LAGUNAS DE OXIDACIÓN DEFINICIÓN Y CARACTERÍSTICAS

Las lagunas de oxidación o estabilización han sido empleadas para el tratamiento de aguas residuales desde hace más de 3.000 años, las primeras lagunas de estabilización fueron embalses los cuales fueron construidos como sistemas reguladores de agua empleada para riego donde los excedentes de agua residual eran almacenados sin tratamiento previo; al mantener el recurso almacenado, se observó que la calidad del agua mejoraba sustancialmente en los embalses, por lo que empezó a estudiarse la posibilidad de utilizar las lagunas como método de tratamiento de aguas residuales. El primer tanque de estabilización artificial construido fue el año 1901, en San Antonio, Texas y se definen como depósitos construidos mediante excavación y compactación de la tierra a poca profundidad que permiten almacenar agua de cualquier calidad por periodos relativamente mayores, el principal objetivo de las lagunas de oxidación es el tratamiento de aguas residuales y residuos industriales biodegradables mediante procesos naturales que implican actividad bacteriana y relaciones simbióticas entre algas y otros organismos.

El sistema de tratamiento de aguas residuales mediante lagunas de oxidación es usado generalmente en las zonas rurales, pequeños municipios y algunas industrias, debido al poco mantenimiento que estas requieren; si bien el mantenimiento de este tipo de tratamiento no requiere mano de obra intensiva, es necesario controlar de manera adecuada la biomasa del mismo, de manera que pueda lograr el objetivo primordial de sanear el efluente para ser vertido a los cuerpos receptores sin contaminar.

ASPECTOS FUNDAMENTALES DEL PROCESO DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES EN LAGUNAS DE OXIDACIÓN

Cuando el agua residual es vertida en una laguna de estabilización se realiza de forma espontánea un proceso de auto purificación o estabilización natural, en el que tienen lugar fenómenos de tipo físico, químico y biológico.  La eficiencia de la depuración del agua residual presente en las lagunas de oxidación depende de importantes factores como son, la radiación solar, las condiciones climáticas de la zona, la temperatura y la frecuencia y fuerza de los vientos locales. Este tipo de tratamiento opera con concentraciones reducidas de biomasa que ejerce su acción a lo largo de periodos de tiempo prolongados. Los parámetros más usados para realizar la evaluación del comportamiento de las lagunas de estabilización de aguas residuales y la calidad de sus efluentes son la demanda biológica de oxígeno (DBO) la cual es la encargada de caracterizar la carga orgánica y la concentración de coliformes fecales que asume la caracterización de la contaminación microbiológica.  A continuación, se establecen los aspectos fundamentales del proceso de tratamiento del agua es llevado a cabo en las lagunas de oxidación:

1. Es un proceso natural de autodepuración.

2. La estabilización de materia orgánica es efectuada mediante la acción simbiótica de bacterias, algas, y otros organismos que determinan la oxidación de la materia orgánica contenida en el agua residual.

3. Se presentan, procesos físicos de remoción y sedimentación de sólidos suspendidos en el recurso los cuales suelen representar una parte importante de la materia orgánica contenida en el agua residual, produciendo una eliminación del 75-80% de la Demanda Biológica de Oxígeno del efluente.

4. Se efectúan cambios químicos en la calidad del agua los cuales mantienen las condiciones para que los organismos puedan realizar la estabilización, transformación, y remoción de contaminantes orgánicos biodegradables.

5. Se establecen cadenas tróficas y redes de competencia que permiten eliminar gran cantidad de microorganismos patógenos que se encuentran presentes en las aguas residuales.

Proceso de simbiosis generado en las lagunas de oxidación, por el cual las algas y los microorganismos ayudan a purificar el agua residual.

TIPOS DE LAGUNAS DE OXIDACIÓN

En general, las lagunas de estabilización pueden ser clasificadas dependiendo de su acción biológica dominante en cuatro tipos:

Aerobias o de alta tasa

Este tipo de lagunas reciben aguas residuales que han sido sometidas a un tratamiento previo y que contienen pocas concentraciones de sólidos en suspensión, en ellas, se produce la degradación de la materia orgánica, se caracterizan por ser lagunas poco profundas (1 a 2 metros) y suelen tener tiempos de residencias elevados (20 a 30 días).  Las lagunas aerobias se clasifican, según el método de aireación, en aerobias y aireadas.

