Un fango activo consiste en partículas de fango que han crecido a partir de materia orgánica presente en agua residual.

Transcripción

1 CAPÍTULO I: GENERAL Sección: General Un fango activo consiste en partículas de fango que han crecido a partir de materia orgánica presente en agua residual. Este lodo se denomina activo porque las partículas contienen microorganismos como bacterias, hongos y protozoos. Estos microorganismos son los componentes clave en el proceso de fangos activos, puesto que utilizan la materia orgánica que se encuentra en el agua residual como fuente de alimento. El proceso de fangos activos es un proceso de tratamiento biológico de aguas residuales en el cual los microorganismos aceleran la descomposición de los residuos en un ambiente aerobio. Estos microorganismos crecen y se multiplican mientras consumen los residuos. A medida que los residuos orgánicos se consumen, el agua residual se purifica y los microorganismos forman flóculos, más pesados y que decantan mejor. La aglomeración de sólidos decantables en partículas se denomina floculación. La floculación es un proceso en el que los microorganismos se agrupan en partículas, aumentando en peso y mejorando la decantabilidad. Sin floculación, los microorganismos aislados serían demasiado pequeños para decantar por sí mismos. Después de formados los sólidos, decantan y se separan del agua residual en un clarificador secundario. Los procesos de fangos activos se utilizan ampliamente puesto que son capaces de reducir la DBO y sólidos en suspensión (SS) en un 90%, comparado con el 70-80% de eliminación para un sistema de lecho fijo. CAPÍTULO II: DESCRIPCIÓN DEL PROCESO Sección: General El proceso de fangos activos es un sistema de dos etapas que se realizan en tanques de aireación y clarificadores secundarios. Un proceso típico de fangos activos es el que se muestra aquí. El tanque de aireación recibe el efluente primario o el agua residual y los trata en un ambiente controlado en el cual los residuos orgánicos son consumidos de forma eficaz por los microorganismos. Un ambiente controlado también proporciona un crecimiento máximo y una reproducción de los microorganismos en el flóculo biológico. Esto asegura que el flóculo tendrá buenas características de decantabilidad y por tanto, decantará rápidamente en el clarificador secundario.

2 El clarificador secundario (también llamado tanque de decantación o de sedimentación) facilita la separación de los sólidos en suspensión del agua residual tratada. Los sólidos suspendidos del licor mezcla del tanque de aireación pasan al clarificador secundario, donde los sólidos decantan. La mayor parte de los fangos activos decantados retornan a la parte inicial del tanque de aireación (recirculación). La recirculación se mantiene para proporcionar una población de microorganismos alta que asegure un tratamiento máximo del agua residual. El exceso de sólidos que se producen en el proceso se eliminan del sistema (purga) bombeándolos a la zona de tratamiento de lodos, para un tratamiento posterior. La materia orgánica es fuente de carbono y energía para el crecimiento celular. Se transforma en tejido celular y otros productos finales como dióxido de carbono (CO 2 ). El éxito del proceso de fangos activos depende de cómo los microorganismos eliminan (metabolizan) la materia orgánica residual y posteriormente floculan y decantan para producir un efluente clarificado. Para entender el proceso de fangos activos es importante, en primer lugar, aprender acerca de las variables de proceso, cómo interaccionan y cómo están afectadas por diversas condiciones ambientales. CAPÍTULO II: DESCRIPCIÓN DEL PROCESO Sección: Variables del Proceso Hay varias variables que afectan al diseño del proceso de fangos activos. Estos diseños varían en base al tiempo en el que los microorganismos se mantienen en el sistema (tempo de retención de sólidos o TRS), la cantidad de alimento que se proporciona a los microorganismos en el tanque de aireación (relación alimentomicroorganismos o carga del lodo) y del tiempo de retención hidráulico (TRH). La eficacia del proceso de fangos activos depende de la interacción de las variables de proceso, como los residuos orgánicos y los tipos particulares de microorganismos, y de las condiciones ambientales: oxígeno disuelto, carga hidráulica, temperatura, ph, velocidad de purga, velocidad de recirculación y toxicidad. El operador de una planta de tratamiento de aguas residuales debe esforzarse en controlar estas variables y condiciones ambientales, creando un ambiente óptimo para el desarrollo de los microorganismos. Un control apropiado de las variables de proceso asegurará un máximo consumo de residuos y será mayor la eliminación de materia orgánica, consiguiéndose así un efluente más limpio. Un agua residual posee residuos orgánicos e inorgánicos. Los residuos orgánicos proceden de una fuente animal o vegetal y los inorgánicos de una fuente mineral, como la arena.

3 Como ya se ha señalado en unidades previas, la razón principal del tratamiento del agua residual es la eliminación de materia orgánica del agua residual. En la naturaleza los residuos orgánicos se utilizan como fuente de alimento para los microorganismos de lagos y ríos. Con una cantidad suficiente de oxígeno los microorganismos pueden eliminar los residuos, limpiando el agua. Los residuos orgánicos son los responsables de la contaminación del agua. En un agua contaminada pueden ocurrir dos cosas: que haya una excesiva cantidad de residuo a consumir por los microorganismos, o que los microorganismos lo consuman tan rápidamente que eliminen el oxígeno disponible en el agua. En una planta de tratamiento de aguas residuales la materia orgánica entra en contacto con el lodo activo en el tanque de aireación, mezclándose con el oxígeno y el lodo que retorna del clarificador secundario (recirculación). CAPÍTULO II: DESCRIPCIÓN DEL PROCESO Sección: Sólidos en Suspensión en el Licor Mezcla (SSLM) La biomasa que se encuentra en el tanque de aireación, que consiste principalmente en microorganismos y materia en suspensión no biodegradable (sólidos inorgánicos), se considera sólidos en suspensión en el licor mezcla (SSLM). El licor mezcla se mantiene en los tanques de aireación normalmente unas 4 horas o más. Esto da a los microorganismos un tiempo suficiente para estabilizar la materia orgánica del agua residual. CAPÍTULO II: DESCRIPCIÓN DEL PROCESO Sección: Sólidos en Suspensión Volátiles en el Licor Mezcla (SSVLM) Otra variable que los operadores deben controlar son los sólidos en suspensión volátiles en el licor mezcla (SSVLM). Los SSVLM se utilizan como indicadores de la materia orgánica en el tanque de aireación. Normalmente los SSLM poseen un 70-80% de sólidos volátiles (SSVLM). El porcentaje de sólidos volátiles pueden bajar al 68% cuando el proceso de fangos activos opera con lodos viejos (edades de lodo altas). CAPÍTULO II: DESCRIPCIÓN DEL PROCESO Sección: Microorganismos Los microorganismos son organismos minúsculos e invisibles al ojo humano. Estos seres vivos son tan pequeños que solamente pueden ser vistos con microscopio.

