E - Lagunas aireadas y estabilización

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1 
 
 
TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES 
MEDIANTE LAGUNAS AIREADAS Y DE 
ESTABILIZACION 
 
Prof. Dr. Francisco Arteaga Núñez 
 
Prof. Dr. Francisco Arteaga Núñez 
 
2 
SISTEMA DE LAGUNAS AIREADAS 
MECANICAMENTE SEGUIDAS DE 
LAGUNAS DE DECANTACION 
Rejas Desarenador Lagunas aireadas 
Lagunas de 
 decantación 
Rio 
Lodo 
3 
SISTEMAS DE LAGUNAS 
AIREADAS MECANICAMENTE 
SEGUIDAS DE LAGUNAS DE 
DECANTACION 
Lagunas aireadas: Excavaciones taludadas dotadas de 
sistemas de aireación. La potencia de aireación es 
dimensionada para garantizar mezcla completa en el 
reactor aerobio. 
Lagunas de decantación: Excavaciones sin aireación, 
destinadas a la separación de los flocs formados en las 
lagunas aireadas, almacenándolos por un período de 
tiempo establecido en el proyecto para su posterior 
remoción, después de sufrir su digestión 
correspondiente. 
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4 
LAGUNAS AIREADAS 
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5 
LAGUNAS AIREADAS 
Prof. Dr. Francisco Arteaga Núñez 
 
6 
LAGUNAS AIREADAS 
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7 
LAGUNAS AIREADAS 
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8 
LAGUNAS AIREADAS 
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9 
LAGUNAS AIREADAS 
CLASIFICACION 
 Lagunas aireadas aerobias 
Floc biológico en suspensión 
en la fase líquida 
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10 
LAGUNAS AIREADAS 
CLASIFICACION 
 Lagunas aireadas facultativas 
Floc biológico en suspensión 
en la fase líquida 
Floc biológico sedimentado 
en el fondo de la laguna 
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11 
CARACTERÍSTICAS DE LAGUNAS AIREADAS 
Características Laguna aireada aerobia Laguna aireada 
facultativa 
Control de sólidos Todos los sólidos 
salen en el efluente 
No hay control 
Concentración de SST en 
la laguna 
100 mg/l a 360 mg/l 50 mg/l a 150 mg/l 
 
SSV/SST 0,70 a 0,80 0,60 a 0,80 
Tiempo de retención 
hidráulico 
< 5 dias 5 a 12 dias 
Edad del lodo < 5 dias Alto debido a 
sedimentación del lodo 
Eficiencia de remoción de 
DBO 
90 % 70 % a 80 % 
Nitrificación Prácticamente nula Prácticamente nula 
Remoción de coliformes Muy pobre Pobre 
Profundidad de laguna 2,5 m a 5,0 m 2,5 m a 5,0 m 
Densidad de potencia 
mínima 
> 3 w/m3 > 0,75 w/m3 
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12 
LAGUNAS AIREADAS 
•Proceso aerobio 
•Crecimiento en suspensión 
•No hay retención de biomasa en el sistema 
•Sistema de aireación 
•Aireación difusa 
•Aireación superficial 
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13 
CONDICIONES AMBIENTALES 
•Disponibilidad de oxígeno 
•Disponibilidad de nutrientes (N e P) 
•pH adecuado (Neutro) 
•Ausencia de sustancias tóxicas 
•Temperatura 
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14 
Aspectos teóricos - Metabolismo celular 
•Producción de Energia 
•Oxidación de compuestos orgánicos 
•Oxidación de compuestos inorgánicos 
•Consumo de Energia 
•Síntesis celular y crecimiento 
•Movilidad 
•Transporte activo 
•Manutención de procesos vitales 
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15 
Aspectos teóricos - Metabolismo celular 
Compuestos 
reducidos 
Compuestos 
oxidados 
Fuente de 
carbono 
Biomasa 
Crecimiento 
Respiración 
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16 
Aspectos teóricos - Metabolismo celular 
Compuestos 
reducidos 
Compuestos 
oxidados 
Fuente de 
carbono 
Biomasa 
Crecimiento 
Respiración 
Calor 
Manutención 
Resíduos 
Respiración 
endógena 
Aceptor de 
eléctrones 
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17 
Aspectos teóricos - Metabolismo celular 
ACEPTORES 
DE ELECTRONES 
Oxígeno 
(Aerobio) 
Nitrato 
(Anóxico) 
Sulfato y CO2 
(Anaerobio) 
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18 
Aspectos teóricos 
 Metabolismo celular 
Materia orgánica 
Energia 
Síntesis celular 
Nutrientes 
Materia orgánica 
no biodegradable 
Anabolismo 
Catabolismo 
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Aspectos teóricos 
 Metabolismo celular 
COHNPS + O2 + Nutrientes 
Microrganismos 
CO2 + NH3 + C5H7NO2 
+ Productos finales 
C5H7NO2 + 5O2 CO2 + 2H2O + NH3 + Energia 
COHNPS + O2 
Microrganismos 
CO2 + NH3 + Energia 
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20 
Aspectos teóricos - Metabolismo celular 
Remoción de compuestos 
orgánicos en estado solúble 
coloidal y particulado 
 Fuente de carbono 
 CO2 Carbono Orgánico 
 
