71

U N I V E R S I D A D D E G U A Y A Q U I L

Facultad de Ingeniería Química

Maestría en Ingeniería Ambiental

T E S I S

P r e v i a a l a o b t e n c i ó n d e l T í t u l o d e M a g i s t e r

T E M A :

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

U N I V E R S I D A D D E G U A Y A Q U I L

Facultad de Ingeniería Química

Acta de Aprobación

T E M A :

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 Ing. Qco. Raúl Serrano Carlín MsC

Decano Miembro delegado-docente

Ing. Qco. Carlos Muñoz Cajiao Ing. David Matamoros C. PhD Director de la Maestría 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

A G R A D E C I M I E N T O

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

D E D I C A T O R I A

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 i

Reconocimientos ii

Tabla de contenidos iii

Lista de figuras iv

Lista de tablas iiv

CAPÍTULO 1 INTRODUCCION

Resumen 7

Introducción 8

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 14

2.1 Objetivo General 14

2.2 Objetivos Particulares 14

CAPÍTULO 3 DESCRIPCION DEL AREA DE ESTUDIO

2. Descripción del área de estudio 15

3.1 El cantón Portoviejo 15

3.2 Reportes promedios de la calidad del agua que procesa la

planta

19

CAPÍTULO 4 SISTEMAS DE TRATAMIENTO POR LAGUNAJE

4.1 Antecedentes históricos del lagunaje 21

4.2 Clasificación de los sistemas de lagunaje 22

4.3 Mecanismos biológicos que intervienen en el proceso 26

4.4 Aplicaciones de la cinética al tratamiento biológico 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 48

6.2 Modelos Empíricos de lagunas de estabilización 52

6.3 Estructura del modelo propuesto 54

6.4 Planteamiento de los balances de sustrato y biomasa 61

6.5 Modelación de la laguna Facultativa 63

6.6 Modelación del sistema lagunar 67

CAPITULO 7 : SIMULACION DE LA LAGUNA AIREADA

7.1 Alternativas a Matlab estudiadas 72

7.2 Metodología de trabajo 73

7.3 Desarrollo matemático del modelo propuesto 80

7.4 Simulación del comportamiento de la laguna aireada 81

7.5 Comparación de los datos obtenidos y validación del modelo 87

7.6 Análisis de los Resultados 90

CAPITULO 8 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 93

BIBLIOGRAFIA 95

ANEXOS 99

Anexo A : gráficos de simulación de las lagunas aireadas 99

Anexo B : Análisis de laboratorio de las lagunas 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 83

Fig. 7.11 Tercera simulación del modelo 84

Fig. 7.12 Cuarta Simulación del modelo 85

Fig. 7.13 Quinta simulación del modelo 86

Fig. 7.14 Sexta Simulación del modelo 87

Fig. 7.15 Séptima simulación del modelo 88

Fig. 7.16 DQO medido en el laboratorio de las lagunas 89

Fig. 7.17 DQO modelado 89

Fig. 7.18 Gráfica de los valores DQO medido vs DQO modelado 90

LISTA DE TABLAS

Tabla 1.1 Situación de las aguas residuales en el Ecuador 13

Tabla 3.1 Resumen de muestreos de las aguas de las lagunas 21

Tabla 5.1 Georeferenciación del área de estudio 39

Tabla 5.2 Dimensiones de la laguna facultativa 45

Tabla 5.3 Dimensiones de la laguna de pulimento 47

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

71

NOMENCLATURA

Q Caudal volumétrico, l/h

V Volumen, m3

h Altura, m

m Masa, kg

ρ Densidad, kg.m-3 oC Grados centígrado, temperatura oK Grados Kelvin absolutos, temperatura

mm milímetros

%H Humedad Relativa, %

mg Miligramos, 0.001 gramos

l litros

O2 Oxígeno disuelto, mg/l

SST Sólidos Suspendidos Totales, mg/l

SS Sólidos sedimentables, ml/l

SSV Sólidos Suspendidos Volátiles, mg/l

DBO5 Demanda Bioquímica de Oxígeno, mg/l

DQO Demanda Química de Oxígeno, mg/l

N2 Nitrógeno Total

P Fósforo Total

µm Tasa máxima de crecimiento, tiempo-1

S Concentración del sustrato en solución, mg/l

Ks Constante de saturación, mg/l

dX/dt Tasa de crecimiento de biomasa, mg/l-s

Y Capacidad de crecimiento de la biomasa, m/m

dS/dt Tasa de utilización de sustrato, mg/l-s

Kd Coeficiente de decaimiento bacteriano

X Concentración de la biomasa

Kt Constante de Arrhenius modificada

TRH Tiempo de retención hidráulica, tiempo

pH Potencial de Hidrógeno

rg Velocidad de crecimiento de la biomasa g SSV/m3-d

XV,a Concentración de SSV en la laguna

rd Tasa de decaimiento de la biomasa, g SSV/m3-d

rsu 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 alcantaril lado, 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 l ineales,

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 “87o 27’ Oeste y 0o 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 km2 que en su parte superior se

embalsan en la presa Poza Honda y a lo largo de su recorrido recibe

las de numerosos afluentes con una descarga anual de 150

hectómetros cúbicos como promedio. 1

Sistemas de Agua Potable

Portoviejo dispone de una planta de potabil ización 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 l itros/día. 2

Sistemas de Alcantarillado

Portoviejo cuenta con un sistema de alcantaril lado 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 que 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, cal le 28 de

Junio y Quebradita de la parroquia San Pablo, calle 12 de Marzo, sector

Mirador de la avenida Guayaqui l, cal le 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 alcantaril lado

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

alcantaril lado sanitario conduce las aguas servidas hasta la planta de

tratamiento de Picoazá. 5

La cobertura del sistema de alcantaril lado l lega 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 estabil ización. 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 l íquido 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 Ha. 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 alcantaril lado 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 57 por día, una vez que

ingresen al sistema los nuevos aportes [aproximadamente en 12 meses].

Fig.1.2 Es que ma Gene ra l de la Lag unas de Es tabi l i za ci ón de P icoa zá . F u e n t e : E m p r e s a d e A g u a P o t a b l e y A l c a n t a r i l l a d o d e P o r t o v i e j o

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 controlar 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 (2 008 ), produce 225.000 toneladas de residuos

sólidos cada día. Sin embargo, menos del 5% de las aguas de

alcantaril lado 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 acuerdo a estudios realizados por el MIDUVI y la AME,

se desprende que el 53,1% de la población urbana estaba conectada al

sistema de alcantaril lado, cuyas aguas residuales apenas eran tratadas

en 24,6%, de acuerdo con el detal le 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 de las agu as residu a les en e l E cua d or

P o b l a c i ó n

D i s p o s i c i ó n d e

e x c r e t a s %

T r a t a m i e n t o d e

a g u a s r e s i d u a l e s

d o m é s t i c a s [ % ]

I n d i c a d o r e s d e S a l u d

E D A s

D e s n u t r i c i ó n

M o r t a l i d a d

i n f a n t i l

2 0 0 7 2 0 1 5

2 0 0 7

M . N .

2 0 0 7

M . N .