4 Los microorganismos en el proceso de fangos activos constituyen el 70-80% de materia orgánica. Microorganismos típicos que se encuentran en un agua residual son algas, bacterias, hongos, protozoos, rotíferos y virus. Las algas son como plantas microscópicas que pueden producir una cantidad importante de oxígeno en presencia de luz solar, mediante el proceso llamado fotosíntesis. Las algas raramente se desarrollan mucho en el licor mezcla del lodo activo debido a sus necesidades de luz. Las bacterias representan el grupo más importante de organismos vivos en el proceso de fangos activos; son los que llevan a cabo el trabajo de estabilización de los compuestos orgánicos del agua residual. Las bacterias utilizan estos compuestos orgánicos como alimento para producir materia celular y obtener energía. Debido a que el proceso de fangos activos es un proceso aerobio, las bacterias presentes son principalmente aerobias y facultativas. Las bacterias facultativas pueden operar en condiciones aerobias y anaerobias. Los hongos son como plantas de diminuto tamaño que crecen mejor en ausencia de luz. Los hongos, en el proceso de fangos activos, dificultan la decantación. Estos organismos pueden predominar si el medio es ácido (ph < 6.0). Los protozoos constituyen un grupo de pequeños animales que incluyen amebas, ciliados y flagelados, útiles en el proceso de fangos activos porque se alimentan de bacterias. Aunque los protozoos no ayudan directamente a estabilizar la materia orgánica, ayudan a producir un lodo más denso, más fácilmente decantable. Los rotíferos son pequeños animales acuáticos multicelulares que presentan un grupo circular de cilios de aspecto parecido a un pincel. Generalmente hay pocos rotíferos en un lodo activo, porque necesitan un contenido alto de oxígeno y su crecimiento es más lento que la cadena de alimento. De esta forma los rotíferos son comunes en sistemas con largos periodos de aireación (unas horas) y edades de lodo de más de 10 días. Los virus son el único grupo de organismos estrictamente parásitos, puesto que viven dentro de otros microorganismos al carecer de sistema metabólico (digestivo) necesario para obtener energía y reproducirse. Los organismos filamentosos son bacterias, algas y hongos; y crecen en colonias con forma de filamentos o hilos. Estos filamentos dan lugar a una biomasa que no decanta bien. Hay varios factores que favorecen el desarrollo de organismos filamentosos, como cargas orgánicas excesivamente altas o bajas, la carencia de ciertos nutrientes como el nitrógeno y el fósforo, un ph o un nivel de oxígenos bajos o purgas insuficientes de lodos. El operador de planta debe crear y mantener un ambiente que prevenga el desarrollo de organismos filamentosos. Para ello debe conocer bien los procesos y saber el tipo de agua residual que entra en la planta procedente de las industrias.

5 Todos estos tipos diferentes de microorganismos interaccionan con los residuos orgánicos en el proceso de fangos activos. El resultado de sus interacciones depende de las condiciones ambientales. Capítulo: Descripción del Proceso Sección: Condiciones Ambientales En esta sección se discutirán las diferentes condiciones ambientales y cómo afectan a la eficacia del proceso. La concentración de oxígeno disuelto (OD) es una condición ambiental importante. La mayor parte de los microorganismos utilizan oxígeno disuelto libre para convertir el alimento en energía y crecimiento. Este proceso se denomina respiración aerobia. Para que los microorganismos hagan su papel eficazmente deben suministrarse suficientes concentraciones de OD en el tanque de aireación. Otra importante condición ambiental es la temperatura. Toda reacción química está afectada por la temperatura, así como la actividad biológica. La temperatura afecta a la velocidad con la que los microorganismos consumen el alimento. Cuando la temperatura aumenta, la velocidad de reacción aumenta, lo cual incrementa la velocidad de crecimiento celular. Este crecimiento celular supone que la población de microorganismos aumenta en número. Si la temperatura es demasiado alta los microorganismos pueden morir. La mayor parte de los microorganismos se desarrollan mejor a temperaturas moderadas (10 o -40 o C). El ph también afecta a la velocidad de crecimiento de los microorganismos. Al igual que la temperatura, esto produce un efecto sobre la efectividad del proceso. Valores de ph ácidos o alcalinos pueden reducir o eliminar la capacidad de degradar residuos. La mayor parte de los microorganismos se desarrollan mejor a un ph entre 6.5 y 8.5. Algunos materiales, como metales pesados o residuos industriales, son tóxicos o venenosos para los microorganismos. Si los compuestos tóxicos se introducen en el sistema en concentraciones elevadas pueden matar todos los microorganismos. En cantidades pequeñas reducen la velocidad de crecimiento o destruyen selectivamente a los microorganismos susceptibles. CAPÍTULO II: DESCRIPCIÓN DEL PROCESO Sección: Nitrógeno y Fósforo Hay un grupo de elementos inorgánicos naturales que son necesarios para la vida, y por tanto, para la eliminación de DBO. Casi todas las plantas de tratamiento tienen

