Las lagunas de maduración son sistemas naturales de tratamiento de aguas residuales que utilizan procesos biológicos para depurar el agua.
La tecnología de depuración de aguas residuales conocida con el nombre genérico de Lagunaje, se caracteriza por reproducir en unas balsas construidas al efecto, los fenómenos de autodepuración que se dan de forma natural en ríos y lagos.
Las lagunas de estabilización son cuerpos de agua creados artificialmente por el hombre. Las lagunas pueden utilizarse individualmente o vincularse en serie para mejorar el tratamiento (TILLEY et al. 2018).
Las lagunas de estabilización figuran entre los métodos más comunes y eficientes de tratamiento de aguas residuales en el mundo (TILLEY et al. 2018). En México, constituyen el proceso de tratamiento de aguas residuales más utilizado, con un poco más del 31% del total de plantas de tratamiento instaladas (CONAGUA 2015a).
Qué es una laguna de maduración
Las lagunas de maduración son también llamadas aerobias o de oxidación al operar con bajas cargas orgánicas y darse condiciones propicias para la penetración de la radiación solar, predominan las condiciones de suficiencia de oxígeno y, en consecuencia, habitan microorganismos aerobios.
Las lagunas de maduración, también conocidas como lagunas facultativas, son estanques o cuerpos de agua poco profundos diseñados para tratar aguas residuales mediante la acción combinada de microorganismos, la luz solar y la sedimentación.
A diferencia de las lagunas anaerobias y facultativas que están diseñadas para la remoción de la DBO, las lagunas aerobias están diseñadas para remover patógenos.
Principalmente, las lagunas aerobias sirven para perfeccionar el tratamiento, eliminando los gérmenes patógenos residuales.
Tipos de lagunas de estabilización
Fundamentalmente son tres los tipos de lagunas existentes: Anaerobias, Facultativas y de Maduración.
Hay tres tipos de lagunas: 1) anaerobias, 2) facultativas y 3) aerobias (maduración), cada una con características de diseño y tratamiento diferentes (TILLEY et al. 2018).
Para dar un tratamiento más eficaz a las aguas residuales, las lagunas deben vincularse, en una serie de tres o más, con el efluente que sale de la laguna anaerobia a la laguna facultativa y, por último, a la laguna aerobia (TILLEY et al. 2018).
Laguna anaerobia
La laguna anaerobia es la primera etapa del tratamiento y reduce la carga orgánica en las aguas residuales.
Las lagunas "anaerobias" son estanques bastante profundos donde la degradación ocurre en ausencia de oxígeno.
Para garantizar esta condición, la profundidad del estanque debe ser del orden de los 2,5 a 5 m.
No se airea el agua, no se remueve, ni se calienta.
La remoción de sólidos y DBO se produce por sedimentación y a través de la subsecuente digestión anaerobia dentro del lodo.
Las bacterias anaerobias convierten el carbono orgánico en metano y, a través de este proceso, remueven hasta 60% de la DBO (TILLEY et al. 2018).
Una laguna anaerobia se construye a una profundidad de 2 a 5 m y tiene un tiempo de retención relativamente corto, de 1 a 7 días.
Laguna facultativa
En una serie de lagunas, el efluente de la laguna anaerobia se transfiere a la laguna facultativa, donde se remueve más DBO.
Las lagunas "facultativas" son menos profundas (1,2 m a 2,4 m).
La capa superior de la laguna recibe oxígeno, mientras que la capa más baja se priva de oxígeno y se vuelve anaerobia.
Los sólidos sedimentables se acumulan y son digeridos en el fondo de la laguna.
Los organismos anaerobios y aerobios trabajan juntos para lograr reducciones de DBO hasta de 75% (TILLEY et al. 2018).
Las lagunas facultativas deben construirse a una profundidad de entre 1 y 2.5 m y tener un tiempo de retención de 5 a 30 días.