2 0 0 6

2 0 0 6

2 0 0 6

U r b a n o 8 ’ 5 8 0 . 0 0 0 1 1 ’ o 8 0 . 0 0 0

5 2 . 0

8 5 . 0

2 4 . 0

3 4 . 0

2 3 . 1

1 2 . 7

n . d

R u r a l 4 ’ 7 4 2 . 8 2 7 5 ’ o 3 0 . 0 0 0

3 1 . 0

7 0 . 0

n , d

n . d

2 7 . 7

2 6 . 1

n . d

T o t a l 1 3 ’ 3 2 2 . 9 1 7 1 6 ’ 1 1 0 . 0 0 0

5 1 . 0

8 0 . 0

n . d

n , d

2 5 . 0

1 8 . 0

2 4 . 8

M . N . = m e t a n a c i o n a l / n . d . = n o d i s p o n i b l e

F u e n t e s : A M E / M I D U V I / S I I S E / 2 0 0 8

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 uti l izarse 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 alcantaril lado sanitario en el

área urbana l lega 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 NEN ce ns o 200 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 desarrol lar 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 estabil ización

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 e l análisis

general del funcionamiento de la p lanta de tratamiento compuesta

por 3 lagunas de estabil ización.

- 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.

- Util izar un Modelo matemático que pueda ser uti l izado en la

Optimización y el Cont rol de la Operación del Sistema aireado y

facultativo.

- Realizar pruebas cualitativas y cuantitativas que permitan

determinar la eficiencia del modelo propuesto.

71

3. DESCRIPCION DEL AREA DE ESTUDIO

La provincia de Manabí, t iene 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 perfi l 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 Jaboncil lo, 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

corresponde a 87 grados 27’ Oeste y 0o 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, e l “período de l luvias” 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 cl imáticas

como los dos últimos 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 oletín Me te orológico -Juli o 2 011 /F uen te Ina mhi 2011

La humedad relativa media anual es del 72 %, con valores mayores y

mínimos, en íntima relación con las épocas l luviosa 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 1000 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 f inales 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 Te mpera tu ras e n la regi ón /Fuen te Ina mhi

El viento no tiene valores signif icativos 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 predominante del viento es hacia el Norte .

3.1.3 Recursos hídricos

El principal sistema hidrográfico es el Río Portoviejo . El investigador

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 realizado 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 alcantaril lado.

3.1.5 Sistemas de Alcantarillado Sanitario y Pluvial

Portoviejo cuenta con un sistema de alcantaril lado 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 lcantaril lado de aguas l luvias. 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;

(alcantaril lado, letrina, pozo séptico).

Este índice es superior a los promedios nacional y provincial ; sin

embargo, si comparamos la 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 alcantari l lado 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 del proceso de tratamiento de las aguas

residuales

El agua residual que es transportada por bombas desde los diferentes

colectores que dispone la red sanitaria, l lega a la planta hasta un sistema

de separadores de sólidos gruesos (desbaste grueso), desde donde es

bombeada hasta un cárcamo ubicado en la parte superior, se desplaza

por gravedad a través de dos tuberías de 250 mm de diámetro hasta su

ingreso al distr ibuidor 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 realizados en el año 2009, 2010 y 2011 .

A continuación se presentan un resumen de los análisis, las tablas

originales se detal lan en el anexo respectivo.

Tabla 3. 1 Planta de Tratamien to de Agua s Resi dua les - La borator io

R E S U M E N D E D A T O S D E M U E S T R E O D E L A G U A R E S I D U A L

S I T I O

F E C H A

P A R A M E T R O S

C A U D A L

m 3 / d

D B O 5

m g / l

D Q O m g / l

S S T

m g / l

p H

O 2

m g / l

I N G R E S O A L

S I S T E M A D E

T R A T A M I E N T O

P r o m e d i o

2 0 0 9

3 0 . 7 2 3

1 4 7

2 8 2

3 3 2

6 . 5

3 , 5 – 4 , 2

D E S C A R G A F I N A L

A L R I O P O R T O V I E J O

P r o m e d i o

2 0 1 0

3 0 . 7 2 3

5 4

8 0

9 4

7 . 3

2 , 5 - 1 0 , 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 anális is

depende en gran medida de los suministros que l legan al laboratorio.

71

4. SISTEMAS DE TRATAMIENTO POR LAGUNAJE

4.1 Antecedentes históricos del Lagunaje

Las lagunas de estabil ización 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 t iempo variable , en función de la

carga apl icada y de las condiciones cl imáticas, 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 l imita 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 estabil ización fueron embalses construidos

como sistemas de almacen amiento para agua para riego. Se depositaban

los excedentes de agua residual uti l izada en riegos directos, sin

tratamiento previo.

A medida que el tiempo de almacenamiento aumentaba, se observó que

la cal idad 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 posibil idad de uti l iz 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 pi lotos 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 Estados Unidos. En el año 1901 la ciudad de San Antonio,

Texas tenía una laguna de estabil ización. E n el año 1922 en Dakota del

Norte al realizar una excavación para depositar las aguas residuales de

su sistema de alcantaril lado 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 aerobias

Lagunas Anaerobias

Lagunas Facultativas

Lagunas 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 , s iendo 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 l leva 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 estabil ización es estas lagunas t iene lugar mediante las etapas

siguientes.

71

• Hidrólisis: los compuestos orgánicos complejos e insolubles en

otros compuestos más sencil los y solubles en agua.

• Formación de ácidos: los compuestos orgánicos sencil los generados

en la etapa anterior son uti l izados por las bacterias generadoras de

ácidos. Produciéndose su conversión en ácidos orgánicos voláti les.

• Formación de metano: una vez que se han formado los ácidos

orgánicos, una nueva categoría de bacterias actúa y los uti l iza para

convertirlos finalmente en metano y dióxido de carbono.

Las lagunas anaerobias suelen tener profundidad entre 3 y 5 m , el

parámetro más uti l izado para el diseño de lagunas anaerobias es la carga

volumétrica que por su alto valor l leva 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 30 días.

F ig. 4.1 Ecosi ste ma pre sente e n u na la guna fa cu lta tiv a/ Fuen te: Ma ra is/2 002

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 l levan 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 , H2S

y CH4 , que bien son oxidadas por las bacterias aerobias, o son l iberadas a

la atmósfera. 23

4.2.4 Lagunas de Maduración

Las lagunas de maduración, l lamadas también terciarias o de pulimento,

son aquellas que operan con un afluente de DBO estabil izado casi en su

totalidad, y su característica principal es mejorar las características

biológicas, f isicoquímicas 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 desarrol lan son aeróbicos, en profundidades

cercanas a 1 metro. Dados los niveles altos de oxígeno disuelto y pH, y la

disponibi l idad de luz solar en toda la columna de agua, son uti l izadas

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 uti l iza 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 clasif icar de tres tipos: lagunas aireadas

de mezcla completa, facultativas y de aireación extendida. Generalmente

se uti l izan 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 t iempo de

retención hidráulica. Funcionan básicamente como un reactor de lodos

activados sin recirculación de lodos.

Fig. 4 .2 La guna ai reada de mezcla comple ta - Rolim Serg io

4.3 MECANISMOS BIOLÓGICOS QUE INTERVIENEN EN EL PROCESO

En la uti l ización de la materia orgánica como sustrato en un sistema de

tratamiento de aguas residuales con lagunas de estabil ización,

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 estabil ización de la materia

orgánica.

La adición de materia orgánica biodegradable presente en las aguas

residuales, suministra abundante al imento a la biomasa (bacterias y

hongos) que por efectos del sustrato crecen rápidamente y l iberan

nutrientes y dióxido de carbono (CO 2), la disponibil idad 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.

Fig. 4.3 Ecosistema acuático

PRODUCTORES AUTOTROFOS

NUTRIENTES N - P

CONSUMIDORES HETEROTROFOS

H

DEGRADADORES HETEROTROFOS

ORGANISMOS MUERTOS

DESECHOS ORGANICOS

MUEREN

Energía Elementos Abióticos/CO2-H2O

71

4.3.1 Procesos de Oxido-Reducción y Síntesis

En los procesos de estabi l ización, 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

uti l izando 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 uti l izan 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 disponibil idad 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 estabil ización en las lagunas debe realizarse en un tiempo

largo para l legar 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 estabil ización 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 estabil izadas pobres en materia orgánica. 26

4. Síntesis del Oxígeno: Las algas en las lagunas de es tabi l ización

encuentran dióxido de carbono, nutrientes como nitratos y fosfatos

productos de la oxidación de la materia orgánica, que los uti l izan las

algas en su metabolismo.