• Lagunas aerobias: la aireación es natural, siendo el oxígeno suministrado por intercambio a través de la interfase aire-agua y por la actividad fotosintética de las algas.

• Lagunas aireadas: en ellas, la cantidad de oxígeno que se suministra por medios naturales es insuficiente para llevar a cabo la oxidación de la materia orgánica, así que se recurre a un suministro adicional de oxígeno por medios mecánicos.

Anaerobias

El tratamiento se realiza mediante la acción de bacterias anaerobias y se describe como un biorreactor que combina la sedimentación de sólidos y la acumulación de estos en el fondo, con la suspensión de materiales presentes en el agua residual en la superficie y con biomasa activa suspendida en el agua o adherida tanto a los lodos sedimentados como al material suspendido. Las lagunas anaerobias suelen tener una profundidad entre 2 y 5 metros y un tiempo de retención entre 2 a 5 días. La estabilización es este tipo de lagunas tiene lugar mediante las siguientes etapas:

• Hidrólisis: los compuestos orgánicos complejos e insolubles se mezclan con las moléculas de agua y se convierten en compuestos más sencillos y solubles en agua.

• Formación de ácidos: los compuestos orgánicos sencillos que se generaron en la hidrólisis son utilizados por las bacterias generadoras de ácidos, dando como resultado la conversión de estos compuestos en ácidos orgánicos volátiles.

• Formación de metano: una vez que se han formado los ácidos orgánicos, una nueva categoría de bacterias actúa y los convierte en metano y dióxido de carbono.

Esquema del diseño de una laguna de oxidación de tipo anaerobia.

Facultativas

Son aquellas que cuentan con una zona aerobia en superficie y una anaerobia hacia el fondo y tienen como finalidad estabilizar la materia orgánica en un medio oxigenado proporcionando principalmente por las algas presentes. En este tipo de lagunas se puede encontrar cualquier tipo de microorganismos, desde anaerobios estrictos en el fondo, hasta aerobios estrictos en la zona adyacente a la superficie, la presencia de algas es muy importante ya que son las principales suministradoras de oxígeno. La profundidad de este tipo de lagunas está entre 1 y 2 metros.

En este tipo de lagunas existen tres zonas:

1. Zona superficial donde existen bacterias aerobias y algas en una relación simbiótica.
2. Una zona intermedia parcialmente aerobia y anaerobia, los sólidos de gran tamaño se sedimentan para formar una capa de fango anaerobio, los materiales orgánicos sólidos se oxidan por la acción de las bacterias aerobias empleando el oxígeno generado por las algas presentes cerca de la superficie, el dióxido de carbono generado en el proceso de oxidación, sirve como fuente de carbono por las algas. La descomposición anaerobia de los sólidos de la capa de fango implica la producción de compuestos orgánicos disueltos y de gases tales como el CO2, H2S y el CH4.
3. Zona inferior anaerobia en la que se descomponen activamente los sólidos acumulados por acción de las bacterias anaerobias.

Esquema del diseño de las lagunas de oxidación de tipo facultativa.

De maduración o Pulimiento

El término lagunas de maduración o de pulimento se aplica a aquellas lagunas aerobias ubicadas en el último paso de los sistemas lagunares en serie o a las unidades que mejoran el efluente de otros sistemas de tratamiento biológico. Este tipo de lagunas de oxidación tiene como objetivo la eliminación de bacterias patógenas, además de su efecto desinfectante cumplen objetivos como son la nitrificación del nitrógeno amoniacal, eliminación de nutrientes, clarificación del efluente y generación de un efluente oxigenado. Este tipo de lagunas se construyen con un tiempo de retención de 3 a 10 días y profundidades de 1 a 1.5 metros.

