Proyecto de instalaciones para el. tratam iento bioló gico delagua residual. Metcalf & Eddy

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1 Proyecto de instalaciones para el tratam iento bioló gico delagua residual. Metcalf & Eddy Los procesos biológicos se utilizan para convertir la materia orgánica disuelta y finamente dividida en flóculos biológicos sedimentables y en sólidos orgánicos que se puedan eliminar en los fangos de sedimentación. En muchos casos, estos procesos (también llamados «procesos de tratamiento secundario») se emplean en combinación con las operaciones y procesos unitarios que se utilizan para el pretratamiento y tratamiento primario del agua residual que se han descrito en el Capítulo 9. La decantación primaria es muy efectiva en la eliminación de los sólidos sedimentables, mientras que los procesos biológicos son más efectivos en la eliminación de compuestos orgánicos solubles o del tamaño de partículas coloidales. No obstante, algunos procesos como las lagunas aireadas, lagunas de estabilización y sistemas de aireación prolongada, se proyectan para que funcionen sin decantación primaria.los procesos biológicos de aplicación más común son: (1) el proceso de fangos activados; (2) lagunas aireadas; (3) filtros percoladores; (4) biodiscos (RBCs), y (5) estanques de estabilización. En plantas de tratamiento de grandes dimensiones se suele adoptar el proceso de fangos activados o alguna de sus muchas variantes; los estanques de estabilización se usan principalmente en instalaciones de pequeño tamaño. En la Figura 10-1 se ilustran los diagramas de flujo típicos de los sistemas de tratamiento. En este capítulo se estudian con detalle las instalaciones físicas y el proyecto de los procesos necesarios para la implementación de estos importantes sistemas de tratamiento. También se analiza brevemente el uso de sistemas combinados de tratamiento biológico aerobio. El proyecto de los procesos de eliminación de nutrientes se aborda en el Capítulo 11, mientras que el tratamiento y estabilización del fango se estudia en el Capítulo 12.

2 FIGURA 10-1 Diagramas de flujos típicos (simplificados) para los procesos biológicos utilizados en el tratamiento del agua residual): (a) proceso de fangos activados; (b) lagunas aireadas; (c) filtros percoladores; (d) biodiscos, y (e) estanques de estabilización EL PROCESO DE FANGOS ACTIVADOS En el tratamiento de las aguas residuales, el proceso de fangos activados, tanto en su forma original como en alguna de sus muchas variantes, ha tenido un uso muy amplio. En el Capitulo 8 se analizaron los aspectos teóricos del proceso, incluida la microbiología, la cinética de las reacciones, e incluso, hasta cierto punto, aspectos

3 relacionados con la explotación. La aplicación práctica del proceso se estudia en esta sección y en las 10.2 y Consideraciones sobre el diseño del proceso En el diseño del proceso de fangos activados, es necesario tener en cuenta: (1) la elección del tipo de reactor; (2) los criterios de carga; (3) la producción de fango; (4) las necesidades y transferencia de oxígeno; (5) las necesidades de nutrientes; (6) el control de organismos filamentosos, y (7) las características del efluente. Debido a que la separación de sólidos es uno de los aspectos de mayor importancia en el tratamiento biológico del agua residual, en la siguiente sección se analiza este tema de forma independiente. Elección del tipo de reactor. Una de las etapas principales en el diseño de cualquier proceso biológico es la elección del tipo de reactor o reactores (Cap. 5) a emplear en el proceso. Los aspectos operacionales que intervienen en la toma de esta decisión incluyen: (1) la cinética de las reacciones que gobiernan en proceso; (2) las necesidades de transferencia de oxigeno, (3) la naturaleza del agua residual a tratar; (4) condiciones ambientales locales, y (5) los costes de construcción, y de explotación y mantenimiento relacionados con las instalaciones de tratamiento secundario. A la hora de elegir un tipo de reactor, estos factores se deben valorar por separado, ya que la importancia relativa de cada uno de ellos depende del tipo de aplicación. A continuación, se analiza la importancia de todos ellos para el proceso de fangos activados. El primer factor, la influencia de la cinética de las reacciones sobre la elección del tipo de reactor, ha sido tratado detalladamente en el Capítulo 8. Los dos tipos de reactores que se suelen utilizar son el reactor de mezcla completa (tanque de flujo continuo con agitación) y el reactor de flujo en pistón. Desde un punto de vista práctico, es importante hacer constar que los tiempos de detención hidráulica de muchos de los reactores de mezcla completa y de flujo en pistón que se utilizan en la actualidad son muy parecidos. La razón que explica este hecho es que la tasa de eliminación de sustrato mixto (soluble e insoluble) en aguas residuales domésticas es aproximadamente de orden cero respecto a la concentración de sustrato y casi de primer orden respecto a la concentración de células. El segundo factor que hay que considerar en la elección del tipo de reactores para el proceso de fangos activados son las necesidades de transferencia de oxígeno. En los sistemas de aireación convencionales de flujo en pistón, se pudo constatar que, a menudo, resultaba imposible suministrar el oxigeno necesario para cubrir la demanda en cabeza del reactor. Esta condición condujo al desarrollo de las siguientes modificaciones del proceso de fangos activados: (1) proceso de aireación graduada, en el que se pretende adecuar el oxígeno suministrado a la demanda de oxígeno; (2) el proceso de aireación con alimentación escalonada, en el que el agua residual entrante y los sólidos de retorno se distribuyen a lo largo del reactor (generalmente en cuatro puntos equidistantes), y (3) el proceso de mezcla completa, en el que el aire suministrado se ajusta o excede a la demanda de oxígeno. La mayoría de las antiguas limitaciones respecto a la transferencia de oxigeno se han superado gracias a la adecuada elección de los parámetros operativos del proceso y a mejoras en el diseño y aplicación de los equipos de aireación. El tercer factor que puede influir en la selección del tipo de reactor es la naturaleza del agua residual. Por ejemplo, dado que en un reactor de mezcla completa el agua entrante se dispersa de forma más o menos uniforme en el mismo, los sólidos biológicos del reactor pueden soportar las cargas de choque producidas por vertidos puntuales con

