577x577px|thumb|Esquema de una depuradora por lagunaje. El lagunaje, es una tecnología de tratamiento de aguas residuales de bajo coste consistente en hacer pasar las aguas procedentes de los colectores a través de una serie de depresiones naturales o expresamente construidas para este fin, que reciben el nombre de lagunas, estanques o balsas. Este procedimiento de tratamiento de agua residual es muy simple y se basa en almacenar el agua a tratar en lagunas durante el tiempo necesario para que actúen los mecanismos de autodepuración del agua; principalmente procesos físicos de sedimentación y biológicos de degradación de la materia orgánica mediante microorganismos aerobios y anaerobios. El sistema de tratamiento por lagunas, está basado en varios tipos de lagunas conectadas en serie, en paralelo, o en una combinación de ambas, siendo una tecnología de bajo coste muy adecuada para poblaciones pequeñas (<10.000 habitantes) o de mayor tamaño, pero con poca actividad industrial, que dispongan de espacio suficiente para su implementación y con condiciones climáticas adecuadas (temperatura del agua >16 °C).
El sistema de lagunaje es barato y fácil de mantener pero presenta los inconvenientes de necesitar gran cantidad de espacio y de ser poco adecuado para depurar las aguas residuales de grandes núcleos.
Factores que influyen en la eficacia de las lagunas La eficacia depurativa de las lagunas de tratamiento de agua residual depende de numerosos factores. Estudios realizados del comportamiento de los diferentes tipos de lagunas, han detectado que los siguientes factores tienen especial importancia en el funcionamiento de la purificación del agua residual: Fotosíntesis En los tanques aerobios fotosintéticos, el oxígeno es suministrado principalmente mediante la fotosíntesis de las algas, aunque también contribuye la aireación natural superficial. La materia orgánica del agua residual es oxidada por las bacterias heterotróficas, utilizando el oxígeno producido por las algas. Las algas utilizan la energía solar, con el CO2 y el amoníaco producido por las bacterias, sintetizando materia orgánica, a la vez que producen oxígeno molecular como O2.OSWALD W.J., GOTAAS H.B.,Photosyntesis in Sewage Treatment, transactions ASCE, Vol. 122, 1957 La radiación solar provee luz de longitud de onda corta, adecuada, para la fotosíntesis de las algas. La energía requerida para la fotosíntesis puede obtenerse solamente de luz con longitud de onda entre 400 y 700 nm, la cual corresponde aproximadamente a un 40% de la energía total de la radiación solar. Además, las algas se saturan de luz a intensidades muy inferiores a las de la luz solar plena, lo cual hace que la eficiencia de utilización luminosa, por las algas, en fotosíntesis, sea realmente baja.
Durante el día, las algas pueden producir oxígeno en exceso del requerido para respiración y crear condiciones de sobresaturación con pérdida de parte del oxígeno disuelto a la atmósfera. La oxidación fotosintética permite cargas de DBO de hasta 25 g DBO/m³·d. También es posible obtener el oxígeno de la atmósfera, mediante aireación superficial no forzada, pero en ausencia de oxidación fotosintética, la oxigenación atmosférica es menos eficiente y solo permite cargas de materia orgánica de hasta 5 g DBO/m3·d, para condiciones aeróbicas. UHLMANN D., Hydrobiology, John Wiley & Sons, 1979
El crecimiento de las algas se produce gracias a la presencia de nitrógeno, fósforo y carbono inorgánico y se puede representar por la ecuación del tipo, donde hv representa la energía proveniente de la radiación solar:STUUM W., MORGAN J.J., Aquatic Chemistry, Wiley, 1970.
106CO2 + 122H2O + 16HNO3 + H3PO4 ->[hv] C106H263O110N16P + 138O2
En muchos casos, las algas obtienen el carbono necesario para su crecimiento a partir del ion bicarbonato, cambiando los componentes de la alcalinidad y haciendo que predominen los carbonatos y los hidróxidos.
Las lagunas anaeróbicas, con penetración de luz solar, las bacterias rojas del azufre son capaces de efectuar fotosíntesis, usando H2S en vez de H2O como donante de hidrógeno, de acuerdo con la reacción siguiente:
6CO2 + 12H2S ->[hv] C6H12O6 + 12S + 6H2O
Cuando la concentración de bacterias del azufre se hace muy elevada, el agua de la laguna puede volverse color rojo cereza. En las lagunas fotosintéticas, la presencia de algas verdes da un color verde intenso a la laguna. La presencia de estas algas puede llegar a valores de 108 células/ml. alt=Estanque algas|miniaturadeimagen|267x267px|Efluente de un estanque de algas de alto rendimiento Las especies de algas verdes más comunes son de los géneros Euglena, Chlorella, Chlamydomanas y Scenedesmus. En cuanto a las especies de algas azules, más comunes son las Oscillatoria, Anabaena, Phormidium y Anacystis. En casos en que la carga orgánica y el tiempo de retención lo permiten, puede producirse la aparición y proliferación de crustáceos o rotíferos consumidores de plancton, haciendo que las algas tienden a desaparecer y el proceso de oxidación fotosintética pierda parte de su eficacia.
