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TRATAMIENTO SOSTENIBLE DE AGUAS RESIDUALES DOMESTICAS ENREGIONES TROPICALES: DESARROLLO DE LAGUNAS ANAEROBIAS DE ALTA

TASA (HRAP)

Miguel R. Peña Varón *

Universidad del Valle, Instituto Cinara. El autor principal es profesor asociado de la Universidad delValle e investigador del Instituto Cinara. Es ingeniero sanitario egresado de la Universidad del Valle enCali, Colombia. Tiene un M.Sc en ingeniería ambiental de la Universidad de Leeds en UK yrecientemente obtuvo su Ph.D en esta misma Universidad. Tiene experiencia en investigación en las áreasde tratamiento de aguas residuales domésticas y reuso de efluentes. Ha dirigido y ejecutado proyectos endiferentes áreas del saneamiento ambiental con énfasis en alcantarillados de bajo costo, tratamiento deaguas residuales por métodos naturales y tratamiento anaerobio. Es autor y coautor de 20 artículosinternacionales técnicos y científicos en las áreas antes mencionadas.

David Duncan MaraUniversity of Leeds, School of Civil Engineering. Leeds LS2 9JT, UK.

* Universidad del Valle-Instituto Cinara, A.A 25157, Cali, Valle del Cauca, Colombia. Tel: (57-2) 3392345. Fax: (57-2)3393289. e-mail: miguelpe@mafalda.univalle.edu.co

RESUMEN

El desarrollo de tecnologías sostenibles para el tratamiento de aguas residuales domésticas es una necesidad sentida enAmérica Latina, particularmente en los pequeños municipios y zonas rurales de los países de la región Andina. Lastecnologías utilizadas tradicionalmente en estos asentamientos humanos son los sistemas naturales (e.g., lagunas deestabilización y humedales artificiales) y una gran variedad de tecnologías anaerobias como los tanques séptico eImhoff, reactores UASB y digestores anaerobios. Sin embargo, algunos de estos sistemas no son sostenibles debido alimitaciones físicas o socio-económicas. En este sentido se introduce el concepto de laguna anaerobia de alta tasa para eltratamiento primario avanzado de aguas residuales domesticas como una alternativa factible para el contexto antesmencionado. Los resultados se recogieron en un periodo de 5 años y comprendieron estudios hidrodinámicos y delproceso biológico de depuración a escala real en 2 lagunas anaerobias y un reactor UASB mas 4 lagunas anaerobiasmodificadas a escala piloto. Las lagunas de alta tasa (configuraciones modificadas) alcanzaron eficiencias de remocióniguales o superiores a las del UASB (DQOt 51-79%, DQOf 50-78%, SST 64-76% y SSV 60-82%) tratando la mismaagua residual con TRH de 12-18 h. Estas características técnicas mas las posibles ventajas en costos de inversión yO&M potencializan esta alternativa tecnológica como una solución sostenible para el control de la contaminación en laregión. Es deseable, sin embargo, corroborar estos resultados con experiencias a escala real en pequeñas comunidades.

Palabras clave: Agua residual domestica, alta tasa, lagunas anaerobias, sostenible, tratamiento anaerobio.

INTRODUCCION

El desarrollo de tecnologías sostenibles para el tratamiento de aguas residuales es una necesidad de primer orden enLatinoamérica y la región Andina en especial. La calidad del agua de las fuentes superficiales en la región esta sufriendoun deterioro creciente que además del impacto ambiental negativo sobre los ecosistemas acuáticos, genera riesgosimportantes de salud publica por la transmisión potencial de enfermedades infecciosas relacionadas con el agua. Lacobertura promedia del servicio de tratamiento de aguas residuales en la región esta por debajo del 10%, lo cualevidencia claramente los problemas de contaminación generados por esta situación. De acuerdo con OPS (2001), haciael final de 1998 tan solo el 13.7% de las aguas residuales municipales recolectadas (lo cual corresponde al 48.6% de lapoblación con servicio de alcantarillado en la región) recibieron algún tipo de tratamiento antes de su disposición final.Diferentes iniciativas han sido concertadas en el ámbito internacional para responder a esta preocupación creciente en

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los países de Centro y Sudamérica. Una de las iniciativas más recientes es el Plan de Acción Estratégico para reducir elimpacto de las aguas residuales municipales, el cual esta siendo liderado por UNEP en el marco del programa GPA(UNEP, 2001).

