INGENIERÍA HIDRÁULICA Y AMBIENTAL, VOL. XXII, No. 4, 2001
Elida Nodal Becerra, Ingeniera Civil, Especialista de la Empresa de Aguas de La Habana
PROCESOS BIOLÓGICOS APLICADOS AL TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL
Octubre del 2000
Resumen / Abstract INTRODUCCIÓN
Todos los procesos biológicos que se emplean en el tratamiento de agua residual1,2 tienen su origen en procesos y fenómenos que se producen en la naturaleza.
El proceso de tratamiento biológico consiste en el control del medio ambiente de los microorganismos de modo que se consigan condiciones de crecimiento óptimas.
Las principales aplicaciones de estos procesos son: la eliminación de la materia orgánica carbonosa del agua residual, medida como DBO, COT o DQO; la nitrificación;
la denitrificación; la eliminación de fósforo; y la estabilización de fangos.
Los principales procesos biológicos aplicados al tratamiento de agua residual se dividen en cinco grandes grupos:
•
Procesos aerobios: procesos de fangos activados, lagunas aireadas, digestión aerobia, filtros percoladores, filtros de desbaste, sistemas biológicos rotativos de contacto o biodiscos (RBC), biofiltros activados.•
Procesos anóxicos: Denitrificación con cultivo en suspensión, y la denitrificación de película fija.•
Procesos anaerobios: Digestión anaerobia, proceso anaerobio de contacto (UASB), filtro anaerobio, y lecho expandido.•
Procesos anaerobios, anóxicos o aerobios combinados: Proceso de una o varias etapas.•
Procesos en estanques o lagunajes: Lagunas aerobias, lagunas facultativas, lagunas anaerobias y lagunas de maduración o terciarias. Estos procesos en estanques o lagunajes se pueden incluir también en los procesos anteriormente mencionados.A continuación se explicarán algunos de los procesos biológicos, anteriormente mencionados, aplicados al tratamiento de agua residual, que más ampliamente han sido difundidos en todo el mundo.
Este proceso fue desarrollado por primera vez, en Inglaterra en 1914, por Ardern y Lockett, y su nombre proviene de la producción de una masa activada de microorganismos capaz de estabilizar un residuo por vía aerobia.
En el tratamiento biológico de aguas residuales mediante el proceso de fangos activados el residuo orgánico se introduce en un reactor, donde se mantiene un cultivo bacteriano aerobio en suspensión. El contenido del reactor se conoce con el nombre de licor mezclado.
En el reactor, el cultivo bacteriano lleva a cabo la conversión en concordancia general con la estequiometría
En este artículo se exponen de la forma más clara posible algunos de los procesos biológicos aplicados al tratamiento de agua residual que más ampliamente han sido difundidos en casi todo el mundo, a lo largo de los años.
Palabras clave: tratamiento de residuales, procesos de tratamiento.
In this article they are exposed in the possible clearer way some of the biological processes applied to the wastewater of treatment that more thoroughly have been diffused in almost everybody, along the years.
Key words: wastewater treatment, treatment processes.
PROCESOS DE FANGOS ACTIVADOS
de las ecuaciones de "oxidación y síntesis" y "respiración endógena". (En dichas ecuaciones, COHNS representa la materia orgánica del agua residual.)
En este proceso las bacterias son los microorganismos más importantes, ya que son los causantes de la descomposición de la materia orgánica del afluente;
aunque también intervienen otros microorganismos como los protozoos y rotíferos que ejercen una acción de refino de los efluentes.
En el diseño de este proceso es necesario tener en cuenta:
•
Elección del tipo de reactor.•
Criterios de carga; que entre los más comunes están la relación alimento/ microorganismos (F/M) y el tiempo medio de retención celular (θc).•
Producción de fangos; la cual es importante puesto que afecta el diseño de las instalaciones de tratamiento y la evacuación del fango en exceso (purga).•
Necesidades y transferencia de oxígeno.•
Necesidades de nutrientes.•
Control de organismos filamentosos; que su crecimiento es el problema más frecuente en este proceso, la proliferación de estos organismos en el líquido mezcla conduce a la formación de un fango de pobres características de sedimentabilidad; lo cual se controla con la incorporación de un selector.•
Características del efluente.Los principales factores que intervienen en el control del proceso de fango activado son: el mantenimiento de los niveles de oxígeno disuelto en el tanque de aireación;
la regulación de la cantidad de fango recirculado (RAS); y el control de purga de fango activado.
