Lagunas de estabilización

LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES
Aguilar, R, V.; Cuchca, R, L.; Gomez, P, V. y Jara, R, K
Resumen
Las aguas residuales producidas por las diversas actividades humanas que se desarrollan,
es uno de los problemas ambientales con mayor impacto al medio ambiente y a la salud
de las personas, para reducir estos impactos las aguas residuales reciben un tratamiento
previo, con la finalidad de eliminar la materia orgánica y los microorganismos patógenos
presentes y que el efluente pueda ser vertido a los cuerpos de agua naturales o reutilizado
en las actividades agrícolas. Las lagunas de estabilización es la opción más factible para
el tratamiento de aguas residuales, ya que es menos costoso y es recomendable en lugares
con climas templados o cálidos, en las lagunas de estabilización ocurren diversos
procesos simbióticos en los que intervienen las algas y las bacterias para la degradación
de la materia orgánica. En el presente artículo, se realiza una revisión a cerca de estas
lagunas, describiendo los procesos que se desarrollan y los factores que influyen en ellas.
Palabras clave: Agua residual; lagunas de estabilización.
I.
INTRODUCCIÓN
Los recursos hídricos son esenciales para la existencia de los seres vivos y para el
bienestar del entorno ambiental. Sin embrago, durante su recorrido este recurso sufre
alteraciones físicas, químicas y biológicas debido a factores antrópicos, dando lugar a las
llamadas aguas residuales, que son la fuente de contaminación de las aguas superficiales
y subterráneas. Ante ello, el tratamiento de aguas residuales es muy importante debido al
reuso que se le puede dar a este recurso, y a sus subproductos útiles, además, con el
tratamiento de estas aguas se estaría aminorando los graves problemas a la salud pública
(Shingare, Thawale, Raghunathan, Mishra, & Kumar, 2019).
El tratamiento de aguas residuales tiene como objetivo depurar las aguas residuales hasta
un nivel permitido para su disposición final o su reaprovechamiento, mediante
operaciones y procesos físicos, químicos y biológicos llevados a cabo en los diferentes
procesos de tratamiento (Yánez, 1992)
El tratamiento de las aguas residuales para la disposición final adecuada a los cuerpos
receptores de agua, se puede realizar mediante lagunas de estabilización, las cuales son
sistemas donde la materia orgánica presente en el agua residual es degradada por las algas
y bacterias presentes, además, es un sistema que requiere costos mínimos de operación,
por ende, es más adecuado en poblaciones con bajos recursos económicos y es
recomendable para lugares que presenten climas cálidos o templados (Silva, 2004).
En el presente artículos se realizó una revisión bibliográfica a cerca de las lagunas o balsas
de estabilización, describiendo la clasificación de las lagunas de estabilización, los
mecanismos de funcionamiento que ocurren dentro de ella, y finalmente los factores
naturales, físicos y químicos que intervienen en su funcionamiento.
II.
MATERIALES Y MÉTODOS
Revisión bibliográfica
Para la búsqueda de información, se utilizaron diversas bases de datos electrónicas tales
como Google académico, Scielo, y Sciencedirect, se realizó la búsqueda de artículos
utilizando palabras clave, con la finalidad de establecer una secuencia de importancia de
acuerdo al impacto y el año de publicación del artículo.
Depuración de información
La información obtenida en la revisión fue clasificada de acuerdo al título, año de
publicación y el número de veces en el que ha sido citado, además para la elaboración del
artículo se utilizaron libros disponibles en la Web.
III.
RESULTADOS Y DISCUSIONES
3.1. LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN
Según la norma O.S. 090 las lagunas de estabilización son estanques diseñados para el
tratamiento de aguas residuales por procesos biológicos naturales, de interacción entre las
algas, bacterias, protozoarios y la materia orgánica, contenida en el agua residual, el uso
de este tratamiento se recomienda cuando se requiere un alto grado de remoción de
organismos patógenos. El objetivo de las lagunas es remover la materia orgánica,
organismos patógenos, reutilizar su efluente, para así disminuir los efectos en el medio
ambiente y la salud de las personas (Rolim, 2000). En las lagunas de oxidación ocurre el
siguiente proceso descrito en la figura 1, el oxígeno se obtiene de la superficie y de la
fotosíntesis realizado por las algas, el oxígeno liberado por fotosíntesis es utilizado por
las bacterias para la degradación aerobia de la materia orgánica, los productos obtenidos
de la degradación como el CO2, NH3 y fosfatos, es utilizado nuevamente por las algas
(Ramalho, 1996).
