1. SUBDIRECCIÓN GENERAL TÉCNICA GERENCIA DEL CONSULTIVO TÉCNICO SUBGERENCIA DE INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL CRITERIOS DE DISEÑO DE LAGUNAS AIREADAS Y LAGUNAS DE HIDRÓFITAS OCTUBRE DE 2013 GCT

2. CRITERIOS DE DISEÑO DE LAGUNAS AEREADAS

3. TIPOS DE LAGUNAS AEREADAS PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS CARACTERÍSTICAS GENERALES MEZCLA COMPLETA FACULTATIVA AEREADA MADURACIÓN AEREADA TRH2-7 DÍAS10-15 DÍAS7-20 DÍAS SUMINISTRO DE OXÍGENO ARTIFICIAL PRINCIPALMENTE ARTIFICIAL PRINCIPALMENTE FOTOSINTÉTICO ACUMULACIÓN DE LODOS NINGUNOALTA DENSIDAD DE ENERGÍA20 w / m 3 2-4 w / m 3 0.1 w / m 3 MODELO MATEMÁTICO DE DISEÑO EMPÍRICO CONDICIONES DE APLICACIÓN CLIMAS FRÍOS Y CÁLIDOS PREFERENTEMENTE CLIMAS CÁLIDOS TIPO DE BIOMASABACTERIANA PRINCIPALMENTE BACTERIANA PRINCIPALMENTE ALGAL La profundidad típica para este tipo de lagunas se recomienda de 3 a 4 m. GCT

4. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO –Son un sistema híbrido que combina a los procesos de lodos activados convencionales y lagunas de oxidación natural. –La carga de diseño es igual a la de las lagunas facultativas. esto hace que para climas cálidos no sea una opción económica. BASES DE DISEÑO –MEZCLA COMPLETA –EQUILIBRIO CONTINUO –CINÉTICA LINEAL EFICIENCIA, SEGÚN BALANCE DE SUSTRATO CM = MI - ME - MA CM = CAMBIO DE MASA MI = MASA EN EL INFLUENTE ME = MASA EN EL EFLUENTE MA = MASA ASIMILADA

5. Le = DBO EN EL EFLUENTE L i = DBO EN EL INFLUENTE K 1 = CONSTANTE GLOBAL DE REMOCION DE DBO A UNA TEMPERATURA t°C K 1 = VARIA DE 0.2 - 0.3 día -1 (Arceivala) a 20°C K 1 (Treal) = K 1 (1.02) t-20 THR = TIEMPO DE RETENCIÓN HIDRÁULICA ESTABLECE LA MÁXIMA CAPACIDAD DE REMOCIÓN ESPERADA

6. N = Transferencia de Oxígeno en condiciones de campo (kg O 2 / Hp. día) No = Transferencia de Oxígeno a 20 °C y una atmósfera de presión = 23 kg O 2 / Hp. día  = Factor de Corrección de Transferencia de Oxígeno del equipo (usualmente  = 0.95)  = Factor de Corrección por Temperatura (T) (usualmente = 0.85 para T entre 10 y 35 0 C) T = Temperatura de Operación. Temperatura del ambiente del mes más frío. Cw = Oxígeno de Saturación a la Temperatura Promedio (mes mas frió ) de trabajo Cs = Oxígeno de Saturación a 20 °C C 1 = Oxígeno Mínimo en la Laguna POTENCIA DE AEREACIÓN REQUERIDA PARA OXIDAR LA MATERIA ORGÁNICA REMOVIDA, SEGÚN LA ECUACIÓN ANTERIOR

7. REQUERIMIENTO DE OXÍGENO L = Coeficiente Global de Utilización de oxígeno (1.3 -1.5) P = Porcentaje de Remoción (eficiencia) C = Carga Orgánica (DBO inf Q (l/s) X 0.0864) (en kg/d) En lagunas de mezcla completa, debe suministrarse, además, la energía requerida para mantener dicha mezcla, esto se calcula con la siguiente ecuación. Watts Requeridos por m 3 de volumen V = Volumen (m 3 ) (1HP = 0.746 kw)

8. DISEÑO, OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE HUMEDALES (LAGUNAS DE HIDRÓFITAS) PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES MUNICIPALES Y DETERMINACIÓN DE SU CAPACIDAD DE CARGA GERENCIA DEL CONSULTIVO TÉCNICO

