El proceso de lodos activados es un tipo de proceso de tratamiento biológico de aguas residuales para el tratamiento de aguas residuales o industriales mediante aireación y un flóculo biológico compuesto por bacterias y protozoos . Utiliza aire (u oxígeno ) y microorganismos para oxidar biológicamente contaminantes orgánicos, produciendo un lodo residual (o flóculo ) que contiene el material oxidado.
El proceso de lodos activados para eliminar la contaminación carbonosa comienza con un tanque de aireación donde se inyecta aire (u oxígeno) al agua residual. A esto le sigue un tanque de sedimentación para permitir que los flóculos biológicos (la capa de lodo) se sedimenten, separando así el lodo biológico del agua clara tratada. Parte de los lodos residuales se recicla al tanque de aireación y el lodo residual restante se elimina para su posterior tratamiento y eliminación final.
Los tipos de plantas incluyen plantas paquete, zanjas de oxidación, pozo profundo/tratamiento vertical, cuencas aireadas en la superficie y reactores discontinuos de secuenciación (SBR). Los métodos de aireación incluyen aireación difusa, aireadores de superficie (conos) o, raramente, aireación con oxígeno puro.
Puede producirse una acumulación de lodos , lo que dificulta la sedimentación de los lodos activados y, con frecuencia, tiene un impacto adverso en la calidad final del efluente. Tratar la acumulación de lodos y gestionar la planta para evitar una recurrencia requiere una gestión cualificada y puede requerir personal de tiempo completo en la planta para permitir una intervención inmediata. [1] Un nuevo desarrollo del proceso de lodos activados es el proceso Nereda que produce un lodo granular que sedimenta muy bien. [2] [3]
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El proceso de lodos activados es un proceso biológico que se utiliza para oxidar materia biológica carbonosa , oxidando materia nitrogenada (principalmente amonio y nitrógeno ) en la materia biológica y eliminando nutrientes (nitrógeno y fósforo).
El proceso aprovecha los microorganismos aeróbicos que pueden digerir la materia orgánica en las aguas residuales y agruparse mediante floculación atrapando partículas finas mientras lo hacen. De este modo se produce un líquido que está relativamente libre de sólidos suspendidos y material orgánico, y de partículas floculadas que se sedimentarán fácilmente y podrán eliminarse. [4]
La disposición general de un proceso de lodos activados para eliminar la contaminación carbonosa incluye los siguientes elementos:
El tratamiento de materias nitrogenadas o fosforadas comprende la adición de un compartimento anóxico en el interior del tanque de aireación para realizar de forma más eficiente el proceso de nitrificación-desnitrificación. Primero, el amoníaco se oxida a nitrito, que luego se convierte en nitrato en condiciones aeróbicas (compartimento de aireación). Luego, las bacterias facultativas reducen el nitrato a nitrógeno gaseoso en condiciones anóxicas (compartimento anóxico). Además, los organismos utilizados para la absorción de fósforo (organismos acumuladores de polifosfato) son más eficientes en condiciones anóxicas. Estos microorganismos acumulan grandes cantidades de fosfatos en sus células y son sedimentados en el clarificador secundario o eliminados como residuos de lodos activados (WAS). El rendimiento de PAO (organismos acumuladores de polifosfato) se reduce entre un 70 y un 80 % en condiciones aeróbicas. Aunque el fósforo se puede eliminar aguas arriba del tanque de aireación mediante precipitación química (agregando iones metálicos como calcio, aluminio o hierro), la eliminación biológica del fósforo es más económica debido al ahorro de productos químicos.
El proceso implica la introducción de aire u oxígeno en una mezcla de aguas residuales filtradas y tratadas primariamente o aguas residuales industriales ( aguas residuales ) combinadas con organismos para desarrollar un flóculo biológico que reduce el contenido orgánico de las aguas residuales . Este material, que en lodos sanos es un flóculo marrón, está compuesto en gran parte por bacterias saprotróficas , pero también tiene un importante componente de flora protozoaria compuesta principalmente por amebas , espirotricos , peritriches, incluidos vorticélidos y una variedad de otras especies que se alimentan por filtración. Otros constituyentes importantes incluyen los rotíferos móviles y sedentarios . En los lodos activados mal gestionados, se puede desarrollar una variedad de bacterias filamentosas mucilaginosas , incluidas Sphaerotilus natans , Gordonia , [5] y otros microorganismos, lo que produce un lodo que es difícil de sedimentar y puede provocar que el manto de lodo se decante sobre los vertederos en el tanque de sedimentación para contaminar severamente la calidad del efluente final. Este material a menudo se describe como hongos de aguas residuales, pero las verdaderas comunidades de hongos son relativamente poco comunes.