Figura 1: Relación simbiótica entre algas y bacterias
3.2. CLASIFICACIÓN DE LAS LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN
3.2.1. Proceso biológico desarrollado
Tabla 1: Clasificación de las lagunas de estabilización
Lagunas aerobias
Según Silva (2004) en
este tipo de lagunas
prevalecen
procesos
aerobios (presencia de
oxígeno), dependen de las
acciones fotosintéticas de
las algas. Tienen un alto
contenido de algas, suelen
tener una profundidad de
0.3 a 0.5 metros. Permite
las reducciones del 80 al
90% de la DBO5.
Lagunas anaerobias
Según Rolim (2000),
éstas
lagunas
no
dependen de la acción
fotosintética de las algas.
Las bacterias presentes
no necesitan de oxígeno
para reducir la materia
orgánica.
Con
profundidades de 3 a 5
metros.
Permitiendo
reducir del 50 al 85% de
la DBO5
Lagunas facultativas
Según la Norma OS.090, son
lagunas cuyo contenido de
oxigeno se ve diferenciado de
acuerdo a la profundidad,
existiendo simbiosis en la
parte
superior
y
biodegradación en la parte
inferior, su profundidad mayor
a 1.5. Reducen un promedio de
80 % de la DBO5
El rendimiento de las lagunas de estabilización se mide de acuerdo a los rendimientos de
depuración que alcanzan los procesos biológicos naturales que ocurren y estos están
relacionados a las condiciones climáticas que inciden sobre ellas, no obstante, los
procesos biológicos pueden ser afectados por el vertido de aguas industriales, que
contienen sustancias peligrosas (La Iglesia, 2016). El parámetro más utilizado para medir
este rendimiento y el comportamiento es la Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO)
(Silva, 2004). Asimismo, las lagunas de estabilización ya sean anaerobias, aerobias y
facultativas, deben de alcanzar la remoción de los siguientes parámetros mostrados en la
tabla 1, para determinar el rendimiento de dichas lagunas (La Iglesia, 2016).
Tabla 2: Parámetros de rendimiento
PARÁMETRO
DBO5
Sólidos en suspensión
N-amoniacal
Fosfatos
LAGUNAS
ANAEROBIAS AEROBIAS FACULTATIVAS
50-75%
100%
75-95%
50-80%
100%
80-95%
0-15%
35-80%
30-60%
0-30%
10-60%
0-30%
3.2.2. Lugar que ocupan con relación a otros procesos
 Lagunas primarias: Son las que reciben aguas residuales crudas.
 Lagunas secundarias: Reciben efluentes procedentes de otros procesos de
tratamiento.
 Lagunas terciarias: Son estanques de estabilización de baja carga, para mantener
las condiciones aerobias, así mejorar la calidad de los efluentes recibidos.
3.2.3. Disposición de las unidades
 Lagunas en serie: permite una mejora importante en la calidad del efluente.
 Lagunas en paralelo: en relación a las en serie ofrece ventajas desde el punto de
vista constructivo y operativo.
3.3. FACTORES QUE INTERVIENEN EN LAS LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN
3.3.1. Factores naturales
 Acción de los vientos
La acción del viento es favorable en el proceso de homogeneización de la masa líquida,
llevando oxígeno a las capas más profundas, realizando una dispersión de afluente y
microorganismos. Contribuye en el proceso de fotosíntesis.
 Temperatura
Es probablemente uno de los parámetros más importantes para el desarrollo de las
lagunas,
Según CNA, (2007). El intervalo de temperatura óptima de producción de oxigeno es de
25° a 35° C. Para OS.090 la temperatura optima es de 20°C.
