Los estanques de estabilización de desechos ( WSP o estanques de estabilización o lagunas de estabilización de desechos ) son estanques diseñados y construidos para el tratamiento de aguas residuales con el fin de reducir el contenido orgánico y eliminar los patógenos de las aguas residuales . Son depresiones creadas por el hombre confinadas por estructuras de tierra. Las aguas residuales o “afluentes” ingresan por un lado de la piscina de estabilización de residuos y salen por el otro lado como “efluente”, luego de permanecer varios días en la piscina, durante los cuales se llevan a cabo procesos de tratamiento.
Los estanques de estabilización de residuos se utilizan en todo el mundo para el tratamiento de aguas residuales y son especialmente adecuados para países en desarrollo con climas cálidos. [2] Se utilizan con frecuencia para tratar aguas residuales y efluentes industriales , pero también se pueden utilizar para el tratamiento de escorrentías municipales o aguas pluviales . El sistema puede consistir en un solo estanque o en varios estanques en serie, cada uno de los cuales desempeña un papel diferente en la eliminación de contaminantes . Después del tratamiento, el efluente puede devolverse a las aguas superficiales o reutilizarse como agua de riego (o agua recuperada ) si cumple con los estándares requeridos para efluentes (por ejemplo, niveles suficientemente bajos de patógenos ).
Las piscinas de estabilización de residuos implican procesos de tratamiento natural que llevan tiempo porque las tasas de eliminación son lentas. Por lo tanto, se requieren áreas mayores que para otros procesos de tratamiento con aportes de energía externa. Los estanques de estabilización de residuos aquí descritos no utilizan aireadores. La tecnología de lagunas de alto rendimiento que utiliza aireadores tiene mucho más en común con el proceso de lodos activados . Estas lagunas aireadas utilizan menos superficie de la necesaria para los estanques de estabilización tradicionales y también son comunes en las ciudades pequeñas. [3]
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Las aguas residuales y muchos tipos de aguas residuales industriales contienen materia orgánica. Si las aguas residuales se vierten sin tratar en cuerpos de agua superficiales (por ejemplo, ríos y lagos), su materia orgánica sirve de alimento para los microorganismos que viven en las aguas superficiales. Estos organismos utilizan la materia orgánica para generar energía para su crecimiento y reproducción. Esto lo hacen mediante la respiración , en la que convierten la materia orgánica en dióxido de carbono y agua. Estos componentes estables no causan problemas de contaminación del agua. Por eso esto se denomina frecuentemente "estabilización" de la materia orgánica. [ cita necesaria ]
Sin embargo, estos organismos utilizan oxígeno en su respiración, reduciendo así la concentración de oxígeno en las aguas superficiales. Este es uno de los principales problemas de contaminación del agua , que puede afectar a la biota de las aguas superficiales , incluidos los peces. [4] [5]
Las lagunas de estabilización de residuos reproducen estos fenómenos biológicos antes de que se produzcan en las aguas superficiales receptoras y provoquen los problemas de contaminación por consumo de oxígeno. Los estanques reciben aguas residuales y, mediante procesos naturales similares a los que ocurren en las aguas superficiales, realizan la estabilización de la materia orgánica en su interior, como parte del tratamiento. Por eso recibieron el nombre de lagunas de estabilización de residuos. [6]
Las reacciones se producen por la participación conjunta de varios microorganismos que viven dentro del estanque. La materia orgánica se mide como demanda bioquímica de oxígeno (DBO). Los valores de DBO en el efluente del estanque son más bajos que en el afluente, lo que refleja la eliminación de materia orgánica. Este bioma de estanque utiliza materia orgánica de las aguas residuales como alimento. [ cita necesaria ]
