"C AP ACI D AD DE M EZCLA Y OXIGEN ACI ÓN DE
AI RE ADORES ORBIT ALES EN L AGUN AS AI READ AS
DE M EZCL A COM PLET A"
Marcial R. Piris da Motta. (1)
Equipo de trabajo: Ing.
Kruzolek Carlos
;
Ing. Queirolo Eduardo
;
Lic. Salguero
Daniel
;
Tec. Smorczewski
Marta
Cátedra de Estadística- Facultad de Ciencias Exactas, Químicas y
Naturales .Universidad Nacional de Misiones.
Misiones 3862- CP 3300-Posadas -Misiones- Argentina
E-mail marc@fceqyn.unam.edu.ar
(1) Ingeniero Químico (UNaM). Postgrado en Ingeniería Sanitaria- Instituto
de Ingeniería Sanitaria (UBA).Magíster en Bioestadística- Escuela de
Salud Pública- Fac. de Medicina- Universidad de Chile. Especialista en
Métodos Estadísticos Avanzados para la mejora de la Calidad y la
Productividad- Universidad Politécnica de Valencia- España.
PALABRAS CLAVES: Tratamiento de Líquidos Residuales *Lagunas Aireadas *
Aireadores de flujo orbital * Monitoreo * Mezcla* Oxigeno disuelto
RESUMEN
Objetivos: No existe información disponible sobre el desempeño de los aireadores de flujo orbital, pero en teoría son mucho mas eficientes tanto para la mezcla como para la incorporación de oxígeno y mas flexibles en la operación que los aireadores lentos (tipo cono) o rápidos de turbina de eje vertical utilizados generalmente en las lagunas aireadas aeróbicas de mezcla completa.
Este trabajo tiene como propósito evaluar la capacidad de mezcla y oxigenación de los aireadores de flujo orbital instalados en las lagunas aireadas del Sistema de Tratamiento de Líquidos Cloacales de la Ciudad de Posadas.
Metodología: A fin de evaluar el desempeño de los aireadores se diseño una red de monitoreo y se midieron los valores de oxígeno disuelto en distintos puntos de las lagunas. El diseño empleado corresponde a un modelo puro de Anova anidado o jerárquico, con el nivel mas alto de variación (lagunas) y los niveles subordinados elegidos aleatoriamente. Resultados y Conclusiones : Las variaciones de oxígeno disuelto entre puntos de una misma transecta y entre profundidades de un mismo punto son muy pequeñas, lo que estaría indicando un desempeño excelente de los aireadores de flujo orbital y que el comportamiento de las unidades monitoreadas se aproximan bastante al de un reactor completamente mezclado. La densidad de potencia estimada para las actuales condiciones de operación de 5.56 W/ m3 , muy inferior al valor recomendado por la gran mayoría de los autores para lagunas aireadas de mezcla completa (> 15 W/ m3) , pero coincidente con aquellos reportados por Rich (1980) y Mara (1976) resulta muy adecuado para los propósitos de mezcla y agitación en el caso de airedores de flujo orbital .
El 51 % de la variabilidad en los valores de oxígeno disuelto se debe a la componente entre días determinados fundamentalmente por las condiciones de temperaturas , el 47 % a la variación entre líneas, siendo mínimas la variabilidad entre puntos (0.70 %) y entre profundidades (1.74 %)de un mismo punto, no existiendo variabilidad entre lagunas.
Recomendaciones :
La nueva red monitoreo deberá mantener el nº de líneas , reduciendo el nº de puntos a 5 y el nº de profundidades a 2 en cada punto.Se aconseja efectuar un control periódico de los niveles de O.D., sobre todo cuando hay variaciones importantes de temperatura o carga orgánica, realizando los ajustes necesarios en los aireadores de modo que sus valores no sean muy altos ni muy bajos , ya que ambos extremos son perjudiciales para el funcionamiento del sistema
I N T R O D U C C I Ó N
Los resultados que se presentan en este trabajo corresponden a la evaluación de la capacidad de mezcla y oxigenación de los aireadores de flujo orbital instalados en las lagunas aireadas del Sistema de Tratamiento de Líquidos Cloacales de la Ciudad de Posadas. Las conclusiones obtenidas deben considerarse en el contexto de actuales condiciones de operación y de ningún modo como definitivas en virtud que el sistema de tratamiento se encontraba en la etapa de puesta en marcha y que la mayor parte de las estaciones elevadoras del sistema de colectoras con que cuenta la ciudad de Posadas no están conectadas a la colectora principal que alimenta a la planta de tratamiento.