9. HUMEDAL Superficie ocupada por agua superficial o subsuperficial, con flujo permanente y condiciones saturadas, donde se desarrolla una vegetación “hidrófita” Los humedales pueden ser naturales o artificiales

10. OBJETIVOS QUE DEBE CUMPLIR UNA LAGUNA DE HIDRÓFITAS Remover y/o transformar los contaminantes contenidos en el agua residual, mediante la acción de microorganismos que se generan en un humedal Lograr niveles satisfactorios en el tratamiento de aguas residuales municipales Los dos objetivos pueden cumplirse con un buen diseño

11. TIPOS DE HUMEDALES a) De flujo superficial b) De flujo subsuperficial (Debido al efecto de filtración suelen ser más eficientes)

14. APLICACIÓN Y EFICIENCIA ESPERADA Carga admisible de diseño ≤ 100 kg DBO/ ha-d Por lo anterior se recomienda un tratamiento previo (laguna anaerobia y/o facultativa, tanque imhoff, tanque séptico, etc.) Eficiencia esperada: hasta un 80 % de remoción de carga orgánica expresada como DBO

15. COMPONENTES PRINCIPALES DE UNA LAGUNA DE HIDRÓFITAS CUBETA: Permite retener el agua por un tiempo prefijado (TRH), manteniendo condiciones de saturación SUBSTRATO: Soporte de vegetación. Actúa como filtro (flujo subsuperficial) PLANTAS: Aceleran el proceso de autopurificación

16. CARACTERÍSTICAS DE LOS COMPONENTES DE UNA LAGUNA DE HIDRÓFITAS SUSTRATO Generalmente de grava y arena con una granulometría adecuada, según la conductividad hidráulica y el TRH requerido SEDIMENTO: –Proviene de los sólidos sedimentables –Sirve de soporte a los microorganismos –Modifican la permeabilidad del sustrato (debe planearse su limpieza)

17. CARACTERÍSTICAS DE LOS COMPONENTES DE UNA LAGUNA DE HIDRÓFITAS (Continuación) VEGETACIÓN Parte fundamental del tratamiento, de su selección y cuidado depende el funcionamiento del humedal PROPIEDADES: »Estabiliza el sustrato y limita la canalización del flujo »Reduce la velocidad y propicia la sedimentación »Incorpora los nutrientes de las aguas residuales a las plantas »Transfiere gases (O 2 ) »Permite la fijación de los microorganismos

18. Tipos de plantas acuáticas usadas en humedales

19. PLANTAS EMERGENTES MÁS USUALES EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES Nombre científico Nombre comúnRango de temperatura Rango de pH Seripus lacusoris Junco de laguna18 - 274 -9 PhragmitesCarrizo12 -232 - 8 Juncus Sp.Junco16 - 205.0 – 7.5 ThyphaEspadaña10 - 304 -10 Fuente: García O. J. (1994). Diseño de lagunas de hidrófitas, CNA-IMTA

20. Laguna con crecimiento de lemna ssp. (planta flotante), apropiada para remover nutrientes Humedal artificial típico, con crecimiento de tule

21. CONSIDERACIONES PREVIAS AL DISEÑO  Verificar la existencia de plantas hidrófitas nativas  Identificar mediante pruebas experimentales la resistencia a variaciones de pH  Identificar la transferencia de oxígeno mediante pruebas de laboratorio  Verificar que las aguas residuales a tratar no contengan substancias tóxicas en concentración excesiva

22. MODELOS DE DISEÑO HIDRÁULICO a) De flujo superficial Ec. de Mannig Donde: V =Velocidad de flujo de agua (m/s) n =Coeficiente de Manning (s/m 1/3 ) y =Profundidad del agua en el humedal (m) s = Gradiente hidráulico o pendiente de fondo como % en decimales (m/m) a =Factor de resistencia (s-m 1/6 ) a = 0.4Vegetación escasa a = 1.6Vegetación semidensa a = 6.4Vegetación densa

23. MODELO HIDRÁULICO DE FLUJO SUPERFICIAL (CONTINÚA) Donde: Q =Gasto promedio (m 3 /día) W =Ancho de la sección transversal (m) y =Profundidad (m) V =Velocidad (m/s) A s =Área superficial (m 2 ) L =longitud del humedal (m) Entonces: Permite el cálculo de la longitud compatible con el gradiente hidráulico

24. MODELOS HIDRÁULICO (CONTINÚA) b) De flujo Subsuperficial Donde: V =Velocidad (m/d) Ks =Conductividad hidráulica (m 3 /m 2 -d) S =Gradiente hidráulico en %, expresado como decimal Donde: y =Profundidad (m) w = Ancho de celda (m) Q =Gasto (m 3 /d) También: Ec. de Darcy