4 elevado contenido en materia orgánica y compuestos tóxicos mejor que en un reactor de flujo en pistón. Este es el motivo por el que en gran número de plantas se ha adoptado el proceso de fangos activados de mezcla completa. El cuarto factor son las condiciones ambientales locales. De ellas, quizás las más importantes sean la temperatura, el ph, y la alcalinidad. La importancia de la temperatura viene dada porque los cambios en la temperatura del agua residual pueden modificar la velocidad de las reacciones que intervienen en el proceso. Por ejemplo, un descenso de temperatura de 10 ºC reduce la velocidad de las reacciones prácticamente hasta la mitad. En la mayoría de los casos, los descensos de temperatura se producen de forma gradual, de modo que resulta posible introducir modificaciones en las condiciones de funcionamiento para hacer frente a dichas variaciones. En los casos en los que son de prever importantes cambios en la temperatura del agua residual, se pueden emplear con éxito series de reactores de mezcla completa o reactores de flujo en pistón de longitud ajustable mediante sistemas de compuertas. La alcalinidad y el ph también son importantes, especialmente en la explotación de procesos de nitrificación (véase Cap. 11). Los phs bajos pueden inhibir el crecimiento de los organismos nitrificantes (y favorecer el crecimiento de organismos filamentosos), razón por la cual pueden ser necesario el ajuste del ph. Las aguas residuales de baja alcalinidad tienen escasa capacidad de tamponamiento, por lo que el ph del liquido mezcla puede descender debido a la producción de dióxido de carbono por la respiración bacteriana. En esta clase de aguas, la descarga de residuos industriales también puede afectar al ph. El quinto factor, el coste del proceso (tanto de inversión como de explotación y mantenimiento), es de extremada importancia en la elección del tipo y dimensiones del reactor. A menudo, resulta más económico aumentar el gasto en instalaciones físicas (coste de inversión) para reducir los posteriores costes de explotación y de mantenimiento. Criterios de carga. A lo largo de los años, para el control del proceso de fangos activados, se han propuesto una serie de parámetros empíricos y racionales. Dos de los parámetros de uso más común son: (1) la relación alimento/microorganismos F/M, y (2) el tiempo medio de retención celular, THETAc (véase Cap. 8). La relación alimento/microorganismos se define como: F/M = So / THETA X (8.48) donde: F/M = relación alimento/microorganismos, d -1. So = concentración de DBO o DQO en el afluente, kg/m 3. THETA = tiempo de retención hidráulica del tanque de aireación = V/Q, d. V = volumen del tanque de aireación, m 3. Q = caudal de entrada, m 3 /d. X = concentración de sólidos suspendidos volátiles en el tanque de aireación, kg/m 3. La relación entre la tasa de utilización específica U y la relación alimento/microorganismos es la siguiente: U = (F/M)E/100 (8.49) donde E = eficiencia del proceso, porcentaje.

5 Sustituyendo la Ecuación 8.48 por la relación alimento/microorganismos y [(So - S)/So](100) por la eficiencia, se obtiene: U = (So - S)/THETA X (8.45) donde S = concentración de DBO o de DQO en el efluente, kg/m 3. El tiempo medio de retención celular se puede definir, en función del volumen empleado, con cualquiera de las dos siguientes relaciones: Definición a partir del volumen del tanque de aireación: THETAc = VrX/(QwXw + QeXe) (10.1) donde: THETAc = tiempo medio de retención celular basado en el volumen del tanque de aireación, d. Vr = volumen del tanque de aireación, m 3. X = concentración de sólidos suspendidos volátiles en el tanque de aireación, kg/m 3. Qw = caudal de fango purgado, m 3 /d. Xw = concentración de sólidos suspendidos volátiles en el fango purgado, kg/m 3. Qe = caudal de efluente tratado, m 3 /d. Xe = concentración de sólidos suspendidos volátiles en el efluente tratado, kg/m 3. Definición a partir del volumen total del sistema: THETAct = Xt/(QwXw+QeXe) unidades SI (10.2) donde: THETAct = tiempo medio de retención celular basado en el volumen total del sistema. Xt = masa total de sólidos suspendidos volátiles del sistema, incluyendo los sólidos del tanque de aireación, del tanque de sedimentación, y los existentes en las instalaciones de retorno de fango, kg. Los restantes términos son los definidos en la Ecuación Si se supone que, prácticamente, toda la conversión de sustrato ocurre en el tanque de aireación, se recomienda diseñar el reactor a partir del valor de THETAc (Ec. 10.1). En aquellos sistemas en los que gran parte de los sólidos totales se hallen en el tanque de sedimentación y en las instalaciones de retorno del fango, se puede utilizar la Ecuación 10.2 para calcular la cantidad de sólidos que hay que purgar. La cantidad de sólidos en el tanque de sedimentación se puede determinar midiendo la profundidad del manto de fango y la concentración de sólidos en el fango de retorno. El uso de la Ecuación 10.2 se basa en la suposición de que los sólidos biológicos continúan ejerciendo la respiración endógena independientemente del hecho de que se hallen, dentro del sistema, en condiciones aerobias o anaerobias. Comparando estos parámetros, la tasa de utilización específica U (relación F/M multiplicada por el rendimiento) se puede considerar como una medida del grado con que se utiliza el sustrato (DBO) por unidad de masa de organismos, y THETAc se puede