En temperaturas aproximadas a 35°C las actividades fotosintéticas decrecen, mueren las
algas verdes y aparecen algas azules, así mismo el oxígeno disuelto es usado a una tasa
mayor. Así como la caída de la temperatura bajo 20°C reduce la actividad microbiana y
la fermentación de lodo (Rolim, 2000).
 Precipitaciones
Las lluvias pueden ocasionar un aumento repentino del caudal, generando grandes
cantidades de sólidos, disminución de algas y reducción del tiempo de retención
 Radiación
La energía solar es primordial para la operación efectiva de las lagunas, principalmente
para la fotosíntesis, pero tengamos en cuenta que el aumento de radiación no aumenta la
velocidad de fotosíntesis.
Por lo que la exposición continua a la radiación directa no es necesario, porque las algas
solo aprovechan del 2% al 7% de la radiación solar visible para acelerar la fotosíntesis.
 Infiltración y Evaporación
Determinan la reducción de caudal, factores que están directamente vinculados con las
condiciones geológicas y climáticas, como: la temperatura, viento, tipo de suelo. Así
pues, la evaporación genera concentración de sustancias contaminantes y aumenta la
salinidad, afectando tanto a microorganismos y equilibrio de las lagunas.
3.3.2. Factores físicos
 Altura de la lámina líquida
El llenado de las aguas residuales tiene que ser a una profundidad mínima de un metro, si
la lámina mínima de agua bajara hacia 0.6 m probablemente se desarrollarán plantas
acuáticas que dificultarán el paso de la luz.
 Cortocircuitos
Generadas por formas irregulares de las lagunas, como las posiciones de entrada y salida,
generando problemas, tales como aparición de zonas muertas y reduciendo la eficiencia
de la laguna.
 Mezcla
La distribución del agua residual dentro de la laguna debe ser lo más uniforme posible,
para evitar cortos circuitos, zonas muertas y se puede utilizar todo el volumen de la carga
proyectada para el tratamiento.
3.3.3. Factores químicos
 El pH
Las lagunas son operadas eficientemente con valores de pH ligeramente alcalinos. Para
aquellos desechos industriales con valores de pH extremos, tendrían que pasar
obligatoriamente por tanques de neutralización (Rolim, 2000). Ramalho, (1996),
menciona que durante la noche la liberación de CO2 hace disminuir el pH (ácido),
mientras que durante el día, el amoniaco que resulta de la degradación de los compuestos
orgánicos nitrogenados contribuye al aumento del pH (básico), estas variaciones pueden
afectar la sobrevivencia de las algas y bacterias.
 Materiales tóxicos
Los metales pesados, pesticidas, desinfectantes, desechos de antibióticos y otros residuos
industriales deben ser eliminados inicialmente, porque las lagunas a diferencia de otros
tipos de tratamiento son más sensibles a la presencia de estos.
 Oxígeno disuelto
Ramalho (1996), explica la variación del OD durante el día, en la cual la presencia de la
luz solar prodúcela fotosíntesis y el O2 como consecuencia de ello, utilizado en la
respiración. Durante el día pueden obtenerse oxígeno adicional aumentando el valor de
OD, durante la noche no hay producción de O2 lo que da lugar a la disminución del OD
a consecuencia de la respiración de algas y bacterias.
3.4. MECANISMOS DE FUNCIONAMIENTO DE LAS LAGUNAS
3.4.1. Proceso aerobio
La descomposición de la materia orgánica se lleva a cabo por las enzimas producidas
por las bacterias en sus procesos vitales, y se describe como muestra la reacción 1
(Silva, 2004).
(1)
Las algas sintetizan el CO2 y los nutrientes como los nitratos y fosfatos, y con ayuda de
la luz (fotosíntesis), producen el material celular y el oxígeno requerido por las bacterias
(utilizado para la DBO), como se muestra en la reacción (Yánez, 1992).
(2)
3.4.2. Proceso anaerobio
Según Silva, (2004), los microorganismos (bacterias facultativas y anaerobias) presentes
hidrolizan y fermentan compuestos orgánicos complejos a ácidos simples (ácido acético
y el ácido propiónico).
(3)
Al ácido acético formado en la reacción es transformado en metano y dióxido de carbón,
donde intervienen las bacterias anaerobias estrictas (formadoras de metano).