25. Entonces Donde: Q =Gasto (m 3 /d) Ks =Conductividad hidráulica (m 3 /m 2 -d) Ac =Área de la sección transversal (m 2 ) S = Gradiente hidráulico en % expresado en decimales

26. También Por lo que Donde: W = Ancho de la celda del humedal (m) y =Profundidad (m) Q =Gasto (m 3 /d) A s =Área superficial (m 2 ) Ks =Conductividad hidráulica (m 3 /m 2 -d) Esta ecuación permite conocer el ancho del humedal, relacionado directamente con la conductividad hidráulica

27. PROPIEDADES Y CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES DE SOPORTE MÁS USADOS EN LA CONSTRUCCIÓN DE LAGUNAS DE HIDRÓFITAS (HUMEDALES) DE FLUJO SUBSUPERFICIAL MATERIALTAMAÑO EFECTIVO (mm) POROSIDAD (P) (%) CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA (m 3 /m 2 -d) Arena gruesa228 - 30100 - 1000 Arena gravosa830 - 35500 - 5000 Grava fina1635 - 381000 – 10,000 Grava media3238 - 4010,000 – 250,000 Grava gruesa o roca12840 - 4550,000 – 250,000 Al diseñar el ancho de la celda requerida, se sugiere utilizar el límite inferior de la conductividad hidráulica para evitar desbordamientos durante la operación, por falta de sección

28. Densidades de algunas plantas hidrófitas K.R. Reddy ans T.A. Debusk, 1987.

29. MODELOS CINÉTICOS PARA EL DISEÑO DE LAGUNAS DE HIDRÓFITAS En 1993, la EPA propuso el siguiente modelo Donde: Ce =Concentración de DBO en el efluente (mg/l) Co =Concentración de DBO en el influente (mg/l) A =Fracción de la DBO no removida (decimal) Kt =Constante de decaimiento (día -1 ) Av =Área superficial disponible para la actividad microbiana (m 2 ) L =Longitud W =Ancho del humedal (m) y =Profundidad (m) P =Porosidad (en %, decimal) Q =Gasto (m 3 /d)

30. La ecuación propuesta por EPA teóricamente es correcta, sin embargo tiene como inconveniente definir los factores : Av =Área disponible para la actividad microbiana A =Fracción de la DBO no removida Las cuales son muy difíciles de determinar en forma experimental, por lo que el modelo pierde precisión

31. UNA ECUACIÓN MÁS CONSERVADORA Y MÁS FÁCIL DE MEDIR ES : Para humedales de flujo superficial se usa: K 20 = 0.678 día-1 t = Tiempo de retención hidráulica, y Donde: Para humedales de flujo subsuperficial se usa:K 20 = 1.104 día-1 Entonces

32. ASPECTOS CONSTRUCTIVOS IMPORTANTES IMPERMEABILIZACIÓN –Artificial:Asfalto, concreto, geomembranas –Natural:Arcillas (permeabilidad < 10 -7 ) ALIMENTACIÓN Y DESCARGA –Alimentación:Uniformemente distribuida, usando placas perforadas o un vertedor longitudinal –Descarga:Vertedor longitudinal

33. ASPECTOS CONSTRUCTIVOS IMPORTANTES (CONTINUACIÓN) MATERIAL DE SOPORTE De preferencia roca triturada, lavada previamente a su colocación ALIMENTACIÓN Y DESCARGA Si es terracería, debe cumplir las especificaciones de compacidad y resistencia que garanticen su estabilidad

34. TRATAMIENTO PRELIMINAR Debido a la limitante de carga (100 Kg DB0/ ha-d), se requiere de un tratamiento preliminar: Tanque imhoff Laguna anaerobia o facultativa Para humedales pequeños (de menos de 2,000 hab) se usan con éxito tanques sépticos

35. OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO Objetivos Asegurar que el flujo llegue a todas las partes del humedal Mantener un crecimiento vigoroso de vegetación (equilibrio de nutrientes, control de plagas y substancias tóxicas) Mantener las condiciones físico-químicas óptimas para el desarrollo de los microorganismos (básicamente control de pH)

36. Vista del Lecho de Hidrofitas de la población del Zapote, Huatulco, Oax. Vista del Lecho de Hidrofitas de la población de Cucuchucho, Michoacán