Modelación dinámica de la demanda de oxígeno en una laguna aireada facultativa primaria: exceso de sustrato, limitación de oxígeno y efecto de los episodios de lluvia

Abstract

En esta investigación se aplicaron tres modelos dinámicos existentes de lagunas aireadas facultativas (LAF) para el tratamiento de aguas residuales municipales. Se evaluó la capacidad de dichos modelos para la descripción del comportamiento de una laguna primaria. Se compararon las ventajas y limitaciones de los tres modelos existentes. También, se desarrollaron y evaluaron cuatro nuevos modelos dinámicos de LAF basados en flujo con mezcla completa y se aplicaron a una laguna primaria con aireadores superficiales, perteneciente a una región semiárida de México con lluvias intensas episódicas (San Luis Potosí, SLP). Los modelos se calibraron con datos de un periodo de 2 años y se validaron frente a un periodo diferente de 5 años en la misma laguna. Respecto a los modelos existentes: uno de ellos mostró valores de ajuste deficientes en la descripción de la concentración del efluente (R2 de 0.242 y RMSE de 16.8 mg/L); sin embargo, con algunas modificaciones, el ajuste mejoró (R2 de 0.409 y RMSE de 14.0 mg/L); el segundo modelo obtuvo un ajuste de pobre a moderado (0.489 y 13.0 mg/L, respectivamente), y el tercer modelo existente logró un ajuste moderado (0.528 y 11.9 mg/L), con una sobreestimación de la concentración del efluente, especialmente en períodos de lluvia intensa y frecuente; se hicieron algunas modificaciones a este modelo y el ajuste mejoró (R2 de 0.575 y RMSE de 11.4 mg/L). Los ajustes de validación son aún más bajos que los obtenidos en la calibración, lo que demuestra la incapacidad de estos modelos para describir adecuadamente el comportamiento de la LAF y se discuten las posibles causas de la insuficiencia de los modelos. Respecto a los modelos desarrollados y evaluados en esta investigación: El primero de ellos, una modificación de un modelo existente de 3 componentes (DBO o DQO, SSV y oxígeno disuelto) proporcionó una descripción pobre del comportamiento de la laguna, especialmente para los SSV. Debido a que la modelación de la demanda de oxígeno era el principal enfoque del estudio, el modelo de 3 componentes (modelo 3C) se simplificó, dejando la demanda de oxígeno (ya fuera DQO o DBO) como la única variable de estado (modelo 1C). Ya que las condiciones de exceso de sustrato y defecto de oxígeno prevalecen en esta laguna primaria, se asumió que el suministro de oxígeno era limitante en la dinámica de la degradación de la materia orgánica. Este nuevo modelo, aunque mucho más simple que el modelo 3C, proporcionó una descripción similar del sustrato en el efluente. Sin embargo, el modelo 1C, como el modelo 3C, tendió a sobreestimar la concentración de sustrato durante los episodios de lluvia intensa estacionales. Se introdujeron tres modificaciones al modelo (1C2, 1C3 y 1C3r) para tener en cuenta los menores requerimientos de oxígeno por unidad de sustrato observados durante los periodos de lluvia. Estos modelos 1C claramente dieron una mejor descripción del comportamiento de la DQO y DBO (R2 hasta 0.71, en la calibración). En resumen, un modelo de un solo componente, gobernado por la transferencia de oxígeno (1C3) y que tuviera en cuenta el comportamiento específico durante los episodios de lluvia fue capaz de dar una descripción entre regular y buena de la DQO y la DBO, en la laguna primaria. Además se desarrolló una versión dinámica de un modelo térmico preexistente, que proporcionó una estimación entre buena y excelente de la temperatura lagunar: R2=0.918 y error cuadrático medio (RMSE) de 0,84ºC. Estos modelos se proponen como una manera novedosa y más simple de modelar las lagunas aireadas facultativas primarias en climas donde las lagunas no se hielan, al tiempo que se tiene en cuenta el efecto de la temperatura y los picos de caudal ligados a la lluvia.