Capítulo II. Antecedentes Bibliográficos
II.2. El sistema de lodos activos
II.2.2. Diagrama de flujo del proceso de lodos activos y variables del sistema
El diagrama de flujo del proceso de lodos activos es el que se representa en la Figura II.5. Cada una de las siete corrientes indicadas queda perfectamente caracterizada a partir de su caudal Q, y de las correspondientes variables de estado: concentración de materia orgánica soluble, S (DBO, DQO, COT,...), la concentración de microorganismos viables o activos (MLVSS, VSS, ...) y la concentración de biomasa inactiva o muerta (MLNVSS, NVSS).
Los microorganismos se representan por X y los subíndices representan el carácter volátil (V) o no volátil (NV), y el segundo subíndice la corriente que se está considerando.
Clarificador primario Reactor aireado Decantador secundario Q0 S0 XV,0 XNV,0 QF SF XV,F XNV,F F Efluente del reactor Q0 Se XV,a XNV,e Efluente final Qe Se XV,e XNV,e 1 3 4 6 5 7 Descarga del clarificador Qu Se XV,e XNV,u Qw (VSS)w (NVSS)w (TSS)w Se XV,u XNV,u Purga Lodo reciclado r QR= rQF Se XV,u XNV,u 2 Bomba de reciclado y purga Alimentación combinada Alimentación fresca
Figura II.5. Diagrama de flujo del proceso de lodos activos (Ramalho, 1996).
En la Tabla II.4 se resumen las principales variables asociadas a cada corriente. .
37 Tabla II.4. Variables del proceso y descripción de corrientes
Corriente Descripción Caudal (m3/d) Sustrato (kg/m3) Microorganismos (kg/m3)
1 Alimentación fresca QF SF XV,F
2 Alimentación combinada Q0=QF (1+R) S0 XV,0
3 Efluente tanque aireación
Q0 Se XV,a
4 Efluente final Qe Se XV,e
5 Descarga clarificador Qu Se XV,e
6 Purga QW Se XV,u
7 Reciclado QR=RQF Se XV,u
Los parámetros básicos de funcionamiento de cada una de las unidades implicadas en el proceso son los siguientes:
Tanque de aireación
La concentración de sólidos volátiles en suspensión, representativa de la biomasa del sistema, oscila entre 2.000-3.000 mg/l, de los cuales aproximadamente ¾ son volátiles (fracción volátil del 80-90%).
Aunque, en principio, una mayor concentración de sólidos volátiles en suspensión supone una mayor velocidad de depuración, la velocidad del proceso de depuración está limitada por la velocidad de transferencia de oxígeno y por la sedimentación de los lodos, que se ve perjudicada ante un exceso de los mismos. Para aguas urbanas suele eliminarse del 90-95% de DBO en tiempos de residencia de 4-8 horas y razones de recirculación del orden del 10 al 30% del caudal total de entrada a la unidad.
La carga orgánica mide la capacidad de tratamiento de la unidad en kg de materia orgánica por unidad de capacidad de tanque y día, y en los sistemas convencionales por lodos activos oscila entre 0,4 y 1,2 kg DBO/m3·d
Existen, además, dos magnitudes de gran interés, la edad de los lodos, o tiempo de retención celular, y la relación A:M.
38
La edad de los lodos, c, (d), se define como el tiempo medio que permanecen los lodos en el
interior del sistema antes de ser eliminados del mismo mediante la purga con el efluente. Esta magnitud tiene un valor aproximado de 5-15 días en lodos convencionales, y es de gran interés en la adaptación de lodos a una carga y en relación con la magnitud de respiración endógena. La edad de los lodos coincide con el tiempo de residencia de sólidos cuando la respiración endógena y los sólidos en la alimentación son despreciables. Este parámetro está inversamente relacionado con la velocidad específica de crecimiento de sustrato a partir de la expresión:
1 , V X V X V a V c
En consecuencia, controlando la edad de los lodos se controla la velocidad específica de crecimiento de la biomasa en el sistema. La edad de los lodos se controla con la purga de lodo del sistema.
La segunda magnitud de interés es la intensidad de carga o relación A:M, que se define como la relación entre la carga orgánica diaria de la alimentación (kg DBO, kg DQO, ...) y la concentración de biomasa en el tanque de aireación (medida como STS, SVS, ...), y se expresa como A:M (kg de sustrato en la alimentación/(d) kg MLVSS en el reactor):
A M
S
X
V a ht
:
, 0
Un valor frecuente es A:M: 0,3-0,6 kg DBO5/kg STS·d, que favorece las características de
floculación del lodo.
En estas condiciones, la velocidad específica de consumo de sustrato varía entre 0,2-0,4 kg DBO/kgMLVSS.
Unidad de sedimentación
En el tanque de sedimentación se suele aumentar de 4 a 5 veces la concentración de sólidos del tanque de aireación. La capacidad de espesamiento suele medirse a partir de la velocidad de sedimentación zonal (VSZ) o del índice volumétrico de lodos, IVL, que mide los mililitros que ocupa, por gramo de materia seca, un litro de lodo activado después de sedimentar durante 30 minutos en una probeta graduada. Los valores habituales, para concentraciones de biomasa de 800 – 3500 mg/l oscilan entre 150 y 35 ml. Los valores adecuados de VSZ (velocidades de sedimentación zonal) oscilan en torno a 6 m/h.