6 abundancia de nutrientes, como el nitrógeno y fósforo, importante para el crecimiento de los microorganismos. Sin embargo, cuando la planta de tratamiento recibe una cantidad importante de agua industrial puede haber una carencia de nutrientes. Deben chequearse nitrógeno, fósforo y hierro para comprobarlo. La aparición de lodos activos filamentosos y "bulking" son indicios de deficiencia de nutrientes. Condiciones ambientales como éstas deben ser controladas por el operador de planta. El operador utiliza varios test de control de proceso para hacer un seguimiento del sistema. Por ejemplo, si los microorganismos crecen y se multiplican rápidamente el operador sabe que el proceso funciona bien. Las condiciones ambientales determinan el tipo de microorganismos que predominan en el lodo activo. Este predominio ayuda al operador a determinar la eficacia del proceso. CAPÍTULO II: DESCRIPCIÓN DEL PROCESO Sección: Carga del Lodo o Relación F/M Hay un punto en el que la cantidad de alimento disponible en el agua residual se agota, cesando la actividad de las bacterias, su crecimiento, e incluso dando lugar a la muerte celular. La velocidad de crecimiento depende de la cantidad de comida disponible para los microorganismos presentes. Esta relación crítica se llama relación alimento/microorganismos o carga del lodo (F/M: food/microorganisms). La relación F/M es un factor importante que se relaciona bien con la velocidad de crecimiento de los microorganismos. La relación F/M se controla manteniendo una concentración adecuada de microorganismos en el reactor. Esta a su vez se regula mediante la purga de lodos y la recirculación desde el clarificador secundario. La relación F/M se determina midiendo la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) del flujo de entrada a la base de aireación y los sólidos suspendidos volátiles en el licor mezcla. CAPÍTULO II: DESCRIPCIÓN DEL PROCESO Sección: Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) La DBO es una medida de la cantidad de oxígeno que usaran los microorganismos para estabilizar la materia orgánica bajo condiciones aerobias. La DBO mide el oxígeno en condiciones determinadas de tiempo y temperatura. Indica la carga orgánica del agua residual. Una cantidad elevada de materia orgánica supone una elevada DBO. El agua residual contiene sólidos disueltos y sólidos en suspensión. Los sólidos disueltos son sólidos orgánicos e inorgánicos solubles que no pueden eliminarse por filtración. Su concentración se determina por evaporación.

7 Los sólidos en suspensión son sólidos orgánicos e inorgánicos insolubles que físicamente pueden ser mantenidos en suspensión mediante agitación o flujo a una determinada velocidad. Los sólidos en suspensión se miden en el laboratorio mediante técnicas de filtración. Por ejemplo, pasando el agua residual a través de un filtro de malla muy fina los sólidos en suspensión son retenidos y los sólidos disueltos pasan a través de él. Después medimos su peso. Si el agua filtrada se evapora, el residuo son los sólidos disueltos. Los sólidos totales (ST) son la suma de ambos (disueltos y en suspensión). Los sólidos en suspensión totales (SST) es la cantidad de sólidos insolubles flotantes y en suspensión presentes en el agua residual. SST se refiere a veces al residuo total no filtrable. CAPÍTULO II: DESCRIPCIÓN DEL PROCESO Sección: Eficacia del Proceso La DBO y las concentraciones de sólidos en suspensión en el efluente indican la eficacia del proceso. Un sistema de fangos activos bien diseñado podría alcanzar una calidad de efluente de 10 mg/l de DBO o inferior. Para alcanzar una buena eliminación de DBO, el proceso de fangos activos depende de: 1.La velocidad con la que los microorganismos metabolizan materia orgánico y amonio. 2.La relación F/M. 3.El número y tipo de microorganismos activos presentes en el tanque de aireación. 4.El tiempo de rentención hidráulico y del lodo. 5.Factores ambientales: concentración de OD, nutrientes, ph, temperatura y presencia de materiales tóxicos. Otras condiciones importantes de las que depende el proceso son: o una adecuada mezcla en el tanque de aireación, un bombeo adecuado de recirculación y de purga de lodo y de aireación del tanque; o un mantenimiento adecuado del equipamiento de la planta; o un entrenamiento adecuado del personal de laboratorio, de mantenimiento y de dirección de la planta de tratamiento de aguas residuales. Además de las condiciones ambientales, los diferentes tipos de procesos de fangos activos afectan a la eficacia del proceso.

8 CAPÍTULO III: VARIABLES DEL PROCESO Sección: General VARIABLES DEL PROCESO. En el proceso de fangos activos hay tres márgenes básicos de carga: alta, media y baja. Cada uno está determinado por el valor de materia orgánica disponible para los microorganismos. Números de control de proceso típicos para un margen alto de carga son 3-5 días, expresados como tiempo de retención celular y como valor F/M. Cargas medias corresponden a 5-15 días, como tiempo de retención celular y como F/M. Margen de cargas bajas corresponden a días de tiempo de retención celular y de F/M. Dentro de estos márgenes de carga, la forma y el número de los tanques de aireación pueden ser diferentes. Estas diferencias incluyen los sistemas de fangos activos convencionles, de mezcla completa, contacto-estabilización, alimentación escalonada, aireación estendida, reactores discontinuos secuenciales, oxígeno puro, nitrificación en dos pasos y nitrificación en un solo paso. CAPÍTULO III: VARIACIONES DEL PROCESO Sección: Fangos activos convencional Fangos activos convencional. El proceso convencional de fangos activos es uno de los más antiguos y más comúnmente utilizados en las plantas de tratamiento. En el proceso convencional, el agua residual sin tratar o el efluente primario y el lodo recirculado se añaden como influente final en un tanque de aireación. Esta mezcla de agua residual y lodo recirculado circulan a través del tanque hacia el final del efluente. Debido a que el agua residual no se añade en cualquier otro punto del tanque de aireación, el esquema del proceso corresponde a un "flujo de pistón". El flujo de pistón corresponde al proceso convencional y el proceso de aireación prolongada. El diseño del tanque de flujo de pistón puede ser de un solo paso o de paso múltiple como puede verse en el diagrama. El proceso convencional de fangos activos utiliza como parámetros: La carga orgánica en el tanque de aireación: kg DBO/m 3 día; Relación alimento-microorganismos (F/M): kg DBO/kg SSVLM; Tiempo de retención celular: 5-15 días; SSLM: mg/l; Tiempo de retención en el tanque de aireación: 4-8 horas; y Relación de recirculación: % de influente.

