. 4400 SALTA FAX : (087) 255351 E-mail : tbel@ciunsa.unas.edu.ar Palabras claves : Efluentes cloacales. Tratamiento estabilización. Diseño lagunas. Coeficientes Cinéticos efluentes. Lagunas RESUMEN Se determinaron parámetros cinéticos para diseño de lagunas de estabilización de efluentes cloacales en la ciudad de Salta, realizando pruebas de equilibrio discontinuo en distintas estaciones climáticas en una laguna primaria facultativa. Se evaluaron las Constantes de Remoción de Materia Orgánica y Bacterias Coliformes y sus respectivos Coeficientes de la Ley de Arrhenius modificada. Los valores obtenidos indican una marcada dependencia de la Constante de Remoción Bacteriana con la Temperatura y valores absolutos menores a los informados por otros autores. INTRODUCCION Los modelos utilizados para el diseño de lagunas normalmente están compuestos por el submodelo hidráulico y balances de masa con términos de generación y remoción de masa afectados por constantes cinéticas (1). A pesar de ser las lagunas de estabilización el método más ampliamente usado en el tratamiento de líquidos cloacales en la provincia de Salta, no se habían realizado estudios para determinar los valores de los coeficientes cinéticos para las condiciones locales, necesarios para optimizar el diseño, la construcción y el funcionamiento posterior. Al no contarse con estos coeficientes, se adoptan los que resultan de zonas con características climáticas similares, lo que conlleva a resultados poco confiables, generalmente traducidos en mayores costos y bajos rendimientos. Las coordenadas geográficas de la ciudad de Salta, capital de la Provincia del mismo nombre, la ubican en los 65º 29' de longitud y 24º 51' de latitud; a 1.150 metros sobre el nivel del mar. El clima de la zona está clasificado como Sub Tropical con Estación Seca. Las temperaturas máxima y mínima medias son de 24 y 10ºC respectivamente, con una humedad relativa ambiente promedio de 74%. Las primeras lagunas que se instalaron fueron para los barrios Ciudad del Milagro y Universitario, conjuntos habitacionales construidos lejos del ejido urbano en aquellos momentos (1.975). Posteriormente la zona tuvo un gran desarrollo debido a los planes habitacionales propuestos por el gobierno, por lo que fue necesario construir un nuevo sistema de tratamiento llamado "Lagunas de Castañares", porque las anteriores no tenían capacidad de depuración. El proyecto que se realizó es una combinación de una laguna anaeróbica y dos lagunas facultativas en serie, por ser ésta una solución apropiada por la disminución del área total requerida, lo cual constituía un problema en el lugar. Las tres lagunas fueron ubicadas en forma perimetral al sistema de "Lagunas del Milagro" anteriormente existente. Actualmente las "Lagunas del Milagro" tienen más de 20 años de funcionamiento y las de "Castañares", más de 15; su ubicación es crítica, ya que están emplazadas en un sector donde se construyeron dos nuevos barrios que se extienden en asentamientos precarios, llegando algunas viviendas a estar establecidas en plenos taludes de las piletas. Un estudio realizado en 1995 (2) concluye que el sistema del Milagro no está funcionando en absoluto ya que el líquido crudo que ingresa es volcado al canal colector directamente y el sistema Castañares no es mantenido ni operado adecuadamente, no obstante lo cual se logran eficiencias de remoción de DBO del orden del 84% y del 60% de DQO. También se estableció experimentalmente que las condiciones de estabilización son aeróbicas en todas las lagunas del sistema Castañares. El presente trabajo constituye una continuación del estudio mencionado y tiene el Objetivo de determinar los parámetros cinéticos para las condiciones locales utilizando el sistema de lagunas de estabilización que depuran los efluentes cloacales de la zona Norte de la ciudad de Salta, para su aplicación en el diseño de futuras lagunas y optimización de las que actualmente funcionan en la región. Para cumplimentar el objetivo propuesto, se llevaron a cabo cuatro pruebas en equilibrio discontinuo (cada una en una estación climática diferente) en la primer laguna del sistema, realizando la toma de muestras y análisis durante diez días en cada prueba. 