El dióxido de carbono es el al imento que uti l izan 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 uti l izada para convertir dióxido de carbono en

glucosa y materia celular .

La siguiente ecuación es una representación de la fotosíntesis:

( )→

( N H V ) = 6 8 6 k c a l

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 refiere al t ipo 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 disponibil idad de sustrato, está dada por la ecuación de

Monod 28:

⌈ ⌉

(4.1)

µ = tasa de crecimiento específico / tiempo (t - 1) µm = tasa máxima de crecimiento / tiempo (t - 1) S = concentración del sustrato en solución, l imitante 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 f igura 4.3

71

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)

Fig. 4 .5 Invers 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),

µ

µ/2

Ks

µ /growth rate

S / substrato

1/µ

1/S

Slope : Ks/µm

1/µm

71

Para obtener la tasa de crecimiento en una situación de sustrato o

alimento l imitada:

[

]

(4.2)

Donde:

(dX/dt) : tasa de crecimiento de biomasa, M/L 3 -T

μm : 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 (Xm

- X0), relativo al sustrato uti l izado (S0 – Sm). De aquí:

(4.3)

Dado que el crecimiento está l imitado 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

uti l ización o consumo de sustrato por parte de los microrganismos.

( ) (4.6 )

Donde

: Tasa de uti l ización de sustrato, M/L 3T

µm : 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 3T

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

estabil ización, 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 disponibil idad 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 estabil ización 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 f lujo 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 estabi l ización no son

gobernadas por los submodelos hidráulicos de f lujo a pistón o de mezcla

completa sino a través de la apl icación de modelos más complicados. Hoy

en día, el modelo de dispersión axial e s el más empleado, porque sus

l ímites cubren los dos tipos de f lujos 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 f lujo, 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 l lamada

"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 f lujo = 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 uti l izada para lagunas alargadas, para otras

condiciones es de uti l idad la siguiente ecuación:

( )

( ) ( ⁄ )

( ) ( ⁄ )

(4.15)

Esta relación permite interpretar adecuadamente los datos de una

evaluación intensiva de campo de una laguna funcionando en equi l ibrio

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 nor-

oeste, en las coordenadas UTM: Y : 9885328 y las coordenadas X: 557695 .

Las coordenadas de las lagunas dentro del emplazamiento son:

Tabla 5 .1 Georefere ncia ci ón del área de es tud io

Laguna Coordenadas UTM X

Coordenadas UTM Y

Aireadas 557589 9885328 Facultativa 557849 9885199 Maduración 557569 9885480

Fig. 5. 1 U bicaci ón de la s lagu nas dentro de l ca ntón Portoviej 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

accesibi l idad 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 Vista Aérea de las lagunas de P icoazá/Goggle Ear th -2011

5.2 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO

5.2.1 Localización

La ciudad de Portoviejo dispone de cuatro Lagunas de Oxidación que

reciben las aguas municipales del sistema de alcantari l lado 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, l lega 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 Llegad a de l ag ua residu a l a l s is tema de des bas te g rue so

Las reji l las atrapan los sólidos gruesos, mediante la acción manual -

mecánica se l impian las rej i l las de desbaste. El cuarto de bombas se

encuentra ubicado en el mismo lugar de la l legada 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 de ing reso

El agua residual l lega a la planta

de tratamiento por dos tuberías, la

tubería que ingresa al cajón de

l legada 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 l legada con colchón de agua (colectores E y E1/ l legada 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

Fig. 5.7 Caracterís t i cas de las lag unas

airead as 33

Los taludes de las lagunas están recubiertos con hormigón lanzado con

armadura metálica, la impermeabil ización del fondo está hecha con

arcil la compactada.

Los aireadores uti l izan 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.

ARE A: 1 .56 Ha

PROFU ND ID AD: 4.4 me t ros

EQUIPO S DE AIRE AC IO N: 3 (funcionand o)

Poten cia de los aire ad ores: 30 HP

UBIC AC IÓ N: x = 55 778 2 y= 988 5500

Nú mero de unidade s: 2 en pa rale lo

Are a en m 2 : 31. 122 m 2

Volu men: 137.791 m 3

Inc l in aci ón de los ta lud es: 2: 1

X=557782 Y= 9885500

71

5.2.3.1 Características de las lagunas facultativas

El fondo de la laguna esta hecho sobre base de arcil la, 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 ltativa s/2 011

Tabla 5 .2 Di men si ones de la lag una fa cu ltat iv a

ARE A DE LA LAG UNA A MED IA ALTU RA

15.28 Ha

NUME RO D E U NIDAD E S 1 PROFU ND ID AD D E LA LAGU NA 1 .85 me tros VOLU ME N 283.04 0 m 3 PE RIODO DE RETE NC IO N 5.71 día s INCLINACIO N DE LO S T ALUDE S 2:1 CONFIG U RACION TRAPEZ OID AL

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 l legan sólidos biológicos

que no sean algas unicelulares y prácticamente no acumulan lodos, de

71

modo que no es necesaria su l impieza 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 al imentarse 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 impermeabil ización del fondo de las lagunas se lo

realiza sobre la base de arci l la compactada. El ingreso a la laguna se lo

realiza por medio de dos vertederos con derivaciones angulares para su

total distribución.

Fig. 5. 9 Vi sta gene ra l d e la Lag una de pu li men to -2 011

LAGUNAS FINAL DE PULIMENTO

71

La salida de la laguna hacia el emisario final que va hacia el Rio

Portoviejo y algunos afluentes son uti l izados para riego en sectores

asentados en la zona.

Tabla 5 .3 Dime nsi ones de la lag una de pul ime nto

ARE A DE LA LAG UNA A MED IA ALTU RA

12.04 Ha

NUME RO D E U NIDAD E S 1 PROFU ND ID AD D E LA LAGU NA 1 .77 metros VOLU ME N 216.57 3 m 3 PE RIODO DE RET ENCION/ C AUD AL MEDIO

12 día s

INCLINACIO N DE LO S T ALUDE S 2:1 CONFIG U RACION TRAPEZ OID AL

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.

F ig. 5. 10 Des carga f ina l de las lag unas

71

Las aguas residuales tratadas, salen por un emisario subterráneo que

recorre aproximadamente 3 ki lómetros antes de su descarga al Rio

Portoviejo.

Fi g. 5 . 1 1 Ub i ca ci ó n d e la sa l i da de l agu a r e si du al h aci a e l r í o P or tov 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 uti l izarse

para el diseño de plantas de tratamiento, mientras que los modelos

dinámicos se uti l izan 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. Científ icos 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. Fundamenta l : 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 para desarrollar

ecuaciones que describen los experimentos.

3. Analogía : Usan las ecuaciones que describen a un sistema análogo,

con variables identif icadas 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 uti l izar 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

signif icativas 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 empíricos, pu eden subdividirse en tres categorías

diferentes:

71

Modelado por caja blanca

Los modelos de caja blanca reflejan todas las propiedades del sistema

real . Para su construcción se uti l iza 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, s in

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 util izado se le l lama

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 t iene 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 fís icas y

operacionales de plantas existentes, que se encuentran operando en

buenas condiciones. Estos modelos suelen ser uti l izados en lagunas que

posean las mismas características f ísicas 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 f inal).