9 Puesto que el influente final del tanque de aireación es una mezcla de influente y lodo recirculado, la demanda de oxígeno más elevada se produce en este punto. De esta forma, normalmente el oxígeno disuelto es bajo en este punto del tanque. Esto se debe a que los microorganismos han estado en el fondo del clarificador secundario con una pequeña cantidad de oxígeno y alimento. Cuando son recirculados al tanque de aireación, consumen activamente materia orgánica; utilizado el oxígeno disponible. También en la primera parte del tanque de aireación, la relación F/M es alta. Aunque los microorganimos están activos en el comienzo del tanque de aireación, hay suficiente materia orgánico que permita la actividad en todo el tanque. Hacia la mitad del tanque de aireación, el número de microorganismos se incrementa. Sin embargo, mientras esto ocurre, la disponibilidad de alimento y la relación F/M disminuyen, siendo menor el número de nuevas células que se producen. La relación F/M continúa disminuyendo puesto que el alimento disponible para mantener vivos los microorganismos es mínimo. Además, la cantidad de oxígeno también disminuye, aumentando el nivel de oxígeno disuelto. Al final del tanque de aireación hay una pequeña cantidad de materia orgánica residual, el oxígeno utilizado es poco y algunas bacterias mueren. Las bacterias son menos activas y empezarán a flocular y decantar en los clarificadores secundarios. CAPÍTULO III: VARIACIONES DEL PROCESO Sección: Procesos de mezcla completa Mezcla completa. En un proceso de fangos activos de mezcla completa, el influente de agua residual y el lodo activo recirculado se distribuyen por todo el tanque de aireción, como se muestra en el diagrama. La ventaja de distribuir el agua residual en pequeñas cantidades por todo el tanque de aireación es que se reduce la demanda de oxígeno, permitiendo tratar cargas orgánicas más altas. La distribución de agua residual en pequeñas cantidades disminuye el efecto de los "shocks" o golpes de carga, debido a cargas orgánicas excesivas. Las cargas tóxicas se minimizan también, puesto que el material tóxico se dispersa rápidamente. Los parámetros típicos de operación del proceso de mezcla completa son: Carga orgánica en el tanque de aireación: kg DBO/m 3 día; Relación alimento microorganismos: kg DBO/kg SSVLM; Tiempo de retención celular: 5-15 días; SSLM: mg/l Tiempo de retención el el tanque de aireación: 3-5 horas; y Relación de recirculación % de influente.

10 Las desventajas del proceso de mezcla completa son que tienden a desarrollar organismos filamentosos y la formación de caminos preferenciales a través del tanque de aireación. Si el tanque no ha sido diseñado propiamente, el flujo influente puede dejar rápidamente el tanque, recibiendo poco tratamiento. CAPÍTULO III: VARIACIONES DEL PROCESO Sección: Aireación prolongada Aireación prolongada. El proceso de aireación prolongada a menudo utiliza la misma distribución de flujo que el proceso de flujo de pistón, pero el tiempo de retención del agua residual es de horas. Este proceso opera con altos tiempos de retención celular y relación de F/M, dando lugar a una alimentación insuficiente para los microorganismos. Estos compiten por la alimentación residual y a menudo utilizan su propia masa celular como alimento. Este fenómeno en el cual los microorganimos se alimentan de sí mismos se conoce como respiración endógena. Esta situación de competitividad supone un efluente altamente tratado con una producción de lodo baja. Sin embargo, cuando el proceso no se opera bien, el efluente pude contener flóculos de punta de alfiler, que resultan en la reducción de la eliminación de DBO y SS. Los parámetros de operación típicos del proceso de aireación prolongada son: Carga orgánica del tanque de aireación: ,4 kg DBO/m 3 día; Relación alimento-microorganismos (F/M): ,4 kg DBO/kg SSVLM; Tiempo de retención celular: días; SSLM: mg/l; Tiempo de retención en el tanque de aireación: horas; y Relación de recirculación: % de influente. Muchos sistemas de aireción prolongada no disponen de clarificadores primarios. Las principales desventajas de estos sistemas son altos requerimiento de oxígeno por unidad de agua residual que entra en planta y el gran volumen necesario para mantener el agua residual durante el tiempo requerido. Los tanques de aireación en el proceso de aireación prolongada pueden tener distintas formas, como rectangulares con difusores sumergidos, canales circulares con aireadores de superficie o difusores sumergidos o canales de oxidación, como el que se muestra en la figura. La mayor parte de los canales de oxidación se diseñara como un sitema de aireación prolongada. Sin embargo, algunos canales de oxidación se diseñaran como procesos convencionales de fangos activos, con carga orgánicas de kg DBO/ m 3 día.

11 CAPÍTULO III: VARIACIONES DEL PROCESO Sección: Contacto - Estabilización Contacto - estabilización. El proceso de contacto - estabilización utiliza una específica configuración del tanque. Como se muestra aquí, este proceso utiliza dos tanques de aireación: Tanque de estabilización; y Tanque de contacto. El lodo activo recirculado se bombea primero al tanque de estabilización, donde se airea durante 3-6 horas. En el tanque de estabilización el lodo se airea en ausencia de alimento (efluente primario o agua residual). En el tanque de estabilización, las bacterias oxidan el alimento que adsorben y lo utilizan para su crecimiento. Después de esto, el lodo pasa al tanque de contacto, donde se mezcla con el efluente primario o agua residual. Puesto que los microorganismos han permanecido largo tiempo sin alimentación, son altamente activos cuando entran en el tanque de contacto. El tiempo de retención en el tanque de contacto es bajo: de 20 minutos a una hora. El alimento es rápidamente absorbido por los microorganimos. Después de pasar a través del tanque de contacto, el licor mezcla se transfiere al clarificador secundario, donde los sólidos decantan. Los parámetros típicos de operación del proceso de estabilización y contacto son: La carga orgánica en el tanque de aireación: kg DBO/m 3 día; Relación alimento-microorganismos (F/M): kg DBO/kg SSVLM; Tiempo de retención celular: 5-15 días; SSLM: mg/l (tanque de contacto) y mg/l (tanque de estabilización); Tiempo de retención en el tanque de aireación: horas (contacto) y 3-6 horas (estabilización); y Relación de recirculación: %. El proceso de estabilización y contacto tiene varias ventajas frente a otros tipos de procesos. Una ventaja es que el proceso se da cuando la planta de tratamiento tiene excesiva carga hidráulica o tóxica. Si una de estas dos condiciones se produce, la mayor parte de los microorganismos pueden permanecer en el tanque de estabilización y no se ven afectados. Después de corregir las condiciones adversas, el proceso puede trabajar bien rápidamente.

12 CAPÍTULO III: VARIACIONES DEL PROCESO Sección: Alimentación Escalonada Alimentación escalonada. Alimentación escalonada o aireación escalonada es una modificación del proceso de flujo de pistón. El influente del lodo activo se introduce en dos o más puntos a lo largo de la longitud de un tanque de aireación de un solo paso o en diferentes puntos de un tanque de paso múltiple. El proceso de fangos activos de aireación escalonada tiene varias ventajas debido a la flexibilidad del sistema. Distribuyendo la carga orgánica en diferentes puntos y en pequeñas cantidades, se reduce la alta demanda de oxígeno que se produce en un punto. Por tanto, la carga orgánica puede ser distribuida en diferentes puntos de alimentación en el tanque de aireación, de acuerdo como se muestra aquí. Si la planta sufre una débil carga orgánica o una alta carga hidráulica, el flujo de alimentación puede ser distribuido como se muestra en el diagrama. Operando de esta forma cuando se produce una alta carga hidráulica, la planta puede salvarse del lavado de grandes cantidades de sólidos porque solamente una pequeña parte del tanque de aireación se ve afectada por el flujo hidráulico. Por ejemplo, cuando una planta de tratamiento tiene condiciones normales de flujo pero hay un periodo de baja carga orgánica, el flujo influente del tanque de aireación puede ser introducido en la parte final de un tanque de paso múltiple o en los puntos de alimentación finales de un tanque de un solo paso. Operando de esta forma, a qué otro proceso de lodos activos se parece con respecto a la alimentación? Este proceso es el de contacto-estabilización. En este proceso el lodo activo recirculado se introduce en la cabeza del tanque de aireación sin influente. El flujo influente se añade después en un periodo corto de contacto. Como puede verse, el proceso de aireación escalonada da flexibilidad a los operadores de una planta de tratamiento de aguas residuales, para adaptarse a las diferentes condiciones que puedan darse. Los operadores podrían examinar sus instalaciones y cargas de planta, para ver que tipo de operación es necesaria. Los parámetros de operación típicos para el proceso de alimentación escalonada son: La carga orgánica del tanque de aireación: kg DBO/m 3 día; Relación alimento-microorganismos: 0,2-0.4 kg DBO/kg SSVLM; Tiempo de retención celular: 5-15 días; SSLM: mg/l; Tiempo de retención en el tanque de aireación: 3-5 horas; y Relación de recirculación: % de influente.

13 CAPÍTULO III: VARIACIONES DEL PROCESO Sección: Proceso con oxígeno puro Proceso con oxígeno puro. En el proceso con oxígeno puro, la fuente de oxígeno es el oxígeno puro mas bien que el aire. El proceso de fangos activos con oxígeno puro más común utiliza un tanque de aireación cerrado, como se muestra aquí. El agua residual, lodo recirculado y alimentación del oxígeno entra al principio del sistema y después fluye a través del tanque. Los tanques en este sistema deben ser cerrados para contener el oxígeno gas y permitir un nivel alto de utilización de oxígeno. La primera ventaja de este sistema es la posibilidad de controlar la velocidad de utilización de oxígeno, controlando la pureza del mismo. Estos sistemas son sensibles a descargas industriales de combustibles y cuentan con alarmas de límites de explosión más bajos, para proteger a los operarios de condiciones peligrosas. Para trabajar con combustibles en ambientes de oxígeno puro, deber cumplirse condiciones de seguridad especiales. Los parámetros de operación típicos un sistema de oxígeno puro son: La carga orgánica del tanque de aireación: kg DBO/m 3 día; Relación alimento-microorganismos: kg DBO/kg SSVLM; Tiempo de retención celular: 3-10 días; SSLM: mg/l; Tiempo de retención en el tanque de aireación: 1-3 horas; y Relación de recirculación: % de influente. CAPÍTULO III: VARIACIONES DEL PROCESO Sección: Reactores discontinuos secuenciales Reactores discontinuos secuenciales. El proceso de reactores discontinuos secuenciales se desarrolló en Europa y ahora comienza a utilizarse en Estados Unidos. El proceso de reactores discontinuos secuenciales consiste en un solo tanque donde el tratamiento y la decantación se producen en ciclos determinados. Debe señalarse que aunque el proceso se desarrolla en un solo tanque, al menos son necesarios dos tanques, puesto que mientras que un tanque se carga, el otro está tratando el residuo. Los ciclos de tratamiento típicos del proceso son: 1. Llenado - el agua residual se carga en el tanque de aireación. 2. Reacción - aireación y mezclado del contenido del tanque. 3. Decantación - apagado de la aireación y decantación del contenido del tanque.

14 4. Vaciado - el agua residual se vierte fuera del tanque. 5. Limpieza - El fondo del tanque se limpia de lodo. Ventajas del proceso: Eliminación del clarificador secundario y sistema de bombeo y recirculación del lodo. Gran tolerancia a picos de flujos y "shocks" de carga. Reducción en el lavado de microorganismos. Buenas condiciones de decantación. Flexibilidad del proceso para controlar el "bulking" filamentoso. Los procesos de reactores discontinuos secuenciales se diseñan con parámetros de aireación prolongada. Estos procesos se ha considerado que tienen ciclos de tiempo de 8-49 horas, F/M = kg DBO/kg SSVLM y tiempo de retención celular de días. CAPÍTULO III: VARIACIONES DEL PROCESO Sección: Nitrificación Nitrificación. Muchas instalaciones de tratamiento de aguas residuales han sido diseñadas para nitrificar el agua residual en condiciones estrictas. La mayoría de ellas utilizan nitrificación biológica. La nitrificación biológica se debe a dos géneros de bacterias nitrificantes: Nitrosomas, y Nitrobacter. Durante la nitrificación biológica, Nitrosomas transforma el nitrógeno amoniacal en nitrito. Nitrobacter oxida el nitrito a nitrato, que es la forma final. La bacterias nitrificantes crecen después de que la DBO ha sido eleminada y el tiempo de retención celular debe ser de 8 días o más. Este tipo de bacterias consumen mucho oxígeno. Utilizan 46 kg O 2 por kg de nitrógeno amoniacal convertido. Los microorganismos que reducen la DBO utilizan kg O 2 por kg de DBO eliminada. Las bacterias nitrificantes son muy sensibles a cambios de temperatura, ph, alcalinidad y nutrientes, además de materiales tóxicos. Durante la fase de nitrificación del tratamiento, la alcalinidad se elimina. Aproximadamente 7.14 kg de carbono cálcico (CaCO 3 ) son eliminados por cada kg de nitrógeno amoniacal convertido. Normalmente, la alcalinidad del agua residual es más que suficiente para satisfacer la necesaria en la nitrificación.