6 considerar como una medida del tiempo medio de residencia de los organismos dentro del sistema. La relación entre el tiempo medio de retención celular THETAc, la relación alimento/microorganismos F/M, y el grado de utilización específica U, es la siguiente: 1/THETAc = Y (F/M) (E/100) - kd = YU - kd (8.46) donde: Y = coeficiente de producción celular, kg de células producidas/kg de materia orgánica eliminada. E = rendimiento del proceso, porcentaje. kd = coeficiente de degradación endógena, d -1. Los valores típicos de la relación alimento/microorganismos que se encuentran en la literatura, varían entre 0,05 y 1,0. A partir de ensayos de laboratorio y de los registros de explotación de diversas plantas de los Estados Unidos, se ha podido concluir que la utilización de tiempos medios de retención celular comprendidos entre 3 y 15 días conducen a la producción de un efluente estable de alta calidad y de un fango con excelentes características de sedimentabilidad. También se han utilizado relaciones empíricas basadas en las cargas orgánicas y en el tiempo de detención. El tiempo de detención se suele basar en el caudal medio de agua residual afluente. Los tiempos de detención normalmente utilizados suelen variar entre 4 y 8 h. Las cargas volúmicas, expresadas en kg DBO5/m 3 de tanque de aireación, pueden oscilar entre 0,3 y 3,0 kg DBO5/m 3 d. A pesar de que en el uso de estas relaciones empíricas no se utilizan el tiempo medio de retención celular y la relación alimento/microorganismos (que se pueden emplear tanto como parámetros de diseño como variables de explotación), estas relaciones tienen la propiedad de requerir un volumen de tanque de aireación mínimo que ha resultado ser el adecuado para el tratamiento de las aguas residuales domésticas. Sin embargo, en los casos en los que se ha empleado estas relaciones para el diseño de instalaciones para el tratamiento de aguas residuales con presencia de residuos industriales, han aparecido problemas. Producción de fango. El conocimiento de la producción diaria de fango es importante puesto que afecta al diseño de las instalaciones de tratamiento y evacuación del fango en exceso (purga). La producción diaria de fango que hay que purgar se puede estimar mediante la Ecuación 10.3: Px = YobsQ(So - S) (10 3 g/kg) -1 unidades SI (10.3) donde: Px = producción diaria neta de fango activado, medida en términos de SS volátiles, kg/d. Yobs = producción observada, kg/kg. Q,So,S = según definición anterior. La producción observada se puede calcular por medio de la Ecuación 8.44: Yobs = Y/(1 + kd(thetac o THETAct) (8.44) El uso de THETAc o THETAct en la Ecuación 8.44 depende de si en el análisis se consideran los sólidos del tanque de aireación o los sólidos totales del sistema. Si en los tanques de sedimentación y en las líneas de retorno de fangos se retiene un porcentaje importante de los sólidos, resulta razonable emplear THETAct, especialmente si se

7 supone que la respiración endógena se produce tanto si el cultivo bacteriano se halla bajo condiciones aerobias como anaerobias. Sin embargo, se debe hacer constar que el valor de la constante será diferente a los valores que proporciona la literatura. Debido a que actualmente no se dispone de un valor adecuado de kd que conjugue las condiciones aerobias y anaerobias, se puede utilizar como estimación el valor correspondiente a las condiciones aerobias. Necesidad y transferencia de oxígeno. La necesidad teórica de oxígeno se puede determinar a partir de la DBO del agua residual y de la cantidad de organismos purgados diariamente del sistema. El razonamiento es el siguiente. Si toda la DBO se convirtiera en productos finales, la demanda total de oxígeno se podría calcular convirtiendo la DBO5 en DBOL utilizando un factor de conversión adecuado. Por otro lado, se sabe que parte del residuo se convierte en tejido celular nuevo que, posteriormente, se purga del sistema, de modo que, si la DBOL del tejido celular se resta del total, la cantidad remanente corresponde a la cantidad de oxigeno que es necesario suministrar al sistema. Teniendo en cuenta la Ecuación 8.31, que se indica a continuación, se sabe que la DBOL de un mol de células es igual a 1,42 veces la concentración de células: C5H7NO2 + 5 O2 --> 5 CO2 + 2 H2O + NH3 + energía (8.31) 113 5(32) Células Por lo tanto, la demanda teórica de oxigeno para la eliminación de la materia orgánica carbonosa presente en el agua residual de un sistema de fangos activados se puede calcular mediante la expresión: kg O2/d = (Masa de DBOL total utilizada, kg/d) - 1,42 (Masa de organismos purgados, kg/d) (10.4) Utilizando términos anteriormente definidos, kg O2/d = (Q(So - S) (10 3 g/kg) -1 /f) - 1,42(Px) unidades SI (10.5) donde f = factor de conversión de DBO5 en DBOL (0,45-0,68). Los restantes términos corresponden a definiciones anteriores. En los casos en los que se deba considerar la nitrificación, la demanda total de oxigeno se puede calcular como la suma de la demanda necesaria para la eliminación de la materia orgánica carbonosa más la demanda de oxígeno necesaria para la conversión del nitrógeno (de amoniaco a nitrato), según la expresión: kg, O2/d = (Q(So - S) (10 3 g/kg) -1 /f) - 1,42(Px) + 4,57 Q(No - N) (10 3 g/kg) -1 unidades SI (10.6) donde: No = NKT del afluente, g/m 3. N = NKT del efluente, g/m 3. 4,57 = factor de conversión para la demanda de oxigeno necesario para la oxidación completa del NKT. Por lo tanto, si se conoce, o se puede estimar, la eficiencia de la transferencia de oxígeno del sistema de aireación, se pueden determinar las necesidades reales de aire. El suministro de aire debe ser adecuado para: (1) satisfacer la DBO del agua residual; (2) satisfacer la respiración endógena de los organismos presentes en el fango; (3) proporcionar un mezclado adecuado, y (4) mantener una concentración mínima de