Laguna aerobia o de maduración
Las lagunas "aerobias", a veces llamadas lagunas de maduración, se airean y el agua circula de forma artificial, el aire favorece la degradación de los residuos.
Este tipo de laguna es menos profunda para permitir que la luz del sol penetre hasta el fondo para que se dé la fotosíntesis.
Las algas fotosintéticas liberan oxígeno en el agua y, al mismo tiempo, consumen el dióxido de carbono producido por la respiración de bacterias (TILLEY et al. 2018).
Las algas y plantas se alimentan de los elementos disueltos por las bacterias y se desarrollan por fotosíntesis.
Las partículas sólidas caen y se digieren en el fondo de la laguna.
Suelen tener poca profundidad, menos de 1,5 m, para permitir que la luz favorezca la fotosíntesis y la depuración.
Paletas remueven lentamente el agua, lo que provoca la producción intensiva de algas y oxígeno.
Así, la superficie necesaria para los estanques de este tipo puede ser hasta 5 veces inferior a la de los otros tipos de estanques.
Las lagunas aeróbicas (de maduración) suelen tener entre 0.5 y 1.5 m de profundidad y un tiempo de retención de 5 a 20 días (CONAGUA 2015a; TILLEY et al. 2018).
Su profundidad suele estar comprendida entre 0,8-1 m y los tiempos de retención alcanzan los 5 días, como mínimo.
Debido a que el agua que llega a estos estanques presenta un alto grado de mineralización de la materia orgánica, la demanda de oxígeno disuelto es mucho menor que en los facultativos, y la fotosíntesis y la aireación superficial permiten obtener un ambiente aerobio en toda la columna de agua.
| Tipo de laguna | Profundidad | Tiempo de retención | Función principal |
|---|---|---|---|
| Anaerobia | 2 a 5 m | 1 a 7 días | Reducción de la carga orgánica y de la DBO |
| Facultativa | 1 a 2.5 m | 5 a 30 días | Remoción adicional de DBO |
| Aeróbica o de maduración | 0.5 a 1.5 m | 5 a 20 días | Remoción de patógenos |
Cómo funciona una laguna de maduración
La particularidad es que en estos estanques viven bacterias que tienen la capacidad y el tiempo de degradar los contaminantes sin intervención exterior.
El lagunaje suele realizarse por distribución de las aguas residuales, tras desbaste, separación de grasas y separación de aceites, en tres estanques en serie, incluso más.
Por lo general, el tratamiento empieza en la laguna anaerobia, prosigue en la laguna facultativa y termina en la laguna aerobia.
En las lagunas de maduración, la materia orgánica ya ha sido reducida en las etapas anteriores, por lo que la carga contaminante es menor y predominan los procesos asociados a la radiación solar, la fotosíntesis, la aireación superficial, la sedimentación y la actividad de los microorganismos aerobios.
Idealmente, se pueden construir varias lagunas aeróbicas en serie para proveer un alto nivel de eliminación de patógenos.
La eficiencia de remoción de microorganismos depende del número de lagunas en serie, del tiempo total de retención y algunos factores ambientales (radiación solar, temperatura, fuerza del viento) (CONAGUA 2015c).
Contaminantes y microorganismos eliminados
Las lagunas de estabilización permiten eliminar de manera eficiente los microorganismos patógenos, así como los quistes y huevos de parásitos intestinales del efluente.
Cuando las lagunas estén bien diseñadas y operadas, es posible obtener un efluente con una concentración de 1000 coliformes fecales por 100 mililitros, que puede ser reutilizado en agricultura o descargado a los cuerpos de agua sin riesgo para la salud (CONAGUA 2015c; CIDTA s.f.).
Para reúso en agricultura en países tropicales y subtropicales, la Organización Mundial y Panamericana de la Salud recomiendan como mínimo de 4 a 5 celdas o estanques, con tiempos totales de retención de entre 10 y 20 días o superiores.