De otro lado, aunque existe una conciencia creciente en los países de la región acerca de la importancia del control de lacontaminación, también es cierto que la disponibilidad de recursos de capital para obras de infraestructura es cada vezmás escasa, especialmente en el estado de crisis que afrontan varias economías de la región. Bajo este escenario esprioritario desarrollar soluciones efectivas para la reducción de la contaminación que además de ser técnicamenteconfiables sean asequibles en términos económicos para los segmentos mas desfavorecidos de la población. En estesentido, países como Brasil, Chile, Perú, México y más recientemente Colombia han adaptado, mejorado y desarrolladoexitosamente diferentes alternativas tecnológicas para el tratamiento sostenible de las aguas residuales. Sin embargo, unasolución definitiva y sostenible para el tratamiento de las aguas residuales en pequeños municipios o comunidadesandinas aun esta por desarrollarse dado que estos núcleos poblacionales no tienen las capacidades técnica ni económicapara mantener y operar los sistemas tradicionalmente utilizados en la región (Peña, 2002).

Una revisión rápida de las tecnologías tradicionalmente utilizadas en la región muestra como los sistemas aerobiosconvencionales son utilizados principalmente en los centros urbanos grandes donde existen limitaciones de espacio y elcosto de la tierra es mayor. Entre tanto, en ciudades intermedias y pequeñas localidades tanto urbanas como rurales, latendencia es hacia la utilización de tecnologías no convencionales (Peña, 2002). Las tecnologías usualmente utilizadasen el ultimo caso son los sistemas naturales de tratamiento (e.g., lagunas de estabilización y humedales) y una ampliavariedad de sistemas anaerobios (e.g., tanques séptico e Imhoff, filtros anaerobios, reactores UASB y digestoresanaerobios). Combinaciones de estos sistemas también se utilizan actualmente en diferentes países de la región en unesfuerzo por encontrar soluciones costo-efectivas a los problemas de contaminación (Peña, 2002). Sin embargo, esnecesario desarrollar mas investigación en diferentes aspectos de estas tecnologías de tal manera que se puedan removertanto materia orgánica como patógenos de la forma más eficiente posible pero tomando en consideración los factorescríticos que limitan la sostenibilidad de estos sistemas en los países en desarrollo. Por lo tanto, las alternativastecnológicas susceptibles de mejoramiento deben ser adecuadas para los diversos contextos políticos, económicos,técnicos y sociales de los diferentes países de la región.

El presente trabajo, por lo tanto, introduce y discute el concepto de laguna anaerobia de alta tasa para el tratamientoprimario avanzado de aguas residuales domésticas como una alternativa factible para los pequeños municipios ycomunidades rurales de la región. Así mismo, se resumen los resultados de una investigación de cinco años sobre elmejoramiento de lagunas anaerobias convencionales para el tratamiento de aguas residuales domésticas y se dan aconocer los mejoramientos alcanzados con configuraciones modificadas de lagunas anaerobias a escala piloto quesustentan el concepto de laguna de alta tasa para el tratamiento primario avanzado de aguas residuales domésticas.

METODOLOGIA

La investigación se desarrolló de manera colaborativa entre el Instituto Cinara de la Universidad del Valle en Cali,Colombia y la Escuela de Ingeniería Civil de la Universidad de Leeds en UK. El proyecto se ejecutó en el periodo abril1997-marzo 2002 y contó con el apoyo financiero de COLCIENCIAS en Colombia. El trabajo experimental se llevó acabo en la estación de investigación y transferencia de tecnología en tratamiento de aguas residuales y reuso ubicada enel municipio de Ginebra, departamento del Valle del Cauca, al suroeste de Colombia. La estación de investigación esoperada en el marco de un convenio de cooperación con la empresa regional de agua ACUAVALLE S.A ESP.