8 oxígeno disuelto en todo el tanque de aireación comprendido entre 1 y 2 mg/l. Para relaciones alimento/microorganismos superiores a 0,3, las necesidades de aire para el proceso convencional se sitúan entre 30 y 55 m 3 /kg de DBO 5 eliminada en sistemas de difusores de burbuja gruesa (no porosos), y entre 24 y 36 m 3 /kg de DBO5 eliminada para sistemas de difusores de burbuja fina (porosos). Las características de los diferentes difusores se describen en la Sección A valores más bajos de la relación alimento/microorganismos, la respiración endógena, la nitrificación y los prolongados periodos de aireación hacen aumentar las necesidades de aire hasta entre 75 y 115 m 3 /kg de DBO 5 eliminada. En el Ten States Standards [14], se establece como demanda habitual de aire para todos los procesos de fangos activados excepto la aireación prolongada, 93,5 m 3 /kg de DBO 5 eliminada en condiciones de carga punta en el tanque de aireación. Para los procesos de aireación prolongada, las necesidades normales de aire son de 125 m 3 /kg DBO5 eliminada. En los sistemas de aireación mediante difusores de diferentes plantas, la cantidad de aire suministrado suele variar entre 3,75 y 15,0 m 3 /m 3, habiéndose empleado el valor 7,5 m 3 /m 3 como un primer factor de diseño empírico. Debido a que el consumo de aire depende de la concentración del agua residual, la relación aire/agua residual se ha convertido en un valor que ya no se emplea como criterio de diseño, sino que simplemente se guarda como parte de los registros de explotación. Otro factor empírico clásico de diseño de los sistemas de aireación era aplicar entre 1,0 y 1,2 kg O2/kg DBO5 eliminada [61]. Para hacer frente a las cargas orgánicas punta sostenidas comentadas en el Capitulo 5, se recomienda diseñar los equipos de aireación con un factor de seguridad que, como mínimo, cubra las condiciones correspondientes a una carga diaria de DBO igual al doble de la carga media. Los equipos de aireación también se deben dimensionar de modo que se asegure una concentración residual de oxígeno disuelto de 2 mg/l en condiciones de carga media y 0,5 mg/l en condiciones de carga punta. El Ten States Standards [14] obliga a que los sistemas de aireación por difusión sean capaces de proporcionar el oxigeno necesario para satisfacer la mayor de las siguientes demandas: la correspondiente a la demanda de oxígeno punta diaria, o el doble de la demanda de oxigeno media de proyecto. Necesidades de nutrientes. Para que un sistema biológico funcione correctamente, es necesario que se hallen presentes cantidades adecuadas de nutrientes. Como se ha comentado en los Capítulos 3 y 8, los principales nutrientes son el nitrógeno y el fósforo. Basándose en una composición media del tejido celular representable como C5H7NO2, se necesitará del orden de un 12,4 por 100 de nitrógeno (en peso). Normalmente, se suele suponer que las necesidades de fósforo son de una quinta parte de este valor. Debido a que se ha podido comprobar que la distribución porcentual de nitrógeno y fósforo en el tejido celular varia con la edad del tejido celular y con las condiciones ambientales, estos valores son valores típicos, y no cantidades fijas. En la Tabla 10-1 se indican otros nutrientes necesarios en la mayoría de los sistemas biológicos. En la Tabla 10-2 se muestra la composición inorgánica de los E. coli. Los datos de la Tabla 10-2 se pueden emplear para estimar las concentraciones de elementos de traza necesarias para asegurar un crecimiento biológico adecuado. Debido a que la demanda total de nutrientes depende de la producción celular neta, las necesidades de nutrientes son más reducidas en los procesos que dispongan largos tiempos medios de retención celular. A menudo, este hecho se puede utilizar para explicar la razón por la cual dos plantas de tratamiento de fangos activados con diferentes tiempos medios de retención celular pueden no funcionar igual en el tratamiento de una misma agua

9 residual. El papel de los elementos de traza se analiza con mayor detalle en la bibliografía [68]. Control de organismos filamentosos. El crecimiento de organismos filamentosos es el problema de funcionamiento más frecuente en los procesos de fangos activados. La proliferación de organismos filamentosos en el liquido mezcla conduce a la formación de un fango de pobres características de sedimentabilidad, normalmente conocido como «fango voluminoso» (bulking). Debido a los bajos niveles de substrato uniformemente presentes en el reactor, el sistema de mezcla completa de una sola etapa tiene una particular tendencia a promover el crecimiento de organismos filamentosos. En algunos reactores de flujo en pistón en los que se produce un efecto considerable de mezclado por retroceso del líquido mezcla, tiene lugar un fenómeno parecido. La investigación reciente se ha centrado en los factores que influyen en el crecimiento de los organismos filamentosos y en los métodos prácticos de control del fenómeno. Un concepto que está ganado aceptación como sistema de prevención y control del crecimiento de organismos filamentosos es la incorporación de un compartimento separado, llamado «selector», como zona de contacto inicial de un reactor biológico, zona en la que se mezclan el efluente primario y el fango activado recirculado. El selector se puede emplear en combinación con el proceso de fangos activados de mezcla completa o de flujo en pistón, y puede consistir en un depósito independiente o en un compartimento adosado. El selector favorece el crecimiento selectivo de organismos formadores de flóculos en la primera fase del proceso biológico al asegurar un nivel elevado de la relación alimento/microorganismos a concentraciones de oxigeno disuelto controladas. Se recomienda un valor mínimo de F/M de 2,27 kg DBO5/kg SSLM d [2]. También se han empleado valores iniciales de F/M de hasta kg DQO/kg SSLM d [64]. La presencia de gran cantidad de substrato permite la rápida adsorción de la materia orgánica soluble por parte de los organismos formadores de flóculos. La rápida eliminación de la materia orgánica impide su asimilación por parte de los organismos filamentosos, que se encuentran con concentraciones de materia orgánica disponible muy bajas. Se han obtenido buenos resultados con selectores tanto aireados como no aireados, anóxicos y anaerobios, o selectores de condiciones alternantes [2]. Para asegurar el adecuado mezclado de los contenidos del selector es necesario asegurar el suministro de cantidades de aire suficientes o utilizar mezcladores mecánicos.

10 TABLA 10-1 Iones inorgánicos necesarios para la mayoría de los organismos El tiempo de contacto en el selector es relativamente corto, normalmente entre 10 y 30 mm. Para la definición de los parámetros de diseño es muy recomendable llevar a cabo estudios en planta piloto. En un selector infradimensionado, una parte importante del substrato soluble del efluente pasará al tanque de aireación principal. En un selector sobredimensionado, la relación F/M será demasiado baja [58]. En la bibliografía se pueden encontrar ejemplos de ensayos tanto a escala de laboratorio como en planta piloto [11, 22]. Más adelante en esta sección se discutirá con mayor detalle el fenómeno del bulking. Características del efluente. El contenido en materia orgánica es un parámetro de calidad del efluente de gran importancia. El contenido en materia orgánica del efluente de un proceso de tratamiento biológico suele estar compuesto por los tres siguientes constituyentes: TABLA 10-2 Composición inorgánica del E. coli 1. Materia orgánica soluble biodegradable: a) Materia orgánica no eliminada en el tratamiento biológico. b) Compuestos orgánicos formados como productos intermedios en la