15 Si esta alcalinidad no es suficiente, debe añadirse cal u otro producto químico al agua residual para asatisfacer la demanda. Si la alcalinidad es insuficiente, el ph del agua residual puede caer y el proceso de nitrificación puede inhibirse. El intervalo de ph óptimo para la nitrificación se siúa entre 8 y 9, aunque muchas instalaciones operan entre 7 y 8. Los procesos de nitrificación se diseñan para operar como sistemas de una sola etapa o de dos etapas. En un sistema de dos etapas hay un sistema secundario de eliminación de DBO y otro para nitrificación. Como se observa en el diagrama, la primera etapa puede ser un fango suspendido en un tanque de aireación, o una película de microorganismos, como un lecho bacteriano. La segunda etapa puede ser también un fango suspendio o una biopelícula. El aspecto más importante es que la materia orgánica se elimina en el primer paso y la nitrificación en el segundo paso. En un sistema de una sola etapa, el tamaño del tanque de aireación debe permitir la eliminación de materia orgánica y la nitrificación. CAPÍTULO III: VARIACIONES DEL PROCESO Sección: Proceso de fangos activos acoplado Proceso de fangos activos acoplado. El sistema de fangos activos pude operar con otro proceso secundario de tratamiento para alcanzar mayor rendimiento, como incrementar las eliminaciones de sólidos suspendidos y DBO o nitrificación - desnitrificación. Los sistemas de fangos activos acoplados pueden tener dos o más sistemas de fangos suspendidos o un sistema de fango suspendido y un lecho fijo. (lecho bacteriano). A finales de los años 70 se descubrió que si un pequeño tanque de aireación o canal se instalaba después de un lecho bacteriano, la calidad del efluente mejoraba. Un pequeño tanque de aireación con un tiempo de retención de 30 minutos a 1 hora mejoraba las eficacias de eliminación de DBO soluble y sólidos en suspensión. Este proceso con un lecho bacteriano y un pequeño tanque de aireación se llama proceso de lecho bacteriano / contacto de sólidos. El efluente del lecho bacteriano fluye a un pequeño tanque de aireación o canal de aireación, donde los microorganismos del lodo activo reducen la DBO soluble en minutos y forman pesados flóculos que decantan en el clarificador. La concentración de licor mezcla se mantiene entre 1500 y 2500 mg/l. El tiempo de retención celular para el proceso lecho bacteriano / contacto de sólidos (LB/CS) es normalmente 2-3 días.

16 El proceso LB/CS no está diseñado para llevar a cabo nitrificación, pero puede darse algo en el lecho bacteriano. Los sólidos que decantan en el clarificador secundario se recirculan a la base de aireación y el exceso se purga. CAPÍTULO IV: ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DE NUTRIENTES Sección: General Los procesos de eliminación biológica de nutrientes se han desarrollado como modificaciones del sistema convencional de fangos activos. Las mayores diferencias se deben a contrastar las condiciones ambientales en los bioreactores, y a un control cuidadoso del tiempo de retención celular. En un agua residual los nutrientes fósforo y nitrógeno aparecen en muchas formas químicas diferentes. El fósforo puede estar presente como fósforo orgánico, polifosfato u ortofosfato. El nitrógeno puede estar como nitrógeno orgánico, amonio, nitrito y nitrato. Para una eficaz eliminación, todas las formas de fósforo deben ser transformadas en ortofosfato. En la desnitrificación para la eliminación de nitrógeno, debe darse una nitrificación previa. En los procesos especializados de eliminación biológica de nutrientes para el control de fósforo y nitrógeno se utilizan biorreactores (similares a los tanque de aireación de fangos activos) con bafles para crear zonas con diferentes condiciones ambientales. Se utilizan varios términos para describir estas zonas. Aeróbio u óxico indica una zona que posee oxígeno disuelto. Anóxico se refiere a una zona con una concentración de OD menor de 0.5 mg/l con presencia de nitrato. El término anaerobio se utiliza a menudo con anóxico; sin embargo, anaerobio sólo debería utilizarse para describir una zona que no posee OD y posiblemente hay presencia de nitrato. Otro término utilizado es el de recirculación. Recirculación puede referirse al flujo de fango activo del clarificador a la entrada del reactor biológico. Recirculación es también un flujo interno dirigido de una zona del biorreactor a otra. Por ejemplo, la vuelta del lodo de la zona aeróbica a la anóxica. Los procesos de etapas separadas como el que se muestra aquí, no se discutirán porque existen muy pocos y porque, debido a su alto costo, incluso menos se han diseñado. Literalmente, cientos de esquemas de flujo son posibles para la eliminación biológica de nutrientes. En esta sección se discuten solamente procesos biológicos con un solo lodo. Procesos de un solo lodo son sistemas que hacen circular la misma biomasa en varias condiciones ambientales, y obtener varias transformaciones biológicas, como utilización de fósforo en biomasa, nitrificación y desnitrificación.