2 MATERIALES Y METODOS En relación a la Remoción de Materia Orgánica, se emplea la Constante Global de Asimilación de Sustrato K que, para lagunas facultativas, se determina por pruebas en equilibrio discontinuo, independiente del submodelo hidráulico (1). Para la Remoción de Bacterias, se utiliza la Constante Específica de Mortalidad Bacteriana Kb que puede desarrollarse por pruebas en equilibrio discontinuo o en funcionamiento continuo en lagunas con flujo pistón y carga orgánica reducida. La influencia de la Temperatura sobre las dos Constantes está regida por la ecuación modificada de Arrhenius, cuyo Coeficiente θ puede ser estimado considerando los valores de las Constantes Cinéticas a distintas Temperaturas. Parámetros Cinéticos 1.- Constante Específica de Mortalidad Bacteriana (Kb) La disminución de gérmenes patógenos que ocurre en el líquido aislado (flujo discontinuo) está regida por la Ley de Chick (3): ln (No / N) = Kb t Donde : (E C. *1) No = calidad bacteriológica original del agua N = calidad bacteriológica después de un tiempo t Kb = Constante Específica de Mortalidad Bacteriana El valor de Kb se determina mediante el conteo de coliformes fecales en pruebas en equilibrio discontinuo, aplicando una recta de mejor ajuste a los datos obtenidos. Debe determinarse para las diferentes estaciones, por ser su valor dependiente de la Temperatura y la luz solar (3). A partir de los valores de la constante Kb a diferentes Temperaturas se determina el coeficiente θ b de la Ley de Arrhenius modificada, empleando la Temperatura promedio de cada prueba en equilibrio discontinuo (1): Kb T = Kb 20ºC θ b( T - 20 ) (Ec. *2) 2.- Constante Global de Asimilación de Sustrato (K) Siguiendo la misma metodología se determina K con los datos de DBO soluble obtenidos durante las pruebas en equilibrio discontinuo. Esto es posible porque el modelo presentado para la remoción bacteriana sigue la misma reacción de primer orden que rige la remoción de DBO (1, 3): ln (Lo / L) = K t Donde: (Ec. *3) Lo = Contenido de materia orgánica original del agua en términos de DBO última. L = Contenido de materia orgánica final después de un tiempo t. K = Constante Global de Asimilación de Sustrato Los datos experimentales ajustados por cuadrados mínimos permiten calcular el valor de K para la Temperatura de cada prueba. 3 Para establecer una correlación adecuada de datos de DBO es necesario calcular la DBO última L, independiente de la Temperatura. La relación entre DBO5 y L es (4): DBO5 = L ( 1 - 10 -5k ) (Ec. *4) El valor de k, la Constante de Desoxigenación, se calcula mediante los valores de DBO para distintos períodos de incubación (uno, tres, cinco, siete y nueve días) de alícuotas de la muestra inicial de la prueba en equilibrio discontinuo. Los datos obtenidos se procesan utilizando el método de aproximación gráfica de los momentos de H.A. Thomas (5). El Coeficiente θ para remoción de sustrato de la Ley de Arrhenius modificada se determina a partir de los valores de la constante K a diferentes Temperaturas . KT = K 20ºC θ ( T - 20 ) (Ec. *5) Pruebas en Equilibrio Discontinuo - Para realizar las pruebas se empleó un recipiente a sumergir en la laguna, constituido por una bolsa de polietileno contenida en un canasto