Para el riego de cultivos que se consumen crudos, es necesario realizar un tratamiento de desinfección adicional (CONAGUA 2015c).
Aunque el efluente de las lagunas aeróbicas generalmente es bajo en patógenos, de ninguna manera debe ser utilizado para recreación o como fuente directa de agua para el consumo doméstico (TILLEY et al. 2018).
Si se usa en combinación con algas o acuicultura, este tipo de laguna es eficaz para remover la mayoría de nitrógeno y fósforo del efluente (TILLEY et al. 2018).
Diseño de una laguna de maduración
Su diseño y construcción requieren una planificación cuidadosa y el conocimiento de los procesos biológicos involucrados.
Para el diseño del sistema de tratamiento, se debe conocer el caudal a tratar, la temperatura del mes más frío, las concentraciones de contaminantes en el afluente, así como el objetivo de tratamiento (norma a cumplir).
Selección del sitio
La ubicación es un factor crucial.
Su mayor limitante es el área disponible para su aplicación, por lo que resultan especialmente apropiadas para comunidades rurales y periurbanas que cuentan con terrenos grandes sin uso, a una distancia razonable de las viviendas y los espacios públicos (TILLEY et al. 2018).
Esta técnica se adapta bien con el tratamiento de los efluentes domésticos e industriales y funciona en la mayoría de los continentes, pero más bien bajo climas bastante templados y no áridos.
Excavación y preparación del terreno
Una vez seleccionado el sitio, se procede a la excavación según las dimensiones planeadas.
Para la realización de lagunas, los costos más importantes corresponden a los trabajos de excavación de los estanques que precisan mucha mano de obra y tubería.
Este costo varía según la zona y el tipo de suelo ya que si el suelo es permeable debe impermeabilizarse.
Impermeabilización
Después de la excavación, se coloca el revestimiento impermeable para evitar la filtración.
Estructuras de entrada y salida
Estas estructuras deben ser construidas con materiales duraderos y resistentes a la corrosión.
Para proteger la laguna de la escorrentía y la erosión, debe construirse un bordo de protección alrededor de la laguna.
Se puede construir con el material excavado si éste es de buena calidad (TILLEY et al. 2018; CONAGUA 2007).
El bordo no debe tener un ancho menor a 3 metros para permitir el tránsito para la operación de la laguna.
Puede ser necesario incorporar un filtro dentro del bordo para evitar que el agua infiltrada alcance a salir por el talud seco del bordo (CONAGUA 2007).
Pretratamiento
El pretratamiento es esencial para prevenir la formación de espuma e impedir que el exceso de sólidos y basura entre en las lagunas (TILLEY et al. 2018).
Para remover sólidos flotantes grandes y arena se pueden colocar rejillas y/o desarenadores antes de que las aguas residuales lleguen a la laguna (CONAGUA 2007).
Llenado y puesta en marcha
Una vez completada la construcción, la laguna se llena con agua y se inicia el proceso de maduración, que puede tardar varias semanas.
Operación y mantenimiento
El mantenimiento de las lagunas de maduración es relativamente sencillo.
Incluye la remoción periódica de lodos acumulados, el control de algas y plantas acuáticas, y la revisión de las estructuras de entrada y salida.
Se deben realizar muestreos periódicos para verificar las condiciones de calidad del efluente (CONAGUA 2015b).
Control de espuma y vegetación
La espuma que se acumula en la superficie de la laguna debe ser removida periódicamente.
Las plantas acuáticas (macrófita) que crecen en la laguna y su litoral también deben sacarse, ya que pueden proporcionar un hábitat de cría para mosquitos, atraer roedores que pueden debilitar los bordos de la laguna e impedir que la luz penetre en la columna de agua (TILLEY et al. 2018; CONAGUA 2015b).
Para mejorar la eficacia del lagunaje, suele procederse al uso de plantas de este tipo como microalgas o lechugas de agua (micrófitos), y vegetales flotantes o plantados como las cañas (macrófitas) que tienen muchas capacidades naturales de depuración.
Las lagunas de macrófitos son muy eficaces para el tratamiento de las aguas cargadas de sólidos y fósforo.
Gestión de lodos
Las lagunas de estabilización producen efluentes y también lodos.
La acumulación de lodo se debe a la materia orgánica digerida y a la arena que no es retirada por los desarenadores durante el pre-tratamiento (CONAGUA 2015b).
La laguna anaerobia debe ser desenlodada cuando los sólidos acumulados alcancen un tercio del volumen de la laguna, en general en un periodo entre 2 a 5 años (TILLEY et al. 2018; CONAGUA 2015b); en las lagunas facultativas la remoción de lodo es menos frecuente; las lagunas de maduración casi nunca necesitan desenlodarse (TILLEY et al. 2018).
Los lodos sedimentados en el fondo de los estanques deben evacuarse por períodos de 5 a 10 años.
La diferencia entre estas frecuencias depende del tipo de laguna, de la cantidad de sólidos que recibe y de las condiciones concretas de operación.
La remoción de lodo puede hacerse por vía húmeda, utilizando una bomba de lodo montado en balsa, o por vía seca, pasando el efluente a otra unidad y dejando que el lodo que quede expuesto al aire se deje secar por evaporación (TILLEY et al. 2018; CONAGUA 2015b).
El primer método tiene el inconveniente de que los lodos todavía no son utilizables, por lo que solamente resulta conveniente cuando no se dispone de ninguna otra unidad que reemplace a la laguna anaerobia durante la operación de limpieza (CONAGUA 2015b).
Seguridad y control sanitario
Además, las lagunas de estabilización deben cercarse para evitar la presencia de personas ajenas o animales.
En las proximidades de la laguna deben estar disponibles embarcación, cuerdas y salvavidas para tomas de muestras y respuesta a emergencias (TILLEY et al.
Es fundamental cumplir con las normativas ambientales y de salud pública al diseñar y operar una laguna de maduración.
El efluente tratado no debe confundirse con agua potable ni utilizarse para actividades recreativas.
Ventajas y limitaciones
- Costos de funcionamiento y mantenimiento bajos.
- Vida útil de 15 a 20 años.
- Las lagunas de estabilización permiten eliminar de manera eficiente los microorganismos patógenos, así como los quistes y huevos de parásitos intestinales del efluente.
- Tiene la ventaja adicional de que es relativamente fácil de operar, por lo que no requiere grandes capacidades técnicas (CONAGUA 2015a).
- Una vez debidamente capacitadas, las comunidades pueden participar a la operación del sistema y utilizar los productos generados -lodo y efluente - para la mejora de suelos agrícolas y el riego, contribuyendo a la mejora de la economía local (GALBÁN 2009).
Su mayor limitante es el área disponible para su aplicación, por lo que resultan especialmente apropiadas para comunidades rurales y periurbanas que cuentan con terrenos grandes sin uso, a una distancia razonable de las viviendas y los espacios públicos (TILLEY et al. 2018).
También se puede combinar tecnologías como el uso de lagunas facultativas con reactores anaeróbicos de flujo ascendente (RAFA), reduciéndose el requerimiento de terrenos extensos (BROWN 2004).
Las instalaciones de lagunaje permiten optimizar el tratamiento de la contaminación que, en vez de asfixiar la naturaleza, la alimentan.
Es un tratamiento biológico, es decir ecológico, respetuoso con el medio ambiente, facilitado por las radiaciones solares.
Aplicaciones en comunidades y plantas depuradoras
Las lagunas de estabilización forman parte del sistema de tratamiento de aguas negras con conducción de efluente (con alcantarillado libre de sólidos) y el sistema de conducción de aguas negras a tratamiento (con alcantarillado simplificado).
Por tanto, esta tecnología se aplica en poblados de hasta 2500 habitantes con capacidades y recursos, con suficiente agua y con agua escasa.