pH La actividad de fotosíntesis requiere la disponibilidad de una cantidad grande de CO2. En las lagunas facultativas o aeróbicas, el carbono disponible a partir del ion bicarbonato y la producción del ion OH- hace que se produzcan periodos en los cuales el pH es relativamente alto. Así, en las últimas horas diurnas, se pueden alcanzar valores de pH superiores a 9. El desarrollo de un pH demasiado alto hace que la actividad bacteriana disminuya, se reduce la producción de CO2 y el proceso simbiótico se ve disminuido.La utilización casi completa del CO2 disponible, por los procesos de fotosíntesis, puede incrementar el pH hasta llegar a 11. La precipitación del calcio como carbonato, en aguas con alta dureza, ayuda a contener el incremento del pH, ya que la precipitación del carbonato de calcio a partir del bicarbonato presente en el agua se hace con la liberación de H+:
Ca^2+ + HCO3- <=> CaCO3(s) + H+
El pH también afecta la mortalidad de las bacterias en las lagunas de estabilización. Estudios desarrollados en Portugal demuestran que la mortalidad de las bacteria es mayor si el pH es superior a 8,5.PEARSON H. et. al., Physico-Chemical Parameters Influencing Fecal Bacterial Survival in Water Stabilization Ponds. Water Sci. Tsch. Vol. 19, No.12, pp145-152, diciembre 1989. El valor del pH a partir del cual los coliformes mueren varía de un autor a otro, pero en general se acepta que este límite es superior a 9.
Profundidad de la laguna La profundidad óptima de la laguna se ve influenciada, hasta cierto punto, por la superficie del estanque. Hay que tener en cuenta que la aireación y la fotosíntesis se producen preferentemente en las proximidades de la interfase entre el aire y el líquido, que es donde se recibe la mayor iluminación necesaria para los procesos de fotosíntesis de las algas. Por otro lado, los estanques poco profundos favorecen el crecimiento de vegetación emergente. A medida que aumenta la profundidad, la irradiación y el contacto con el oxígeno atmosférico se hace menor y comienzan a darse procesos anaerobios de degradación de la materia orgánica, que generan metano, que podrían describirse mediante la reacción: 2\{CH2O\} -> CH4 + CO2
Esta reacción, en la que {CH2O} denota materia orgánica general no nitrogenada, es en realidad una serie de procesos de biodegradación facilitado por ciertas bacterias anaerobias y que podría ser definida como un proceso redox en el que tanto el agente oxidante como el reductor son sustancias orgánicas y que se produce principalmente en la parte más profunda de la balsa y en los lodos sedimentados en el fondo. La posterior oxidación oxidación bioquímica del metano requiere el aporte de más oxígeno, lo que resta eficacia a aquellas lagunas basadas en procesos aerobios:
CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O
En las lagunas poco profundas el metano (CH4) escapa a la atmósfera, en lagunas profundas puede demandar mucho oxígeno de las capas superiores, aunque el dióxido de carbono (CO2) formado puede participar en la fotosíntesis de las algas. Por consiguiente es importante buscar un compromiso en el diseño de balsas que, además, prevenga el crecimiento de vegetación indeseable. En la mayoría de los casos las lagunas tienen profundidades mayores a 1 m, lo cual es suficiente para prevenir dichos crecimientos. La intensidad de la mezcla también es función de la profundidad; a menor profundidad el viento provee mayor mezcla y, además, se tendrá mayor área superficie, lo que favorece la aireación superficial. La profundidad también afecta la temperatura de la laguna, a mayor profundidad se pierde menos calor lo que permite una descomposición más intensa. En diseños por carga superficial, la profundidad aumenta con el tiempo de retención y constituye un factor determinante de las dimensiones físicas de la laguna para proveer eficiencias específicas de remoción de coliformes fecales. Con base en investigaciones recientes la tendencia es a considerar profundidades mayores a 1,5 m con el objetivo de proveer volumen adicional para almacenar los lodos y porque en algunos casos aparentemente la remoción del DBO es más función de la carga orgánica volumétrica que de la carga orgánica superficial.
Nutrientes Entre los nutrientes esenciales para el crecimiento de las algas están obviamente el carbono, el nitrógeno, el fósforo, el calcio y el magnesio. Nitrógeno El nitrógeno generalmente está presente en las aguas residuales en forma de nitrógeno amoniacal, nitrógeno orgánico y nitratos. Además, algunas especies de algas y bacterias fijadoras de nitrógeno, lo absorben de la atmósfera para convertirlo en especies solubles como nitrato o amonio. Las proteínas procedentes de la materia orgánica de origen vegetal o animal son hidrolizadas y convertidas en aminoácidos, que a su vez pueden ser descompuestos por otras bacterias y convertidas en amoníaco o en sales de amonio, dependiendo del pH. NH3 + H+ <=> NH4+ Este proceso tiende a elevar el pH. El proceso continúa mediante oxidación asistido por bacterias nitrificantes, produciendo nitritos y nitratos: NH4+ + 2O2 -> NO3- + 2H+ + H2O Para que acontezca la nitrificación el pH debe estar entre 7 y 9, para no inhibir el desarrollo de las Nitrosomonas. Las algas, al utilizar amoníaco como fuente de nitrógeno para construir su material celular, consumen nitrógeno y disminuyen la demanda de oxígeno del agua residual.
Fósforo El contenido de fósforo de las aguas residuales municipales es generalmente suficiente para permitir el crecimiento de las algas. Este fósforo proviene básicamente de los detergentes, excrementos, orina y residuos de alimentos. El fósforo en aguas residuales se presenta como ortofosfatos, polifosfatos y fósforo orgánico, el cual fácilmente se convierte en ortofosfatos. Las algas utilizan el fósforo inorgánico y lo asimilan en síntesis celular; las bacterias y las algas son fuente de fósforo orgánico a través de su respiración y descomposición. La proporción de fósforo en las células de las algas no excede el 1,5%, por lo tanto, un agua con 5 mg/L de fósforo, puede permitir el crecimiento de más de 330 mg/L de células de algas.
Magnesio y Potasio El magnesio y el potasio pueden constituir un 1% y 0,5%, respectivamente, de las células de las algas; por lo tanto no limitan su crecimiento pues se encuentran disponibles en cantidades más que suficientes en las aguas residuales.
Sedimentación de lodos