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:

Ta r = temperatura promedio del aire, (o C)

ΨS = carga orgánica superficial aplicada, (Kg DBO 5 /ha-día)

ΨS 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 ( oC)

ΨSm áx = la carga orgánica máxima aplicable (kg -DBO5 /ha-dia)

Ψr = la carga orgánica superficial removida (kg DBO 5 /ha-día)

ΨS = la carga orgánica superficial aplicada (kg. DBO5 /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 uti l izando

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 ( oC); 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:

ψS = 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 estabil ización desarrollan procesos afines a los naturales, por consiguiente conviene uti l izar 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 remoción 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 f lujo), 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 s istema.

Estas ecuaciones matemáticas se incorporan a un programa informático

que incluya herramientas de reso lución numérica de EDO. Las técnicas

uti l izadas pueden ser desde la más sencil las, 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 uti l izado en la elaboración del modelo.

F ig . 6 .1 E sq uem a d el m od elo p la nt ead 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

DEFINIR COMPONENTES

DEFINIR PARAMETROS,

CINETICAS, PROCESOS, ETC

PLANTEAR LOS

BALANCES DE MATERIA

DEFINIR

ENTRADAS

Y SALIDAS

DEFINIR EL

REGIMEN

DE FLUJO

ECUACIONES DIFERENCIALES

ORDINARIAS/EDO

RESOLUCION

MATEMATICA

DE LAS EDO

PROGRAMAS

INFORMATICOS

MODELO INFORMATICO

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 l lama cal ibración 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 DBO5 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 f lujo d e mezcla

completa “CSTR” (continuously stirred tank reactor).

El volumen contenido de agua se considera constante, al igual que en un

proceso de lodos activados, el contenido de oxígeno disuelto en el

interior de la laguna se fi ja en valores de 1.5 a 2 mg/l. Sin embargo de su

afinidad con el proceso, las lagunas aireadas mecánicamente, no

disponen de sedimentadores secundarios.

F ig.6 .2 La guna ai reada de me zcla completa

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 read as de Portoviej o

Las lagunas de estabil ización mantienen caudales variables con el

tiempo, de igual manera la temperatura y la composición del af luente, 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 l imitante 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 voláti les (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 disponibil idad 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 componentes elegidos, proponemos la uti l ización

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 l isis de los

microorganismos). Este proceso implica una reducción en el crecimiento

de la biomasa obtenido en el proceso de crecimiento inicial .

6.3.3 Procesos cinéticos de la biomasa

Definimos dos procesos cinéticos que se desarrol lan 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)

rg = velocidad de crecimiento de la biomasa, g SSV/(m 3 -d)

µ = velocidad específ ica de crecimiento de la biomasa,

gSSV/(gSSV-d) : d - 1

XV , a = concentración de SSV en la laguna

rg = ( dX/dt)g

La velocidad específ ica 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 uti l izada 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 : rd : tasa de decaimiento de la biomasa, gSSV/m3 -d

Kd : coeficiente de decaimiento bacteriano, [t - 1]

XV , a : concentración de biomasa en la laguna

Para determinar la tasa de crecimiento durante la fase endógena se

pueden util izar 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 l igado 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 )

rg = velocidad de uti l ización de sustrato, g DBO 5 /(m3 .d)

Y = factor de rendimiento de la biomasa, kg SSV/(kg DBO 5)

rs u = velocidad de uti l ización de sustrato, g DBO 5 /(m3 .d)

De aquí la velocidad de uti l ización 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 uti l ización de sustrato está l igada

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 l iteral del balance general es la siguiente:

∑{

⁄

} ∑{

⁄

} ∑{

⁄} {

⁄

}

Los f lujos 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 t iempo 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 rS 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 l iteral de la biomasa:

{

⁄

} {

⁄} {

⁄

} {

⁄}

71

Remplazando en la ecuación los términos correspondientes:

(6. 13)

Despejando la derivada y remplazando los términos r g y r d obtenemos la

ecuación diferencial de la variable X V , a

[ ] (

) 6 . 1 4

Las ecuaciones 6.12 y 6.14 (ecuaciones diferenciales ordinarias),

constituyen la base matemática del modelo informático que será

uti l izado en la modelación de la laguna aireada.

6.5 MODELACIÓN DE LA LAGUNA FACULTATIVA

El presente modelo fue desarrol lado 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 CO2 . En su aspecto físico el modelo considera la sedimentación de

sólido, algas y bacterias, e l balance de l íquido es completo con la

inclusión de l luvia, evaporación e infi ltración y por último, se considera

la inf luencia 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 . 1 5

Por conveniencia en el desarrollo del modelo, se considera que las

masas: sedimentada, solubil izada en el lodo, infi ltrada y asimilada, son

descritas por las reacciones, y por lo tanto el balance quedaría:

(

) (

) (

) (

) 6 - 1 6

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 l luvia, evaporación e

infi ltración. 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 = infi ltración en mm/día

Para efectos de cálculo, se adopta la s iguiente 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, infi ltrada y asimilada, en el af luente 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 s istema lagunar:

∑

6.19

En donde:

Rc = tasa volumétrica de asimilación de DQO, mg/l -día

Se F = DQO biodegradable del af luente en laguna facultativa, mg/l

Para el cálculo de la constante de reacción - RC, se uti l iza 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 l imitantes en la reacción de

síntesis de bacterias heterotróficas, la siguiente ecuación describe la

variable Rc.

[

] [

] [

] [

] 6.20

71

De aquí:

Km = tasa máxima de uti l ización 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

Km).

Remplazando en la ecuació n 6.19 y despejando el volumen del sistema,

tenemos:

( ) [

] [

] [

] [

] 6 .21

El coeficiente K m , depende de la temperatura, según la Ley de Arrhenius :

6.22

De aquí: Ø= es la constante de la Ley de Arrhenius .

Para el cálculo de la DQO biodegradable soluble del afluente [ Sb 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:

fn = 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 sól idos voláti les inertes (0.07 -

0.12) para desecho crudo y cero ( 0 ), para el sedimentado.

f s = factor que representa la fracción de Sa (DQO total en el afluente),

que sedimenta y solubil iza del lodo de fondo y es dependiente de la

temperatura.

Cuando T > 15 oC, se considera que [f s ], representa la fracción de Sa que

sedimenta más aquella que alcanza el efluente antes de ser oxidada.

Cuando T< 15 ºC, 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:

6.23

De aquí:

XV , a , X V , f : concentraciones de biomasa del afluente y del efluente, mg/d

Rx b 1 , Rxb 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.Xb/mg.DQO

Kb = tasa específica de respiración endógena, mg.Xb/mg.Xb-día a temperatura T

fb = tasa de sedimentación, 1/día.

71

Remplazando 6.24 y 6.25 en 6.23 nos queda la ecuación final:

( ) 6.26

6.6 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 fi la superior, mientras que los

procesos cinéticos se recogen en la columna de la izquierda (nombre del

proceso) y en la columna 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 f loculento, en nuestro caso se asume que la totalidad de la biomasa pasa a la laguna facultativa.

71

COMPONENTES

PROCESOS

Se

XA,V

VELOCIDAD DE REACCION

CRECIMIENTO DE LA BIOMASA

1

METABOLISMO ENDOGENO

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

PROCESOS

SeF

Xf

VELOCIDAD DE REACCION

CRECIMIENTO DE LA BIOMASA

Y

1

∑

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

Tabla 6.3 Res u men de las ecua ci ones que u ti l i za e l mode lo

D E S C R I P C I O N

E C U A C I O N

Bala nce de Subs t rat o e n las lag unas a i rea das

[ ] ( )

[

]

Bala nce de cre cimie nt o y muerte e nd óge na e n las lag unas a i reada s

[ ] (

)

Per iod o d e rete nción e n la lag una fa cult at iva

( )

( )

As imi la c ión de Subst rat o soluble e n la lag una facultat iva

∑

Constante de reacción de Monod para la laguna Facultativa /Rc

[

] [

] [

] [

]

Coe fic ient e Km, mejora do de Arrhe nius

Cre c imient o ba cte ria no en la lag una fa cultat iv a

Velocidad de cre cimiento ba cte ria no fa cult at iv o

( )

Velocidad de de st rucción endógena

71

Tabla 6.4 Constantes uti l izadas en el modelamiento de las lagunas

S IMB OL O

DE S CR IP CI ON

UNI DA DE S

VA LOR

E STI MA DO

Y

Coeficiente de crecimiento bacteriano

⁄

0 .4 -0.6 *

V

Volumen de las lagunas (aireada)

m 3

127.0 00

µ m á x .

Tasa de crecimiento específico máxima

1 / d í a

3 - 12**

K s

Constante de saturación media /para 50% DQO

m g D Q O / l

1 0 - 1 0 0 * * *

K d

Tasa específica de decaimiento (muerte endógena) lagunas aireadas

1 / d í a

0 .04 *** *

S e

DQO biodegradable a la salida de la laguna

m g / l

-

K o d

Concentración de O2 para las condiciones de saturación media de Km (0.5 de Km)

m g / l

1 .0

K b n

Concentración de N2 para las condiciones de saturación media

de Km (0.5 de Km)

m g / l

0 .01

K b p

Concentración de P para las condiciones de saturación media de

Km (0.5 de Km)

m g / l

0 .01

K m

tasa máxima de utilización bacteriana de substrato en la laguna facultativa

mg/mgXb.día

2 .0

Ø

Constante de Arrhenius

1 .0 7

K b

Constante de decaimiento endógeno en el proceso facultativo

1 / d í a s

0 .07

f b

Tasa de sedimentación

1 / d í a

0 .05

Referencias: * Yanez-Modelación de lagunas aireadas ** Yánez / Modelación de lagunas aireadas *** Mara-Enkelfelder/Evaluación de coef icientes 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 empleado 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 plataformas de simulación mult idominio, 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 uti l izadas 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 i l izado

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

l leguen 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 planil las 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 alcantaril lado de la ciudad, viene mezclada

con aguas l luvias, aumentando considerablemente los caudales de

ingreso a las lagunas, y disminuyendo en algunos casos la carga orgánica

sobre el sistema.

Tabla 7 .1 P a rá metros pr inci pa les de l s i ste ma

Paráme tros Sí mbolo

Temperatura T

Oxígen o Disue lto O D

Demand a Bi oquí mica d e Oxíge no DB O 5

Demand a Q uí mica de O xígen o D QO

Sólid os sus pe ndid os T ota les SST

Nitrógen o Tota l N t o t a l

Fós foro T ota l P t o t a l

Poten cia l d e Hidrógen 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:

Tabla 7 .2 Tempe ra tu ra de las la gun as

Meses

Temperatura lagunas Aireadas oC

Temperatura lagunas facultativas oC

2010 2011 2010 2011 Enero 26.7 26.3 26.6 26.8

Febre ro 26.9 27.0 26.9 27.2

Marzo 26.4 27.1 27.4 27.3

Abri l 27.0 26.9 27.1 26.8

May o 26.9 26.7 26.8 26.5

Juni o 26.8 26.7

Ju li o 26.3 26.4

Ag os to 25.2 25.9

Se pt iembre 25.5 25.7

Octubre 25.3 25.6

Noviembre 25.9 26.4

Diciembre 26.1 26.7

F u e n t e : L a b o r a t o r i o Q u í m i c o d e l a s L a g u n a s d e O x i d a c i ó n d e P i c o a z á

71

Fig. 7 .1 Te mpe ratura de l a s la guna s ai read a s

0 2 4 6 8 10 12-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

desviacion temperatura media C

tem

pera

tura

C

0 2 4 6 8 10 1225

25.5

26

26.5

27

tem

pera

tura

C

muestreos año 2010

data 1

6th degree

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

promedio muestreo mensual años 2010-2011

tem

pera

tura

C

0 2 4 6 8 10 12 14 16 1825.5

26

26.5

27

27.5

71

Fig. 7 .2 Tempe ra tura d e las la guna s faculta 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.

Tabla 7 .3 O xígen o disu elto en la s lag unas

Meses

Oxígeno disuelto lagunas Aireadas ºC

Oxígeno Disuelto lagunas facultativas oC

2010 2011 2010 2011

E ner o 0.8 3 2 . 1 2 .89 1 .9 8

Feb r ero 0.54 2.86 3. 01 4 .3

Marz o 2 .72 1.94 2 . 1 3 . 75

Ab ri l 1 . 78 3 . 1

May o 0.9 8 2 .99

Ju ni o 0.5 7 4 .3 4

Ju l i o 0, 30 2 .2 2

Ago s to 0. 33 4 .0 1

Se pti e mb r e 0.4 7 3 . 3

Oc tu b r e 0. 38 3 .2

Nov i e mb r e 0.45 2 .98

Di ci e mb r e 0.4 1 3 . 17

F u e n t e : a n á l i s i s l a b o r a t o r i o P i c o a z á

71

F ig. 7 .3 Perfi l de O2 en la s la guna s ai read as

Fig. 7 .4 Pe rfi l de O 2 en la s la guna s faculta tiva s

0 5 10 15-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

muestreo mensual años 2010-2011

desvia

ció

n

0 5 10 15-4

-2

0

2

4

oxíg

eno d

isuelto m

g/l

0 5 10 15-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

desvia

ció

n

0 5 10 151

2

3

4

5

promedios muestreos mensuales

oxig

eno d

isuelto m

g/l

71

7.2.4 Demanda Química de Oxígeno

La demanda Química de Oxígeno es monitoreada diariamente en las

lagunas, el método util izado es Hach-5420, normalmente se toman

muestras entre las 14:00 y 16:00 horas, es decir cuando el flujo se

encuentra estabil izado.

Tabla 7 .4 M onitore os d e DQO en la s lag una s d e oxida ci ón

Meses

D.Q.O. lagunas aireadas mg/l

D.Q.O. lagunas facultativas mg/l

2010 2011 2010 2011 Enero 1 2 7 102

Febre ro 272 88

Marzo 360 85

Abri l 247 105

May o 319 303 111 100

Juni o 38 2 109

Ju li o 49 2 91

Ag os to 678 122

Se pt iembre 181 68

Octubre 280 88

Noviembre 193 76

Diciembre 166 90

Fu en t e: lab o rat or i o d e a g u as P i co az á

Fig. 7.5 Monitoreo de DQO en las lagunas aireadas

0 2 4 6 8 10 12 14-500

0

500

desvia

ció

n m

g/l

0 2 4 6 8 10 12 140

500

1000

Meses de muestreo

DQ

O m

g/l

71

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 Cana l de in gres o d el ag ua a las lagu na s

F u e n t e : E I A E x p o s t L a g u n a s d e P i c o a z á

0 2 4 6 8 10 12 14-50

0

50

desvia

ció

n

0 2 4 6 8 10 12 1450

100

150

muestreo promedio mensual

DQ

O m

g/l

71

Tabla 7 .5 Monitoreos de caudal en las lagunas Agosto 05-27/ 2011

FECHA DE

MUESTREO

H O R A D E M U E S T R E O

08:00 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 354 251 286 277 334 300.4

18/Agosto 378 312 303 298 360 362 285 287 366 305 327

19/Agosto 352 323 361 262 365 278 332

26/Agosto 401 379 298 344 343 378 376 417

27/Agosto 289 376 226 365 337 328 329 291 364

Promedio l/s 289 375 267 376 367 359 330 297 298 364 345 333

Promedio m3/d

24969 32400 23068 32500 31700 31017 28512 25660 25747 31449 29808 28802

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

AÑO 2015

AÑO 2010

ZONAS

AR/AP

Ha

l/hab/d

Hab.

l/s

l/hab/d

Hab.

l/s

l/hab/d

Hab.

l/s

1-25

0.75

1.759

220

242.324

481

200

222.190

431

195

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 estabil ización de 200.948

habitantes, que generarán 3 81 l/s de aguas residuales, es decir 32.918 m3

por día .

71

La simulación del modelo propuesto, se desarrollará considerando los

datos futuros de la población de la zona, teniendo como factor principal ,

la tasa de aumento de la población y la inserción de los nuevos sectores

que disponen de alcantari l lado sanitario.

Fig. 7 .8 M oni tore o de caud al en la s lag una s

7.3 Desarrollo matemático del modelo propuesto

Para el desarrollo de las ecuaciones diferenciales, se uti l izó el

programador de calculo matemático de Matlab, las ecuaciones ordinarias

no l ineales, fueron resueltas uti l izando el comando ode23 , comando que

util iza el método de Runge-Kutta de segundo y tercer 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 uti l izado para la resolución de las

ecuaciones.

5 10 15 20 25 30

-5

0

5

x 10-10

dias de muestreo

5 10 15 20 25 30-500

0

500

1000

caudal l/s

Mediciones de caudal de ingreso a las lagunas

71

20 40 60 80

320

340

360

380

400

sustr

ato

de e

ntr

ada D

QO

0 20 40 60 80

800

900

1000

1100

caudal m

3/h

20 40 60 80100

200

300

400

sustr

ato

de s

alid

a D

QO

tiempo en horas

0 20 40 60 80

100

200

300

400

bio

masa e

ntr

ada r

ojo

y s

alid

a S

SV

tiempo en horas

biomasa en la laguna

biomasa afluente

7.4 SIMULACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE LA LAGUNA AIREADA.

Para la aplicación del modelo desarrol lado 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 m3 /d (264 l/s)

V : 67.000 m3 (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

µm a x : 12 d - 1

Sustrato que ingresa /DQO : 360 mg/l

El resultado gráfico de la simulación de la laguna aireada, en condiciones

de entrada sinusoidales se muestra en la siguiente f igura:

Fig. 7 .9 Prime ra s imu la ción de l mode lo

71

7.4.2 Segunda Simulación: Flujo promedio de ingreso a las lagunas : 950 m3/h

Q : Flujo permanente de ingreso a las lagunas: 22.800 m3 /d (264 l/s)

V : 67.000 m3 (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

µm á x . : 12 d - 1

Sustrato que ingresa /DQO : 310 mg/l

Fig. 7 .1 0 Seg unda s i mu laci ón de l mode lo

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 m3 /d (264 l/s)

V : 67.000 m3 (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

µm á x . : 12 d - 1

Sustrato que ingresa /DQO : 210 mg/l

0 20 40 60 80

280

300

320

340

sustr

ato

de e

ntr

ada D

QO

0 20 40 60 80

800

900

1000

1100

caudal m

3/h

0 20 40 60 80

100

200

300

sustr

ato

de s

alid

a D

QO

tiempo en horas

0 20 40 60 80

100

200

300

400

bio

masa e

ntr

ada r

ojo

y s

alid

a S

SV

tiempo en horas

biomasa en la laguna

biomasa afluente

71

0 20 40 60 80

160

180

200

220

240

sustr

ato

de e

ntr

ada D

QO

0 20 40 60 80

800

900

1000

1100

caudal m

3/h

0 20 40 60 80

100

150

200

sustr

ato

de s

alid

a D

QO

tiempo en horas

0 20 40 60 80

100

200

300

400

bio

masa e

ntr

ada r

ojo

y s

alid

a S

SV

tiempo en horas

biomasa en la laguna

biomasa afluente

Fig. 7 . 1 1 Tercera Simu la ción de l mode lo

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 m3 /d (312 l/s)

V : 67.000 m3 (una laguna en operación)

Sustrato que ingresa /DQO : 360 mg/l

Todas las demás condiciones se mantienen para la simulación

71

Fig. 7 .12 Cu arta Si mu la ción de l mode lo a f luj o má ximo

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 m3 (una laguna en operación)

Sustrato que ingresa /DQO : 310 mg/l

Todas las demás condiciones se mantienen para la simulación del modelo

matemático

0 20 40 60 80

320

340

360

380

sustr

ato

de e

ntr

ada D

QO

0 20 40 60 80

900

1000

1100

1200

caudal m

3/h

20 40 60 80

200

300

400

sustr

ato

de s

alid

a D

QO

tiempo en horas

0 20 40 60 80

100

200

300

400

bio

masa e

ntr

ada r

ojo

y s

alid

a S

SV

tiempo en horas

biomasa en la laguna

biomasa afluente

71

Fig. 7 .13 Q uinta s imulac ión a caud a l máxi mo

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 m3 (una laguna en operación)

Sustrato que ingresa /DQO : 260 mg/l

Todas las demás condiciones se mantienen para la simulación del modelo

matemático.

0 20 40 60 80

260

280

300

320

340sustr

ato

de e

ntr

ada D

QO

0 20 40 60 80

900

1000

1100

1200

caudal m

3/h

20 40 60 80

100

200

300

sustr

ato

de s

alid

a D

QO

tiempo en horas

0 20 40 60 80

100

200

300

400

bio

masa e

ntr

ada r

ojo

y s

alid

a S

SV

tiempo en horas

biomasa en la laguna

biomasa afluente

71

Fig. 7 .14 Se xta s i mu la ci ón a caud a l máxi mo

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 decis iones 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 m3 (dos lagunas en operación)

Sustrato que ingresa /DQO : 360 mg/l

Todas las demás condiciones se mantienen para la simulación del modelo

matemático.

0 20 40 60 80

220

240

260

280

sustr

ato

de e

ntr

ada D

QO

0 20 40 60 80

900

1000

1100

1200

caudal m

3/h

0 20 40 60 80

100

150

200

250

300

sustr

ato

de s

alid

a D

QO

tiempo en horas

0 20 40 60 80

100

200

300

400

bio

masa e

ntr

ada r

ojo

y s

alid

a S

SV

tiempo en horas

biomasa en la laguna

biomasa afluente

71

Fig. 7 .1 5 Sé ptima s i mu laci ón uti l i zand o las d os lagu nas aire adas

7.5 COMPARACIÓN DE LOS DATOS OBTENIDOS Y VALIDACIÓN DEL MODELO

Para la validación del modelo propuesto, se util izaron los anál is is 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

Fe cha de l

aná l i s i s

Mu e str o

N o

DQ O ana l i z a do

en el lab ora tor i o

( i n gr e so )*

DQ O ana l i z a do por

el lab ora tor i o

( sa l i da )

DQ O ob t e ni do por la s i mu la ci ó n

( sa l i da )* *

01 /02/2 011 1 272 88 118

16/02 /2 01 1 2 303 100 125

24/02 /2 011 3 110 68 56

02 /03/2 011 4 174 128 110

03/03/2 01 1 5 375 178 150

09 /03/2 011 6 138 67 70

14/03/2 011 7 314 232 200

18/03/2 011 8 275 130 148

23/03/2 011 9 131 94 80

*F u e n t e : A n á l i s i s d e la b o ra t o r io d e la p la n t a P ic o a zá