Dentro de los problemas más frecuentes en la explotación de los procesos de fangos activados se encuentran:
•
Los fangos voluminosos, que son aquellos que poseen pobres características de sedimentabilidad y escasa compactabilidad. Sus causas más frecuentes están relacionadas con las características físicas y químicas del agua residual y las deficiencias del proyecto y explotación; además de presentar algunas causas operacionales como las bajas concentraciones de oxígeno disuelto en el tanque de aireación, la falta de nutrientes, las grandes variaciones en la carga orgánica, bajas relaciones alimento/microorganismos, y un gradiente de DBO5 soluble insuficiente.•
El fango ascendente, que en ocasiones es aquel fango de buenas características de sedimentabilidad que flota o asciende hacia la superficie después de un período de sedimentación relativamente corto. Este fenómeno se produce como consecuencia de la denitrificación, proceso en el que los nitritos y nitratos del agua residual se convierten a nitrógeno gas.•
Nocardia, que es la formación de una espuma viscosa de color marrón que cubre los tanques de aireación y los decantadores o sedimentadores secundarios, lo que haprovocado problemas de seguridad, efluentes de baja calidad y malos olores. Algunas causas de los problemas provocados por esta espuma pueden ser relaciones alimento-microorganismo bajas en los tanques de aireación; concentraciones elevadas de sólidos suspendidos en el líquido mezcla (aumentando la edad del fango), debido a una purga insuficiente del fango y la reaireación del fango.
Las lagunas aireadas, se desarrollaron a partir de lagunas de estabilización facultativas, en las que se instalaron aireadores de superficie para eliminar los olores que se producían al estar sometidos a sobrecargas orgánicas.
Este proceso es esencialmente el mismo que el de fangos activados de aireación prolongada convencional (θc = 20 d), excepto que se usa como reactor un depósito excavado en el terreno y el oxígeno se suministra mediante difusores o aireadores superficiales. La microbiología es similar a la de fangos activados. En estas lagunas es posible llevar a cabo el proceso de nitrificación, tanto de forma estacional como continua; y el grado de nitrificación depende del diseño y funcionamiento del sistema y de la temperatura del agua residual.
Los factores que hay que tener en cuenta en el diseño de las lagunas aireadas son:
•
La eliminación de la DBO, que se basa en el tiempo medio de retención celular (valores típicos entre 3 y 6 d), además la eliminación de DBO5 se mide en la entrada y salida de la laguna aireada.•
Las características del efluente, que de ellas las que revisten mayor importancia son la concentración de DBO5 y de sólidos suspendidos.•
La demanda de oxígeno, que la cantidad suministrada oscila entre 0,7 y 1,4 veces la cantidad de DBO5 eliminada.•
Los efectos de la temperatura, que entre los más relevantes se encuentra la reducción de la actividad biológica y de la eficiencia del tratamiento, y la formación de hielo.•
La demanda energética para el mezclado.•
La separación de sólidos.La digestión aerobia es un método alternativo de tratar fangos orgánicos producidos en el curso de las diversas operaciones de tratamiento. Los digestores aerobios se pueden emplear para el tratamiento de fangos activados o filtros percoladores, mezclas de fangos activados o de filtros percoladores con fangos primarios, o fango biológico en exceso de plantas de tratamiento de fangos activados sin sedimentación primaria. También se puede agregar que se usan dos tipos de digestores aerobios, el convencional y el de oxígeno puro.
Los factores a tener en cuenta en el análisis de los digestores aerobios incluyen el tiempo de detención
LAGUNAS AIREADAS
DIGESTIÓN AEROBIA
hidráulica, los criterios de carga, las necesidades de oxígeno, las necesidades energéticas para el mezclado, las condiciones ambientales, y el funcionamiento y explotación del proceso.
El primer filtro percolador se puso en funcionamiento en Inglaterra en el año 1893. El concepto de filtro percolador se originó del uso de filtros de contacto, que eran estanques impermeables rellenados con piedra machacada.
El filtro percolador moderno consiste en un lecho formado por un medio filtrante al que se adhieren los microorganismos, y a través del cual percola el agua residual, fenómeno por el cual recibe nombre el proceso.
El medio filtrante suele estar formado por piedras (su diámetro oscila entre 2,5 y 10 cm), o diferentes materiales plásticos de relleno. La profundidad del lecho varia en cada diseño entre 0,9 y 2,5 m, con una profundidad media de 1,8 m. Los de medio filtrante de piedra suelen ser circulares y los de material plástico pueden ser circulares, cuadrados, o de otras formas y con profundidades entre 4 y 12 m.
La comunidad biológica está compuesta principalmente de bacterias facultativas, nitrificantes, aerobias, anaerobias, hongos, algas y protozoos.
Los principales factores a tener en cuenta a la hora de predecir el adecuado funcionamiento son las cargas orgánicas e hidráulicas y el grado de tratamiento.
Los filtros percoladores se clasifican en función de la carga orgánica en filtros de baja carga, filtros de media y alta carga, filtros de muy alta carga, filtros de desbaste, y filtros de dos etapas.
Filtros de baja carga
Es un dispositivo relativamente sencillo y de gran facilidad, que produce una calidad estable del efluente con independencia de la naturaleza cambiante del afluente.
Generalmente, se mantiene una carga hidráulica constante, no por recirculación, sino por medio de bombas con control del nivel de succión o con sifones dosificadores. Estos bien operados pueden producir un efluente con un elevado nivel de alimentación de DBO y altamente nitrificado. El desprendimiento de olores es un gran problema, en especial si el agua residual es séptica o el clima es caluroso. No se deben ubicar en lugares que el desprendimiento de olores pueda ser un inconveniente.
Filtros de media y alta carga
En estos filtros la recirculación del efluente del filtro o del efluente final permite la utilización de cargas orgánicas más elevadas. En los filtros de media carga el flujo del caudal al filtro suele ser continuo; y los de alta carga se proyectan para cargas notablemente superiores a las correspondientes a los filtros de baja carga, y el caudal es continuo, la recirculación ayuda a prevenir el
encharcamiento y a reducir los problemas de olores y proliferación de moscas.
Filtros de muy alta carga
Estos filtros de muy alta carga trabajan a altas cargas hidráulicas y orgánicas. Las principales diferencias entre estos y los de alta carga radican en las mayores cargas hidráulicas y la mayor profundidad.
Filtros de desbaste
Son filtros de alta carga que se proyectan para trabajar con cargas orgánicas superiores a 1,6 kg/m3.d y cargas hidráulicas elevadas, superiores a 187 m3/m2.d. Se utilizan como pretratamiento del agua residual antes del tratamiento secundario, y usa medios plásticos. Se emplean principalmente para reducir la carga orgánica aplicada a los procesos posteriores y para obtener una nitrificación estacional. Tienen tendencia al uso de medios sintéticos, con profundidades entre 3,7 y 12 m. Su funcionamiento depende de la temperatura, y necesitan tasas altas de recirculación por las cargas hidráulicas elevadas. La actividad biológica es similar a la de un filtro percolador.
Filtros de dos etapas
En el tratamiento de aguas residuales muy concentradas se suele usar un sistema de dos filtros en serie con un decantador intermedio para la eliminación de sólidos generados en el primer filtro. El filtro de la primera etapa y el clarificador reducen la DBO carbonosa y en la segunda etapa se produce la nitrificación.
Sistemas biológicos rotativos de contacto o biodiscos (RCB) Un biodisco consiste en una serie de discos circulares de poliestireno o cloruro de polivinilo, situados sobre un eje, a corta distancia unos de otros; los discos están parcialmente sumergidos en el agua residual y giran lentamente en el seno de la misma.
Los biodiscos se pueden utilizar como tratamiento secundario, y también para la nitrificación y desnitrificación estacionales o permanentes. Son fiables debido a la gran cantidad de biomasa presente.