La investigación comprendió dos grandes fases: estudios a escala real de dos lagunas anaerobias convencionales (LA) yun reactor UASB y estudios a nivel piloto de cuatro configuraciones modificadas de lagunas anaerobias. Inicialmente seestudiaron los fenómenos de mezcla y advección-dispersión en los sistemas a escala real para caracterizar sucomportamiento hidrodinámico y advectivo-dispersivo. Con esta información se diseñaron y colocaron en operación lasunidades piloto modificadas. Una vez en operación, se evaluó primero el comportamiento hidrodinámico y advectivo-dispersivo de las unidades piloto para identificar su eficiencia hidrodinámica. Posteriormente se evaluó la eficiencia deremoción de materia orgánica en estado estacionario para tres valores crecientes de carga orgánica volumétrica aplicada.También se estudio la eficiencia de remoción de indicadores microbiológicos de contaminación. Información detalladasobre el diseño experimental de cada fase puede consultarse en Peña (2002).

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Estudios a escala real. – En esta fase se evaluó el comportamiento hidrodinámico de dos LA que tratan las aguasresiduales de dos pequeños municipios (Ginebra y Toro), los cuales tienen poblaciones equivalentes de 9000 y 9650habitantes respectivamente. En Ginebra se estudio el impacto de la acumulación de lodos en la eficiencia hidrodinámicade la LA, entre tanto, en Toro se estudió el impacto de la ubicación y diseño de la estructura de alimentación en laeficiencia hidrodinámica de la laguna. Las técnicas experimentales utilizadas fueron los estudios de dispersión tal comolos describe Levenspiel (1999). Adicionalmente, se desarrolló una modelación matemática del patrón de flujo en la LAde Ginebra aplicando dinámica de fluidos computacional (CFD), concretamente el modelo MIKE 21 (DHI, 1995). Enesta parte se utilizó la información recopilada en los estudios de dispersión y se evaluó el impacto de la aplicación debafles, ubicación de las estructuras de entrada y salida y geometría de la laguna en su eficiencia hidrodinámica. Mayoresdetalles del diseño experimental de esta parte pueden consultarse en Peña et al. (2000a) y Vega et al. (2002).

También se evaluó el comportamiento hidrodinámico de un reactor UASB ubicado en la estación de investigación deGinebra que recibe la misma agua residual que el sistema de lagunas de estabilización bajo las mismas condicionesambientales. La evaluación hidrodinámica del UASB se llevó a cabo con 4 niveles de carga hidráulica [i.e., cuatrotiempos de retención hidráulico teórico (TRHt): 10, 8, 6 y 5 h respectivamente]. Estudios de dispersión aplicando untrazador inerte tal como lo describe Levenspiel (1999) fueron utilizados para esta evaluación. El trazador utilizado entodos los estudios de dispersión tanto a escala real como piloto fue el LiCl. La concentración de [Li+] se determinó porespectrofotometría de llama (Perkin Elmer, S100 PC, llama de aire-acetileno a 670.8 nm) con un nivel mínimo dedetección de 0.01 mg Li+/l. Detalles del diseño experimental de esta parte pueden consultarse en Peña (2002) y Peña etal. (2002a).

Así mismo, se llevaron a cabo mediciones de eficiencia remocional en todas las unidades experimentales antes descritascon base en parámetros fisicoquímicos y microbiológicos (i.e., DQO, DBO5, SST, Sol. sedimentables, pH, T, coliformesfecales, huevos de helmintos y mediciones caudal). Los resultados se analizaron con base en pruebas estadísticas dehipótesis utilizando ANOVA de uno y dos factores, la prueba de Tukey, correlaciones lineales multivariadas yestadísticas descriptivas. Con base en los resultados de la evaluación hidrodinámica de los sistemas anaerobios descritos(LA y UASB) se diseñaron las lagunas piloto modificadas que recogen las mejores características de ambos reactores.

Estudios a escala piloto. – Esta fase comprendió dos experimentos sobre la hidrodinámica de las lagunasmodificadas a escala piloto a partir de los cuales se escogieron las dos mejores configuraciones para estudiar en unultimo experimento la eficiencia del proceso de remoción de materia orgánica y de indicadores de contaminación fecal.Básicamente se ejecutaron estudios de dispersión tal como se mencionó en el anterior aparte y en este caso las lagunasfueron evaluadas bajo cuatro condiciones de carga hidráulica que produjeron TRHt de 25, 21, 16 y 12 h respectivamente.Nótese que estos TRH están por debajo de los valores mínimos recomendados en la literatura técnica para lagunasanaerobias convencionales (Mara et al., 1992; Mara et al., 2001). Las configuraciones modificadas evaluadas fueron: enel primer experimento, laguna anaerobia con bafles verticales (LABV) y laguna anaerobia con mallas transversales(LAMT); en el segundo experimento, laguna anaerobia con bafles horizontales (LABH) y laguna anaerobia con cámarade mezcla (LACM). En ambos experimentos se evaluó una LA convencional como unidad de control para comparar losresultados obtenidos. Detalles del diseño experimental y de los resultados de esta parte se pueden consultar en Peña etal. (2002b). Las Figuras 1 y 2 presentan esquemas de las unidades modificadas a escala piloto.