(4)
3.4.3. Proceso de nitrificación y desnitrificación
La mayor parte del nitrógeno de las aguas residuales está presente como amoniaco total
(NH4 y NH3), la eliminación biológica del nitrógeno se realiza mediante nitrificación
aeróbica, en la cual las bacterias oxidantes convierten el amoniaco en nitrito (nitrición) y
nitrato (nitración), posteriormente, con la desnitrificación, el nitrato es convertido en gas
nitrógeno, utilizando el carbono orgánico como donante de electrones (Winkler & Straka,
2019).
En las reacciones 5 y 6 se presenta la estequiometria de las reacciones de oxidación del
amonio y oxidación de nitrito, en cada reacción se produce energía utilizada para el
crecimiento y mantenimiento celular de los microorganismos (Claros, 2012).
(5)
(6)
La reacción de síntesis celular de los microorganismos implicados en los procesos
anteriores se representa en la reacción 7, se asume la formula química de la biomasa que
asimila el amonio para formar el tejido celular.
(7)
La reacción global que representa los procesos de nitrificación sería la siguiente:
(8)
La desnitrificación suele producirse en ambientes anóxicos, carentes de oxígeno, por lo
que utilizan el nitrato y nitrito como aceptores de electrones, las fuentes de carbono para
este proceso incluyen compuestos orgánicos, y compuestos presentes en la etapa anóxica
como el metanol (CH3OH), etanol (C2H5OH) y ácido acético (CH3-COOH), entre otros
(Claros, 2012).
La reacción 9, representa la reacción general de desnitrificación, en esta reacción se utiliza
el metanol como fuente de carbono orgánico.
(9)
IV.
CONCLUSIONES
Las lagunas de estabilización es una de las técnicas más eficientes y rentables para el
tratamiento de aguas residuales, debido a su estructura, costo y a su independencia de
funcionamiento. Pero es necesario tener en cuenta aquellos factores que intervienen en
las actividades dentro de estas, para llevar a cabo su mantenimiento y su buen
funcionamiento. La estabilización de la materia orgánica presente en el agua residual se
puede realizar en forma aerobia o anaerobia mediante diferentes reacciones químicas,
como la nitrificación y desnitrificación. Con esta técnica de las lagunas de estabilización
se pretende disminuir la materia orgánica y agentes patógenos presentes en el agua
residual.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Comisión Nacional del Agua, (CNA). (2007). Manual de Agua Potable Alcantarillado y
Saneamiento. México.
Claros, J. (2012). Estudio del proceso de nitrificación y desnitrificación vía nitrito para
el tratamiento biológico de corrientes de agua residual con alta carga de nitrógeno
amoniacaL.
Universidad
Politécnica
de
Valencia.
https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.04.177
La Iglesia, J. (2016). Lagunaje: Módulo Gestión de Aguas Residuales y Reutilización.
Escuela de Oirganización Industrial, 16.
Ministerio de Vivienda Construcción y Saneamiento. (29 de noviembre de 2009). Norma
Técnica "Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales". (OS. 090).
Ramalho, R. (1996). Tratamiento de Aguas Residuales. (S. A. Reverté, Ed.) (Ilustrada).
Canadá.
Rolim, S. (2000). Lagunas de Estabilización. In Sistemas de Lagunas de Estabilización
(p. 365). Colombia: Mc Graw Hill.
Shingare, R., Thawale, P., Raghunathan, K., Mishra, A., & Kumar, S. (2019). Constructed
wetland for wastewater reuse: Role and efficiency in removing enteric pathogens.
Journal of Environmental Management, 246(August 2018), 444–461.
https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2019.05.157
Silva, A. (2004). Evaluación Y Rediseño Del Sistema De Lagunas De Estabilización De
La Universidad De Piura. Universidad de Piura.
Winkler, M., & Straka, L. (2019). New directions in biological nitrogen removal and
recovery from wastewater. Current Opinion in Biotechnology, 57, 50–55.
https://doi.org/10.1016/j.copbio.2018.12.007
Yánez, F. (1992). Lagunas de estabilización. Lima, Perú: Centro Panamericano de
Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente.