Las lagunas de estabilización de residuos ( WSPs o estanques de estabilización o lagunas de estabilización de residuos ) 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 artificiales confinadas por estructuras de tierra. Las aguas residuales o "influentes" ingresan por un lado de la laguna de estabilización de residuos y salen por el otro lado como "efluente", después de pasar varios días en la laguna, 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 los países en desarrollo que tienen climas cálidos. [2] Se utilizan con frecuencia para tratar aguas residuales y efluentes industriales , pero también pueden utilizarse para el tratamiento de escorrentías municipales o aguas pluviales . El sistema puede constar de un solo estanque o de varios estanques en serie, cada estanque desempeñando 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 el efluente cumple con los estándares de efluentes requeridos (por ejemplo, niveles suficientemente bajos de patógenos ).
Los estanques de estabilización de residuos implican procesos de tratamiento naturales que requieren tiempo porque las tasas de eliminación son lentas. Por lo tanto, se requieren áreas más grandes que para otros procesos de tratamiento con insumos de energía externa. Los estanques de estabilización de residuos descritos aquí no utilizan aireadores. La tecnología de lagunas de alto rendimiento que sí utiliza aireadores tiene mucho más en común con el proceso de lodos activados . Estas lagunas aireadas utilizan menos área que 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 tratamiento en cuerpos de agua superficiales (por ejemplo, ríos y lagos), su materia orgánica sirve de alimento a los microorganismos que viven en las aguas superficiales. Estos organismos utilizan la materia orgánica para generar energía para su crecimiento y reproducción. Esto se hace a través de 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 lo tanto, a esto se le suele llamar "estabilización" de la materia orgánica. [ cita requerida ]
Sin embargo, estos organismos utilizan oxígeno en su respiración, lo que reduce 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. Las lagunas reciben aguas residuales y, mediante procesos naturales similares a los que tienen lugar en las aguas superficiales, llevan a cabo la estabilización de la materia orgánica en su interior, como parte del tratamiento. Por ello reciben el nombre de lagunas de estabilización de residuos. [6]
Las reacciones se llevan a cabo mediante 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 del estanque utiliza la materia orgánica de las aguas residuales como alimento. [ cita requerida ]
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 de niveles tróficos superiores dentro del estanque. En los estanques, el grupo más importante de microorganismos son las bacterias , que utilizan la mayor parte de la materia orgánica de las aguas residuales, pero también consumen oxígeno. [ cita requerida ]
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 apoya la respiración realizada por los organismos aeróbicos en el 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 requerida ]
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 lo tanto, la actividad fotosintética se reduce. Esto hace que las concentraciones de oxígeno sean bajas allí. Finalmente, dentro de los sedimentos de la capa inferior, no hay oxígeno en absoluto. Aquí, la materia orgánica se elimina mediante la digestión realizada por organismos anaeróbicos . [6]
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Los patógenos se pueden eliminar de manera eficiente en los estanques de estabilización de desechos. 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 requerida ]
La eliminación de bacterias y virus patógenos se produce principalmente por inactivación. Los patógenos se inactivan como resultado de una interacción compleja 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 las reacciones fotooxidativas que aprovechan las altas concentraciones de oxígeno disuelto. [7] [8]
Los patógenos protozoarios están presentes en las aguas residuales en forma de quistes u ooquistes. Los helmintos (gusanos) están presentes en forma de huevos. Los patógenos protozoarios y helmintos 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 pautas 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 almacenamiento del lodo dentro del estanque. [10]
Los estanques de estabilización de desechos consisten en cuencas artificiales que comprenden una o varias series de estanques anaeróbicos, facultativos o de maduración. [11] La presencia o ausencia de oxígeno varía con los tres tipos diferentes de estanques, utilizados en secuencia. Los estanques de estabilización de desechos anaeróbicos 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 todo el lugar, desde la superficie hasta el fondo.