11 descomposición biológica del agua residual. c) Componentes celulares (como consecuencia de la lisis o muerte celular). 2. Materia orgánica en suspensión: a) Sólidos biológicos producidos durante el tratamiento que escapan del proceso de separación en la decantación final. b) Sólidos orgánicos coloidales presentes en el afluente a la planta que escapan del tratamiento y de la separación. 3. Materia orgánica no biodegradable: a) Materia inicialmente presente en el afluente a la planta. b) Subproductos de la descomposición biológica. Las ecuaciones cinéticas desarrolladas en el Capítulo 8 sólo son aplicables a la materia orgánica soluble no eliminada en el tratamiento biológico. Evidentemente, ésta sólo representa una parte de la concentración de materia orgánica del efluente. En una planta de fangos activados que funcione correctamente en el tratamiento de aguas residuales domésticas, la DBO5 carbonosa del efluente, determinada en una muestra filtrada, variará normalmente entre 2 y 10 mg/l. La materia orgánica suspendida se hallará entre 5 y 15 mg/l, y los sólidos no biodegradables se situarán entre 2 y 5 mg/l. Tipos de procesos y modificaciones El proceso de fangos activados es muy flexible y se puede adaptar a casi la totalidad de los problemas de tratamiento biológico de aguas residuales. En la Tabla 10-3 se indican varios de los procesos de fangos activados convencionales y algunas de las modificaciones del proceso que han sido normalizadas. Las características operacionales, aplicación y eficiencias de eliminación típicas de estos procesos se indican en la Tabla 10-4; los parámetros de diseño se incluyen en la Tabla Control del proceso El control del proceso de fangos activados es importante para mantener elevados niveles de rendimiento frente a una gran variedad de condiciones de funcionamiento. Los principales factores que intervienen en el control del proceso son: (1) mantenimiento de los niveles de oxígeno disuelto en el tanque de aireación; (2) regulación de la cantidad de fango activado recirculado (RAS), y (3) control de la purga de fango activado (WAS). Como se ha comentado anteriormente en el apartado «Criterios de carga», los parámetros más comúnmente empleados para el control del proceso de fangos activados son la relación alimento/microorganismos y el tiempo medio de retención celular, THETAc. La concentración de sólidos suspendidos del líquido mezcla también se utiliza como parámetro de control. La recirculación de fango activado también es importante para mantener la concentración de SSLM (la «M» de la relación F/M), y la purga de fango activado es importante de cara al control del valor de THETAc. El uso de las tasas de utilización de oxígeno (OUR) también está ganando reconocimiento como medio para el seguimiento y control de los procesos de fangos activados. En lo que sigue también se incluye una breve discusión sobre el seguimiento del proceso mediante la OUR.

12 Control del oxígeno disuelto. En teoría, la cantidad de oxigeno transferido en los tanques de aireación es igual a la cantidad de oxígeno demandada por los microorganismos del sistema de fangos activados (incluidos los decantadores secundarios y las líneas de retorno de fangos) para oxidar la materia orgánica y para mantener los niveles operativos de oxígeno disuelto residual. Cuando el nivel de oxígeno limita el crecimiento de microorganismos, pueden predominar los organismos filamentosos, empobreciendo las características de sedimentabilidad y la calidad del fango activado (véase la discusión relativa al «bulking»). En la práctica, se debería mantener la concentración de oxigeno disuelto en todos los puntos del tanque de aireación entre 1,5 y 4 mg/l; el valor normalmente empleado es 2 mg/l. Concentraciones por encima de 4 mg/l no suponen notables mejoras en el proceso, pero encarecen considerablemente los costes de aireación [61]. TABLA 10-3 Descripción del proceso de fangos activados y modificaciones del proceso

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15 Control de la recirculación de fango activado. La misión de la recirculación de fango es mantener una concentración suficiente de fango activado en el tanque de aireación, de modo que se puede alcanzar el grado de tratamiento establecido en el intervalo de tiempo deseado. La recirculación de fango activado desde el decantador final a la entrada del tanque de aireación es el elemento fundamental del proceso. Se debe disponer de una capacidad de bombeo de fango de recirculación holgada. También es necesario evitar la pérdida de sólidos del fango con el efluente. Los sólidos forman una capa de fango en el fondo de los decantadores. La profundidad de la capa de fango presenta variaciones temporales y, si la capacidad de bombeo de fango no es la adecuada, puede ocupar toda la altura del tanque de sedimentación. En plantas de grandes dimensiones, se suele disponer una capacidad de bombeo variable entre el 50 y el 100 por 100 del caudal medio de agua residual, y de hasta el 150 por 100 del caudal medio de entrada en plantas de pequeño tamaño. FIGURA 10-2 Proceso de fangos activados convencional (flujo en pistón).

16 FIGURA 10-3 Proceso de fangos activados de mezcla completa (esquema de típico de un proceso de cuatro reactores). FIGURA 10-4 Diagrama de flujo de un proceso de fangos activados de aireación con alimentación escalonada: (a) esquema simplificado, y (b) configuración física típica.

17 FIGURA 10-5 Diagrama de flujo para el proceso de fangos activados de contacto y estabilización. FIGURA 10-6 Proceso de fangos activados con oxígeno puro: (a) de configuración de tres etapas; (b) vista aérea de un proceso de fangos activados con oxígeno puro, y (c) punto de aplicación de oxigeno y grupo de accionamiento de los agitadores.

18 FIGURA 10-7 Proceso de fangos activados con canal de oxidación: (a) esquema del canal de oxidación, y (b) vista aérea del proceso de fangos activados con canal de oxidación (de Envirex inc.). Existen diversas técnicas para calcular el caudal de recirculación óptimo. Las estrategias de control se basan en mantener un determinado nivel de SSLM dentro del tanque de aireación o una determinada altura de la capa de fango en los decantadores finales Las técnicas de uso más común son: (1) sedimentabilidad; (2) control de la altura de la capa de fango; (3) balance de masas de los decantadores secundarios; (4) balance de masas en los tanques de aireación, y (5) calidad del fango [61].

19 FIGURA 10-8 Diagrama esquemático de un reactor de fangos activados Deep Shaft [64]. Utilizando el ensayo de sedimentabilidad, el caudal de bombeo de fango de recirculación se establece de manera que el caudal sea aproximadamente igual, en porcentaje, a la relación entre el volumen ocupado por los sólidos sedimentables del efluente del tanque de aireación y el volumen de líquido decantado (sobrenadante) tras sedimentar durante 30 minutos en un cilindro graduado de ml. Esta relación no debería estar nunca por debajo del 15 por 100. Por ejemplo, si los sólidos sedimentables ocuparan un volumen de 275 ml después de sedimentar durante 30 mm, el porcentaje en volumen sería del 38 por 100 [(275/725) x 100]. Si el caudal de la planta fuera de 2 m 3 /s, el caudal de recirculación sería 0,38 x 2 m 3 /s = 0,76 m 3 /s. Otro método de ensayo de sedimentabilidad utilizado a menudo para el control del bombeo de fango de recirculación se basa en una medida empírica conocida con el nombre de «índice del volumen de fango» (IVF). Este índice se define como el volumen (expresado en mililitros) que ocupa un gramo (peso seco) de sólidos del líquido mezcla de fango activado, después de sedimentar durante 30 mm en un cilindro graduado de ml. En la práctica, se calcula como el porcentaje que ocupa el fango, en volumen, en una muestra de líquido mezcla (tomada a la salida del tanque de aireación) después de sedimentar durante 30 min, (Ov), dividido por la concentración de sólidos suspendidos del liquido mezcla expresada como porcentaje, (Pw) Si se conoce el índice de volumen de fango, la relación de recirculación Qr/Q (en %) necesaria para mantener una concentración de sólidos en el líquido mezcla del tanque de aireación determinada (en %), es 100 Qr/Q = 100/[(100/Pw IVF) - 1] Por ejemplo, para mantener una concentración de sólidos en el líquido mezcla del 0,3 por 100 (3.000 mg/l), el porcentaje de fango a recircular cuando el IVF vale 100 es 100/[(100/0,30 100) - 1], es decir, el 43 por 100. Con el método de control del nivel del fango, lo que se hace es mantener en los decantadores una capa de fango de altura óptima. La altura óptima se determina basándose en la experiencia, y corresponde al equilibrio entre la sedimentación eficiente y el almacenamiento del fango. La altura óptima del lecho de fango suele estar dentro del intervalo comprendido entre 0,3 y 0,9 m. Este método de control requiere

20 considerable atención por parte de los operarios, debido a las variaciones diarias de los caudales y de la producción de fango y a los cambios en las características de sedimentación del fango. Para determinar el nivel de la capa de fango existen diferentes métodos, entre los que se incluyen las bombas de emulsión de aire (air-lift), los tubos de flujo por gravedad, bombas de muestreo portátiles, sondas de muestreo, y detectores de la interfase fango-sobrenadante. En la bibliografía se pueden encontrar más detalles [61]. El caudal de recirculación de fango, también, se puede determinar realizando un balance de masas en el decantador o en el tanque de aireación. En la Figura 10-9 se ilustran los límites adecuados para ambos tipos de balance de masas. Suponiendo que el nivel del fango en el decantador se mantiene constante, y que la cantidad de sólidos en el efluente del decantador sea despreciable, el balance de masas de un decantador es el siguiente: Acumulación = Entrada Salida 0 = X(Q + Qr) - XQr - X r Q'w donde: X = sólidos suspendidos del liquido mezcla, kg/m 3. Q = caudal de entrada al decantador secundario, m 3 /d. Qr = caudal de recirculación, m 3 /d. Xr = sólidos suspendidos del fango activado de recirculación, kg/m 3. Despejando el valor de Qr, se obtiene: Qr= (XQ - XrQ'w)/(Xr - X) (10.7) TABLA 10-4 Características de funcionamiento del proceso de fangos activados

21 TABLA 10-5 Parámetros de diseño para los procesos de fangos activados

22 aunidad de contacto. bunidad de estabilización de sólidos. c NKT/SSVLM. dlos SSLM varían en función de la fase del ciclo operativo. NA = No aplicable. SI = Sin información. FIGURA 10-9 Balances de masas típicos de sólidos suspendidos para el control de la recirculación de fango: (a) balance de masa del decantador secundario, y (b) balance de masa en el tanque de aireación [61].

23 El caudal de bombeo del fango activado de recirculación, también se puede estimar mediante un balance de masas en el tanque de aireación. Si se considera despreciable el crecimiento de células nuevas, los sólidos que entran en el tanque deben ser iguales a los que salen del tanque. En determinados casos, como puede ser cuando la presencia de carga orgánica, esta suposición puede no ser válida. Los sólidos entran en el tanque de aireación con el fango de recirculación y con el afluente al proceso secundario. No obstante, debido a que el contenido de sólidos en el afluente es despreciable en comparación con el contenido en sólidos del líquido mezcla, el balance de masas del tanque de aireación adquiere la siguiente expresión: Despejando Qr, se obtiene: Acumulación = Entrada - Salida 0 = XrQr - X(Q + Qr) Qr = Q X/(Xr - X) (10.8) De nuevo, el método de control de la recirculación de fango comporta la determinación de las características de sedimentabilidad del fango. Los caudales de recirculación de fango se determinan a partir de curvas de sedimentabilidad del fango [61]. Purga de fango. La producción diaria de fango activado en exceso se debe purgar del sistema para mantener una relación alimento/microorganismos o un tiempo medio de retención celular predeterminados. La práctica más común es purgar el fango desde la línea de recirculación, puesto que se trata de fango más concentrado y precisa de sistemas de bombeo de menor capacidad. El fango purgado se descarga a los decantadores primarios, a espesadores u otras instalaciones de espesamiento del fango. También existe un método alternativo para extraer líquido mezcla directamente del tanque de aireación o de la tubería de salida del efluente del tanque de aireación, en la que la concentración de sólidos es uniforme. A continuación el líquido mezcla purgado se puede descargar a un espesador o a los decantadores primarios, donde se mezcla y sedimenta con el fango primario. La cantidad de líquido que se debe bombear para mantener el proceso bajo control depende del método empleado y del lugar desde el que se lleva a cabo la purga. (Además, debido a que las instalaciones de tratamiento de fangos no retienen el 100 por 100 de los sólidos y parte de ellos vuelven al proceso, el caudal de purga real será superior al valor determinado teóricamente. Este hecho se analiza con mayor detalle en el Capítulo 12.) Por ejemplo, si para el control del proceso se emplea el tiempo medio de retención celular, y la purga se realiza desde la línea de recirculación de fango, el caudal de recirculación se puede determinar empleando la Ecuación THETAc = VrX/(Q'wXr + QeXe) (8.35) donde Q'w = caudal de fango purgado desde la línea de recirculación, m 3 /d. Xr = concentración del fango de la línea de recirculación, kg/m 3. Los restantes términos, según fueron definidos en la Ecuación 10.1 Si se supone que la

