Gradientes de estabilización de lodos de acuerdo a los regímenes de procesos de fangos activos. Teoría y practica

Transcripción

1 Gradientes de estabilización de lodos de acuerdo a los regímenes de procesos de fangos activos. Teoría y practica Pedro Cisterna Osorio Ingeniero Civil Químico Jefe Depto. Control de Calidad Essbío S.A. Valentin Alvarado Mardones Biólogo Essbío S.A.

2 Gradientes de estabilización de lodos de acuerdo a los regímenes de procesos de fangos activos. Teoría y practica Resumen En el presente trabajo se llevo a cabo un estudio acerca del nivel de estabilización de los lodos producidos por tres plantas de tratamiento biológico por fangos activos de aguas residuales. Como es sabido la teoría sustenta que de acuerdo al régimen de operación, ya sea aireación extendida o convencional, se va a obtener un lodo con mayor o menor nivel de estabilización de los lodos respectivamente. Precisamente el objetivo de este trabajo es constatar el nivel de consistencia que se establece entre la conceptualización teórica y el funcionamiento real de las plantas en lo relativo a la estabilización de los lodos, utilizando como parámetro de medición la relación Sólidos suspendidos volátiles a Sólidos suspendidos totales (SSV/SST). Los resultados reales obtenidos confirman lo sustentado teóricamente en cuanto a la calidad de los lodos de acuerdo al tipo de régimen, lo que es un buen antecedente práctico, acerca de las ventajas comparativas que presentan los procesos de aireación extendida en lo relativo a la estabilización de los lodos. 1

3 Introducción En los distintos procesos de tratamiento de aguas residuales se generan lodos que en principio corresponden al residuo de la actividad depuradora de las aguas residuales. La generación de estos lodos da origen a uno de los problemas mas complicados que debe enfrentar la gestión de tratamiento y depuración de las aguas residuales, que es la disposición de estos. Para la disposición de los lodos se requiere que estos cumplan determinados requisitos, que son fundamentalmente una adecuada estabilización y deshidratación, por lo que una parte considerable de los esfuerzos que se realizan en el tratamiento de aguas residuales incluyen generalmente la estabilización de la biomasa resultante del proceso depurador. En lo que respecta a los procesos de tratamiento biológico, se genera un lodo que corresponde a la biomasa generada por la actividad depuradora de las aguas residuales. Se debe distinguir entre los procesos que realizan una purga en forma continua o intermitentemente continua, tales como fangos activos, biodiscos y lechos bacterianos y aquellos que acumulan los lodos por un periodo considerable como es el caso de las lagunas de estabilización. En este caso se centrara el análisis en aquellos casos en los cuales se tiene una experiencia practica a nivel de nuestro país, lo cual va a estar dado por la existencia de los sistemas mencionados, por lo que se analizaran básicamente plantas de fangos activos, de las cuales se tienen a distintos regímenes, unos en la modalidad convencional y otros en aireación extendida. 2

4 Objetivos El objetivo de este trabajo es comprobar la consistencia que existe en este aspecto del tratamiento de las aguas residuales, entre la teoría y la realidad, ya que de acuerdo a la teoría el régimen de operación de los procesos de fangos activos, determina en gran medida el nivel de estabilización del lodo. En aireación extendida se produce un lodo mas estabilizado que en un proceso de tipo convencional. En el presente trabajo se ha llevado a cabo un seguimiento de los lodos para plantas depuradoras que operan en ambas condiciones de régimen por lo que se compararán los resultados de los tipos de lodos y se analizara su consistencia con la teoría que sirve de soporte. Marco teórico Los lodos de una depuradora de aguas residuales se pueden definir como cualquier sólido, semi sólido o liquido generado por planta municipal, comercial o industrial de tratamiento de aguas residuales. Estos biosólidos son materiales orgánicos ricos en nutrientes derivados de la depuración de las aguas residuales. Estos contienen nutrientes como Nitrógeno, fósforo y potasio (Sastre, 1995). La gestión de los fangos esta estrechamente vinculado al proceso de depuración empleado, que determinara las características y propiedades de los biosolidos y viabilidad o conveniencia de la alternativa a emplear en la gestión. La calidad de los fangos de procesos de tipo biológico, en cuanto a su nivel de estabilización esta determinado en gran medida por el régimen de tratamiento al cual son sometidos los lodos. El proceso de fangos activos incluye el crecimiento y desarrollo de los lodos en el estanque de aireación, su posterior paso al estanque de sedimentación, posterior a esto su recirculación al tanque de aireación, proceso que se repite una cantidad de veces considerable hasta el momento que estos son purgados y eliminados del sistema. Posterior a esto los lodos son sometidos a una digestión ya sea aeróbica o anaerobica, la cual tiene por función reducir el contenido de materia orgánica lo cual se basa en la ocurrencia de la fase endógena del metabolismo celular, lo 3