La combinación de aguas residuales y masa biológica se conoce comúnmente como licor mixto . En todas las plantas de lodos activados, una vez que las aguas residuales han recibido suficiente tratamiento, el exceso de licor mezclado se descarga en tanques de sedimentación y el sobrenadante tratado se escurre para someterse a un tratamiento adicional antes de su descarga. Parte del material sedimentado, los lodos , se devuelve a la cabecera del sistema de aireación para resembrar las nuevas aguas residuales que entran al tanque. Esta fracción del flóculo se denomina lodo activado de retorno (RAS).
El espacio requerido para una planta de tratamiento de aguas residuales se puede reducir mediante el uso de un biorreactor de membrana para eliminar parte de las aguas residuales del licor mezclado antes del tratamiento. Esto da como resultado un producto de desecho más concentrado que luego puede tratarse mediante el proceso de lodos activados.
Muchas plantas de tratamiento de aguas residuales utilizan bombas de flujo axial para transferir licor mixto nitrificado desde la zona de aireación a la zona anóxica para la desnitrificación. Estas bombas a menudo se denominan bombas internas de reciclaje de licor mixto (bombas IMLR). Las aguas residuales brutas, el RAS y el licor mixto nitrificado se mezclan mediante mezcladores sumergibles en las zonas anóxicas para lograr la desnitrificación.
Lodos activados es también el nombre que se le da al material biológico activo producido por las plantas de lodos activados. El exceso de lodo se denomina "lodo activado excedente" o "lodo activado residual" y se elimina del proceso de tratamiento para mantener en equilibrio la relación "alimento a biomasa" (F/M) (donde biomasa se refiere al lodo activado). Estos lodos de depuradora generalmente se mezclan con lodos primarios de los clarificadores primarios y se someten a un tratamiento adicional de lodos , por ejemplo mediante digestión anaeróbica , seguido de espesamiento, deshidratación, compostaje y aplicación al suelo.
La cantidad de lodos de depuradora producida a partir del proceso de lodos activados es directamente proporcional a la cantidad de aguas residuales tratadas. La producción total de lodos consiste en la suma de los lodos primarios de los tanques de sedimentación primarios y los lodos activados residuales de los biorreactores. El proceso de lodos activados produce alrededor de 70 a 100 gramos por metro cúbico (1,9 a 2,7 oz/yd3) de lodos activados residuales (es decir, gramos de sólidos secos producidos por metro cúbico de aguas residuales tratadas). Se considera típico 80 gramos por metro cúbico (2,2 oz/cu yd). [6] Además, se producen alrededor de 110 a 170 gramos por metro cúbico (3,0 a 4,6 oz/yd3) de lodo primario en los tanques de sedimentación primarios que utilizan la mayoría, pero no todas, las configuraciones de proceso de lodo activado. [6]
El método general de control del proceso es monitorear el nivel del manto de lodo, SVI (índice de volumen de lodo), MCRT (tiempo medio de residencia de las células), F/M (alimento a microorganismo), así como la biota del lodo activado y los principales nutrientes DO. ( Oxígeno disuelto ), nitrógeno , fosfato , DBO ( demanda bioquímica de oxígeno ) y DQO ( demanda química de oxígeno ). En el sistema reactor/aireador y clarificador, el manto de lodo se mide desde el fondo del clarificador hasta el nivel de sólidos sedimentados en la columna de agua del clarificador; esto, en plantas grandes, se puede realizar hasta tres veces al día.