Figura 1: Detalle de las configuraciones LABV y LAMT durante el experimento I.

0.30 m

0.30 m

0.60 m

0.40 m

3.8 m 3.8 m 3.8 m

3.8 m

0.30 m

0.60 m

ϕ 19 mm ϕ 12.7 mm

LABV LAMT

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Figura 2: Detalle de las configuraciones LABH y LACM durante el experimento II.

Las configuraciones LABH y LACM fueron estudiadas en estado estable una vez terminada la evaluaciónhidrodinámica. Estas dos lagunas modificadas junto con la unidad de control fueron evaluadas en el experimento IIIdurante seis meses bajo tres condiciones diferentes de carga hidráulica que produjeron TRHt de 24, 18 y 12 hrespectivamente. La Tabla 1 muestra el programa de mediciones desarrollado durante este ultimo experimento.

Es de anotar que para la evaluación hidrodinámica las lagunas piloto fueron inoculadas con lodo anaerobio activoprocedente de la LA a escala real. Sin embargo, la cantidad de inoculo agregado en cada laguna fue menor al 5% de suvolumen total de tal manera que esto no afectase el patrón de mezcla debido principalmente al movimiento del agua.Para el experimento III las unidades ya disponían de una cantidad de lodo adecuada para llevar a cabo el tratamiento delagua residual cruda en estado estable.

TABLA 1: Programa de seguimiento para evaluación del proceso de tratamiento en el experimento III

PARAMETROS TIPO DE MUESTRA TOTAL MUESTRAS POR LAGUNA

pH Puntual 216Temperatura (° C) Puntual 216ORP* (Potencial Redox) (mV) Puntual 216VFA (meq/l) Compuesta 12-h 18SO4

2- (mg/l) Compuesta 12-h 18Alcalinidad (mg CaCO3/l) Compuesta 12-h 18DQOt (mg/l) Compuesta 12-h 18DQOf (mg/l) Compuesta 12-h 18SST (mg/l) Compuesta 12-h 18SSV (mg/l) Compuesta 12-h 18Coliformes fecales (UFC/100 ml) Puntual 9E. coli** (UFC/100 ml) Puntual 9Huevos de helmintos (No./l) Compuesta 12-h 9

* ORION análogo 108 ORP (rango: +/- 999mV; precisión: +/- 5mV; resolución: +/- 1mV).** Técnica de filtración por membrana. Agar cromocult broth, Merck Inc.

Af

EflA

B

A

B

0.80 m1.70 m

1.70 m

0.80 m

Efl

Af

AfEfl

H

h

a b

LABH LACM

H = 3.2 mh = 1.7 ma = 2.3 mb = 4.9 m

Cámara mezcla

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RESULTADOS Y DISCUSION

Estudios a escala real. - Las Figuras 3 y 4 muestran las curvas típicas de distribución de tiempos de retención(DTR) obtenidas en las LA a escala real y el reactor UASB. La Figura 5 presenta la dispersión de [Li+] modelada conMIKE 21 para la laguna anaerobia de Ginebra con base en los datos experimentales de dispersión. Todos los sistemasrecibieron la misma agua residual bajo las mismas condiciones ambiéntales con excepción de la LA de Toro.

Figura 3: (a) DTR en LA de Ginebra para diferentes (b) DTR en LA de Toro para estructuras de entradaacumulaciones de lodo. y salida adyacentes.

Figura 4: DTR obtenidas en el reactor UASB para TRHt de 6.0 y 5.0 h respectivamente.