Fuente 
de 
energia 
Luz Solar Fotoautotróficos Fotoheterotróficos 
Oxidación de 
compuestos 
orgánicos e 
inorgánicos 
Quimioautotróficos 
(Compuestos 
inorgánicos) 
Quimioheterotróficos 
(Compuestos 
orgánicos) 
 
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21 
LODOS ACTIVADOS - LAGUNAS 
AIREADAS 
Reactor 
Biológico 
Separación 
sólido 
líquido 
Agua residual tratada 
Lodo en exceso 
Reactor 
Biológico 
Separación 
sólido 
líquido 
Agua Residual tratada 
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22 
 El reactor biológico se comporta como un 
reactor de mezcla completa 
 Substrato: Materia orgánica biodegradable 
 Subtrato (Cuantificación): DBO5,20 
 Microrganismos (Cuantificación): SSV 
 Cultura microbiana heterogénea 
 Macro e micro-nutrientes en exceso 
 Presencia de oxígeno 
LAGUNAS AIREADAS 
MODELACION MATEMÁTICA 
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23 
LAGUNAS AIREADAS 
Reactor 
Biológico 
Separación 
sólido 
líquido 
Agua tratada 
Volúmen de control 
Q,S0,X0 
Qs,S,Xs 
V,X 
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24 
LAGUNAS AIREADAS 
MODELACION MATEMÁTICA 
BALANCE DE MASA DEL SUBSTRATO 
Agua tratada 
Volúmen de control 
Q,S0,X0 
Qs,S,Xs 
V,X 














dt
dS
V
SQ
V
SQ
t
S s.. 0
=0 
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25 
LAGUNAS AIREADAS 
MODELACION MATEMÁTICA 
BALANCE DE MASA DE MICROORGANISMOS 
endógenasíntese dt
dX
dt
dX
V
XQ
V
XQ
t
X



















 .. 0
0 0 
Agua tratada 
Volúmen de control 
Q,S0,X0 
Qs,S,Xs 
V,X 
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26 
LAGUNAS AIREADAS 
MODELACION MATEMÁTICA 
BALANCE DE MASA DE MICROORGANISMOS 
síntesedt
dX
V
XQ







.
XkX
V
XQ
d ..
.
 
dk
V
Q
 
d
c
k
XV
XQ
 

11
.
.
Edad del lodo !!!!! 
X
dt
dX
síntese
.





Xk
dt
dX
d
endógena
.





endógenadt
dX







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27 
LAGUNAS AIREADAS 
MODELACION MATEMÁTICA 
BALANCE DE MASA DE MICROORGANISMOS 
SK
XS
X
dt
dX
S
m
síntese 





 ..
.


S 
 
m 
=tasa de crecimiento específica (T-1) 
m=tasa máxima específica de crecimiento (T
-1) 
KS=coeficiente de saturación media (ML
-3) 
kd=coef. respiración endógena (T
-1) 
SK
S
S
m


.