** L o s g r á f i co s d e la s im u la c ió n s e p r es en ta n e n e l a n ex o re s p ec t iv o

0 20 40 60 80

320

340

360

380

400sustr

ato

de e

ntr

ada D

QO

0 20 40 60 80

1000

1100

1200

1300

caudal m

3/h

0 20 40 60 80

50

100

150

200

sustr

ato

de s

alid

a D

QO

tiempo en horas

0 20 40 60 80

100

200

300

400

bio

masa e

ntr

ada r

ojo

y s

alid

a S

SV

tiempo en horas

biomasa en la laguna

biomasa afluente

71

100 150 200 250 300 350 40050

100

150

200

DQO que ingresa a las lagunas

DQ

O q

ue s

ale

de las lagunas

y = 0.4*x + 24

Fi g. 7 . 16 DQ O m e di d o p or e l lab ora tor i o

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 uti l izamos la siguiente

expresión:

( ) ∑( )( )

√∑( ) ∑( ) 7.1

100 200 300 4000

200

400

DQO de ingreso a las lagunasDQ

O s

alid

a la

gunas

y = 0.39*x + 29

71

Tabla 7 .7 Cá lculo de l C oefi cien te de C orre lac i ón para e l D QO

D Q O

m e d i d o

( x )

D Q O

m o d e l a d o

( y )

( x ’ - x )

( y ’ - y )

( x i - x ) 2

( y i - y ) 2

( x i - x ) ( y i - y )

88 118 -32.56 0.56 1060.15 0.31 -18.234

100 125 -20.56 7.56 422.71 57.15 -155.434

68 56 -52.56 -61.44 2762.55 3774.87 3229.286

128 110 7.44 -7.44 55.35 55.35 -55.354

178 150 57.44 32.56 3299.35 1060.15 1870.246

67 70 -53.56 -47.44 2868.67 2250.55 2540.886

232 200 111.44 82.56 12418.87 6816.15 9200.486

130 148 9.44 30.56 89.11 933.91 288.486

94 80 -26.56 -37.44 705.43 1401.75 994.406

Σ 23682.2 16350.2 17894.8

Fi g. 7 . 1 8 G ráf i ca de lo s v a lor e s d e D QO : me di do s v s m od e lad os

0 50 100 150 200 250

-20

0

20

DQO registrado en el laboratorio mg/l - DQO obtenido por el modelo mg/l

DQ

O o

bte

nid

o p

or

el m

odelo

mg/l

residuals

0 50 100 150 200 2500

50

100

150

200

250

71

Aplicando la ecuación 7.1 el coeficiente de correlación es:

( )

√( )

( )

7.6 Análisis de los resultados

Para la corrida del modelo propuesto, se uti l izaron 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 3día, 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 uti l izando 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 m3 /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 sal ida de 130 mg/l , esto

representa una eficiencia del 38 %.

7.6.4 Cuarta Simulación

Para la corrida del modelo propuesto, se uti l izaron 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 m3 /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 m3 /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 m3 /día, con un ingreso promedio diario de 260 mg/l de Demanda

Química de Oxígeno, se obtendrá una salida de 225 mg/l , esto representa

una eficiencia del 13.23 %.

7.6.7 Resultados de la val idación del modelo

Para la validación del modelo se uti l izaron 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 alcantari l lado.

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 posit ivamente.

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 l ineales, fue uti l izado 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. Se 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 real izada, 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

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71

ANEXO A Gra ficos de simulacio n 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

A-1 Simulación del 01/02011

A-2 Simulación del 16/02/2011

0 20 40 60 80

220

240

260

280

300sustr

ato

de e

ntr

ada D

QO

20 40 60 80

600

700

800

900

caudal m

3/h

0 20 40 60 80

50

100

150

200

sustr

ato

de s

alid

a D

QO

tiempo en horas

0 20 40 60 80

100

200

300

400

bio

masa e

ntr

ada r

ojo

y s

alid

a S

SV

tiempo en horas

biomasa en la laguna

biomasa afluente

0 20 40 60 80

260

280

300

320

sustr

ato

de e

ntr

ada D

QO

0 20 40 60 80

600

700

800

900

caudal m

3/h

0 20 40 60 80

50

100

150

200

250

sustr

ato

de s

alid

a D

QO

tiempo en horas

0 20 40 60 80

100

200

300

400

bio

masa e

ntr

ada r

ojo

y s

alid

a S

SV

tiempo en horas

biomasa en la laguna

biomasa afluente

71

A-3 simulación del 24/02/2011

A-4 Simulación del 02/03/2011

0 20 40 60 80

60

80

100

120

140sustr

ato

de e

ntr

ada D

QO

0 20 40 60 80

600

700

800

900

caudal m

3/h

0 20 40 60 80

20

40

60

80

sustr

ato

de s

alid

a D

QO

tiempo en horas

0 20 40 60 80

100

200

300

400

bio

masa e

ntr

ada r

ojo

y s

alid

a S

SV

tiempo en horas

biomasa en la laguna

biomasa afluente

0 20 40 60 80

120

140

160

180

200

sustr

ato

de e

ntr

ada D

QO

20 40 60 80

600

700

800

900

caudal m

3/h

20 40 60 80

50

100

150

sustr

ato

de s

alid

a D

QO

tiempo en horas

0 20 40 60 80

100

200

300

400

bio

masa e

ntr

ada r

ojo

y s

alid

a S

SV

tiempo en horas

biomasa en la laguna

biomasa afluente

71

A-5 Simulación del 03/03/2011

A-6 Simulación del 09/03/2011

0 20 40 60 80

320

340

360

380

400

sustr

ato

de e

ntr

ada D

QO

0 20 40 60 80

600

700

800

900

caudal m

3/h

0 20 40 60 80

100

200

300

sustr

ato

de s

alid

a D

QO

tiempo en horas

0 20 40 60 80

100

200

300

400bio

masa e

ntr

ada r

ojo

y s

alid

a S

SV

tiempo en horas

biomasa en la laguna

biomasa afluente

0 20 40 60 80

100

120

140

160

180

sustr

ato

de e

ntr

ada D

QO

0 20 40 60 80

600

700

800

900

caudal m

3/h

20 40 60 80

20

40

60

80

100

120

sustr

ato

de s

alid

a D

QO

tiempo en horas

0 20 40 60 80

100

200

300

400

bio

masa e

ntr

ada r

ojo

y s

alid

a S

SV

tiempo en horas

biomasa en la laguna

biomasa afluente

71

A-7- Simulación del 14/03/2011

A-8 Simulación del 18/03/2011

20 40 60 80

280

300

320

340

sustr

ato

de e

ntr

ada D

QO

0 20 40 60 80

600

700

800

900

caudal m

3/h

20 40 60 80

50

100

150

200

250

sustr

ato

de s

alid

a D

QO

tiempo en horas

0 20 40 60 80

100

200

300

400

bio

masa e

ntr

ada r

ojo

y s

alid

a S

SV

tiempo en horas

biomasa en la laguna

biomasa afluente

0 20 40 60 80

240

260

280

300

320

sustr

ato

de e

ntr

ada D

QO

0 20 40 60 80

600

700

800

900

caudal m

3/h

0 20 40 60 80

50

100

150

200

250

sustr

ato

de s

alid

a D

QO

tiempo en horas

0 20 40 60 80

100

200

300

400

bio

masa e

ntr

ada r

ojo

y s

alid

a S

SV

tiempo en horas

biomasa en la laguna

biomasa afluente

71

A-9 Simulación del 23/03/2011

20 40 60 80

80

100

120

140

160

sustr

ato

de e

ntr

ada D

QO

0 20 40 60 80

600

700

800

900

caudal m

3/h

20 40 60 80

40

60

80

100

120

sustr

ato

de s

alid

a D

QO

tiempo en horas

0 20 40 60 80

100

200

300

400

bio

masa e

ntr

ada r

ojo

y s

alid

a S

SV

tiempo en horas

biomasa en la laguna

biomasa afluente

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

PARAMETROS QUMICOS

Cobalto(Co) mg/l 1.02 …….. …….. 0.5 0.29 SI

Cobre(Cu) mg/l 3.86 …….. …….. 1.0 0.94 SI

Cianuro mg/l 0.133 …….. …….. 0.1 0.037 SI

Cromo(Cr+6) mg/l 0.61 …….. …….. 0.5 0.11 SI

Demanda Bioquímica de Oxigeno(DBO5) mg/l

240 169 64 100 70 SI

Demanda Química de Oxigeno(DQO) mg/l

375 178 110 250 66 SI

Hierro(Fe) mg/l 2.53 …….. …….. 10.0 0.59 SI

Nitratos(NO3=) mg/l 34.9 …….. ……..