El sistema de tratamiento, está compuesto de una etapa de pretratamiento (rejas y desarenadores), seguida de una de tratamiento secundario por medio de lagunas aireadas y lagunas de decantación y una última etapa de desinfección.
Si bien son importantes todas estas etapas, el núcleo esencial del sistema de tratamiento lo constituyen las lagunas aireadas que en esta instalación son del tipo aeróbicas, diseñadas para funcionar como un reactor de mezcla completa, constituyendo un aspecto sustancial de la evaluación del sistema, la determinación de la eficiencia de mezclado y oxigenación de los aireadores de flujo orbital.
METODOS
A fin de evaluar el desempeño de los aireadores se diseño una red de monitoreo y se midieron los valores de oxígeno disuelto en distintos puntos de las lagunas. El objetivo de estas mediciones fue estimar la magnitud de la varianza atribuible a cada uno de los niveles de variación del estudio, esto es, entre lagunas (I y II), entre días (temperaturas) dentro de lagunas, entre líneas (transectas), entre puntos de una línea y entre profundidades de un mismo punto.
El diseño empleado corresponde a un modelo puro de Anova anidado o jerárquico, con el nivel mas alto de variación (lagunas) y los niveles subordinados elegidos aleatoriamente.
Descripción del sistema
El sistema de tratamiento, está compuesto de una etapa de pretratamiento (rejas y desarenadores), seguida de una de tratamiento secundario por medio de lagunas aireadas y lagunas de decantación y una última etapa de desinfección.
Los sólidos biológicos removidos y digeridos en las lagunas de sedimentación son extraídos por medios de bombas montadas en una balsa y enviados a las playas de secados para su deshidratación.
Las dimensiones principales de las unidades de tratamiento secundario se indican en el siguiente Cuadro Nº 1
Cuadro Nº 1
Unidad Dimensión o Descripción
Laguna Aireada(2) Laguna Decantación(3)
Valores de Diseño Largo de fondo (m) 91 57.4 Ancho de fondo (m) 42 42.0 Tirante Líquido (m) 3.45 3.20 Largo a NA (m) 106.36 70.20 Ancho a NA (m) 56.90 54.80 Volumen a NA (m 3) 17157 9871 Superficie a NA (m 2) 6052 3847 Nº de Unidades en Servicio 2 2
Caudal afluente total (m 3/día) 7336 7336 34.713 (1) Los tiempos de permanencias y cargas orgánicas y volumétricas, que se detallan en el Cuadro Nº 2, fueron calculadas tomando en consideración el valor de la media de los caudales efluentes del sistema igual a 0.08491 m 3/s y las dimensiones y volumen presentados en el cuadro Nº 1.
Cuadro Nº 2
Unidad
Dimensión o Descripción Valores de
Diseño Caudal afluente por laguna(m 3/día) 3668 3668 11.571 (1)
Tiempo de Permanencia (días) 4.60 2.93 1.5
DBO afluente (*) (mg/l) 143.7 222
Carga Orgánica Superficial (Kg DBO total /Ha DIA)
871.2 Carga Orgánica Volumétrica
(Kg DBO total/ m 3día) 0.031 0.147 (1)
(1) Valores para la primera etapa Población = 171000 hab. Dotación = 254 l/hab. Día y 3 módulos funcionando (2) Dimensiones correspondientes a la Laguna I A2
(3) Dimensiones correspondientes a la Laguna I D2
(*)
Valores medios para tiempo secoEquipos de aireación
La aireación en la lagunas se realiza por medio de aireadores superficiales de flujo orbital montados sobre flotadores .
Cada laguna cuenta con 8 aireadores de 20 HP de potencia cada uno distribuidos como se indica en la Fig. 1.
No existe mucha información sobre el desempeño de esto tipo de aireadores, pero son mucho mas eficientes tanto para la mezcla como para la incorporación de oxígeno y mas flexibles en la operación que los aireadores lentos (tipo cono) o rápidos de turbina de eje vertical utilizados generalmente en este tipo de instalaciones.