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28 
LAGUNAS AIREADAS 
MODELACION MATEMÁTICA 
BALANCE DE MASA DE MICROORGANISMOS 
d
c
k 

11
Edad del lodo 
S 
 
m 
Agua tratada 
Volúmen de control 
Q,S0,X0 
Qs,S,Xs 
V,X 
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29 
LAGUNAS AIREADAS 
MODELACION MATEMÁTICA 
BALANCE DE MASA DE MICROORGANISMOS 
SK
S
S
m


.

 
  1.
.1.



 dkm
dS kKS


dk 

1
Agua tratada 
Volúmen de control 
Q,S0,X0 
Qs,S,Xs 
V,X 
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30 
LAGUNAS AIREADAS 
MODELACION MATEMÁTICA 
 
  1.
.1.



 dkm
dS kKS


0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
80,00
90,00
0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5
Idade do lodo (dias)
D
B
O
 s
o
lú
v
e
l 
(m
g
/l
)
Parâmetros cinéticos
Ks=60 mg/l
kd=0,05 dia-1
um=3 dia-1
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31 
LAGUNAS AIREADAS 
MODELACION MATEMÁTICA 
BALANCE DE MASA DE MICROORGANISMOS 
 
 dtdS
dtdX
y
/
/

y=coeficiente de síntesis celular 
endógenasíntese dt
dX
dt
dX
V
XQ













.
endógenasíntese dt
dX
Xdt
dXXXV
XQ












 .
1
.
11
.
.

Agua tratada 
Volume de controle 
Q,S0,X0 
Qs,S,Xs 
V,X 
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32 
endógenasíntese dt
dX
Xdt
dX
X












 .
1
.
11

endógenadt
dX
XXdt
dS
y 











 .
11
..
1
 dKUy  .
1

LAGUNAS AIREADAS 
MODELACION MATEMÁTICA 
BALANCE DE MASA DE MICROORGANISMOS 
Agua tratada 
Volúmen de control 
Q,S0,X0 
Qs,S,Xs 
V,X 
Prof. Dr. Francisco Arteaga Núñez 
 
33 
LAGUNAS AIREADAS 
MODELACION MATEMÁTICA 
BALANCE DE MASA DE SUBSTRATO 
dk 

1
SK
S
S
m


.

 SKy
XS
V
SQ
V
SQ
S
m


.
.... 0 
 
 .1
. 0
dk
SSy
X










y
K m

K=tasa máxima de utilización de 
substrato por unidad de masa de 
microorganismos (T-1) 
Agua tratada 
Volúmen de control 
Q,S0,X0 
Qs,S,Xs 
V,X 
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34 
LAGUNAS AIREADAS 
MODELACION MATEMÁTICA 
 
 .1
. 0
dk
SSy
X



Q
V

X=concentración de SSV en el reactor 
Valores típicos: 150 mg/l a 250 mg/l 
Agua tratada 
Volúmen de control 
Q,S0,X0 
Qs,S,Xs 
V,X 
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35 
LAGUNAS AIREADAS x LODOS ACTIVADOS 
ECUACIONES BÁSICAS 
 
 cd
c
k
SSy
X


.1.
. 0



 
  1.
.1.
. 


 dkKyc
cdS kKS


 
 .1
. 0
dk
SSy
X



 
  1.
.1.
. 


 dkKy
dS kKS


Lodos 
activados 
Lagunas 
aireadas 
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36 
LAGUNAS AIREADAS 
PARAMETROS DE DISEÑO 
•Tiempo de retención hidráulico en la laguna aireada: 
2,5 dias a 4,0 dias (Función de la temperatura) 
•Necesidad de oxígeno: 1,2 a 1,3 kg O2/kg DBO 
aplicada 
•Laguna de decantación: Tiempo de detención 
hidráulico mínimo de 1 dia más un volúmen para 
almacenamiento de lodo por un período de 
aproximadamente 2 años. 
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37 
SISTEMAS DE LAGUNAS 
DE ESTABILIZACION 
Rejas Desarenador Laguna anaerobia 
Laguna 
facultativa 
Rio 
•Sistema australiano 
•Laguna facultativa primaria 
Rejas Desarenador Laguna facultativa 
Laguna de 
maduración 
Rio 
Lodo Lodo 
Lodo Lodo 
Laguna de 
maduración 
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38 
LAGUNAS DE ESTABILIZACION 
Lagunas de estabilización: Grandes excavaciones 
taludadas con elevados tiempos de retencion hidráulica 
de las aguas residuales a tratar, realizándose el proceso 
de depuración sin introdución artificial de oxígeno 
mediante energía electro-mecánica. 
Histórico 
•EUA  Inicios del siglo XX 
•Brasil  1965 (San José de los Campos) 
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39 
LAGUNAS DE ESTABILIZACION 
Prof. Dr. Francisco Arteaga Núñez 
 