plástico de 70 litros de capacidad al que se le han adosado flotadores. El recipiente se tapó con un plástico transparente de modo que no se impida el ingreso de aire y luz a su interior. - Las pruebas se inician llenando el recipiente con el líquido de la primera laguna (facultativa) y dejándolo sumergido en la misma durante 10 días, lapso en que se tomaron muestras periódicas del líquido confinado. Se determinaron in situ Temperatura y Oxígeno Disuelto. - Se realizaron cuatro pruebas durante los meses de Septiembre, Diciembre, Abril y Julio. Técnicas Analíticas Los coliformes fecales se cuantifican en el laboratorio por la técnica del NMP. La DBO5 se determina por lectura de Oxígeno Disuelto con Oxímetro HANNA antes y después de 5 días de incubación. Las técnicas utilizadas son las recomendadas por Standard Methods (6). Para la medición in situ de Oxígeno Disuelto se emplea el Oxímetro mencionado y para la Temperatura un termómetro digital. RESULTADOS Remoción de gérmenes patógenos En la Tabla Nº 1 se presentan los valores de recuento de Coliformes Fecales (NMP/100 ml) en las distintas pruebas en equilibrio discontinuo y los valores resultantes de aplicar la Ley de Chick (Ec *1) para estimar la Constante Específica de Mortandad de Coliformes Kb. En la Tabla Nº 2 se resumen los datos que permiten determinar los coeficientes de la ecuación de Arrhenius (Ec. *2) para decaimiento bacteriano. Ajustando por mínimos cuadrados, se obtienen: θ b = 0,41 y Kb 20ºC = 1,17 4 ( r = 0,914) Remoción de materia orgánica En la Tabla Nº 3 se muestran los resultados de las determinaciones de DBO5 aislado en el recipiente sumergido en las pruebas de equilibrio discontinuo. realizadas en el líquido Tabla Nº 1 Determinación de la Constante Específica de Mortalidad Bacteriana ( Kb ) en Distintos Períodos. Pruebas en equilibrio discontinuo a diferentes Temperaturas Promedio Septiembre/96 Diciembre/96 Abril/97 Julio/97 día Coli fecal ln No/N día Coli fecal ln No/N día Coli fecal ln No/N día Coli fecal ln No/N 0 4,3 x 10 5 0 0 2,3 x 10 6 0 0 2,3 x 10 6 0 0 7,0 x 10 5 0 1 3,9 x 10 5 0,098 1 1,5 x 10 6 0,427 1 2,3 x 10 6 0 1 4,6 x 10 5 0,419 3 2,3 x 10 5 0,626 3 4,3 x 10 4 3,979 3 2,3 x 10 6 0 3 4,3 x 10 5 0,487 4 4 5 5 9,0 x 10 1,564 6 4,3 x 10 3,979 5 4,3 x 10 1,677 5 4,3 x 10 4 2,789 7 2,4 x 10 3 5,188 8 3,9 x 10 3 6,379 7 2,3 x 10 4 4,605 8 4,0 x 10 4 2,862 9 2,3 x 10 3 5,231 10 1,5 x 10 2 9,638 9 9,3 x 10 3 5,511 10 9,0 x 10 3 4,354 T = 22ºC 25ºC 22ºC 21ºC Kb = 0,662 Kb = 0,8795 Kb = 0,675 Kb = 0,428 r = 0,939 r = 0,963 r = 0,942 r = 0,957 Tabla Nº 2 Determinación de θ b y Kb20ºC T (ºC) Kb (T - 20) (ºC) ln Kb 21 0,428 1 - 0,849 22 0,668 * 2 - 0,403 25 0,879 5 - 0,129 * Promedio de valores de Septiembre y Abril Tabla Nº 3 Valores de DBO5 total y soluble (mg/l) en pruebas de equilibrio discontinuo Diciembre/96 Abril/97 Julio/97 día DBO t DBO s día DBO t DBO s día DBO t DBO s 0 106 42 0 88 35 0 82,5 43 1 70 33 1 65 28 1 68,5 40 3 42 28 3 46 15 3 45 6 34 13 5 25,5 12,5 5 47 20 8 28 12,5 7 23 11,5 8 30 16 10 14,5 11 9 19 10 10 26 11 T 25ºC 22ºC 21ºC 5 El valor de la Constante de Desoxigenación k se calcula con los datos de DBO soluble de la Tabla Nº 4 mediante el método de Thomas. Tabla Nº 4 Valores de DBO para distintos períodos de incubación Septiemb/96 día DBO s 0 1 2,8 3 11 5 13,5 7 14 20 32 k = 0,104 La Tabla Nº 5 contiene los valores de la DBO soluble última Ls obtenidos aplicando este valor de k en la Ecuación (*4). Tabla Nº 5 Valores de Ls (mg/l) en las pruebas de equilibrio discontinuo Diciembre96 Abril 97 Julio 97 día Ls día Ls día Ls 0 103,6 0 86,3 0 106 1 81,4 1 69 1 98,6 3 69 3 37 3 6 32,1 5 30,8 5 49,3 8 30,8 7 28,4 8 39,5 10 27,1 9 24,7 10 27,1 Los valores de Ls aplicados a la Ecuación (*3) resultan en la determinación de K (Tabla Nº 6). Tabla Nº 6 Determinación de la Constante Global de Asimilación de Sustrato ( K ) día 0 1 3 6 8 10 Diciembre/96 Ls ln Lo/L 103,6 0 81,4 0,241 69 0,406 32,1 1,172 30,8 1,213 27,1 1,341 T = 25ºC K = 0,141 r = 0,97 día 0 1 3 5 7 9 Abril/97 Ls 86,3 69 37 30,8 28,4 24,7 T = 22ºC K = 0,137 r = 0,937 6 ln Lo/L 0 0,224 0,847 1,03 1,111 1,251 día 0 1 3 5 8 10 Julio/97 Ls 106 98,6 49,3 39,5 27,1 T = 21ºC K = 0,135 r = 0,992 ln Lo/L 0 0,072 0,765 0,987 1,364 Finalmente, conociendo K a varias Temperaturas (Tabla Nº 7) y aplicando la ecuación de Arrhenius modificada (Ec. *5) se obtiene el coeficiente θ y el valor de K20ºC. T (ºC) 21 22 25 Tabla Nº 7 Determinación θ y K20ºC Kb (T - 20) (ºC) 0,135 1 0,137 2 0,141 5 θ = 1,0106 y K20ºC = 0,1338 ln Kb - 2,002 - 1,988 - 1,959 ( r = 0,997) DISCUSION DE RESULTADOS En el Cuadro Nº 1 se presenta un resumen de los valores obtenidos a partir de los datos experimentales. Cuadro Nº 1 Valores experimentales de las Constantes Cinéticas en Salta Constante Cte Global de Asimilación de Sustrato (K) Cte Específica de Mortalidad Bacteriana (Kb) 20ºC 21ºC 22ºC 25ºC θ 0,13 0, 135 0,137 0,141 1,011 0,41 0,428 0,668 0,879 1,17 Se observa que las variaciones de Temperatura entre las diferentes pruebas en equilibrio discontinuo en este primer año de experimentación, no han sido significativas. Los resultados obtenidos en estas experiencias se comparan a continuación con los reportados por distintos autores para estas constantes (Cuadro Nº 2). Origen CEPIS (7, 8) ENOHSa (9) Rosario (10) Misiones (11) Chile N (12) Gloyna (1) Salta Cuadro Nº 2 Valores reportados para las Constantes K 20ºC θ 0,17 1,085 0,17 1,044 0,049 1,033 1,132 0,17 1,085 1,085 0,13 1,011 Cinéticas Kb 20ºC 0,512 0,84 0,403 θb 1,166 1,07 1,012 0,925 1,027 0,41 1,17 Los valores obtenidos por el CEPIS (7, 8) en sus investigaciones de las lagunas de San Juan en Lima son, en general, referentes para la región cuando no hay datos experimentales locales. El ENHOSa, por ejemplo, en las normas nacionales de diseño de lagunas facultativas con el modelo de flujo disperso, recomienda el uso de los valores que figuran en el cuadro o, en su defecto, correlaciones entre constantes y Temperaturas obtenidas por CEPIS (9). En Chile (12) se determinaron sólo los coeficientes 7 de decaimiento bacteriano en la zona norte del país y se recomienda la utilización de los valores del CEPIS para los no determinados. Los valores reportados por Rosario (10) corresponden a experiencias propias, ocurriendo lo mismo con Misiones (11). En el primer caso los valores son los mas bajos de la serie y han sido determinados en otras condiciones de trabajo. Haciendo uso de los valores de este trabajo y de los reportados por distintos autores, se grafican K y Kb para un rango de Temperaturas de 20 a 25ºC, aplicando la ecuación de Arrhenius modificada con los valores de las constantes cinéticas propias de cada autor citado (Gráfico Nº 1 y 2). Se observa que las Constantes para Salta se encuentran en una zona intermedia si se involucran en la comparación a todos los autores, aunque los valores resultan bajos si no se tiene en cuenta a Rosario. La variación con la Temperatura es muy marcada en el caso de remoción de bacterias y, aunque con valores mas bajos, la curva presenta una pendiente similar a la correspondiente del CEPIS. Los Gráficos Nº 1 y 2 merecen una observación adicional. Para el pequeño rango de Temperaturas considerado, en todos los casos hay una correspondencia casi lineal entre las Constantes Kb y K y la Temperatura . Tomando como referencia la información aportada por el Ing. M.A.Potel Junot en los trabajos de evaluación de sistemas de lagunas de la República Argentina