24 concentración de sólidos en el efluente de los decantadores es baja, entonces la Ecuación 8.35 se puede escribir, de forma reducida, como: y THETAc = VrX/Q'wXr(8.47) Q'w = VrX/THETAcXr(10.9) Para determinar el caudal de fango purgado empleando la Ecuación 10.9, es necesario conocer la concentración de sólidos tanto en el tanque de aireación como en la línea de recirculación. Si para el control del proceso se utiliza el tiempo medio de retención celular, la purga se realiza desde el tanque de aireación, y si, de nuevo, se desprecia el contenido de sólidos del efluente de la planta, el caudal de bombeo se puede determinar empleando las siguientes relaciones: y THETAc = Vr/Qw(10.10) Qw = Vr/THETAc (10.11) en las que Qw = caudal de purga de fango desde el tanque de aireación, m 3 /d. Por lo tanto, el proceso se puede controlar purgando diariamente un caudal igual al volumen del tanque de aireación dividido por el tiempo medio de retención celular. Si se adopta el método de control basado en la relación alimento/microorganismos, el caudal de purga desde la línea de recirculación se puede determinar empleando la siguiente expresión: Px= QwXr (10.12) donde: Pr = fango activado purgado, kg/d. Qw = caudal de purga de fango, m 3 /d. Xr = concentración de sólidos en la línea de recirculación, kg/m 3. En este caso, es preciso conocer la concentración de sólidos en la línea de recirculación. Si el control del proceso se basa en otros criterios de carga, la cantidad de sólidos a purgar se debe determinar mediante iteraciones. Tasa de utilización de oxígeno. Los microorganismos presentes en el proceso de fangos activados utilizan oxígeno a medida que consumen alimento. La velocidad a la que utilizan el oxigeno, la tasa de utilización de oxígeno (OUR), se puede tomar como una medida de la actividad biológica. Valores altos de la OUR indican alta actividad biológica, mientras que valores bajos indican una menor actividad biológica. El valor de la OUR se determina tomando una muestra de líquido mezcla saturada de OD, y midiendo la disminución de éste con el tiempo mediante un medidor de OD. Los

25 resultados se suelen expresar en mg O2/l min o en mg O2/l h [61]. La utilización de oxígeno es un parámetro de gran utilidad en la explotación de una planta cuando se usa en combinación con datos de SSV. La combinación de la OUR con la concentración de SSVLM da lugar a un valor que se conoce con el nombre de «tasa de utilización específica de oxigeno» (SOUR), o tasa de respiración. La SOUR indica la cantidad de oxígeno que consumen los microorganismos, y se suele expresar en mg O2/g SSVLM h. A partir de estudios recientes, parece ser que existe una correlación entre la SOUR del líquido mezcla y la DQO del efluente final, lo cual permite predecir la calidad del efluente final durante los periodos de cargas variables [16]. Problemas de explotación Los problemas más frecuentes en la explotación de los procesos de fangos activados son el fango voluminoso (bulking), el fango ascendente, y la espuma Nocardia. Es conveniente estudiar la naturaleza y los posibles métodos de control de estos fenómenos, debido a que son pocas las plantas que no se han encontrado nunca con estos problemas. Para la descripción de otros problemas de explotación que se producen en las plantas de fangos activados, consultar la bibliografía [61]. Fango voluminoso (Bulking). Un fango voluminoso es aquel que posee pobres características de sedimentabilidad y escasa compactabilidad. Se han identificado dos tipos principales de problemas de bulking. Uno está producido por el crecimiento de organismos filamentosos u organismos que crecen en forma filamentosa bajo condiciones adversas, y es la tipología del fenómeno que se presenta con mayor frecuencia. El otro es causado por el agua embebida en el flóculo, de forma que las células que están en aquél se hinchan con agua hasta el punto en que se reduce su densidad y no sedimentan. Las causas del bulking a las que más referencia se hace en la literatura están relacionadas con: (1) las características físicas y químicas del agua residual; (2) las deficiencias del proyecto de las plantas, y (3) la explotación. Las características del agua residual que pueden incidir en el bulking del fango incluyen las variaciones de caudal y de concentración, el ph, la temperatura, el grado de septicidad, el contenido en nutrientes, y la naturaleza de los constituyentes. Las deficiencias del proyecto de las plantas incluyen la capacidad del suministro de aire, el diseño de los decantadores, las insuficiencias de la capacidad de bombeo del fango de recirculación, la formación de cortocircuitos, o el mezclado insuficiente. Las causas operacionales del bulking filamentoso son las bajas concentraciones de oxígeno disuelto en el tanque de aireación, la falta de nutrientes. las grandes variaciones en la carga orgánica, las bajas relaciones alimentos/microorganismos, y un gradiente de DBO5 soluble insuficiente. Las causas operativas del bulking no filamentoso son las cargas orgánicas inadecuadas, la excesiva aireación, o la presencia de compuestos tóxicos [61]. En casi todos los casos, todas las circunstancias anteriormente comentadas representan alguna condición de explotación adversa. Para el control del fenómeno de bulking, que puede estar causado por diferentes variables, es importante disponer de una lista de posibles causas para investigar. Se recomienda analizar los siguientes extremos: (1) características del agua residual; (2) contenido en oxigeno disuelto; (3) cargas de los procesos; (4) caudal de bombeo de fango de recirculación; (5) microbiología de los procesos; (6) sobrecargas internas de la planta, y (7) funcionamiento de los decantadores. La naturaleza de los componentes del agua residual o la ausencia de determinados constituyentes, como los elementos de traza, pueden provocar el desarrollo del bulking