17 Varios procesos, muchos de ellos patentados, se han desarrollado con este propósito. Las más importantes, por nombrar unos pocos, son: proceso anaerobio / óxico (A/O), Fostrip, reactores discontinuos secuenciales (RDS), Whurmann y Bardenpho. CAPITULO IV: ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DE NUTRIENTES Sección: Fósforo Eliminación biológica de fósforo. Cuando los microorganismos están sujetos continuamente a un ambiente anaerobio y luego aerobio, se produce una alta utilización de fósforo. En un proceso estándar de fangos activos convencional, solamente un % del fósforo es eliminado biológicamente. Sin embargo, en un proceso de eliminación biológica de fósforo, las eficacias de eliminación pueden alcanzar el 90 % o más. Esta eliminación más elevada se produce porque dos ambientes diferentes facilitan una solución de microorganismos naturales, como Pseudomonas, que primero liberan el fósforo almacenado, en condiciones anaerobias, y luego eliminan importantes cantidades de fósfor en solución en condiciones aerobias. Este protocolo es la base de la tecnología de eliminación biológica de fósforo. El esquema de flujo muestra cómo se lleva a cabo la eliminación biológica de fósforo, que se distribuye en las regiones anaeróbicas y aeróbicas. La tecnología de eliminación biológica de fósforo puede ser de dos tipos: de corriente principal o de corriente secundaria. Las diferencias se deben a la distribución de flujo y a las adiciones de compuestos químicos. En el proceso de corriente principal, como puede ver aquí, todo el influente y el lodo recirculado entran en la región anaeróbica y después en la aeróbica. El tiempo de retención hidráulico (TRH) para este sistema es de 2-4 horas en la zona anaeróbica, con una concentración del licor mezcla de mg/l y una concentración de OD menor de 0.2 mg/l. En la zona aeróbica TRH es de 4-6 horas con una concentración del licor mezcla de mg/l y OD más de 2.0 mg/l. El proceso de corriente secundaria difiere del de corriente principal en dos casos. Primero, solamente una parte del lodo de recirculación pasa a la zona anaeróbica y segundo, el fósforo soluble se precipita en la zona anaeróbica con carbonato cálcico. Aquí se muestra un diagrama de flujo simplificado par el proceso de corriente secundaria. La segunda diferencia es la presencia de un tanque adicional al que se dirige un % del flujo de lodo recirculado. El flujo de lodo restante pasa del clarificador secundario al tanque de aireación.

18 El tanque adicional opera como un separador de gruesos. En este tanque de fósforo soluble se libera del lodo y fluye a través de esclusas hacia la parte superior del tanque. El lodo, después de esta operación de "stripping" se elimina del fondo del tanque y vuelve al tanque de aireación. El fósforo solubre que abandona el tanque de "stripping" fluye al rector de clarificación. En el reactor de clarificación, se añade carbonado cálcico para precipitar el fósforo (ph 9-9.5). El lodo que decanta en el fondo del tanque, rico en fósforo, se envía al tratamiento de sólidos. El líquido que fluye a la parte superior del tanque, pobre en fósforo, se divide en dos porciones: una porción se hace volver a la parte inferior del tanque de "stripping" como agua de elutriación (lavado); la otra porción se hace retornar a la planta de tratamiento. Cualquier tipo de tanque de aireación, como flujo de pistón, mezcla completa o alimentación escalonada, puede ser utilizado en el proceso de corriente secundaria, pero el proceso de corriente principal debe diseñarse como flujo de pistón. El proceso de corriente secundaria es más complejo que el de corriente principal porque deben controlarse más flujo de proceso. Además, el proceso de corriente secundaria precisa de adición química de carbonato cálcico. CAPÍTULO V: ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DE NUTRIENTES Sección: Nitrógeno Eliminación biológica de nitrógeno. La eliminación biológica de nitrógeno o desnitrificación, es un proceso de dos etapas que requiere nitrificación en un ambiente aerobio seguido de desnitrificación en un ambiente anaerobio. La nitrificación es una oxidación secuencial de nitrógeno amoniacal a nitrito y posteriormente a nitrato. La desnitrificación reduce el nitrógeno de nitrato a nitrógeno gas, liberado por organismos desnitrificantes (heterótrofos facultativos), de acuerdo con una respiración microbiana. En términos simplificados, la desnitrifiación biológica se da cuando no hay oxígeno libre disponible para los microorganismos, y entonces el nitrato se usa como fuente de oxígeno. Un subproducto de este proceso es el nitrógeno gas. Hay dos posibilidades de diseño: un bioreactor dividido en tres diferentes zonas ambientales y otra es el bioreactor dividido en cinco zonas ambientales. Las mayores diferencias de operación es la eliminación biológica de fósforo y nitrógeno son las velocidades de recirculación entre zonas.

19 Aquí se muestra la forma de un reactor de tres zonas para desnitrificación. Los volumenes relativos de cada zona dependen de la temperatura de diseño, calidad del agua residual y realciones de fósforo total (FT) y nitrógeno total Kjeldahl (NTK). Valores típicos de tiempos de retención hidráulicos en las zonas anaerobia, anóxica y aerobia pueden ser 2, 2 y 6 horas, respectivamente. Los sistemas de tre zonas, sin adición química, pueden producir efluentes finales no filtrados que contienen 1-2 mg/l de fósforo total, 2 mg/l de nitrógeno amoniacal y 5-7 mg/l de nitrógeno total. Se muestra ahora un reactor de cinco zonas de desnitrificación. Dos zonas adicionales se suman a la zona aeróbica del proceso de tres zonas, incluyendo unas segunda zona anóxica y una zona de reaireación. Los volumenes relativos de las cinco zonas dependen del parámetro específico y de objetivos de diseño. Típicamente, los tiempo de retención hidráulicos de las zonas anaerobia, anóxica, aerobia, segunda anóxica y reaireación son 2, 3, 12, 2 y 1 horas, respectivamente. En el sistema de cinco zonas sin adición química, se pueden alcanzar efluentes no filtrados con 2-3 mg/l de fósforo total, 1 mg/l de nitrógeno amoniacal y 3-5 mg/l de nitrógeno total. La eliminación de fósforo en el proceso de cinco zonas es menor que en el proceso de tres zonas, porque la biomasa es aireada por un periodo de tiempo más largo, dando lugar a una producción de lodo más reducida. La eliminación de nitrógeno es mayor en el proceso de cinco zonas, ya que la segunda zona anóxica proporciona una desnitrificación adicional. CAPÍTULO VI: INSTALACIONES DE PROCESO Y DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO Sección: General INSTALACIÓN DEL PROCESO Y DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO. CAPÍTULO VI: INSTALACIONES DE PROCESO Y DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO Sección: Tanque de aireación El tanque de aireación debe dimensionarse para proporcionar un tiempo de retención suficiente para el tratamiento. Los tanques de retención varían de 30 minutos a 36 horas, dependiendo del esquema de tratamiento, el tipo de agua residual y los requerimientos del efluente. En una planta típica hay al menos dos tanques de aireación, de esta forma, mientras uno está funcionando el otro se mantiene de reserva.