CONCENTRACIONES PRESENTES EN AGUAS RESIDUALES QUE PUEDEN SER REMOVIDAS EN LAGUNAS DE OXIDACIÓN

Demanda Biológica de Oxigeno (DBO)

Las lagunas de estabilización, son reactores que funcionan con una baja concentración de microorganismos. En todas las lagunas, excepto en las anaerobias, la Demanda Biológica de Oxígeno soluble es reducida mediante oxidación generada por bacterias, mientras que la concentración de DBO suspendida es removida mediante procesos de sedimentación. La transformación biológica que ocurre tanto en las lagunas de tipo facultativas como anaerobias se produce en forma anaerobia. La remoción de la Demanda Biológica de Oxígeno en cualquier tipo de laguna de oxidación depende de dos factores importantes, el tiempo de retención del recurso en la laguna y la temperatura del agua.

Remoción de sólidos suspendidos totales (SST)

Los sólidos suspendidos presentes en aguas residuales son removidos en las lagunas mediante procesos de sedimentación. La mayoría de los sólidos suspendidos encontrados en el efluente de estas plantas de tratamiento se componen por las propias algas que se desarrollan en las lagunas de oxidación. La concentración de sólidos suspendidos en el recurso puede alcanzar valores de 140 mg/L en lagunas de tipo aerobias, y de 60 mg/L en lagunas con aeración. Algunos procesos que se pueden emplear para mejorar la calidad de efluente de una laguna, cuando se presentan concentraciones elevada de Sólidos Suspendidos Totales son:

• Filtros de arena intermitentes
• Microtamices
• Filtros de grava
• Flotación con aire disuelto (FAD)
• Plantas acuáticas flotantes
• Humedales artificiales

Remoción de Nitrógeno

La remoción del nitrógeno en los sistemas de tratamiento mediante lagunas de estabilización se obtiene como resultado de la combinación de mecanismos que incluyen volatilización de amoniaco (proceso que depende del pH), captura de algas, nitrificación/desnitrificación, acumulación de lodos, y adsorción sobre los sólidos del fondo.

Remoción de Fósforo

La remoción del fósforo en los sistemas de lagunas es mínima, a menos que se realice la adición de químicos como el alumbre o el cloruro férrico que causen su precipitación.  La aplicación de este tipo de sustancias puede ser realizada de forma continua o intermitente. En las lagunas de oxidación con descarga controlada se sugiere la aplicación de reactivos químicos en forma intermitente.

Remoción de organismos patógenos

Los sistemas de tratamiento que cuentan con varias lagunas de oxidación y tiempos de retención altos presentan buenas remociones de bacterias, parásitos y virus. La remoción de organismos patógenos en sistemas con lagunas se presenta como consecuencia de la muerte natural de estos organismos, por sedimentación y por adsorción; los helmintos y los quistes y huevos de parásitos se sedimentan en el fondo de la laguna. Los sistemas con tres lagunas y un tiempo de retención cercano a 20 días, al igual que los sistemas aireados que cuentan con una laguna de sedimentación antes de la descarga y generan remociones óptimas de helmintos y protozoos.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS LAGUNAS DE OXIDACIÓN

Ventajas

• Alta estabilización de la materia orgánica.
• La remoción de microorganismos patógenos es más alta a la alcanzada mediante otros métodos de tratamiento.
• Pueden emplearse para el tratamiento de aguas residuales industriales con altos contenidos de materia biodegradable.
• Desde el punto de vista económico, es mucho más económico que los métodos convencionales ya que presenta bajos costos de construcción, instalación y mantenimiento.
• Bajo consumo de energía y costo de operación.
• En el proceso de lagunaje se generan biomasas potencialmente valorizables una vez separada del efluente.
• Operación y mantenimiento, simple.
• Remoción eficiente de bacterias patógenas.
• Amortiguamiento de picos hidráulicos, de cargas orgánicas y de compuestos tóxicos.

Desventajas

• Presencia de materia en suspensión en el recurso debido a las altas concentraciones de fitoplancton, generando que pueda ser rechazado para ser vertido en cuerpos de agua.
• Pérdidas considerables del recurso por evaporación en épocas de verano.
• Generación de olores desagradables y deterioro de la calidad del efluente por sobrecargas de contaminantes, bajo ciertas condiciones climáticas.
• Contaminación de acuíferos por infiltración, particularmente en lagunas construidas sobre suelos arenosos.