26 [68]. Si se conoce la presencia de vertidos industriales, ya sea de forma intermitente o continua, se deben comprobar los niveles tanto de nitrógeno como de fósforo, puesto que se sabe que la presencia de cantidades insuficientes de uno o ambos de ellos favorece el desarrollo del fango voluminoso. También se sabe que las grandes variaciones del ph causan problemas en las plantas de diseño convencional. Las grandes variaciones en las cargas orgánicas producidas en los sistemas de funcionamiento de flujo discontinuo también pueden provocar el fenómeno del bulking, razón por la cual también se deben comprobar. De entre las causas del bulking, la que se ha registrado con mayor frecuencia es la insuficiencia de oxigeno disuelto. Si el origen del problema se halla en esta insuficiencia, el problema se puede solucionar haciendo trabajar los sistemas de aireación a su máxima capacidad. En estas condiciones, los equipos de aireación deberían tener la capacidad mínima necesaria para conseguir concentraciones de 2 mg/l de oxigeno disuelto en el tanque de aireación en condiciones de carga normales. Si no se puede mantener este nivel de oxigenación, la solución del problema puede pasar por la introducción de mejoras en el sistema de aireación. Se debe comprobar también el valor de la relación F/M para asegurar que se mantiene dentro del intervalo de valores generalmente aceptado (véase Tabla 10-5). Valores bajos de la relación F/M pueden favorecer el crecimiento de determinados organismos filamentosos, especialmente en sistemas de mezcla completa. Los valores elevados de la relación F/M pueden provocar la presencia de flóculos dispersos de dimensiones reducidas, condición que se puede solventar reduciendo la purga de fango. Cuando el control de la planta se lleva a cabo basándose en el tiempo medio de retención celular, no es necesario controlar el valor de la relación F/M. El tiempo medio de retención celular se debe controlar para asegurar que se halla dentro del intervalo de valores que normalmente asegura un rendimiento adecuado de la instalación (Tabla 10-5). Como ya se ha comentado, en caso de que el tiempo medio de retención celular no quede dentro del intervalo indicado en la tabla, será preciso reajustar el caudal de purga de fangos. Si las causas del bulking se deben a los organismos filamentosos, para adoptar una solución adecuada será necesario identificar el tipo de organismo presente. En el fango activado se conoce la presencia de más de 20 morfologías diferentes de organismos filamentosos [12, 13]. En la bibliografía se puede encontrar información acerca de las características típicas de los diferentes tipos de organismos filamentosos así como su frecuencia de ocurrencia en plantas de los Estados Unidos. En función de las condiciones ambientales pueden proliferar diferentes tipos de organismos filamentosos. En la bibliografía [42] también se recomienda el uso de organismos indicadores asociados a un problema de bulking especifico. La identificación de los organismos la deberían llevar a cabo biólogos o técnicos experimentados en el análisis de aguas residuales. La prevención y el control del crecimiento de organismos filamentosos en sistemas de mezcla completa se ha resuelto satisfactoriamente, como se ha comentado anteriormente, incorporando un compartimento selector. Para evitar los problemas de sobrecarga interna de la planta, es conveniente asegurar el control de los sobrenadantes y filtrados recirculados, de modo que no se retornen durante los periodos de cargas hidráulicas y orgánicas punta. Como ejemplos de cargas recirculadas se pueden citar el filtrado de las operaciones de deshidratación de fangos y el sobrenadante de los digestores de fango. Las características de funcionamiento de los decantadores también pueden ser causa del bulking del fango. El bulking es un problema frecuente en tanques circulares de alimentación central, en los que la extracción del fango se lleva a cabo directamente desde un cuenco situado debajo de la zona en que entra el líquido mezcla. El estudio de

27 la capa de fango puede revelar que gran parte del fango queda retenido en el tanque durante muchas horas en lugar de los teóricos 30 minutos deseados. Si esto es así. el fallo es de diseño, y será necesario introducir cambios en los equipos de extracción de fangos. En una situación de emergencia, o durante el estudio de los factores que se acaban de citar, se puede emplear como medida temporal de remedio la adición de cloro o de peróxido de hidrógeno. La cloración del fango recirculado se ha empleado de manera bastante generalizada para el control del bulking. A pesar de que la cloración resulta efectiva en el control del bulking producido por la presencia de organismos filamentosos, no resulta efectiva cuando el bulking está provocado por la presencia de flóculos ligeros que contiene agua de inhibición. Se recomienda dorar el fango de recirculación con dosis de entre 2 y 3 mg/l de Cl2 por cada mg/l de SSVLM, suministrando dosis de entre 8 y 10 mg/l por cada mg/l en casos muy graves [61]. La cloración, hasta que se elimina la presencia de organismos filamentosos en el fango, es causa normal de un efluente turbio. La cloración de un fango nitrificado también producirá el enturbiamento del efluente, debido a la muerte de los organismos nitrificantes. Para el control de organismos filamentosos en el fango voluminoso también se ha utilizado peróxido de hidrógeno. Las dosis de peróxido de hidrógeno y la duración del tratamiento dependen del nivel de desarrollo de los organismos filamentosos. Fango ascendente. En ocasiones, es posible que un fango de buenas características de sedimentabilidad flote o ascienda hacia la superficie después de un periodo de sedimentación relativamente corto. Este fenómeno se produce como consecuencia de la desnitrificación, proceso en el que los nitritos y nitratos del agua residual se convierten a nitrógeno gas (véase Cap. 11). Conforme se va produciendo nitrógeno gas en el seno de la capa de fango, gran parte de él queda atrapado en el fango. Si se forma una cantidad de gas suficiente, la boyancia de la masa de fango provoca que flote o ascienda hacia la superficie. El fango ascendente se puede diferenciar del fango voluminoso observando las pequeñas burbujas de gas adheridas a los sólidos flotantes. Los problemas provocados por el fango ascendente se pueden solucionar: (1) aumentando el caudal de extracción de fango del decantador para reducir el tiempo de retención del fango, (2) caso de que no se pueda reducir la profundidad de la capa de fango aumentando la purga, se puede reducir el caudal de liquido mezcla del tanque de aireación al decantador; (3) en los casos en los que sea posible, aumentando la velocidad de los mecanismos de extracción de fangos del decantador, y (4) reduciendo el tiempo medio de retención celular aumentando la purga de fangos. Nocardia. En plantas de fangos activados, la formación de una espuma viscosa, marrón, que cubre los tanques de aireación y los decantadores secundarios ha provocado problemas de seguridad, efluentes de baja calidad y malos olores. La formación de esta espuma está asociada a la presencia de un organismo filamentoso de crecimiento lento del grupo de los actinomicetos, normalmente de la familia Nocardia. Algunas de las probables causas de los problemas provocados por esta espuma son: (1) relaciones F/M bajas en los tanques de aireación; (2) concentraciones elevadas de sólidos suspendidos en el liquido mezcla (aumentando por lo tanto la edad del fango) debido a una purga de fango insuficiente, y (3) reaireación del fango [61]. El suministro de mayores cantidades de aire para cubrir la mayor demanda de oxígeno generada por las elevadas

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