Los nutrientes se convierten en material celular y energía para los procesos vitales, incluida la reproducción y el crecimiento de las células vivas. Algunas de estas células vivas serán consumidas por organismos en niveles tróficos más altos dentro del estanque. En los estanques, el grupo más importante de microorganismos son las bacterias , que utilizan la mayor parte de la materia orgánica del agua residual, pero también consumen oxígeno. [ cita necesaria ]
Las algas son otro grupo esencial de microorganismos. No dependen de la materia orgánica del afluente. En cambio, realizan la fotosíntesis , en la que producen la materia orgánica para su propio consumo y, muy importante aquí, liberan oxígeno. El exceso de oxígeno liberado favorece la respiración de los organismos aeróbicos del estanque. El oxígeno atmosférico también se disuelve en el líquido, lo que ayuda a mantener una capa aeróbica en la parte superior de la superficie del estanque. [ cita necesaria ]
La concentración de oxígeno varía en la columna de líquido: cerca de la superficie, las concentraciones son altas y favorecen el crecimiento de organismos aeróbicos. Cerca del fondo del estanque, la penetración de la luz solar es baja y, por tanto, se reduce la actividad fotosintética. Esto hace que las concentraciones de oxígeno sean bajas allí. Finalmente, dentro de los sedimentos de la capa inferior, no hay nada de oxígeno. Aquí, la materia orgánica se elimina mediante la digestión que realizan organismos anaeróbicos . [6]
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Los patógenos pueden eliminarse eficazmente en estanques de estabilización de residuos. El proceso se basa principalmente en estanques de maduración para la eliminación de patógenos, aunque también se realiza cierta eliminación en los otros estanques del sistema. Cuanto mayor sea el número de estanques en la serie, más eficiente será la eliminación de patógenos. [ cita necesaria ]
La eliminación de bacterias y virus patógenos se produce principalmente mediante inactivación. Los patógenos se inactivan como resultado de una compleja interacción de mecanismos que involucran el pH (el valor del pH en los estanques es alto debido a la fotosíntesis de las algas), la temperatura, la radiación ultravioleta presente en la luz solar que llega a la superficie del estanque y reacciones fotooxidativas que aprovechan las altas concentraciones disueltas. concentraciones de oxígeno. [7] [8]
Los protozoos patógenos están presentes en las aguas residuales en forma de quistes u ooquistes. Los helmintos (gusanos) están presentes en forma de huevos. Los protozoos y helmintos patógenos pueden eliminarse mediante el mecanismo de sedimentación. [8] Se pueden lograr eficiencias de eliminación muy altas, especialmente si los estanques de maduración son parte del sistema de tratamiento. En ese caso, el efluente final del estanque puede cumplir con las directrices de la Organización Mundial de la Salud para el riego con aguas residuales tratadas (o " agua recuperada "). [9] Sin embargo, el lodo (sedimento) de los estanques puede estar muy contaminado con huevos de helmintos, que pueden sobrevivir incluso después de varios años de almacenar el lodo dentro del estanque. [10]
Las lagunas de estabilización de residuos consisten en cuencas artificiales que comprenden una o varias series de lagunas anaeróbicas, facultativas o de maduración. [11] La presencia o ausencia de oxígeno varía según los tres tipos diferentes de estanques, utilizados en secuencia. Las lagunas anaeróbicas de estabilización de desechos tienen muy poco oxígeno disuelto, por lo que prevalecen las condiciones anaeróbicas. El segundo tipo de estanque, los estanques de estabilización facultativos, mantienen un hábitat superficial aeróbico sobre un hábitat bentónico anaeróbico. [12] Los estanques de maduración ofrecen condiciones aeróbicas en todas partes, desde la superficie hasta el fondo.