El SVI es el volumen de lodos sedimentados ocupado por una masa determinada de sólidos de lodos secos. Se calcula dividiendo el volumen de lodos sedimentados en una muestra de licor mixto, medido en mililitros por litro de muestra (después de 30 minutos de sedimentación), por el MLSS (Sólidos Suspendidos de Licor Mixto), medido en gramos por litro. [7] [8] El MCRT es la masa total (en kilogramos o libras) de sólidos suspendidos de licor mixto en el aireador y clarificador dividida por el caudal másico (en kilogramos/libras por día) de sólidos suspendidos de licor mixto que salen como WAS. y efluente final. [7] [8] El F/M es la relación entre el alimento que se suministra a los microorganismos cada día y la masa de microorganismos mantenidos bajo aireación. Específicamente, es la cantidad de DBO alimentada al aireador (en kilogramos/libras por día) dividida por la cantidad (en kilogramos o libras) de sólidos suspendidos volátiles de licores mixtos (MLVSS) bajo aireación. Nota: Algunas referencias utilizan MLSS (sólidos suspendidos en licor mixto) por conveniencia, pero MLVSS se considera más preciso para la medición de microorganismos. [7] [8] Nuevamente, debido a la conveniencia, generalmente se usa DQO, en lugar de DBO, ya que la DBO tarda cinco días en obtener resultados.
Con base en estos métodos de control, la cantidad de sólidos sedimentados en el licor mezclado se puede variar desperdiciando lodo activado (WAS) o devolviendo lodo activado (RAS). [ cita necesaria ] El lodo activado de retorno está diseñado para reciclar una porción del lodo activado del clarificador secundario de regreso al tanque de aireación. Suele incluir una bomba que retira la porción. La línea RAS está diseñada considerando el potencial de obstrucción, sedimentación y otros problemas relacionados que logran impactar el flujo del lodo activado de regreso al tanque de aireación. Esta línea debe manejar el flujo requerido de la planta y debe estar diseñada para minimizar el riesgo de sedimentación o acumulación de sólidos.
El amonio puede tener efectos tóxicos en los organismos acuáticos. La nitrificación también se produce en los cuerpos de agua, lo que conduce al agotamiento del oxígeno. Además, el nitrato y el amonio son nutrientes eutóficos (fertilizantes) que pueden perjudicar las masas de agua. Por estas razones, es necesaria la nitrificación y, en muchos casos, la eliminación del nitrógeno.
Se requieren dos pasos especiales para la eliminación de nitrógeno:
a) Nitrificación: Oxidación del nitrógeno amónico y del nitrógeno ligado orgánicamente a nitrato. La nitrificación es muy sensible a los inhibidores y puede provocar un valor de pH en agua mal tamponada. [9]
La nitrificación se lleva a cabo en los siguientes pasos:
esto resulta en:
La nitrificación está asociada con la producción de ácido (H+). Esto ejerce presión sobre la capacidad tampón del agua o puede producirse un cambio en el valor del pH, lo que perjudica el proceso.
b) Desnitrificación: Reducción del nitrógeno nitrato a nitrógeno molecular, que escapa de las aguas residuales a la atmósfera. Este paso puede ser realizado por microorganismos que se encuentran comúnmente en las plantas de tratamiento de aguas residuales. Sin embargo, estos sólo utilizan el nitrato como aceptor de electrones si no hay oxígeno disuelto.
Por lo tanto, para que se produzca la desnitrificación en el proceso de lodos activados, también debe estar presente una fuente de electrones, un reductor, que pueda reducir una cantidad suficiente de nitrato a N2. Si hay muy poco sustrato en las aguas residuales brutas, éste se puede añadir artificialmente. Además, la desnitrificación corrige el cambio en la concentración de H+ (cambio del valor del pH) que se produce durante la nitrificación. Esto es particularmente importante para el agua mal amortiguada.
La nitrificación y la desnitrificación están en considerable contradicción en cuanto a las condiciones ambientales requeridas. La nitrificación requiere oxígeno y CO2. La desnitrificación sólo se produce en ausencia de oxígeno disuelto y con un aporte suficiente de sustancias oxidables.