RESULTADOS
La evaluación incluyó 162 valores de concentración de Oxígeno Disuelto (O.D.) en mg/l, medidas en dos de las tres lagunas que forman parte del Sistema de Tratamiento de Líquidos Cloacales de la Ciudad de Posadas, en tres días diferentes, estando constituida la red de monitoreo por tres transectas (A,B y C),con tres puntos cada una y tres profundidades (s,m,p) por punto. (Ver Fig. 1 ). Los resultados obtenidos se indican en los Cuadros 3 y 4.
Aireador
F i g u r a N º 1
3 6 7
2 5 8
Cuadro 3
Laguna I
Días 1 2 3
Líneas Líneas Líneas
A B C A B C A B C Puntos de muestreos 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 profundidades s
5.4 4.8 5.5 5.4 5.3 5.2 5.2 5.4 5.5 3.0 2.7 2.9 3.0 2.2 2.5 3.0 2.8 3.1 1.1 0.9 1.4 0.7 0.1 0.3 1.0 0.9 1.1
m5.6 5.4 5.6 5.3 5.0 5.2 4.9 4.9 5.1 2.8 2.6 2.9 2.9 1.5 2.4 2.8 2.6 3.0
0.8
0.7 0.7 0.4 0.0 0.4 0.5 0.7 0.8
p6.3 6.7 6.5 5.3 5.1 5.2 5.1 4.9 5.1 2.7 2.7 2.7 2.9 0.0 2.4 4.0 3.6 3.0 0.7 0.8 0.7 0.5 0.0 0.4 0.4 0.7 0.8
T líquido=14 º C T aire = 5.7 º C T líquido=13.8 º C T aire = 13.2 º C T líquido=15 º C T aire = 24.5 º
Cuadro 4
Laguna II
Días 1 2 3
Líneas Líneas Líneas
A B C A B C A B C Puntos de muestreos 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 profundidades s
4.0 3.9 4.1 3.6 3.8 4.0 4.0 3.8 3.9 5.4 5.3 5.7 5.5 5.1 5.6 5.2 5.5 4.9 1.5 1.4 1.7 1.8 0.7 1.3 1.3 1.1 1.4
m3.5 3.5 3.5 3.7 3.2 3.7 3.8 3.7 3.6 5.2 4.9 5.3 5.2 4.9 5.3 4.6 4.9 4.5 1.1 1.2 1.3 1.1 0.5 1.0 1.0 0.9 1.1
p3.3 3.2 3.6 3.6 3.1 3.6 3.7 3.6 3.6 5.3 5.1 5.3 5.3 4.6 5.2 4.5 4.5 4.7 1.1 1.0 1.2 1.1 0.5 1.1 1.0 0.9 1.1
Perfiles de Temperatura y Oxígeno Disuelto
Simultáneamente a las mediciones de O.D. se realizaron mediciones de temperaturas en los 9 puntos de las lagunas aireadas indicados en la Fig. 1.
En cada uno de estos puntos, se midieron los valores de temperatura y oxígeno disuelto a las profundidades de 0.20 m, 2.00 y 3.00 m respectivamente .
Los resultados obtenidos indican que las variaciones tanto de temperatura como de O.D. entre puntos de una misma transecta y a distintas profundidades en un mismo punto son muy pequeñas, lo que sería una señal “a priori” que la unidad se comporta como un reactor completamente mezclado, con valores de oxígeno disuelto por encima de 3.3 mg/l y llegando a 4.9 en las capas más superficiales.
Consumo de Potencia de los aireadores
Los mismos han sido estimados en función de las lecturas de intensidad de corriente efectuadas para cada uno de los motores que accionan los aireadores en los tableros de control.
Para las actuales condiciones de operación, las potencias consumidas varían entre un 73 y un 93 % de la potencia de placa, calculadas considerando una intensidad nominal de 28 A.
Tomando para el cálculo una media de consumo de potencia del 80 %, equivalente a 16 CV, se obtiene para los 8 aireadores instalados y un volumen de laguna de 17157 m3 , una densidad de potencia o potencia unitaria de 5.56 W/ m3 indicado por Rich (1980) y Mara (1976) como los valores mas usuales para las lagunas aireadas aeróbicas de mezcla completa. Este valor es muy inferior a los 15 W/ m3recomendado en la mayoría de los autores como el
requerido para mantener todos los sólidos en suspensión, aunque hay otros que sostienen que una densidad de potencia de 6 W/ m3 es suficiente para este propósito.