Las curvas DTR de la Figuras 3 evidencian un comportamiento hidrodinámico arbitrario con una fracción importante decortocircuito en ambas LA ya que el valor pico de las DTR siempre fue mayor al valor teórico ideal, Ep » 1.0. En el casode Toro se encontró un corto circuito masivo directo en la línea preferencial de flujo que circula entre la entrada y lasalida de la laguna. La geometría de las curvas DTR también muestra la coexistencia de una fracción de volumen muertoen las dos lagunas. Los números de dispersión (δ) y los valores del TRH experimental (TRHe) mostrados en la Tabla 2confirman la baja eficiencia hidrodinámica de estas unidades de tratamiento. Estas distorsiones indeseables delcomportamiento hidrodinámico repercuten en bajas eficiencias de remoción de materia orgánica tal como lo muestranlas cifras de la Tabla 2. De otro lado, el reactor UASB presentó un comportamiento hidrodinámico muy cercano alrégimen ideal de mezcla completa particularmente en condiciones de operación próximas a las de diseño, como lomuestra la Figura 4. Nótese que cada ensayo y su duplicado evidencian una buena reproducibilidad de las curvas DTR ypor lo tanto un comportamiento hidrodinámico mucho más estable en este reactor. El volumen de zonas muertas en

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50

= t/TRHt

E (

θ θθθ )

= C

/Co

Acumulation lodo (30%) Acumulacion lodo (20%)

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

40.00

45.00

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00

= t/TRHtE

( θ

θ θ θ ) =

C/C

oEntrada y salida adyacentes

TRH = 6 h

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00

= t/TRHt

E (

θ θθθ )

= C

/Co

Ensayo 3 Duplicado CSTR

TRH = 5 h

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00

= t/TRHt

E (

θ θθθ )

= C

/Co

Ensayo 4 Duplicado CSTR

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ambos ensayos fue menor al 5% del volumen total del reactor y la fracción en cortocircuito fue prácticamentedespreciable como lo evidencian los valores picos de las curvas cercanos al valor teórico ideal, Ep = 1.0. En resumen, losreactores anaerobios de alta tasa como el UASB presentan un mejor patrón de mezcla a nivel macro comparados conreactores de baja tasa como las LA. Esto es el resultado de la mezcla inducida por el burbujeo de biogás, la segregacióny la actividad del lodo que en reactores de alta tasa están mucho mejor controlados por la configuración misma delproceso (Peña, 2002).

θ = 0.5 θ = 1.0 θ = 1.5

Figura 5: Transporte advectivo-dispersivo de trazador para diferentes fracciones del TRHt.

La Figura 5 muestra el transporte de trazador a lo largo de la LA de Ginebra. Los contornos dejan ver la existencia dezonas muertas hacia las paredes de la laguna dado que en estos puntos las velocidades de flujo son mínimas, entre tanto,la velocidad y la dispersión del trazador son más altas hacia el centro de la laguna. Este último efecto ocasiona elcortocircuito que fue identificado previamente en los estudios experimentales. La modelación efectuada con CFDtambién demostró que la implementación conjunta de dos bafles localizados a L/3 y 2L/3, la localización de lasestructuras de entrada y salida en esquinas diagonalmente opuestas y una geometría rectangular con relación largo:ancho de 2:1 mejoran notablemente la eficiencia hidrodinámica de la laguna (Peña, 2002).

TABLA 2: Parámetros hidrodinámicos y eficiencias de remoción asociadasPARÁMETROS HIDRODINAMICOS Y REMOCIONES PROMEDIO

UNIDADδ TRHt (h) TRHe (h) DQOt (%) / σ SST (%) / σ BOD5 (%) / σ

LA-Ginebra (53%)* 0.060 50 21 61 / 5.8 44 / 29 57 / 9.6LA-Ginebra (30%)* 0.079 53 23 59 / 4.7 69 / 7.2 66 / 9.5LA-Ginebra (20%)* 0.028 94 31 21 / 8.9 38 / 24.2 49 / 7.2LA-Toro (E-S adyacente)** 0.042 84 25 59 / 17.4 45 / 2.4 68 / 7.6LA-Toro (E-S diag.opuesta)** 0.067 55 28 57 / 10.8 75 / 14.5 47 / 23.2UASB (Q = 7.4 l/s) 0.163 10 6 58 / 10.6 56 / 9.4 72 / 30.6+

UASB (Q = 9.7 l/s) 0.197 8 5 55 / 22.4 51 / 32.7 59 / 37.9+

UASB (Q = 13.4 l/s) 0.720 6 6 51 / 23.7 61 / 18.7 73 / 26.9+

UASB (Q = 15.3 l/s) 0.406 5 5 50 / 20.7 37 / 38.7 45 / 37.2+

* Acumulación de lodos como porcentaje del volumen total de la laguna. + Remoción de sólidos sedimentables.** E-S, ubicación de entrada y salida en LA de Toro.