40 
LAGUNAS DE ESTABILIZACION 
Tipos de lagunas 
•Lagunas anaerobias 
•Lagunas facultativas 
•Lagunas de maduración 
Ventajas 
•Bajo costo de implantación 
•Operación simple 
•Proyectos simples 
•Terreno reaprovechable 
Desventajas 
•Requiere grandes áreas 
•Exceso de algas en el 
efluente final 
•Malos olores en lagunas 
anaeróbicas 
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41 
LAGUNAS DE ESTABILIZACION 
ANAEROBICAS 
Lagunas anaerobicas: Excavaciones de 3,0 a 5,0 
metros de profundidad útil que reciben carga orgánica 
contínua de aguas residuales de modo de mantener 
condiciones de anaerobiosis. 
•Eficiencia de remoción de DBO: 40 % a 50 % 
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42 
LAGUNAS ANAEROBIAS 
Lodo 
Agua Cruda 
Sólidos 
sedimentábles 
Zona 
anaerobia 
Acidos orgánicos CO2, NH3, H2S, CH4 
H2S 
Ausencia 
de O2 
CHONPS Acidos volátiles CH4 + CO2 + H2O 
N Orgánico N Amoniacal 

3
NO

2
NO
2
N
2
4
SO )(
2
2 SHS 
Prof. Dr. Francisco Arteaga Núñez 
 
43 
 Fuente de carbono 
 CO2 Carbono Orgánico 
 
Fuente 
de 
energia 
Luz Solar Fotoautotróficos Fotoheterotróficos 
Oxidación de 
compuestos 
orgánicos e 
inorgánicos 
Quimioautotróficos 
(Compuestos 
inorgánicos) 
Quimioheterotróficos 
(Compuestos 
orgánicos) 
 
Microbiologia – Lagoas anaeróbias 
Remoción de compuestos 
orgánicos en estado soluble 
coloidal y particulado 
Prof. Dr. Francisco Arteaga Núñez 
 
44 
LAGUNAS ANAEROBIAS 
PARAMETROS DE DISEÑO 
•Tiempo de retención hidráulico: 3 días a 6 días 
•Tasa de aplicación volumétrica de DBO: 0,1 a 0,4 kg DBO/m3.d 
•Tasa de aplicación superficial de DBO > 1.000 kg DBO/ha.d 
Diseño 
•Distribución de entradas y salidas 
•Rebajar 0,5 m hasta L/4 para acumulación de lodo 
•Inclinación de los taludes  Estudios geotécnicos 
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45 
LAGUNAS DE ESTABILIZACION 
FACULTATIVAS 
Lagunas facultativas: Excavaciones con profundidades útiles de 
1,5 metros a 2,0 metros, permitiendo la penetración de luz para 
produccióno fotosintética de oxígeno necesario para la 
decomposición de materia orgánica. Parte de los sólidos 
presentes en el agua residual sedimentan y son biodegradados 
por via anaerobia. 
•Eficiencia en la remoción de DBO: Superior a 80 %. 
Efluentes con DBO inferior a 60 mg/l 
•Eficiencia en la remoción de coliformes: Aproximadamente 99 % 
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46 
LAGUNAS DE ESTABILIZACION 
Lodo 
Agua cruda 
Sólidos 
sedimentables 
Viento 
Mezcla y reaireación 
O2 
Zona 
anaerobia 
Zona 
facultativa 
Zona 
aerobia 
CO2 
O2 CO2 
Bacterias 
Algas 
NH3, PO4, etc 
Nuevas células 
Células muertas 
NH3, PO4, etc Nuevas células 
Ácidos orgánicos CO2, NH3, H2S, CH4 
H2S + 2O2  H2SO4 
H2S 
Ausencia 
de O2 
O2 
Produción 
durante el día 
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47 
 Fonte de carbono 
 CO2 Carbono Orgánico 
 