20 Cunado el proceso precisa de más de un tanque de aireación, un distribuidor de flujo puede utilizarse para llevar el caudal a los tanques. El tamaño y la forma del tanque de aireación varía, aunque suelen ser rectangulares y cuadrados, con unos m de profundidad. En plantas con problemas de espacio los ingenieros diseñan tanques de aireación más profundos, incluso de 9 m. CAPÍTULO VI: INSTALACIONES DE PROCESO Y DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO Sección: Equipo de aireación El equipo de aireación del tanque de aireación tiene importancia por dos razones. Primero, proporciona el oxígeno necesario para que los microorganismos rompan la materia orgánica. En segundo lugar, el equipo de aireación proporciona las condiciones de mezcla del tanque. Esto mantiene a los microorganismos, materia orgánica y oxígeno en contacto contraste y ayuda a prevenir la formación de sólidos por decantación. La función primaria de cualquier sistema de aireación es, por tanto, disolver oxígeno en el líquido y mezclar. Los dos tipos de sistemas de aireación más comunes son los aireadores mecánicos y los sistemas de difusión de aire por debajo de la superficie. CAPÍTULO VI: INSTALACIONES DE PROCESO Y DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO Sección: Mezcladores Un tipo de sistema de aireación mecánica utiliza un mezclador para poner el agua residual en contacto con el aire. El sistema pulveriza licor mezcla en el aire y fuerza a éste a introducirse en el agua, disolviéndose el oxígeno en la misma. Este tanque de aireación utiliza aireación mecánica. Hay muchos tipos diferentes de sistemas que se utilizan para la aireación mecánica, por ejemplo, discos de aireación, impulsores o cepillos rotatorios. Hay varios métodos para cambiar la cantidad de oxígeno aplicado al licor mezcla mediante aireadores mecánicos. Estos incluyen lo siguientes: Cambiar la profundidad o sistema de aireación. En general, cuanto más profundo esté el aireador, mayor oxigenación se conseguirá. Cambiar la velocidad del aireador. Modificar el nº de aireadores en servicio. Las desventajas de los aireadores mecánicos son la posible congelación en invierno y los trapos que puedan colgar del la palas. El hielo y los trapos deben ser eliminados.

21 CAPÍTULO VI: INSTALACIONES DE PROCESO Y DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO Sección: Difusores Un sistema básico de difusión consiste en tuberías sumergidas con pequeños agujeros. Esta tuberías llevan aire comprimido que sale de los agujeros y forma pequeñas burbujas. El equipo puede consistir simplemente en tuberías con agujeros o puede tener difusores especiales para producir burbujas de distinto tamaño y formas. Este tipo general de difusión utiliza plato poroso, membranas flexibles o cualquier otro tipo de sistema para romper el aire en pequeñas burbujas antes de que entre en el licor mezcla. Este diagrama muestra el principio básico de los sistemas de aireación de plato poroso. El otro tipo principal de aireador de difusión de aire utiliza un sistema mecánico, al final de la línea de aire comprimido para romper la corriente de aire en pequeñas burbujas. Con un sistema de aireación de difusión, la cantidad de oxígeno disuelto depende del tamaño de las burbujas y del tiempo que éstas están en contacto con el agua residual: cuanto mayor sea el tiempo de contacto y menor el tamaño de las burbujas, mayor será la eficacia en la transferencia de oxígeno. Los difusores se sitúan en el fondo del tanque de aireación. Esta situación supone el mayor tiempo de contacto, antes de que las burbujas alcancen la superficie y pasen a la atmósfera. Esto maximiza la cantidad de oxígeno que se transfiere al licor mezcla. También, una mayor profundidad aumenta la presión de agua y favorece la disolución de oxígeno. Existen difusores para burbujas grandes, medianas y pequeñas. Los difusores de burbuja grande suelen ser tubos horizontales con orificios espaciados suficientemente para prevenir que las burbujas se golpeen y fusionen entre sí. Estos difusores de tipo horizontal son normalmente de m. Además de los tubos horizontales hay otros tipos horizontales de burbuja grande. Los difusores de burbuja grande a veces tienen un disco de plástico encima para romper las burbujas y como válvula de seguridad. Los difusores de burbuja grande pueden también ser lanzas con una apertura en el fondo y una placa deflectora. Los difusores de burbuja mediana son más eficientes que los de burbuja grande, pero no tan efectivos como los de burbuja pequeña. Aquí se muestra un tipo de difusor de burbuja mediana. Este difusor consiste en un soporte con una cubierta de goma o plástico sobre él. Los difusores de burbuja fina están hechos con tubos o platos cerámicos, o soportes cilíndricos cubiertos con una envoltura porosa (típicamente de goma o tela).

22 La eficacia en la transferencia de oxígeno de los diferentes difusores es: Burbuja fina: % Burbuja media: 8-15 % Burbuja grande: 4-8 %. CAPÍTULO VI: INSTALACIONES DE PROCESO Y DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO Sección: Mantenimiento del difusor Cuanto más pequeña sea la burbuja, más limpio debe estar el difusor. El ciclo de limpieza de los difusores de burbuja fina depende de las características del agua residual y de la velocidad de flujo de aire. Los difusores de burbuja fina a menudo se ensucian y obstruyen, por restos biológicos o formación de escamas. Estos difusores deben ser limpiados manualmente, con gas, compuesto clorados o reemplazo. Los difusores de burbuja grande son menos susceptibles al ensuciamiento. Sin embargo, debido a que son menos efectivos, requieren soplantes más potentes y mayor energía aplicada. La velocidad de flujo de aire de un difusor cerámico de burbuja fina es típicamente m 3 /min por difusor. Para un difusor de burbujas grande es de m 3 /min. CAPÍTULO VI: INSTALACIONES DE PROCESO Y DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO Sección: Soplantes Con cualquier sistema de difusión de aire, el aire debe formarse en el interior del tanque. Esto significa que deben utilizarse soplantes, como la que se muestra aquí, para suministrar aire a los difusores. Hay dos tipos principales de soplantes utilizados en las plantas de tratamiento. Uno es la soplante de desplazamiento positivo. Las soplantes de desplazamiento positivo son normalmente soplantes de lóbulos rotatorios. Estas soplantes se fabrican con diferentes capacidades, generalmente m 3 /min Se diseñan también con diferentes presiones de descarga, generalmente kn/m 2. Sin embargo, muchas plantas operan entre 30 y 100 kn/m 2. Generalmente, los soplantes operan a velocidades y presiones de salida constantes. Algunos, sin embargo, se diseñan con diferentes formas de motor para permitir modificar la capacidad de salida.