Las principales configuraciones de los sistemas de estanques son: [4] [13]
Si existe una laguna anaeróbica, parte de los sólidos en suspensión del agua residual se sedimenta, eliminando así la materia orgánica ( DBO ) aportada por estos sólidos. Además, parte de la materia orgánica disuelta se elimina mediante digestión anaeróbica . Durante la segunda etapa en el estanque facultativo , la mayor parte de la DBO restante es eliminada principalmente por las bacterias heterótrofas que reciben oxígeno de la fotosíntesis realizada por las algas. La función principal de la etapa terciaria en los estanques de maduración es la eliminación de patógenos, aunque también puede ayudar en la reducción de nutrientes (es decir, nitrógeno ). [12] Sin embargo, la fijación de nitrógeno por las algas que viven en los sistemas de estanques de estabilización puede aumentar los niveles de nitrógeno en el efluente de los estanques de estabilización. [6]
Los estanques anaeróbicos reciben aguas residuales sin tratar . Tienen una superficie menor en comparación con las lagunas facultativas y también son más profundas (generalmente de 3,0 a 5,0 m). La profundidad disminuye la influencia de la producción de oxígeno mediante la fotosíntesis, dando lugar a condiciones anaeróbicas. Dependiendo de la carga y las condiciones climáticas, estos estanques pueden eliminar entre la mitad y dos tercios de la DBO del afluente. Esto disminuye significativamente la carga de materia orgánica que va a las lagunas facultativas, y por ende disminuye su tamaño requerido. [4] Las lagunas de estabilización anaeróbicas tienen la desventaja de liberar potencialmente gases malolientes . Esto incluye especialmente el sulfuro de hidrógeno con olor a huevos podridos, si el sistema tiene problemas de funcionamiento. [14]
El primer bioma de estanques de una serie de estanques de estabilización digiere los sólidos putrescibles suspendidos en las aguas residuales que se tratan. Los estanques anaeróbicos permiten que los sólidos se depositen en el fondo en forma de lodo. Esta sedimentación elimina una porción del material orgánico particulado. [14] Una gran fracción de los sólidos sedimentados se acumulará cerca del punto donde las aguas residuales ingresan al estanque. Por lo tanto, los estanques anaeróbicos deben diseñarse para que sean mucho más profundos que los estanques aeróbicos o facultativos. La profundidad disminuye los niveles de oxígeno para que las bacterias anaeróbicas puedan digerir los desechos de manera eficiente. [14] Los estanques anaeróbicos contienen organismos anaeróbicos que son capaces de descomponer desechos orgánicos complejos en compuestos básicos que son menos dañinos para el medio ambiente. [15] Debido a que los organismos anaeróbicos sólo pueden prosperar en temperaturas cálidas, los estanques anaeróbicos no son adecuados en climas templados o fríos. [ cita necesaria ]
El lodo se acumula en el fondo de los estanques anaeróbicos y es necesario eliminarlo cada pocos años. [ cita necesaria ]
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Las lagunas facultativas de estabilización que reciben aguas residuales crudas se denominan lagunas facultativas primarias. Si reciben aguas residuales que ya han sido tratadas en lagunas anaeróbicas, se denominan lagunas facultativas secundarias. Las lagunas facultativas de estabilización también podrán utilizarse para tratamientos siguiendo otro tipo de procesos de tratamiento como reactores anaeróbicos de manto de lodos de flujo ascendente (UASB), zanjas de oxidación o lagunas aireadas . En comparación con los estanques anaeróbicos, los estanques facultativos son menos profundos (de 1,5 a 2,5 m de profundidad) y tienen superficies mucho mayores. La superficie es importante porque permite que el oxígeno atmosférico se disuelva y la radiación solar penetre en el agua. Esto permite que se produzca actividad fotosintética que produce más oxígeno. [ cita necesaria ]
En la mayoría de los estanques se necesitan tanto bacterias como algas para maximizar la descomposición de la materia orgánica y la eliminación de otros contaminantes. [15] Las algas producen oxígeno (fotosíntesis) y también consumen oxígeno (respiración), pero dejan un exceso de oxígeno que luego puede ser utilizado por bacterias aeróbicas para la respiración y para los procesos de oxidación (o estabilización) de la materia orgánica en el medio ambiente. aguas residuales. [ cita necesaria ]
Varios tipos de invertebrados están presentes en los estanques donde controlan la población de algas , que luego se deposita en el fondo. [15] El crecimiento intenso de algas puede impedir que la luz solar penetre en el estanque. Esto disminuye el potencial de la fotosíntesis para aportar oxígeno al estanque. [ cita necesaria ]
En el tratamiento de aguas residuales, los sistemas compuestos por estanques anaeróbicos seguidos de estanques facultativos suelen tener eficiencias generales de eliminación de DBO entre 75 y 85%. Es difícil lograr eficiencias más altas porque el efluente contiene altas concentraciones de materia orgánica particulada, en forma de algas, producida naturalmente durante el tratamiento. [ cita necesaria ]
Los lodos que componen la capa de sedimentos del estanque sufren digestión anaeróbica y pueden acumularse durante varios años sin necesidad de ser eliminados. [ cita necesaria ]
En los estanques de maduración se puede lograr cierta eliminación adicional de materia orgánica y otros contaminantes. Estos estanques sólo se incluyen en la línea de tratamiento cuando se requieren altas eficiencias de eliminación de patógenos, ya sea para la descarga del efluente tratado en cuerpos de agua superficiales , o para uso en riego o acuicultura . Generalmente se utilizan después de los estanques facultativos, pero también pueden seguir otros procesos de tratamiento, como los reactores de manto de lodos anaeróbicos de flujo ascendente (UASB). [16] También podrían colocarse después de un proceso de lodos activados .