Fuente 
de 
energia 
Luz Solar Fotoautotróficos Fotoheterotróficos 
Oxidación de 
compuestos 
orgánicos e 
inorgánicos 
Quimioautotróficos 
(Compuestos 
inorgánicos) 
Quimioheterotróficos 
(Compuestos 
orgánicos) 
 
Microbiología – Lagunas facultativas 
Remoción de compuestos 
orgánicos en estado soluble 
coloidal y particulado 
Produción de O2 manutención 
de condiciones aerobias em la 
laguna 
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48 
LAGUNAS FACULTATIVAS 
PARAMETROS DE DISEÑO 
•Profundidad típica: 1,8 metros 
•Relación L/B: 3 a 5 
•Límite de la tasa de aplicación superficial 
de DBO 
Projeto 
•Distribuición de las entradas y salidas 
•Rebajo de 0,5 m hasta L/4 para acumulación de lodo 
•Inclinación de los taludes  Estudios geotécnicos 
60.20  T
L

40.14  T
L


L
 tasa de aplicación de DBO (kg DBO/ha.d) 
T = temperatura media del aire en el mes más frío del año 
Facultativas primarias 
Facultativas secundarias 
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49 
LAGUNAS DE MADURACION 
Lagunas de maduración: Excavaciones con profundidades 
inferiores a 1,0 metro, permitiendo elevado tiempo de 
detención hidráulico de las A.R. para el decaimiento de 
coliformes por metabolismo endógeno y por la incidencia de 
radiación ultra-violeta proveniente de la luz solar. 
•Eficiencia en la remoción de DBO: Superior a 85 %. 
•Promueve procesos de nitrificación en las aguas residuales 
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50 
LAGUNAS DE ESTABILIZACION 
Agua cruda 
Viento 
Mezcla y reaireación 
O2 
Zona 
aerobia 
CO2 
O2 CO2 
Bacterias 
Algas 
NH3, PO4, etc 
Nuevas células 
Células muertas 
NH3, PO4, etc Nuevas células 
O2 
Produción 
durante el dia 
Decaimiento bacteriano 
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51 
 Fuente de carbono 
 CO2 Carbono Orgánico 
 
Fuente 
de 
energía 
Luz Solar Fotoautotróficos Fotoheterotróficos 
Oxidación de 
compuestos 
orgánicos e 
inorgánicos 
Quimioautotróficos 
(Compuestos 
inorgánicos) 
Quimioheterotróficos 
(Compuestos 
orgánicos) 
 
Microbiologia – Lagunas de maduración 
Remoción de compuestos 
orgánicos en estado soluble 
coloidal y particulado 
Producción de O2 y 
manutención de condiciones 
aerobias en lalaguna 
Prof. Dr. Francisco Arteaga Núñez 
 
52 
LAGUNAS DE MADURACION 
PARAMETROS DE DISEÑO 
•Tiempo de detención hidráulico típico: 7 dias 
•Remoción de coliformes 
db
tk
N
N
.1
0


Reactor de mezcla completa 
Reactor de flujo disperso 
 
        d
ada
d
eaea
ea
N
N
.
2
2.
2
2
.
2
1
0
.1.1
..4



N0=número de coliformes fecales en el afluente a la laguna 
N=número de coliformes fecales en el efluente de la laguna 
Prof. Dr. Francisco Arteaga Núñez 
 
53 
LAGUNAS DE MADURACION 
PARAMETROS DE DISEÑO 
Reactor de flujo disperso 
 
        d
ada
d
eaea
ea
N
N
.
2
2.
2
2
.
2
1
0
.1.1
..4



 
    2/.014,1/.254,0261,0
/
BLBL
BL
d

 dtka
db
...41
L=Largo de la laguna 
B=ancho de la laguna 
d=coeficiente de dispersión 
td=tiempo de detención 
kb=constante de reación 
Laguna facultativa=0,2 a 0,4 dia-1 
Laguna de maduração=0,3 a 0,8 dia-1 
Valores de kb 
 20
)20(
07,1.  T
bb
kk
Prof. Dr. Francisco Arteaga Núñez 
 
54 
Mchas gracias !!! 
Prof. Dr. Francisco Arteaga Núñez