Estudios a escala piloto. – La Figura 6 muestra las curvas DTR experimentales obtenidas en las configuracionesLABV, LAMT, LABH, LACM y LA convencional para los dos valores máximos de carga hidráulica aplicada.

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(a) Curvas DTR obtenidas en experimento I.

(b) Curvas DTR obtenidas en experimento II.

Figura 6: Curvas DTR experimentales obtenidas en las lagunas anaerobias modificadas a escala piloto.

Las lagunas modificadas a escala piloto presentaron un comportamiento hidrodinámico más cercano al modelo ideal demezcla completa para TRHt menores al mínimo de 24 h recomendado en la literatura técnica. Nótese que la LAconvencional presentó una mayor tendencia al cortocircuito ya que los valores máximos de las curvas estuvieron porencima del valor teórico, Ep > 1.0. De igual manera, las varianzas de las curvas DTR fueron mayores para la LAconvencional en comparación con las configuraciones modificadas (LABV, LAMT, LABH y LACM). La Tabla 3resume los principales parámetros hidrodinámicos calculados con base en las curvas de la Figura 6.

TABLA 3: Parámetros hidrodinámicos y eficiencias de remoción asociadasLABV LAMT LA LABH LACM LAPARAMETRO

1.5 l/s 2.0 l/s 1.5 l/s 2.0 l/s 1.5 l/s 2.0 l/s 1.5 l/s 2.0 l/s 1.5 l/s 2.0 l/s 1.5 l/s 2.0 l/s

δ 0.500 0.414 0.443 0.368 0.620 0.967 0.308 0.334 0.309 0.304 0.645 0.435TRHt (h) 16 13 17 12 16 11 16 12 19 14 15 11TRHe (h) 14 13 15 10 16 12 13 11 17 14 13 8λv (gDQO/m3d) 873 963 822 745 783 1394 847 902 751 968 842 1232Rem. DQO (%) 57 55 63 32 55 53 53 40 44 51 42 54Rem. SST (%) 53 61 64 42 57 60 65 54 69 64 68 63Rem. S.sed (%) 64 80 67 68 78 69 93 76 91 85 91 84

TRHt = 16 h

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00

= t/TRHt (1.5 l/s)

E (

θ θθθ )

= C

/Co

LABV LAM T LA CSTR

TRHt = 12 h

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00

= t/TRHt (2.0 l/s)

E (

θ θθθ )

= C

/Co

LABV LAM T LA CSTR

TRHt = 16 h

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00

= t/TRHt (1.5 l/s)

E (

θ θθθ )

= C

/Co

LABH LACM LA CSTR

TRHt = 12 h

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00

= t/TRHt (2.0 l/s)

E (

θ θθθ )

= C

/Co

LABH LACM LA CSTR

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Las cifras de la Tabla 3 son valores promedios obtenidos a partir de varias muestras integradas por parámetro así: 21DQO, 12 SST y 12 Sólidos sedimentables. Las pruebas de ANOVA de uno y dos factores y la prueba de Tukeyarrojaron diferencias estadísticas significativas entre los valores promedio de los parámetros fisicoquímicos en elefluente de las lagunas, las cuales están relacionadas con la configuración de la laguna (dispositivo de mezcla) y lavariación de la carga hidráulica aplicada. Una discusión mas profunda de estos resultados en términos hidrodinámicos yestadísticos esta disponible en Peña (2002), Peña et al. (2002a) y Peña et al. (2002b). Las remociones obtenidas duranteel estudio hidrodinámico de las unidades piloto fueron menores a las remociones encontradas durante la fase en estadoestable (ver Tablas 3 y 4) debido al bajo volumen de lodo presente durante los estudios de dispersión.