Existen diversos tipos de plantas de lodos activados. [10] Estos incluyen:
Existe una amplia gama de tipos de plantas empaquetadas, que a menudo prestan servicios a pequeñas comunidades o plantas industriales que pueden utilizar procesos de tratamiento híbridos que a menudo implican el uso de lodos aeróbicos para tratar las aguas residuales entrantes. En tales plantas se puede omitir la etapa de tratamiento de asentamiento primario. En estas plantas se crea un flóculo biótico que proporciona el sustrato necesario. Las plantas empaquetadas son diseñadas y fabricadas por empresas de ingeniería especializadas en dimensiones que permiten su transporte al lugar de trabajo en carreteras públicas, generalmente con un ancho y alto de 3,7 por 3,7 metros (12 pies × 12 pies). La longitud varía según la capacidad; las plantas más grandes se fabrican en piezas y se sueldan en el sitio. Se prefiere el acero a los materiales sintéticos (p. ej., plástico) por su durabilidad. Las plantas paquete son comúnmente variantes de aireación extendida , para promover el enfoque de "instalar y olvidar" requerido por comunidades pequeñas sin personal operativo dedicado. Existen varios estándares para ayudar con su diseño. [11] [12] [13]
Para utilizar menos espacio, tratar residuos difíciles y flujos intermitentes, se han producido varios diseños de plantas de tratamiento híbridas. Estas plantas suelen combinar al menos dos etapas de las tres etapas de tratamiento principales en una etapa combinada. En el Reino Unido, donde un gran número de plantas de tratamiento de aguas residuales atienden a poblaciones pequeñas, las plantas empaquetadas son una alternativa viable a la construcción de una gran estructura para cada etapa del proceso. En Estados Unidos, las plantas empaquetadas se utilizan normalmente en áreas rurales, áreas de descanso en carreteras y parques de casas rodantes. [14]
Las plantas empaquetadas pueden denominarse de carga alta o de carga baja . Esto se refiere a la forma en que se procesa la carga biológica. En sistemas de alta carga, la etapa biológica se presenta con una alta carga orgánica y luego el flóculo y el material orgánico combinados se oxigenan durante unas horas antes de cargarse nuevamente con una nueva carga. En el sistema de carga baja, la etapa biológica contiene una carga orgánica baja y se combina con floculado durante períodos más prolongados.
En algunas áreas, donde hay más terreno disponible, las aguas residuales se tratan en grandes zanjas redondas u ovaladas con uno o más aireadores horizontales típicamente llamados aireadores de cepillo o de disco que impulsan el licor mezclado alrededor de la zanja y proporcionan aireación. [10] Se trata de zanjas de oxidación, a menudo denominadas con los nombres comerciales del fabricante, como Pasveer, Orbal o Carrousel. Tienen la ventaja de que son relativamente fáciles de mantener y resistentes a las cargas de choque que a menudo ocurren en comunidades más pequeñas (es decir, a la hora del desayuno y por la noche).
Las zanjas de oxidación se instalan comúnmente como tecnología de "instalar y olvidar", con parámetros de diseño típicos de un tiempo de retención hidráulica de 24 a 48 horas y una edad de lodo de 12 a 20 días. Esto se compara con las plantas de lodos activados nitrificantes que tienen un tiempo de retención de 8 horas y una edad del lodo de 8 a 12 días.
Cuando hay escasez de tierra, las aguas residuales pueden tratarse mediante inyección de oxígeno en una corriente de lodo de retorno a presión que se inyecta en la base de un tanque de columna profundo enterrado en el suelo. Dichos pozos pueden tener hasta 100 metros (330 pies) de profundidad y están llenos de licor de aguas residuales. A medida que las aguas residuales ascienden, el oxígeno forzado a disolverse por la presión en la base del pozo se libera como oxígeno molecular, proporcionando una fuente altamente eficiente de oxígeno para la biota de lodos activados. El oxígeno ascendente y el lodo de retorno inyectado proporcionan el mecanismo físico para la mezcla de las aguas residuales y el lodo. La mezcla de lodos y aguas residuales se decanta en la superficie y se separa en sobrenadante y componentes de lodo. La eficiencia del tratamiento de pozos profundos puede ser alta.
Se suele decir que los aireadores de superficie tienen una eficiencia de aireación de 0,5 a 1,5 kg O 2 /kWh (1,1 a 3,3 lb O 2 /kWh), y una aireación difusa de 1,5 a 2,5 kg O 2 /kWh (3,3 a 5,5 lb O 2 /kWh). ). Deep Shaft reclama entre 5 y 8 kg de O 2 /kWh (11 a 18 lb de O 2 /kWh).