Las principales configuraciones de los sistemas de estanques son: [4] [13]
Si hay un estanque anaeróbico, parte de los sólidos suspendidos de las aguas residuales se sedimentan, 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 heterotróficas 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 del estanque de estabilización. [6]
Los estanques anaeróbicos reciben aguas residuales crudas . Tienen una superficie menor en comparación con los estanques facultativos y también son más profundos (generalmente de 3,0 a 5,0 m). La profundidad disminuye la influencia de la producción de oxígeno por fotosíntesis, lo que conduce 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 los estanques facultativos y, por lo tanto, disminuye su tamaño requerido. [4] Los estanques de estabilización anaeróbica tienen la desventaja de liberar potencialmente gases malolientes . Esto incluye especialmente sulfuro de hidrógeno con olor a huevos podridos, si el sistema tiene problemas operativos. [14]
El primer bioma de estanque de una serie de estanques de estabilización digiere los sólidos putrescibles suspendidos en las aguas residuales que se están tratando. Los estanques anaeróbicos permiten que los sólidos se sedimenten en el fondo como lodo. Esta sedimentación elimina una parte 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 eficazmente los desechos. [14] Los estanques anaeróbicos contienen organismos anaeróbicos que pueden descomponer los desechos orgánicos complejos en compuestos básicos que son menos dañinos para el medio ambiente. [15] Debido a que los organismos anaeróbicos solo pueden prosperar en temperaturas cálidas, los estanques anaeróbicos no son adecuados para climas templados o fríos. [ cita requerida ]
Los lodos se acumulan en el fondo de los estanques anaeróbicos y es necesario eliminarlos cada pocos años. [ cita requerida ]
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Los estanques de estabilización facultativos que reciben aguas residuales sin tratar se denominan estanques facultativos primarios. Si reciben aguas residuales que ya han sido tratadas en estanques anaeróbicos, se denominan estanques facultativos secundarios. Los estanques de estabilización facultativos también se pueden utilizar para el tratamiento posterior a otros tipos de procesos de tratamiento, como reactores de manto de lodos anaeróbicos de flujo ascendente (UASB), zanjas de oxidación o lagunas aireadas . En comparación con los estanques anaeróbicos, los estanques facultativos son menos profundos (1,5 a 2,5 m de profundidad) y tienen áreas de superficie mucho mayores. El área de superficie es importante porque permite que el oxígeno atmosférico se disuelva y la radiación solar penetre en el agua. Esto permite que se produzca la actividad fotosintética, lo que produce más oxígeno. [ cita requerida ]
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 las bacterias aeróbicas para la respiración y para los procesos de oxidación (o estabilización) de la materia orgánica en las aguas residuales. [ cita requerida ]
En los estanques hay varios tipos de invertebrados que controlan la población de algas , que luego se depositan en el fondo. [15] El crecimiento intenso de algas puede impedir que la luz solar penetre en el estanque. Esto disminuye la posibilidad de que la fotosíntesis aporte oxígeno al estanque. [ cita requerida ]
En el tratamiento de aguas residuales, los sistemas compuestos por lagunas anaeróbicas seguidas de lagunas facultativas suelen tener eficiencias de eliminación de DBO de entre el 75 y el 85 %. Es difícil lograr eficiencias más altas porque el efluente contiene altas concentraciones de materia orgánica particulada, en forma de algas, que se produce naturalmente durante el tratamiento. [ cita requerida ]
Los lodos que componen la capa de sedimentos del estanque se someten a una digestión anaeróbica y pueden acumularse durante varios años sin necesidad de ser eliminados. [ cita requerida ]
Se puede lograr una eliminación adicional de materia orgánica y otros contaminantes en estanques de maduración. Estos estanques solo 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 su uso en riego o acuicultura . Por lo general, se utilizan después de los estanques facultativos, pero también pueden seguir otros procesos de tratamiento, como los reactores de manta anaeróbica de lodos 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 se pueda disolver más oxígeno en el agua, lo que proporciona a las bacterias el oxígeno suficiente 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 altos debido a la intensa fotosíntesis y la penetración de la radiación ultravioleta tiene lugar en las capas superiores. Ambos factores promueven la eliminación de bacterias y virus patógenos. Dada la gran superficie de los estanques de maduración, también se eliminan los quistes de protozoos y los huevos de helmintos, siendo la sedimentación el principal mecanismo. [8] [6]
La acumulación de lodos es muy baja en los estanques de maduración. [ cita requerida ]
Se pueden lograr eficiencias muy altas de eliminación de patógenos, 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), la cantidad de estanques en la serie, la presencia de deflectores y la profundidad de los estanques. [8]