En el diseño de un sistema de biodiscos, se debe prestar atención a:
•
La distribución en etapas de las unidades de biodiscos.•
Los criterios de carga.•
Las características del efluente•
Los tanques de sedimentación.Este diseño se basa en la DBO soluble por unidad de superficie (kgDBO5/m2), o en el caso de la nitrificación (kgNH3/m2), y se pueden diseñar para llevar a cabo tratamientos secundarios o avanzados.
Los problemas operacionales que presentan los sistemas de biodiscos están relacionados con la rotura del medio, fallos en los cojinetes de apoyo, y problemas de olores.
FILTROS PERCOLADORES
El proyecto de biodiscos se basa en el uso de parámetros de diseño, como la carga hidráulica, la carga orgánica (DBOT eliminada del afluente y la DBOT del efluente), la carga máxima sobre la primera etapa (gDBOS/
m2.d y gDBOT/m2.d), la carga de NH3 (gNH3/m2.d), tiempo de detención hidráulica (h), DBO5 en el efluente (mg/ L) y el efecto de la temperatura.
La digestión anaerobia es uno de los procesos más antiguos usados en la estabilización de fangos. En el se produce la descomposición de la materia orgánica e inorgánica en ausencia de oxígeno molecular.
En este proceso la materia contenida en la mezcla de fangos primarios y biológicos se convierte biológicamente, bajo condiciones anaerobias, en metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2). Este proceso se lleva a cabo en un reactor completamente cerrado, de forma continua e intermitente, y permanecen en su interior durante períodos de tiempo variables.
Los dos tipos de digestores más empleados son: los de baja carga, los cuales no se suelen calentar, ni mezclar el contenido del digestor, con tiempos de retención entre 30 y 60 días; y los de alta carga, en los que el contenido se calienta completamente, con tiempos de detención hidráulica de 15 días o menos.
Las ventajas de estos con respecto a los aerobios vienen condicionadas por el lento crecimiento de las bacterias formadoras de metano.
En este proceso el residuo que se quiere tratar se introduce por la parte inferior del reactor. El agua residual fluye en sentido ascendente a través de un manto de fango constituido por gránulos o partículas formadas biológicamente. El tratamiento se produce al entrar en contacto el agua residual y las partículas. Los gases producidos en condiciones anaerobias (CH4, CO2) provocan una circulación interior que colabora en la formación y mantenimiento de gránulos, y parte del gas generado dentro del fango se adhiere a las partículas biológicas. En el DQO de entrada está entre 5 000 y 15 000 mg/ L, el tiempo de detención hidráulica entre 4 y 12 h, la carga orgánica entre 4,00 y 12,00 gDQO/ L.d, y la eliminación de DQO entre 75 y 85 %.
El filtro anaerobio es una columna rellena de diversos tipos de medios sólidos que se utiliza para el tratamiento de la materia orgánica carbonosa contenida en el agua residual. El agua a tratar fluye en sentido ascendente entrando en contacto con el medio sobre el que se desarrollan y fijan las bacterias anaerobias. Este filtro puede conseguir tiempos medios de retención celular de alrededor
de los 100 días, con bajos tiempos de detención hidráulica.
Pueden emplearse para el tratamiento de residuos de baja concentración a temperatura ambiente.
En este proceso, el agua residual a tratar se bombea a través de un lecho de material adecuado (arena, carbón, conglomerado expandido) en el que se ha desarrollado un cultivo biológico. El efluente se recircula para diluir el agua entrante y mantener un caudal adecuado que asegure que el medio se halle expandido.
Una de las ventajas de este método es la recuperación de metano, un gas, de gran utilidad.
Los sistemas de lagunaje se utilizan para estabilizar aguas residuales o desechos orgánicos, lo que de forma casual o no, es tan antigua como la naturaleza misma, los cuales no se empezaron a usar hasta la segunda mitad del siglo XX.
Una laguna de estabilización es una estructura simple para embalsar agua, de poca profundidad (entre 1 y 4 m), con períodos de retención (entre 1 y 40 días), y de fácil construcción con respecto a otros sistemas de tratamiento.
Los sistemas de lagunaje se pueden clasificar con relación a la presencia de oxígeno en: aerobios, facultativos, anaerobios y de maduración o terciarios.