Sin embargo, los costos de construcción son altos. Deep Shaft ha experimentado la mayor aceptación en Japón, [15] debido a los problemas de superficie terrestre. Deep Shaft fue desarrollado por ICI , como un derivado de su proceso Pruteen. En el Reino Unido se encuentra en tres emplazamientos: Tilbury, Anglian Water, que trata un agua residual con un alto aporte industrial; [16] Southport, United Utilities, debido a problemas de espacio terrestre; y Billingham, ICI, nuevamente tratando efluentes industriales y construido (después de los pozos de Tilbury) por ICI para ayudar al agente a vender más.
DeepShaft es un proceso patentado y con licencia. El licenciatario ha cambiado varias veces y actualmente (2015) Noram Engineering [17] lo vende.
La mayoría de los procesos de oxidación biológica para el tratamiento de aguas residuales industriales tienen en común el uso de oxígeno (o aire) y la acción microbiana. Los estanques con aireación superficial logran una eliminación de DBO del 80 al 90 % con tiempos de retención de 1 a 10 días. [18] Las cuencas pueden tener una profundidad de 1,5 a 5,0 metros (4,9 a 16,4 pies) y utilizar aireadores motorizados que flotan en la superficie de las aguas residuales. [18]
En un sistema de cuencas aireadas, los aireadores cumplen dos funciones: transfieren aire a las cuencas requeridas por las reacciones de oxidación biológica y proporcionan la mezcla necesaria para dispersar el aire y poner en contacto los reactivos (es decir, oxígeno, aguas residuales y microbios). . Normalmente, los aireadores de superficie flotante están clasificados para suministrar una cantidad de aire equivalente a 1,8 a 2,7 kilogramos de O 2 / kWh (4,0 a 6,0 lb de O 2 /kWh). Sin embargo, no proporcionan una mezcla tan buena como se logra normalmente en los sistemas de lodos activados y, por lo tanto, los tanques aireados no alcanzan el mismo nivel de rendimiento que las unidades de lodos activados. [18]
Los procesos de oxidación biológica son sensibles a la temperatura y, entre 0 y 40 °C (32 y 104 °F), la velocidad de las reacciones biológicas aumenta con la temperatura. La mayoría de los recipientes con aireación de superficie funcionan entre 4 y 32 °C (39 y 90 °F). [18]
Los reactores secuenciales por lotes (SBR) tratan las aguas residuales en lotes dentro del mismo recipiente. Esto significa que el biorreactor y el clarificador final no están separados en el espacio sino en una secuencia cronometrada. La instalación consta de al menos dos depósitos idénticamente equipados con una entrada común, que se puede alternar entre ellos. Mientras un tanque está en modo sedimentación/decantación, el otro se está aireando y llenando.
El licor de aguas residuales se conduce a tanques profundos con sistemas de aireación de rejilla difusora que se fijan al piso. Son como la piedra difusora difundida que se utiliza en las peceras de peces tropicales , pero en una escala mucho mayor. Se bombea aire a través de los bloques y la cortina de burbujas que se forma oxigena el licor y también proporciona la acción de mezcla necesaria. Cuando la capacidad es limitada o las aguas residuales son inusualmente fuertes o difíciles de tratar, se puede utilizar oxígeno en lugar de aire. Normalmente, el aire lo genera algún tipo de soplador de aire.
Tubos montados verticalmente de hasta 1 metro (3,3 pies) de diámetro que se extienden desde justo encima de la base de un tanque de hormigón profundo hasta justo debajo de la superficie del licor de aguas residuales. Un pozo típico puede tener 10 metros (33 pies) de altura. En el extremo de la superficie, el tubo tiene la forma de un cono con paletas helicoidales unidas a la superficie interior. Cuando se gira el tubo, las paletas hacen girar el licor hacia arriba y fuera de los conos, extrayendo nuevo licor de aguas residuales de la base del tanque. En muchas obras, cada cono está ubicado en una celda separada que puede aislarse del resto de celdas si es necesario para mantenimiento. Algunas obras pueden tener dos conos por celda y algunas obras grandes pueden tener 4 conos por celda.
Los sistemas de aireación de lodos activados por oxígeno puro son recipientes reactores de tanque sellado con impulsores tipo aireador de superficie montados dentro de los tanques en la interfaz de la superficie del licor de oxígeno y carbono. La cantidad de oxígeno incorporado, u OD (oxígeno disuelto), se puede controlar mediante un control de nivel ajustado por un vertedero y una válvula de alimentación de oxígeno controlada por oxígeno del gas de ventilación. El oxígeno se genera en el sitio mediante destilación criogénica de aire, adsorción por cambio de presión u otros métodos. Estos sistemas se utilizan cuando el espacio de la planta de aguas residuales es escaso y se requiere un alto rendimiento de aguas residuales, ya que la purificación del oxígeno implica altos costos de energía.