Análisis Estadístico
El Cuadro de ANOVA obtenido mediante la utilización de programa STATGRAPHICS
plus para el diseño encajado con 5 niveles o factores correspondiente a las
concentraciones de OD se presenta a continuación :
Analysis of Variance for OD
---Source Sum of Squares Df Mean Square Var. Comp. Percent ---TOTAL (CORRECTED) 576,246 161 ---Lagunas 0,445988 1 0,445988 0,0 0,00 Dia 241,432 2 120,716 2,72442 50,95 Linea 316,917 14 22,6369 2,49236 46,61 Punto 7,40444 36 0,205679 0,0375514 0,70 Prof 10,0467 108 0,0930247 0,0930247 1,74
---CONCLUSI ONES
El análisis de los resultados obtenidos permiten establecer las siguientes conclusiones :
a)
Las variaciones de oxígeno disuelto entre puntos de una misma transecta y entre profundidades de un mismo punto son muy pequeñas, lo que estaría indicando un desempeño excelente de los aireadores de flujo orbital y que el comportamiento de las unidades monitoreadas se aproximan bastante al de un reactor completamente mezcladob) Los valores de oxígeno disuelto superan en el 66 % de los casos el mínimo recomendado para este tipo de unidades de 2 mg/, llegando durante los períodos de baja temperaturas a valores entre 5 y 6 en las capas mas superficiales.
c) La densidad de potencia calculada para las actuales condiciones de operación de 5.56 W/ m3 , muy inferior al valor recomendado por la gran mayoría de los autores (> 15 W/ m3) , pero coincidente con aquellos reportados por Rich (1980) y Mara (1976) resulta muy adecuado para los propósitos de mezcla y agitación en el caso de airedores de flujo orbital
d) El 51 % de la variabilidad en los valores de oxígeno disuelto se debe a la componente entre días determinados fundamentalmente por las condiciones de temperaturas , el 47 % a la variación entre líneas, siendo mínimas la variabilidad entre puntos (0.70 %) y entre profundidades (1.74 %)de un mismo punto, no existiendo variabilidad entre lagunas.
RECOMENDACIONES
a) Los valores aceptables de O.D. obtenidos, son el resultado de las bajas temperaturas registradas durante esta etapa del monitoreo, y ni bien las marcas térmicas retorne a los valores habituales , por encima de los 20 º C , será necesario efectuar un ajuste de los aireadores.
b) La nueva red monitoreo deberá mantener el nº de líneas , reduciendo el nº de puntos a 5 y el nº de profundidades a 2 en cada punto.
c) Se aconseja efectuar un control periódico de los niveles de O.D., realizando los ajustes necesarios en los aireadores de modo que sus valores no sean muy altos ni muy bajos , ya que ambos extremos son perjudiciales para el funcionamiento del sistema
d) El ajuste final de los aireadores se efectuará cuando la totalidad de las estaciones elevadoras se conecten a la colectora máxima y el sistema alcance un régimen de operación mas o menos estable.
BIBLIOGRAFIA
1. Arceibala, S. J. .Simple Waste Treatment Methods, Aerated Lagoons, Oxidation Ditches, Stabilization Ponds in Warn Temperate Climates. Middle East Technical University, Ankara Turquía (1981)
2. Mara, D. D. (1976). Sewage Treatment in Hot Climates.John Wiley and Sons. Londres 3. Mendonca, S. R. (2000). Sistema de Lagunas de Estabilización.McGraw-Hill Interamericana 4. Ramalho, R. S. (1983). Introduction to Wastewater Treatment Processes. 2ª ed. Academic
Press. Inc. Nueva York.
5. Rich, L. G. (1980). Low-Maintenance Mechanically Simple Wastewater Treatment Systems. MacGraw-Hill Book Company.Nueva York
6. Sobrinho, P. A. ; Muñoz, M. (1982). “Contribucao ao Projeto de Lagoas Aereadas Aerobias para Tratamento de Esgotos Domesticos”. Rev. DAEE (128): 45-62-Sao Pablo.