Lagunas Aerobias
En su forma más simple, son grandes depósitos excavados en el terreno, de poca profundidad, que se emplean en el tratamiento de agua residual por medio de procesos naturales, que incluyen el uso de bacterias y algas; presentan condiciones aerobias en toda su profundidad. De este tipo de lagunas existen dos tipos, una que su objetivo es maximizar la producción de algas, con profundidad entre 15 y 50 cm; y otra que su objetivo es maximizar la cantidad de oxígeno producido, con profundidad de hasta 1,5 m. La eficacia de estas lagunas en la eliminación de DBO5 es alta, por encima del 95 %.
Lagunas Facultativas
En estas lagunas la estabilización se lleva a cabo mediante una combinación de bacterias facultativas, anaerobias y aerobias. En dichas lagunas existen tres zonas; una zona superficial en la que existen bacterias aerobias y algas en una relación simbiótica; una zona, intermedia, que es parcialmente aerobia y anaerobia en la que la descomposición de los residuos orgánicos la llevan a cabo las bacterias facultativas; y una zona, inferior anaerobia en la que se descomponen activamente los sólidos acumulados por la acción de las bacterias anaerobias. Estas lagunas se alimentan con agua residual procedente de un proceso previo de desbaste o con el efluente de un tratamiento primario.
DIGESTIÓN ANAEROBIA
PROCESO ANAEROBIO DE MANTO DE FANGO DE FLUJO ASCENDENTE (UASB)
PROCESO DE FILTRO ANAEROBIO
PROCESO DE LECHO EXPANDIDO
TRATAMIENTO POR ESTANQUE O LAGUNAJE
Lagunas Anaerobias
Se utilizan para el tratamiento de agua residual de alto contenido orgánico, que también contenga una alta concentración de sólidos. Son generalmente profundas, excavadas en el terreno y dotadas de un sistema de conducciones de entrada y salida adecuadas. Los residuos a tratar sedimentan en el fondo de la misma, y el efluente parcialmente clarificado se vierte a otro proceso posterior.
Estas lagunas son anaerobias en toda su profundidad, excepto en una estrecha franja cercana a la superficie.
Tienen una eficacia en eliminación de DBO5 superior al 70 %, aunque a veces se logran de hasta un 85 %.
Son diseñadas para mejorar la calidad de los efluentes secundarios y para la nitrificación estacional. Su funcionamiento implica la respiración endógena de los sólidos biológicos residuales y la conversión del amoníaco en nitrato mediante el suministro de oxígeno por reaireación superficial y por la presencia de algas. Se han propuesto para ellas tiempos de detención de 18 a 20 d como el mínimo necesario para conseguir la respiración endógena completa de los sólidos residuales. Y para mantener las condiciones aerobias, las cargas aplicadas deben ser bastantes bajas.
CONCLUSIONES
REFERENCIAS
OCTUBRE DEL 2000
LAGUNAS DE MADURACIÓN O TERCIARIAS
Una vez terminado este artículo, que trata sobre los procesos biológicos aplicados al tratamiento de agua residual, se puede arribar a la conclusión que existe una gran diversidad de procesos aplicados al tratamiento de agua residual, entre los que se pueden mencionar los fangos activados o cienos activados; los filtros percoladores; los sistemas de contacto rotativos o biodiscos; el UASB; las lagunas aireadas; los filtros anaerobios; los biofiltros activados; los procesos de lecho expandido; los sistemas de lagunaje, que incluyen las lagunas aerobias, facultativas, anaerobias y de maduración o terciarias; la digestión aerobia y anaerobia, entre otros.
1. GORDON, M. et al.: Ingeniería sanitaria y aguas residuales: purificación de aguas y tratamiento de aguas residuales. Tomo II, Editorial Limusa-Wiley, S.A., Primera edición, México.
2. DÍAZ PÉREZ BETANCOURT, RAÚL: Tratamiento de aguas y aguas residuales, ISPJAE, Ciudad de La Habana, 1987.
3. CEPIS/HPE/OPS/OMS. Manual de lagunas de estabilización y otros sistemas simplificados para el tratamiento de aguas residuales, Lima, Perú, febrero 1985.