Tanto el parámetro IVL como la VSZ se relacionan con la relación A:M previamente definida, de forma que existe un valor óptimo de la relación A:M para la que se consiguen las mejores
39
características de sedimentabilidad de los lodos. Esta dependencia se representa gráficamente (Figura II.6), a partir de los resultados obtenidos en ensayos de sedimentación en columna a escala de laboratorio (Ramalho, 1996).
Según la representación gráfica, unas condiciones óptimas de decantación implican una elevada velocidad de sedimentación zonal y un bajo índice volumétrico del lodo.
La relación A:M óptima corresponde a la zona de la curva comprendida entre los valores 0,6 > A:M > 0,3 (d–1), para los cuales la velocidad de sedimentación zonal (VSZ) alcanza un máximo
y el índice volumétrico de lodos (IVL) un mínimo en la curva que define su relación con A:M.
Figura II.6. Correlación típica entre IVL (índice volumétrico de lodos) y VSZ (velocidad de sedimentación zonal) con la relación A:M (intensidad de carga) (Ramalho, 1996).
Los tres casos a considerar son los siguientes:
1. Para relaciones A:M bajas, como ocurre a valores inferiores a 0,3 d-1, la cantidad
de alimento presente en el sistema es insuficiente para mantener el crecimiento de microorganismos, por lo que se ven obligados a vivir bajo condiciones de respiración endógena. Una célula típica contiene un material citoplasmático rico en proteínas y ácido ribonucleico (ARN) y es la principal porción de la célula que se metaboliza durante un proceso de respiración endógena. El residuo, a medida que queda el metabolismo endógeno, está constituido principalmente por cápsulas celulares muy ligeras que resisten la sedimentación. Esta es la razón por la que a bajas relaciones A:M el lodo tiene unas características de sedimentación
40
muy pobres para su decantación. El lodo obtenido bajo estas condiciones corresponde a flóculos dispersos, tal como se representa en la Figura II.6.
2. Para relaciones A:M elevadas (superiores a 0,6 d-1), hay un predominio de un tipo
de microorganismos de naturaleza filamentosa (Sphaerotilus). Este tipo de colonia no decanta bien, permaneciendo en suspensión casi continuamente. El lodo inflado bajo estas condiciones se denomina bulking.
3. Para valores de A/M comprendidos entre estos extremos, el lodo tiene buenas características de sedimentación, y se denomina floculante.
A modo de resumen:
A:M < 0,3 metabolismo endógeno flóculos dispersos A:M > 0,6 bacterias filamentosas
0,6 > (A:M)opt > 0,3 (d–1)
Después de lo comentado, el tanque de sedimentación o decantador secundario es un elemento integral del proceso de tratamiento por lodos activos y la eficacia global del proceso depende del adecuado funcionamiento de esta unidad. No se puede considerar el diseño de un reactor biológico independientemente del de las instalaciones de sedimentación asociadas. Éstas deben permitir tanto una adecuada capacidad de clarificación del efluente final (impuesto por la normativa), a una velocidad superficial del efluente de 30-40 m3/m2·d, como de espesamiento
(en el rango entre 70 a 140 kg STS/m2·d). El objetivo de compactar el lodo es reducir las
instalaciones de bombeo al calcular el caudal de recirculación para obtener una determinada concentración de microorganismos en el tanque de aireación.
Por tanto, es necesario evitar las pérdidas de sólidos con el efluente y mantener la profundidad de la capa de fango adecuada. Para ello se calcula el caudal óptimo de recirculación y sirve de criterio de diseño del decantador secundario (cálculo del área del sedimentador) para alcanzar un determinado grado de clarificación del efluente o de compactación del fango.
Finalmente, merece comentar que el clarificador primario, si bien no forma parte del esquema global del proceso de lodos activos, sirve para eliminar la materia orgánica en suspensión presente en el vertido y evitar sobrecargas orgánicas en la unidad de tratamiento biológico: controlar ―A‖ de la relación A:M.
De las múltiples posibilidades de combinar los parámetros de operación se obtienen las distintas modificaciones del proceso de lodos activos. En la Tabla II.5 se muestran los parámetros típicos de diseño para distintas modalidades del sistema de lodos activos.
41 Tabla II.5. Parámetros de diseño para el sistema de lodos activos (Tchobanoglous G. y Burton F., 1995)
Modificación del proceso Edad del fango, c (d) A:M (kg DBO5 aplicada · kg-1 SVSLM· d-1) Carga volúmica (kg DBO5aplicada· m-3 · d-1) Sólidos en suspensión (mg/l) Tiempo hidráulico de residencia, (h) Qr/Q Convencional 5 – 15 0,2 – 0,4 0,32 – 0,64 1.500 – 3.000 4 – 8 0,25-0,75 Mezcla completa 5 – 15 0,2 – 0,6 0,80 – 1,92 2.500 – 4.000 3 – 5 0,25–1,0 Aireación prolongada 20 – 30 0,05 – 0,15 0,16 – 0,40 3.000 – 6.000 18 – 36 0,5-1,50 Alta carga 5 – 10 0,4 – 1,5 1,60 – 1,60 4.000–10.000 2 – 4 1,0-5,0