Los estanques de maduración deben ser poco profundos (alrededor de 1,0 m de profundidad o menos) con una gran superficie para que pueda disolverse más oxígeno en el agua y darle a las bacterias suficiente oxígeno para funcionar correctamente. [14] Los estanques poco profundos se benefician de una alta actividad fotosintética que surge de la penetración de la radiación solar. Los valores de pH son elevados debido a la intensa fotosíntesis y la penetración de la radiación ultravioleta se produce en las capas superiores. Ambos factores promueven la eliminación de bacterias y virus patógenos. Dada la gran superficie de las lagunas de maduración, también se eliminan quistes de protozoos y huevos de helmintos, siendo la sedimentación el mecanismo principal. [8] [6]
La acumulación de lodos es muy baja en las piscinas de maduración. [ cita necesaria ]
Se pueden lograr eficiencias de eliminación de patógenos muy altas, dependiendo de varios factores: temperatura, tiempo de retención hidráulica (la cantidad de tiempo que el líquido permanece en el sistema, desde la entrada hasta la salida), el número de estanques en la serie, la presencia de deflectores y la profundidad de los estanques. [8]
Los estanques de maduración se pueden utilizar en combinación con un depósito de agua de lluvia para formar un depósito de riego ecológico y autopurificante. [17] [18]
Las lagunas de estabilización de residuos son muy eficientes en su objetivo principal de eliminar materia orgánica y, en algunas condiciones, organismos patógenos. Sus criterios de diseño han cambiado muy poco a lo largo de los años. [15] Los estanques son fáciles de diseñar, construir, operar y mantener, lo cual es muy importante en áreas remotas y en países en desarrollo donde no es fácil acceder a equipos sofisticados y mano de obra altamente calificada. La construcción puede ser realizada por contratistas locales en pueblos pequeños. [ cita necesaria ]
Los estanques de estabilización de residuos funcionan bien en casi todos los entornos y pueden tratar la mayoría de los tipos de aguas residuales . [6] Son especialmente adecuados para países tropicales y subtropicales porque la intensidad de la luz solar y la temperatura son factores clave para la eficiencia de los procesos de eliminación. [6] Los estanques se utilizan en todo el mundo. En muchos países y regiones los estanques son el proceso de tratamiento más utilizado. Por ello, son uno de los procesos recomendados por la OMS para el tratamiento de aguas residuales para su reutilización en agricultura y acuicultura, especialmente por su efectividad para eliminar nematodos (gusanos) y huevos de helmintos . [9]
Los estanques no pueden lograr eficiencias muy altas en la eliminación de materia orgánica y, por lo general, tienen bajas capacidades para eliminar nitrógeno y fósforo . El efluente suele tener altas concentraciones de sólidos en suspensión , resultantes de la producción de algas en los estanques. Por lo tanto, los estanques no son una tecnología adecuada en áreas donde existen estándares estrictos de descarga, a menos que se incluyan etapas adicionales de postratamiento. [19] [14]
Dado que los estanques requieren grandes superficies, pueden no ser prácticos en las proximidades de ciudades donde el terreno es caro. También se desea una topografía adecuada y una estructura del suelo adecuada para reducir los costes de construcción. [ cita necesaria ]
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En cuanto a operación y mantenimiento, las tareas que realiza el personal operativo son muy sencillas y no requieren habilidades especiales. Además, no hay consumo de energía para la aireación, ni necesidad de mantenimiento de equipos pesados ni eliminación, tratamiento y eliminación frecuentes de lodos. [ cita necesaria ]