5 que se traduce en la destrucción de células, lo cual analíticamente se expresa en la disminución de los sólidos suspendidos volátiles. En este trabajo se analiza el nivel de estabilización de lodos, a través de la digestión de tipo aerobia, que se alcanza en el mismo proceso de fangos activos, la que reduce la cantidad de sólidos a disponer finalmente, esta reducción es el resultado de la conversión, por oxidación, de una parte importante del lodo en productos volátiles, lo cual corresponde a la respiración de la fase endógena. Esta digestión aeróbica de los lodos que se da dentro de los limites del proceso de fangos activos va a estar determinada en gran medida por el tipo de régimen de operación a aplicar, ya que en la depuración de las aguas residuales ocurren simultáneamente diversos procesos bioquímicos, por una parte los microorganismos biodegradan la materia orgánica para lo cual es necesario la utilización de oxigeno, además utilizan el sustrato para su síntesis y crecimiento del cual obtienen la energía y masa necesaria, y por otra parte esta la autooxidación de los microorganismos que no están en su fase de actividad metabólica. Dependiendo del proceso que adquiera mayor relevancia en el estanque de aireación, ya sea la biodegradación de materia orgánica proveniente del influente, o la autoxidación de la masa bacteriana, se tendrá una determinada calidad de los lodos que resultan del proceso de fangos activos, en la medida que se tenga un predominio de la primera se tienen lodos con niveles de estabilización muy discretos ya que las bacterias disponen de suficiente cantidad de sustrato que deben biodegradar y que además deben utilizar para su crecimiento y desarrollo, por lo tanto los lodos deben ser purgados en una proporción importante, ya que si esto no ocurre la concentración de sólidos en el estanque de aireación va a aumentar drásticamente, por tanto los lodos evacuados son básicamente los que resultan del proceso de síntesis y desarrollo de la masa bacteriana, esta situación corresponde a la modalidad de fangos activos de tipo convencional. 4

6 A nivel de parámetros hidráulicos esto se traduce en una carga másica media y una edad celular baja. Carga másica (día -1 ): Cm =( Q DBO) / (MLSS V) (Diaz, 1997) 0.2 < Cm < 0.5 Edad celular: θ = (V MLSS) / (Qp x SSss) (Diaz. 1997) 4 < θ < 6 días Q = Caudal del influente (m 3 /día) DBO = DBO del influente (g/m 3 ) MLSS = Sólidos suspendidos en licor de mezcla en estanque de aireación (g/m 3 ). V = Volumen del estanque de aireación (m 3 ) Qp = Caudal de la purga de lodos (m 3 /día) SSss = Sólidos suspendidos sedimentador secundario (g/m 3 ). Cuando se tiene un sistema en el que la disponibilidad de sustrato es pobre en relación a la población de microorganismos, va a haber una población en exceso en relación a la cantidad de alimento disponible lo que estimula a los microorganismos en plena actividad a alimentarse de los microorganismos muertos, lo que tiene por consecuencia que estos últimos van a usar como sustrato la materia orgánica del material celular muerto por tanto la población de lodos que incluye a los que están en plena actividad y los muertos, va a tener un alto porcentaje de células que solo poseen el material mineral, con lo cual se aumenta la proporción mineral y con ello el nivel de estabilización de los lodos, esta situación corresponde a la que hay un claro predominio de la fase endógena, lo que se da en el proceso de fangos activos de aireación extendida. A nivel de parámetros hidráulicos esto se traduce en una carga masica muy baja y una edad celular alta < Cm < 0.2 Edad Celular > 20 días (Hernandez, 1992) 5