La Tabla 4 presenta un resumen de las eficiencias de remoción obtenidas en la evaluación en estado estable en lasconfiguraciones LABH, LACM y LA convencional durante el experimento III. El agua residual doméstica de Ginebra esde mediana carga con concentraciones promedio en mg/l de DQO, DBO5, SST, SSV y SO4

2- que varían entre 590-700,250-400, 250-350, 180-250, 50-100 respectivamente. La temperatura del agua residual cruda varió entre 23-28 ºC y elpH entre 6.5-7.4.

TABLA 4: Eficiencias de remoción de materia orgánica e indicadores microbiológicos en el experimento IIILABH LACM LAPARÁMETRO

Q (l/s) / TRHt (h) 1.0 / 24 1.3 / 18 2.0 / 12 1.1 / 26 1.5 / 19 2.3 / 12 0.9 / 25 1.3 / 18 1.8 / 12λv (g DQO/ m3 d) 584 791 1151 551 758 1124 566 800 1124Rem. DQOt (%) 65 67 51 77 78 79 67 48 49Rem. DQOf (%) 41 51 44 50 75 78 44 28 53Rem. SST (%) 73 67 64 76 75 71 59 55 51Rem. SSV (%) 81 73 58 82 80 66 74 56 46AGV efluente (meq/l) 2.2 2.1 2.2 2.1 1.9 1.7 2.5 2.3 2.6Huevos de helmintos (%) 60 44 45 64 51 67 53 45 37E. coli (%) 50 66 46 81 80 38 91 85 48

Los parámetros medidos en las fases sólida y gaseosa (e.g., ST, SV, SV/ST, producción de biogás), al igual que lamodelación de las eficiencias de remoción con base en modelos macro-cinéticos simplificados están reportados en otrasreferencias, pero en general concuerdan con los valores normalmente encontrados en reactores anaerobios de alta tasa(Peña, 2002; Peña et al., 2002a).

Las configuraciones modificadas de lagunas anaerobias presentaron eficiencias de remoción superiores a las encontradasen el reactor UASB. Los TRH de 12 h con los cuales se obtuvieron los valores de la Tabla 4 son mucho más bajos quelos valores recomendados en la literatura técnica actual para lagunas anaerobias convencionales. Estos TRH fueron unpoco mayores que los del UASB el cual operó con TRH entre 7-10 horas. La eficiencia de remoción de h.helmintos enlas lagunas modificadas fue inferior a la registrada en el UASB lo cual puede explicarse por un mecanismo óptimo defiltración y retención en el lecho de lodo de este último. Sin embargo, la eficiencia de remoción de materia orgánica enlas lagunas anaerobias modificadas fue superior debido a su buen comportamiento hidrodinámico (ver Figura 6) quepromueve un contacto eficiente entre el sustrato y la biomasa. Esto además disminuye las limitaciones de transferenciade masa hacia y desde los agregados de biosólidos. La sedimentación mejorada en estas unidades contribuye igualmentea una mayor retención de la biomasa en el reactor lo cual coadyuva a lograr mejores eficiencias de remoción encomparación con la laguna anaerobia convencional y el UASB. En otras palabras, los resultados muestran que elconcepto de laguna anaerobia de alta tasa por su sigla en Ingles (HRAP) reúne las características de mezcla y contactoideal de un reactor anaerobio de alta tasa junto con la sedimentación mejorada que ocurre en reactores de baja tasa comolos tanques sépticos o las lagunas anaerobias convencionales. Es de resaltar que en la HRAP también es posiblerecuperar el biogás producido en la zona de mezcla y reacción que normalmente se pierde en una LA convencional.

Finalmente, los cálculos preliminares de costos para esta nueva configuración de LA de alta tasa sugieren un ahorro encostos de inversión del 15-25% en relación con una LA convencional y un ahorro de hasta el 35% en relación con unUASB para la misma población equivalente a una temperatura de 20-25 ºC y una remoción de DQO entre 60-70%. Unestudio previo que comparó una LA convencional con un UASB para el tratamiento de agua residual doméstica reportóun ahorro en costos totales de cerca del 20% para la LA (Peña et al., 2000b). La laguna anaerobia de alta tasa ofrece la

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posibilidad de una buena eficiencia de remoción a un costo relativamente bajo y al mismo tiempo conserva su sencillezoperativa. Estas características claramente potencian la sostenibilidad de esta alternativa tecnológica en el largo plazo.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El mejoramiento de la configuración clásica de una LA y su consecuente comportamiento hidrodinámico permitealcanzar eficiencias de remoción de materia orgánica iguales o superiores a las de un reactor UASB con tiempos deretención hasta de 12 h. Esto se logra debido al mejor contacto entre biomasa y sustrato, una menor resistencia a latransferencia de masa hacia y desde los bioflocs y a una mejor retención de biomasa en las unidades evaluadas.