Los estanques requieren muy poco mantenimiento, ya que no hay equipos eléctricos o mecánicos pesados que requieran atención. El único mantenimiento de rutina necesario es el tratamiento preliminar (limpieza de mallas y remoción de arena), la revisión rutinaria de tuberías, presas y otras estructuras hidráulicas, y la remoción de vegetación no deseada en los terraplenes. [6] [4]
Los lodos se acumulan dentro de los estanques. Sólo es necesario eliminarlo en el intervalo de varios años. Ésta es una ventaja importante del sistema. Sin embargo, cuando es necesario retirarlo, suele ser una operación costosa y que requiere mucha mano de obra. La remoción es más frecuente en las lagunas anaeróbicas (cada pocos años), debido a su menor volumen y menor capacidad para almacenar los lodos, en comparación con las lagunas facultativas. En los estanques facultativos, la eliminación de lodos puede ser necesaria sólo en intervalos de entre 15 y 25 años. En los estanques de maduración la acumulación de lodos es muy baja. [6]
La eliminación de lodos, también llamada desenlodamiento, se puede realizar de dos maneras básicas: (i) interrumpiendo el funcionamiento del estanque para desenlodar o (ii) manteniendo el estanque en funcionamiento mientras se desenloda. [6] En el primer caso, se cierra el paso de las aguas residuales que llegan al estanque a desenlodar. A continuación se drena el estanque y los lodos del fondo se dejan secar al aire libre durante varias semanas. Durante este período, las aguas residuales a tratar deben desviarse a otros estanques del sistema. Una vez secado el lodo, su retirada se puede realizar de forma manual (muy laboriosa en estanques de gran tamaño) o mecánicamente mediante tractores o rasquetas mecánicas. En la segunda alternativa, cuando el estanque se deja en funcionamiento durante la eliminación de lodos, los lodos eliminados estarán húmedos y requerirán un mayor secado. Esto se lleva a cabo fuera del estanque. La eliminación de lodos puede realizarse mediante succión y bombeo mediante camiones aspiradores (sólo para estanques pequeños), dragado, bombeo desde balsa o con otros equipos mecánicos. En cualquier caso, la cantidad de lodos a eliminar es muy elevada, considerando su acumulación a lo largo de varios años. Este proceso es muy laborioso, costoso y requiere una planificación cuidadosa. [6]
En la selección de un proceso de tratamiento de aguas residuales, además de los aspectos técnicos relevantes para cada alternativa, también los factores de coste juegan un papel muy importante. Estos últimos se pueden dividir básicamente en (i) costos de construcción y (ii) costos de operación y mantenimiento. Las piscinas de estabilización de residuos suelen considerarse una alternativa económica en términos de costes de construcción. Sin embargo, los costos finales dependerán esencialmente del tamaño de los estanques, la presencia de estanques de maduración en la configuración del proceso, la topografía, las condiciones del suelo, el nivel del agua subterránea y el costo del terreno. [6]
Debido a que todos estos elementos son específicos del sitio, es difícil generalizar los costos generales de construcción. En la mayoría de los casos, estos serán menores en comparación con otras alternativas de tratamiento de aguas residuales. [20] [4] Dependiendo de la situación específica de la zona, los costos de construcción pueden aumentar y nivelarse con otras tecnologías. [ cita necesaria ]
Las lagunas de estabilización de residuos son uno de los procesos de tratamiento de aguas residuales más económicos en términos de operación y mantenimiento. [6]
Los siguientes tipos de infraestructura de agua y aguas residuales pueden parecerse superficialmente a estanques de estabilización de residuos, pero no son lo mismo: [ cita necesaria ]
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