Además, las lagunas de estabilización forman parte de la batería de tecnologías para tratar el efluente de la separación líquido-sólido de los lodos en una planta de tratamiento de lodos, por lo que también forma parte del sistema de cámara simple y el sistema de tratamiento de aguas negras con infiltración.
Sin embargo, esto es posible sólo si la comunidad cuenta con una entidad que vacíe las cámaras, transporte y trate el lodo.
Por estas razones, forma del paquete tecnológico propuesto por la Comisión Nacional del Agua y el Instituto Mexicano de Tecnología del Agua -IMTA- para el tratamiento de excretas y aguas residuales en comunidades rurales de hasta 2500 habitantes (CONAGUA 2015a).
En el marco del Programa para la Sostenibilidad de los Servicios de Agua Potable y Saneamiento en Comunidades Rurales (PROSSAPYS), se han construido lagunas de estabilización en varias localidades de Chihuahua: El Porvenir, municipio de Camargo, Boquilla de San José, municipio de San Francisco del Oro y La Quemada en el municipio de Cuauhtémoc; así como en otras comunidades de Sinaloa, Durango y Aguascalientes (ZURITA et al. 2011).
Ejemplo de planta de lagunaje natural
Incatema Consulting & Engineering está desarrollando las obras de rehabilitación y mejora de la estación de excretas de Titanyen (Haití) tras haber sido la adjudicataria de un contrato por un valor total de 1.661.140 € encargado por la Dirección Nacional de Agua Potable y Abastecimiento de Haití (DINEPA).
El objetivo de este proyecto es remodelar la planta existente, actualmente en desuso, de manera acorde a las actuales necesidades de tratamiento de excretas en la zona, en un plazo de 8 meses.
Dadas las características de los residuos a tratar en la planta de excretas, con altas concentraciones de materia orgánica, se ha elegido un proceso de tratamiento mediante lagunaje natural que consta de una línea de agua y una línea de fangos.
En concreto, la planta de Titanyen se compone de 4 lagunas para el tratamiento anaerobio de 1.735 m3 de volumen cada una de ellas y que trabajan de forma paralela.
El tratamiento del caudal de aguas residuales termina en una línea de fangos compuesta por cinco eras de secado con drenaje de arena y grava, y un área más de secado que comprende una instalación de 503 m2 donde se deposita el lodo procedente de las lagunas anaerobias para su posterior compostaje.
De forma complementaria, Incatema ha proyectado además un filtro verde de 19.500 m2 cuya función es la de producir materia vegetal que se pueda utilizar como estructurante en el proceso de compostaje de los lodos generados durante la depuración de las aguas, potenciando así la circularidad del sistema.
Por último, la planta de excretas de Titanyen dispone de una instalación fotovoltaica propia para el autoconsumo.
Esta instalación cuenta con un total de 50 paneles solares de 340 W/ud.
👷🏻♂️ Como funcionan las Lagunas de oxidación de aguas residuales
Costes y ejemplos de implantación
Para la realización de lagunas, los costos más importantes corresponden a los trabajos de excavación de los estanques que precisan mucha mano de obra y tubería.
Este costo varía según la zona y el tipo de suelo ya que si el suelo es permeable debe impermeabilizarse.
| Ubicación | Año | Superficie | Caudal | Coste |
|---|---|---|---|---|
| Ghapet, Costa de Marfil | 2002 | 0,8 ha | 180 m3/día | 182 000 euros |
| Accra, Ghana, West Tema | 2005 | 8,8 ha | 833 m3/día | cerca de un millón de euros |
Las lagunas de estabilización son una solución efectiva y sostenible para el tratamiento de aguas residuales cuando existe superficie suficiente, se selecciona adecuadamente el sitio y se mantienen bajo control el caudal, la carga contaminante, el tiempo de retención, la vegetación, los lodos y la calidad del efluente.
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