Los resultados obtenidos validan el concepto de LA de alta tasa dadas las altas eficiencias de remoción alcanzadas convalores bajos de TRH. Además se conserva la sencillez operativa de la LA, lo cual es una ventaja importante para lasostenibilidad del sistema en el contexto de la región. Cálculos preliminares de costos muestran un ahorro aproximadodel 25% en relación con una LA convencional y del 35% en relación con un UASB. Estas cifras corresponden a lasestructuras de costos de construcción en Colombia y deben ser ajustadas para cada caso particular.

Es necesario ejecutar experiencias a escala real centradas en las variables de O&M de esta nueva alternativa. Se debeprofundizar además en el estudio de la dinámica microbial que ocurre en los compartimientos de las lagunas anaerobiasde alta tasa para mejorar la eficiencia del proceso sin detrimento de su sencillez constructiva y operativa.

Agradecimientos. – Los autores expresan sus agradecimientos al personal de la subgerencia técnica de ACUAVALLES.A ESP por el apoyo prestado para llevar a feliz termino esta investigación. El autor principal agradece aCOLCIENCIAS por la financiación y apoyo prestados para el desarrollo de su programa doctoral en cuyo ámbito sedesarrolló el presente trabajo.

REFERENCIAS

DHI (1995). Technical Reference Manual for MIKE 21. Danish Hydraulic Institute, Copenhagen, Denmark.Levenspiel, O. (1999). Chemical Reaction Engineering, 3rd ed. John Wiley & Sons, New York.Mara, D.D., Alabaster, G.P., Pearson, H.W. and Mills, S.W. (1992). Waste Stabilisation Ponds: A Design Manual for Eastern

Africa. Lagoon Technology International. Leeds, England.Mara, D.D., Pearson, H., Oragui, J., Arridge, H. and Silva, S.A. (2001). Development of a New Approach to Waste

Stabilization Pond Design. Research monographs in tropical public health engineering. School of Civil Engineering, University ofLeeds. Leeds, U.K.

OPS (2001). Health, Potable Water and Sanitation in Sustainable Human Development. Technical report. 43rd ConsejoDirectivo, Sesión del Comite Regional. Washington D.C, USA. (in English).

Peña, M.R., Mara, D.D. and Sanchez, A. (2000a). Dispersion studies in anaerobic ponds: implications for design andoperation. Water Science and Technology, vol. 42, 10-11, 273-282.

Peña M.R., Rodríguez, J.A., Mara, D.D. and Sepúlveda, M. (2000b). UASBs or anaerobic ponds in warm climates? Apreliminary answer from Colombia. Water Science and Technology, vol. 42, 10-11, 59-65.

Peña, M.R. (2002). Advanced primary treatment of domestic wastewater in tropical countries: development of high-rateanaerobic ponds. Ph.D thesis. University of Leeds, England.

Peña, M.R., Mara, D.D. and Avella, G.P. (2002a). Hydrodynamic behaviour of a UASB reactor treating domestic wastewaterunder tropical conditions: are dispersion studies good enough? (Submitted to Water Research, Elsevier Science).

Peña, M.R., Mara, D.D. and Piguet, J.M. (2002b). Improvement of mixing patterns in pilot anaerobic ponds treating domesticsewage. In: Proceedings of the 5th International IWA Specialist Group Conference on Waste Stabilisation Ponds: Pond Technologyfor the New Millennium. IWA. Auckland, New Zealand.

UNEP-GPA (2001). Strategic Action Plan to Address Municipal Wastewater as a Major Land-based Pollutant AffectingCoastal Zones and Marine Ecosystems. Technical document. UNEP, Washington D.C, USA.

Vega, G.P., Peña, M.R., Ramirez, C. and Mara, D.D. (2002). Application of CFD modelling to study the hydrodynamics ofvarious anaerobic pond configurations. In: Proceedings of the 5th International IWA Specialist Group Conference on WasteStabilisation Ponds: Pond Technology for the New Millennium. IWA. Auckland, New Zealand.