10.0 6.4

SI

Nitritos(NO2=) mg/l 0.193 …….. …….. 0.054

Zinc(Zn+2) mg/l 0.89 …….. …….. 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

CONDICIONES AMBIENTALES: Seco

HORA DE MUESTREO: Muestreo compuesto

AIREADORES EN FUNCIONAMIENTO:4

UNIDAD AFLUENTE AEREADA FACULTATIVA

NORMA DE CALIDAD

AMBIENTAL Y DE DESCARGA DE

EFLUENTES:Recurso Agua

EFLUENTE CUMPLIMIENTO

PARAMETROS QUMICOS

Demanda Quimica de Oxigeno(DQO) mg/l 110 68 61 250 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

CONDICIONES AMBIENTALES: Seco

HORA DE MUESTREO: Muestreo compuesto

AIREADORES EN FUNCIONAMIENTO:4

UNIDAD AFLUENTE AEREADA FACULTATIVA NORMA DE CALIDAD

AMBIENTAL

EFLUENTE CUMPLIMIENTO

PARAMETROS QUMICOS Aluminio (Al+3) mg/l 0.019 0.05 0.024 5.0

0 SI

Cloruros mg/l 108 90 90 1000 96 SI

Demanda Bioquímica de Oxigeno(DBO5)

mg/l 274 82 117 100 28 NO

Demanda Química de Oxigeno(DQO) 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

ING.VIRGINIA SANCHEZ M. JEFE LAB. P.T.A.R

71

Empresa Pública Municipal de Agua Potable y Alcantarillado de Portoviejo

FECHA DE MUESTREO: 02 /Marzo CONDICIONES AMBIENTALES:Seco

HORA DE MUESTREO: Muestreo compuesto AIREADORES EN FUNCIONAMIENTO:4

UNIDAD AFLUENTE AEREADA FACULTATIVA

NORM A DE

CALIDAD

AM BIENTAL Y

DE DESCARGA

DE

EFLUENTES:Rec

urso Agua

EFLUENTE CUMPLIMIENTO

mg/l 174 128 94 100 29 SI

JEFE LAB. P.T.A.R

P.T.A.RLABORATORIO DE AGUAS RESIDUALES

REGISTRO DE RESULTADOS DE ANALISIS

PARAMETROS QUMICOS

Demanda Bioquimica de

Oxigeno(DBO5)

ING.VIRGINIA SANCHEZ M.

71

Empresa Pública Municipal de Agua Potable y Alcantarillado de Portoviejo

FECHA DE MUESTREO: 14/ mar CONDICIONES AMBIENTALES:Seco

HORA DE MUESTREO: Muestra compuesta (12:00 y 15:00 pm) AIREADORES EN FUNCIONAMIENTO:4

UNIDAD AFLUENTE AEREADA FACULTATIVA

NORM A DE CALIDAD

AM BIENTAL Y DE

DESCARGA DE

EFLUENTES:Recurso

Agua

EFLUENTE CUMPLIMIENTO

mg/l 314 232 113 100 94 SI

mg/l 255 143 82 250 76 SI

ING.VIRGINIA SANCHEZ M.

JEFE LAB. SANEAMIENTO

P.T.A.RLABORATORIO DE SANEAMIENTO

REGISTRO DE RESULTADOS DE ANALISIS

PARAMETROS

Demanda Bioquimica de

Oxigeno(DBO5)

Demanda Quimica de

Oxigeno(DQO)

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

CONDICIONES AMBIENTALES: Seco

HORA DE MUESTREO: Muestra compuesta (12:00 y 15:00 pm) AIREADORES EN FUNCIONAMIENTO:4

UNIDAD AFLUENTE AEREADA FACULTATIVA NORMA DE CALIDAD EFLUENTE CUMPLIMIENTO

PARAMETROS

Demanda Bioquimica de Oxigeno(DBO5) mg/l 255 143 113 100 94 SI

Demanda Quimica de Oxigeno(DQO) mg/l 314 232 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

CONDICIONES AMBIENTALES: Seco

HORA DE MUESTREO: Muestra compuesta (9 am-12:00 pm) AIREADORES EN FUNCIONAMIENTO:4

UNIDAD AFLUENTE AEREADA FACULTATIVA NORMA DE CALIDAD

AMBIENTAL EFLUENTE CUMPLIMIENTO

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

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

CONDICIONES AMBIENTALES: Seco

HORA DE MUESTREO: Muestra compuesta (17 - 20 pm) AIREADORES EN FUNCIONAMIENTO:4

UNIDAD AFLUENTE AEREADA FACULTATIVA NORMA DE CALIDAD

AMBIENTAL EFLUENTE CUMPLIMIENTO

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

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:01/feb

CONDICIONES AMBIENTALES: Lluvioso

HORA DE MUESTREO: Muestreo compuesto

AIREADORES EN FUNCIONAMIENTO:4

UNIDAD AFLUENTE AEREADA FACULTATIVA NORMA DE CALIDAD

AMBIENTAL Y DE DESCARGA

EFLUENTE CUMPLIMIENTO

PARAMETROS QUMICOS Aluminio (Al) mg/l 0.022 0.046 0.02 5 0.036 SI Cloruros mg/l 50 40 50 1000 30 SI Demanda Bioquímica de

Oxigeno(DBO5) mg/l 219 82 37 100 110 NO

Demanda Química de Oxigeno(DQO) mg/l 272 88 54

250 54 SI

Hierro(Fe) mg/l 0.98 ………. ………. 10.0 0.32 SI Fosforo(PO4) mg/l 10.6 10.5 9.7 10.0 10.6 NO Manganeso(Mn) mg/l 5.2 ………. ………. 2.0 1.7 SI Nitratos(NO3=) mg/l 53.6 ………. ……….

10.0 5.8

SI Nitritos(NO2=) mg/l 0.149 ………. ………. 0.024

ING.VIRGINIA SANCHEZ M. JEFE LAB. P.T.A.R

71

Empresa Pública Municipal de Agua Potable y Alcantarillado de Portoviejo

FECHA DE MUESTREO: 23/ mar CONDICIONES AMBIENTALES:Seco

HORA DE MUESTREO: Muestra compuesta (8 am-16:00 pm) AIREADORES EN FUNCIONAMIENTO:4

UNIDAD AFLUENTE AEREADA FACULTATIVA

NORM A DE

CALIDAD

AM BIENTAL Y

DE DESCARGA

DE

EFLUENTES:Rec

urso Agua

EFLUENTE CUMPLIMIENTO

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

P.T.A.RLABORATORIO DE SANEAMIENTO

REGISTRO DE RESULTADOS DE ANALISIS

PARAMETROS

Demanda Bioquimica de

Oxigeno(DBO5)

Demanda Quimica de

Oxigeno(DQO)

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 /IDRC-OPS/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 30 Rojas /CEPIS/Determinación de constantes cinéticas en

lagunas de estabilización

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 Mangas/Certain/Molinares-Tratamiento de aguas residuales en sistemas de Lagunaje

40 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)