realizados en el año 1992 (Cuadro Nº 3) (13), las experiencias de Machagai (Provincia de Chaco) y Catamarca pueden tomarse como parámetro de comparación ya que las Temperaturas promedio de las pruebas batch se aproximan a las del presente trabajo. El autor considera bajos los valores obtenidos en comparación con la bibliografía, sin embargo son, en términos generales, mucho mayores que los del presente reporte. Constante Cinética K J.M.COBO (BS AS) 0,21 (14ºC) *(1) LOS PARAMILLOS (MENDOZA) 0,0915 (15ºC) *(2) Kb MACHAGAI (CHACO) 0,097 (19,5ºC)*(2) 0,544 (22,8ºC)*(3) 0,597 (19,5ºC)*(2) 0,934 (22,8ºC)*(1) CATAMARCA 0,21 (25ºC)*(2) 0,93 (23ºC)*(1) CONCLUSIONES Se han determinado las constantes cinéticas en lagunas de estabilización en diferentes estaciones del año. Se estima que pueden adoptarse provisoriamente en la región los siguientes valores en el diseño de futuras lagunas por el modelo de flujo disperso: K 20ºC = 0,13 Kb 20ºC = 0,41 θ = 1,011 y θ b =1,17 La dependencia de las Constante Kb con la Temperatura es muy marcada en comparación con lo informado por otros autores. La curva Kb vs T presenta una pendiente similar a la del CEPIS, aunque los valores absolutos de Kb son inferiores. La representación gráfica de Kb vs T y K vs T, lineal para el pequeño rango de Temperatura considerado, resulta útil para comparar resultados de experiencias de diferentes autores. 8 Gráfico Nº 1 Cte Decaimiento Bacteriano Kb vs T Comparación de valores reportados 1,2 1 0,8 0,6 0,4 21 22 Salta Chile 23 Temperatura Rosario CEPIS 24 25 ENOHSa Gráfico Nº 2 K vs T Cte Remoción Sustrato Comparación de valores reportados 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 21 22 23 24 Temperatura Salta ENOHSa - CEPIS 9 Rosario 25 RECOMENDACIONES Es necesario realizar ensayos con trazadores para determinar el tiempo de residencia real y el número de dispersión para definir el submodelo hidráulico y calibrar el modelo de flujo disperso para las condiciones locales. Los valores de TRH con que se cuentan actualmente no permiten la aplicación del ábaco de Thirimurthi para comparar los valores de las constantes cinéticas obtenidas en las pruebas con las de la aplicación del modelo de flujo disperso. Se requieren nuevos ensayos en condiciones climáticas mas diferenciadas que permitan contar con valores mas confiables y con mayores rangos de Temperaturas. Sería importante considerar el efecto de la radiación solar sobre las constantes cinéticas en futuras investigaciones, especialmente en esta región de intensa irradiación. BIBLIOGRAFIA 1.- Yañez Cossio F. Manual de métodos experimentales “Evaluación de Lagunas de Estabilización”. CEPIS/OPS. Serie técnica Nº 24. 1983 2.- Castro L., Liberal V. Evaluación de las lagunas de estabilización de la zona norte de la ciudad de Salta. IX Congreso Argentino de Saneamiento y Medio Ambiente. Córdoba. 1996 3.- Saenz Forero R. Predicción de la calidad del efluente en lagunas de estabilización. OPS/OMS. Washington, D.C. 1992 4.- Metcalf & Eddy. Tratamiento y depuración de las aguas residuales. Editorial Labor. España. 1981 5.- Fair, Geyer & Okun. Purificación de aguas y tratamiento y remoción de aguas residuales. Editorial Limusa. 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Seminario-taller sobre “Criterios de diseño y evaluación de lagunas de estabilización”. Rosario. 1996 12.- Homsi J. Operación y mantenimiento de sistemas de lagunas de estabilización; la experiencia chilena. Seminario-taller sobre “Criterios de diseño y evaluación de lagunas de estabilización”. Rosario. 1996 10 13.- Potel Junot M.A. Evaluación de sistemas de lagunas de la República Argentina. Seminario-taller sobre “Criterios de diseño y evaluación de lagunas de estabilización”. Rosario. 1996 11