7 De hecho se establece una relación entre la fracción biodegradable de los lodos existentes en el estanque de aireación y la edad celular de éstos, que se expresa de la siguiente forma (Eckelfender, 1989): f = f d / ( 1+ b θ f nd ) f= Fracción biodegradable de los lodos a edad celular θ. f d = Fracción biodegradable de los lodos a θ = 0 f nd = Fracción no biodegradable de los lodos a θ = 0 b= Coeficiente cinético de la fase endógena Consecuente con lo anterior un proceso de fangos activos de tipo aireación extendida va a alcanzar un mayor nivel de estabilización de los lodos que un proceso de tipo convencional, ya que en el primero los parámetros hidráulicos favorecen el desarrollo de la fase endógena. Por otra parte se tiene que la deshidratación de los lodos en lechos de secado permite que estos se aireen y con ello se logren gradientes de estabilización marginales, que aumentan el valor global de estabilización de estos. Los instrumentos que se utilizaran para evaluar el nivel de estabilización que se alcanza en el proceso será la relación sólidos suspendidos volátiles a sólidos suspendidos totales, ya que los segundos corresponden al total de la biomasa existente en el tanque de aireación y los primeros a la fracción que se volatiliza de estos cuando se someten a 500º C, que es la fracción de materia orgánica. Por lo tanto la razón entre estas dos magnitudes corresponde a la fracción de materia orgánica que poseen los lodos, en relación a la cantidad de masa total que incluye la materia orgánica y la mineral, por lo que este cuociente es una aproximación de la fracción biodegradable de los lodos del estanque de aireación, ya que casi la totalidad de la materia orgánica presente es biodegradable. 6

8 Metodología Experimental En este trabajo se utilizaran muestras de lodos del estanque de aireación de plantas de tratamiento de fangos activos de tres plantas existentes: - Planta de tratamiento de aguas residuales de Contulmo en régimen de aireación extendida, tipo zanja de oxidación. Edad celular mayor que 30 días - Planta de tratamiento de aguas residuales de Fibranova en régimen de tipo convencional Edad celular entre 4 y 7 días - Planta de tratamiento de aguas residuales de Empedrado en régimen de tipo aireación extendida, planta Ecojet. Edad celular entre 20 y 30 días Los lodos provenientes de los tanques de aireación de las tres plantas mencionadas son sometidos a los análisis correspondientes de sólidos suspendidos totales y sólidos suspendidos volátiles, con lo cual se obtiene el grado de estabilización que se alcanza como consecuencia del tipo de régimen de la planta de tratamiento biológico. Posterior a esto los lodos son sometidos a un proceso de espesamiento, por dos días, de tal modo que al segundo día se retira el agua de la probeta donde se realiza este proceso y se miden nuevamente los mismos parámetros y con ello el gradiente de estabilización correspondiente a esta etapa. Finalmente los lodos son sometidos a un secado por exposición al sol en una bandeja de plástico con lo que se asimila a la deshidratación que se lleva a cabo en los lechos de secado. Se llevo a cabo un seguimiento de los lodos durante los siguientes 10 días posteriores a su evacuación del tanque de aireación, con la finalidad de evaluar los gradientes de estabilización que se alcanzan en esta etapa. 7

9 Se realizó durante todos los días de experimentación análisis de sólidos suspendidos volátiles y sólidos suspendidos totales, para asi obtener la relación entre estos dos parámetros, ya que esta relación informa que porcentaje de materia carbonada tienen los lodos en sus distintas etapas del proceso. Parámetros fisicoquímicos y métodos analíticos Sólidos suspendidos totales (SST), Sólidos Suspendidos Volátiles (SSV) Los SST se determinan por filtración de un volumen de muestra conocido sobre filtros de fibra vidrio WHATMAN, de 4,7 cm GF/C y posteriormente secados a ºC. La diferencia de peso de los filtros antes y después de la filtración permite calcular el contenido en SST ( Método 209C, Standard Methods). En cuanto a los SSV, se determinan por la perdida de peso después de la calcinación a 550ºC ( Método 208E, Standard Methods). 8