Un nuevo desarrollo del proceso de lodos activados es el proceso Nereda , que produce un lodo granular que se sedimenta muy bien (el índice de volumen de lodo se reduce de 200 a 300 a 40 mililitros por gramo (192 a 288 a 38 onzas líquidas estadounidenses/oz)). . Se crea un nuevo sistema de reactor de proceso para aprovechar este lodo de rápida sedimentación y está integrado en el tanque de aireación en lugar de tener una unidad separada en el exterior. [2] Alrededor de 30 plantas de tratamiento de aguas residuales de Nereda en todo el mundo están operativas, en construcción o en diseño, y varían en tamaño desde 5.000 hasta 858.000 personas equivalentes. [3]
Puede producirse una acumulación de lodos , lo que dificulta la sedimentación de los lodos activados y, con frecuencia, tiene un impacto adverso en la calidad final del efluente. Tratar la acumulación de lodos y gestionar la planta para evitar una recurrencia requiere una gestión cualificada y puede requerir personal de tiempo completo en la planta para permitir una intervención inmediata. [1]
La descarga de contaminación industrial tóxica a plantas de tratamiento diseñadas principalmente para tratar aguas residuales domésticas puede provocar alteraciones en el proceso. [19]
El proceso de lodos activados es un ejemplo de un proceso de alta tecnología, intensivo en energía o "mecanizado" que es relativamente costoso en comparación con otros sistemas de tratamiento de aguas residuales. Puede proporcionar un nivel muy alto de tratamiento. [20] : 239
Las plantas de lodos activados dependen totalmente de un suministro eléctrico para alimentar los aireadores para transferir los sólidos sedimentados de regreso a la entrada del tanque de aireación y, en muchos casos, para bombear los lodos residuales y el efluente final. En algunas obras, las aguas residuales sin tratar se elevan mediante bombas hasta las plantas de cabecera para proporcionar una caída suficiente a través de las obras para permitir una altura de descarga satisfactoria para el efluente final. Las tecnologías alternativas, como el tratamiento con filtro percolador, requieren mucha menos energía y pueden funcionar únicamente por gravedad.
El proceso de lodos activados fue descubierto en 1913 en el Reino Unido por dos ingenieros, Edward Ardern y WT Lockett, [10] que realizaban investigaciones para el Departamento de Ríos de Manchester Corporation en Davyhulme Sewage Works . En 1912, Gilbert Fowler , un científico de la Universidad de Manchester , observó experimentos que se llevaban a cabo en la Estación Experimental Lawrence en Massachusetts involucrando la aireación de aguas residuales en una botella que había sido recubierta con algas. Los colegas de ingeniería de Fowler, Ardern y Lockett, [10] experimentaron con el tratamiento de aguas residuales en un reactor de extracción y llenado , que produjo un efluente altamente tratado. Airearon continuamente las aguas residuales durante aproximadamente un mes y consiguieron una nitrificación completa del material de muestra. Creyendo que los lodos habían sido activados (de manera similar al carbón activado ) el proceso se denominó lodos activados . No fue hasta mucho después que se dio cuenta de que lo que en realidad había ocurrido era una manera de concentrar organismos biológicos, desvinculando el tiempo de retención de líquidos (idealmente bajo, para un sistema de tratamiento compacto) del tiempo de retención de sólidos (idealmente, bastante alto, para un sistema de tratamiento compacto). bajo en DBO 5 y amoníaco.)
Sus resultados se publicaron en su artículo fundamental de 1914, y dos años después se instaló en Worcester el primer sistema de flujo continuo a gran escala . Después de la Primera Guerra Mundial, el nuevo método de tratamiento se extendió rápidamente, especialmente en Estados Unidos, Dinamarca , Alemania y Canadá . A finales de la década de 1930, el tratamiento de lodos activados se convirtió en un proceso de tratamiento biológico de aguas residuales muy conocido en aquellos países donde los sistemas de alcantarillado y las plantas de tratamiento de aguas residuales eran comunes. [21]
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