Los estanques de maduración pueden utilizarse en combinación con un depósito de agua de lluvia para formar un depósito de riego ecológico y autopurificante. [17] [18]
Los estanques de estabilización de desechos son muy eficientes en su objetivo principal de eliminar materia orgánica y, en ciertas 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 que es muy importante en áreas remotas y en países en desarrollo donde no se dispone fácilmente de equipo sofisticado y mano de obra altamente calificada. La construcción puede estar a cargo de contratistas locales en pueblos pequeños. [ cita requerida ]
Los estanques de estabilización de desechos funcionan bien en casi todos los entornos y pueden tratar la mayoría de los tipos de aguas residuales . [6] Son particularmente 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 esta razón, son uno de los procesos recomendados por la OMS para el tratamiento de aguas residuales para su reutilización en la agricultura y la acuicultura, especialmente por su eficacia en la eliminación de 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 baja capacidad para eliminar nitrógeno y fósforo . El efluente suele tener altas concentraciones de sólidos suspendidos , resultantes de la producción de algas en los estanques. Por lo tanto, los estanques no son una tecnología adecuada en áreas donde existen estándares de descarga estrictos, a menos que se incluyan etapas adicionales de postratamiento. [19] [14]
Dado que los estanques requieren grandes áreas, es posible que no sean prácticos en las proximidades de las ciudades donde el terreno es caro. También es conveniente que tengan una topografía y una estructura de suelo adecuadas para reducir los costos de construcción. [ cita requerida ]
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En cuanto a la operación y el 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, no es necesario realizar mantenimiento a los equipos pesados y no es necesario retirar, tratar y desechar lodos con frecuencia. [ cita requerida ]
Los estanques requieren muy poco mantenimiento, ya que no se utilizan equipos eléctricos o mecánicos pesados que requieran atención. El único mantenimiento rutinario necesario es el tratamiento preliminar (limpieza de rejillas y eliminación de arena), la revisión rutinaria de tuberías, vertederos y otras estructuras hidráulicas y la eliminación de vegetación no deseada en los terraplenes. [6] [4]
Los lodos se acumulan en el interior de los estanques y sólo es necesario retirarlos en intervalos de varios años, lo que constituye una ventaja importante del sistema. Sin embargo, cuando es necesario retirarlos, suele ser una operación costosa y que requiere mucha mano de obra. La eliminación es más frecuente en los estanques anaeróbicos (cada pocos años), debido a su menor volumen y menor capacidad para almacenar lodos, en comparación con los estanques facultativos. 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 deslogado, puede realizarse de dos maneras básicas: (i) interrumpiendo el funcionamiento del estanque para deslodar o (ii) manteniendo el estanque en funcionamiento mientras se desloda. [6] En el primer caso, se cierra el agua residual que ingresa al estanque que se va a deslodar. Luego, se drena el estanque y se deja secar el lodo del fondo al aire libre durante varias semanas. Durante este período, es necesario desviar el agua residual que se va a tratar a otros estanques del sistema. Una vez que el lodo se ha secado, su eliminación puede realizarse de forma manual (muy laboriosa en estanques grandes) o mecánicamente utilizando tractores o rascadores mecánicos. En la segunda alternativa, cuando el estanque se deja en funcionamiento durante el deslodado, el lodo eliminado estará húmedo y requerirá un secado adicional. Esto se realiza fuera del estanque. La eliminación de lodos puede realizarse por succión y bombeo utilizando camiones de vacío (solo para estanques pequeños), dragado, bombeo desde una balsa o involucrando otro equipo mecánico. En ambos casos, la cantidad de lodos que se deben 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 que son relevantes para cada alternativa, también juegan un papel muy importante los factores de costo. Estos últimos pueden dividirse básicamente en (i) costos de construcción y (ii) costos de operación y mantenimiento. Las lagunas de estabilización de residuos suelen considerarse una alternativa barata en términos de costos de construcción. Sin embargo, los costos finales dependerán esencialmente del tamaño de las lagunas, presencia de lagunas de maduración en la configuración del proceso, topografía, condiciones del suelo, nivel de agua subterránea y costo del terreno. [6]
Como todos estos elementos son específicos del lugar, es difícil generalizar los costos totales de construcción. En la mayoría de los casos, estos serán más bajos en comparación con otras alternativas de tratamiento de aguas residuales. [20] [4] Dependiendo de la situación específica del área, los costos de construcción pueden aumentar y nivelarse con otras tecnologías. [ cita requerida ]
Los estanques 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 los estanques de estabilización de desechos, pero no son lo mismo: [ cita requerida ]
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