10 Resultados experimentales Estudio de Mineralización de lodos de Empedrado Días Lugar S.S.T. (mg/l) S.S.V.(mg/l) % Volatilización% Mineralización 0 Tanque aireac. 2008,0 1255,0 62,5 37,5 2 Espesador 6532,0 3910,0 59,85 37,5 Días Lugar Lodo HumedoLodo Seco Humedad Lodo volatil Volatilización Mineralizació g g % % % 5 Lecho Secado 20 1,01 95,00 0, Lecho Secado 18,5 0,96 94,8 0,56 58,3 41,7 10 Lecho Secado 7,35 0,9 87,7 0,43 47,7 52,3 Estudio de Mineralización de Lodos de Fibranova Días Lugar S.S.T. (mg/l)s.s.v.(mg/l) VolatilizacióMineralización 0 tanque aireac. 2100,0 1804,0 85,9 10,5 2 Espesador 6532,0 5510,0 84,3 14 Días Lugar Lodo HumeLodo Seco Humedad Lodo volatil Volatilizaci Mineralizac g g % % % 7 Lecho Secado 25,53 0,52 97,5 0,1 80,7 19,3 10 Lecho Secado 24,83 2,06 91,70 1,6 77,6 22,4 19 Lecho Secado 13,94 2,57 81,6 1,65 64,2 35,8 22 Lecho Secado 4,08 3,01 73,7 1,91 63,5 36,5 9

11 Estudio de Mineralización de Lodos de Contulmo Días Lugar S.S.T. (mg/l)s.s.v.(mg/l)% Volatiliz. % Mineraliz. 0 Zanja Oxid. 989,0 610,0 61,7 38,3 1 Espesador 7994,0 4616,0 57,7 42,3 Días Lugar Lodo Hume Lodo Seco Humedad Lodo volatil Volatiliz. Mineral. g g % g % % 2 Cancha Secado 13,73 0,69 94,97 0,39 56,5 43,5 5 Cancha Secado 14,88 1,14 92,30 0,64 56,1 43,9 8 Cancha Secado 4,65 3,79 18,49 1,89 49,9 50,1 Resultados de f reales y los basados en la correlación teórica : Resultado real Correlación teórica 0,617 0,607 0,625 0,618 0,856 0,801 10

12 Conclusiones 1.- Se constata la consistencia entre la teoría de los fangos activos y los resultados obtenidos a nivel de la estabilización de los lodos en los diferentes regímenes de tratamiento, ya que para las plantas de aireación extendida la relación Sólidos Suspendidos Volátiles (SSV)/ Sólidos Suspendidos Totales (SST) está próxima al 60 % y para las de tipo convencional próxima al 85 %. 2.- Que es recomendable someter a una aireación posterior los lodos evacuados del proceso, ya que se logran gradientes de estabilización considerables que están en un rango de 10 a 15 %. 3.- Que hay una consistencia entre los valores de f reales obtenidos y la correlación teórica, que relaciona este parámetro con la edad celular. 4.- Los resultados reales obtenidos confirman lo sustentado teóricamente en cuanto a la calidad de los lodos de acuerdo al tipo de régimen, lo que es un buen antecedente practico acerca de las ventajas comparativas que presentan los procesos de aireación extendida en lo relativo a la estabilización de los lodos. 11

13 Bibliografía 1.- Eckenfelder Wesley, Industrial Water Pollution Control, Editorial Mc Graw Hill, New York, Hernandez A. Depuración de Aguas Residuales, Colegio de Ingenieros de Caminos, Canles y Puertos, Madrid, APHA, AWWA, WEF, Standard Methods 18 th Edition, Diaz M., Tratamientos biológicos aerobios, En Libro: Contaminación e Ingeniería Ambiental, Ficyt, Oviedo, Sastre H., Biosólidos: Problemática, tratamiento, alternativas y tendencias futuras de uso, Segundas jornadas sobre medio ambiente en Asturias,